Разработка функционального блока для автоматизации диагностики бортовых волоконно-оптических линий связи

Дипломный проект На тему

«Разработка функционального блока для автоматизации диагностики бортовых волоконно-оптических линий связи»

Выполнил Наговицын А.А.

студент группы ЭКТ-53

Консультант Матюшкин И.В.

• Москва 2012 г.

С течением времени используемая в ракетно-космической технике аппаратура постоянно претерпевает изменения. Совершенствование технологий приводит к увеличению потоков цифровой информации. Традиционно в бортовых системах космических аппаратов дистанционного зондирования Земли для передачи информации использовались электрические линии связи. Однако, ввиду возросших требований к космической аппаратуре, способы реализации бортовых линий связи потребовали пересмотра.

В ходе рассмотрения различных вариантов реализации межсистемных линий связи было предложено использовать оптоволоконные линии, которые имели ряд преимуществ по сравнению с традиционными электрическими линиями связи. Использование волоконно-оптических линий связи позволяло кардинально решить проблемы влияния побочных излучений при передаче данных по линиям связи и обеспечило возможность работы в условиях внешних жестких электромагнитных помех. Кроме того, использование оптоволокна привело к улучшению массогабаритных показателей аппаратуры.

Таким образом, было принято решение о внедрении волоконно-оптических линий связи и их компонентов для передачи информации в космической аппаратуре. Волоконно-оптические системы передачи, разрабатываемые для космических аппаратов, положительно прошли все наземные испытания. Однако оптоволоконные линии в космической аппаратуре ранее не использовались, и их применение было связано с рядом трудностей. В первую очередь, было необходимо разработать специализированные волоконно-оптические компоненты, соответствующие требованиям к космической аппаратуре дистанционного зондирования Земли. Но и этого объема работ было недостаточно, чтобы гарантировать безотказную работу волоконно-оптических линий передач. Встал вопрос о том, как провести более полный анализ и проверку волоконно-оптической системы передачи для космических аппаратов и ракетоносителей.

Целью дипломного проектирования является разработка блока диагностики бортовых волоконно-оптических линий связи (цифрового блока волоконно-оптической передачи — ЦБВОП), который имитирует работу бортовой волоконно-оптической системы передачи и обеспечивает диагностику волоконно-оптических линий передач в автоматическом режиме с выдачей результатов в телеметрическую систему космического аппарата.

Техническое задание на разрабатываемую аппаратуру включает в себя следующие требования назначения:

1) ЦБВОП предназначен для:

— формирования цифрового тестового сигнала для диагностики работоспособности волоконно-оптических линий передачи;

— передачи через волоконно-оптические кабели тестового сигнала и его последующего приема;

— автоматической диагностики работоспособности волоконно-оптических линий передачи путем проверки достоверности передаваемого тестового сигнала;

— формирования и выдачи в телеметрическую систему результатов проведения диагностики работоспособности волоконно-оптических линий передачи.

2) ЦБВОП должен работать только в режиме диагностики работоспособности волоконно-оптических линий передачи.

3) ЦБВОП должен обеспечивать проверку подстыковки волоконно-оптических кабелей в процессе сборки ракетоносителя.

4) ЦБВОП должен обеспечивать выдачу цифровой информации с частотой смены слова 10Гц. Слово представляет собой 12-разрядный параллельный код.

5) Выходные сигналы с ЦБВОП должны выдаваться относительно общего провода, не связанного гальванически с корпусом ракетоносителя и цепями питания «27В» ВОЛП-ЦИ.

6) Включение ЦБВОП должно обеспечиваться путем подачи на него питающего напряжения 27 В.

1. Литературный обзор: «Анализ систем приема и преобразования информации космических аппаратов дистанционного зондирования Земли»

1.1 Обзор этапов развития цифровой видеоинформации в многоканальных системах приема и преобразования информации высокого разрешения

Цифровая обработка видеоинформации (ВИ) в системах приема и преобразования информации (СППИ) отечественных комплексов космических аппаратов (КА) дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) традиционно строилась с межблочным разделением ее функций.

В СППИ первого поколения КА ДЗЗ аналого-цифровое преобразование (АЦП) и последующая цифровая обработка и упаковка ВИ производились в отдельных от оптико-электронного преобразования (ОЭП) блоках. Выходы блоков АЦП через жгуты бортовой кабельной сети подключались к блокам последующей (вторичной) цифровой обработки. Как правило, это были блоки сжатия видеоинформации и блоки формирования радиокадра. Выходы блоков сжатия через бортовые жгуты подключались к входам блоков формирования радиокадра. Длина радиокадра определялась его заголовком и общим количеством пикселей в строке всех четных или нечетных фотоприемников с зарядовой связью (ФПЗС), установленных в фотозоне блока ОЭП. В радиокадре последовательно передавались маркер, служебная часть радиокадра и массив специнформации, содержащий обработанную (сжатую) видеоинформацию строки изображения.

Таким образом, цифровая обработка и упаковка видеоинформации в многоканальных системах КА ДЗЗ ранее производились построчно. Обобщенная структурная схема СППИ, реализованных в бортовой аппаратуре первых отечественных КА ДЗЗ показана на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 Обобщенная структурная схема СППИ.

Обобщенная структурная схема СППИ содержит следующие блоки обработки информации:

ОЭП — один или несколько блоков оптико-электронного преобразования, содержащих линейные или матричные ФПЗС;

АЦП — блок аналого-цифрового преобразования;

БСИ — блок сжатия видеоинформации;

БФК — блок формирования радиокадра;

БНВИ — блок накопления информации (цифровой магнитофон);

РП — блок радиопередатчиков.

Данная структура построения СППИ была обусловлена отсутствием электронных компонентов высокой степени интеграции. Для реализации многоканальной бортовой аппаратуры требовалось увеличить степень интеграции блоков или электронной элементной базы.

Совершенствование технологии электронного производства в начале 1980;х годов достигло такого уровня, который позволил приступить к разработке больших интегральных схем (БИС), содержавших сотни простых логических элементов. Стоимость таких схем, ввиду малых серий производства, была достаточно высокой, и, как следствие, их функциональные возможности определялись требованиями серийнопригодности. Вскоре БИС нашли широкое применение в бытовой и вычислительной технике, что позволило существенно снизить их себестоимость. В середине 1980;х годов уровень интеграции микросхем достиг нескольких тысяч логических элементов.

Такие микросхемы классифицировалось уже как сверхбольшие интегральные схемы (СБИС). Однако к тому времени стало ясно, что, несмотря на высокую универсальность микропроцессоров, сам их принцип действия, обусловленный большим количеством промежуточных операций по пересылке цифровых данных в оперативную память и обратно, является фактором, сдерживающим скоростные характеристики систем обработки информации и управления. Особенно это было заметно в военной технике, авиации и космонавтике.

Как в нашей стране, так и за рубежом, в 1980;е годы параллельно с развитием СБИС и микропроцессорной техники начали проводиться научно-исследовательские работы, а затем и опытно-конструкторские работы, ставившие своей целью разработку универсальных программируемых СБИС. Это позволило бы иметь в арсенале разработчиков уникальной электронной аппаратуры универсальные цифровые приборы — СБИС с перестраиваемой архитектурой. Первыми программируемыми БИС, появившимися в результате проводившихся работ, стали базовые матричные кристаллы (БМК). Их архитектура базировалась на использовании достигнутого в то время уровня интеграции жесткой логики, которая строилась на использовании простейших вентильных схем. Набор вентилей выполнялся в виде матрицы на кремниевом кристалле. Относительную гибкость данной технологии придавали конкретные линии связей элементов универсальной матрицы, выполнявшиеся с использованием дополнительных фотошаблонов. Тем не менее, архитектура БМК не позволяла полностью исключить дополнительные операции с кристаллами.

Впервые этого удалось добиться в программируемых логических матрицах (ПЛМ). ПЛМ содержали двухуровневую структуру, состоящую из вентилей И и ИЛИ, с программируемыми пользователями соединениями. Разработчик электронной аппаратуры, опираясь на теорию логического синтеза и минимизации логических схем, мог использовать их при синтезе любой логической функции. Однако уровень сложности проекта, реализуемого в ПЛМ, имел существенные ограничения. Дальнейшим шагом в развитии технологии программируемых схем был переход к архитектуре составных программируемых логических устройств (ПЛУ), появившихся в конце 80-х годов прошлого столетия и получивших наименование CPLD (Complex Programmable Logic Device). Они выпускались как в нашей стране, так и за рубежом и допускали значительное увеличение реализуемых функций, выполнявшихся на одном кристалле. Фактически, программируемые логические интегральные схемы типа CPLD представляют собой набор схем ПЛУ с выполненными на этом же кристалле схемами программируемых соединений между ними, чем обеспечиваются дополнительные возможности в построении логических структур обработки информационных потоков.

Практически параллельно с разработкой структур программируемых БИС типа CPLD были разработаны СБИС программируемой логики типа FPGA (Field Programmable Gate Array). По сравнению с устройствами CPLD типа, ПЛИС типа FPGA содержат намного большее число меньших по своему размеру отдельных логических блоков, имеющих развитую распределенную структуру внутренних соединений. В настоящее время за границей выпускаются ПЛИС обоих типов.

Появление ПЛИС ознаменовало новый этап в развитии систем дистанционного зондирования Земли. Теперь стало возможным увеличение степени интеграции аппаратуры СППИ и, как следствие, оптимизация структуры построения систем. Так, например, в аппаратуре СППИ КА ДЗЗ «Ресурс ДК» третьего поколения блок АЦП был интегрирован в блок ОЭП, а упаковка видеоинформации производилась в блоках сжатия. Цифровая обработка и упаковка информации происходит только в два этапа межблочного разделения: на первичном в блоках ОЭП и вторичном в блоках сжатия и упаковки ВИ.

Структурная схема одного из каналов современной многоканальной СППИ третьего поколения космического аппарата «Ресурс-ДК» показана на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2. Структурная схема одного из каналов системы приема и преобразования информации космического аппарата дистанционного зондирования Земли «Ресурс-ДК»

Блок ОЭП имеет шесть зон компенсации, каждая из которых содержит по шесть ФПЗС матриц. Уровень сигналов на регистровых выходах ФПЗС с временной задержкой и накоплением (ВЗН) соответствует суммам поступивших на входы столбцов пикселей, отраженных от точек объекта энергией световых потоков. Многоканальная СППИ высокого разрешения «Сангур-1» базируется на использовании ФПЗС «Круиз» с временной задержкой и накоплением, разработанных и изготовленных в НПП «Электрон-Оптроник» по заказу НПП «ОПТЭКС» специально для КА ДЗЗ «Ресурс-ДК». Формат матрицы ФПЗС «Круиз» составляет 1024 элемента в строке на 128 элементов в столбце с размерами пикселя 9×9 мкм. Как видно из приведенной структурной схемы, в СППИ цифровая обработка видеоинформации выполнена с межблочным разделением на первичную обработку в блоках ОЭП и вторичную в блоках сжатия ВИ.

Тракт цифровой обработки ВИ состоит из трех блоков ОЭП, в фотозоне которых установлено по 36 ФПЗС с ВЗН. Суммарная длина строки блока ОЭП составляет 36 000 пикселей. Использование ФПЗС матриц нового типа и высокопроизводительных микросхем позволило значительно увеличить полосу приема видеоинформации, а также уменьшить размер пикселя, что привело к значительному увеличению объемов принимаемой видеоинформации.

Суммарный объем данных в цифровых потоках видеоинформации на входах подсистемы цифровой обработки видеоинформации для одного ОЭП в единицу времени определяется выражением:

(1.1)

Где — количество ФПЗС в зоне компенсации ОЭП;

— количество аналоговых информационных выходов одного ФПЗС; - количество фотоприемных ячеек в строке, включая темновые ячейки на один регистровый выход ФПЗС;

— разрядность преобразованной в АЦП аналоговой видеоинформации; - скорость движения изображения в центре фокальной плоскости ОЭП, мм/с;

— количество зон компенсации в одном ОЭП;

— размер фотоприемной ячейки в направлении движения изображения, мкм.

Для увеличения скорости считывания ВИ ФПЗС матрицы в блоке ОЭП имеют по два 10-разрядных выхода, которые заводятся на входы АЦП. Через первый регистровый выход с прямой последовательностью номеров считывается видеоинформация с первого по пятьсот двенадцатый пиксель. Через второй регистровый выход с обратной последовательностью номеров считывается видеоинформация с тысяча двадцать четвертого по пятьсот тринадцатый пиксель. При этом АЦП обрабатывает видеоинформацию только с одного выхода ФПЗС матрицы. Суммарное количество регистровых выходов ФПЗС в блоке ОЭП равно 72. С целью уменьшения количества выходных жгутов блока ОЭП было введено попиксельное уплотнение ВИ в три раза, которое осуществляется путем мультиплексирования каналов трех АЦП в один цифровой поток.

С учетом предварительного уплотнения в ОЭП каналов ВИ в три раза общее количество передатчиков в линии связи определяется из выражения:

(1.2)

и составляет для одного ОЭП КА «Ресурс-ДК», имеющего 6 зон компенсации, 288 передатчиков.

Так как пропускная способность используемых в настоящее время радиоканалов ограничена, в СППИ производится сжатие передаваемой видеоинформации. Это позволяет снижать информационные затраты на передачу видеоинформации. Однако в процессе эксплуатации СППИ КА ДЗЗ «Ресурс-ДК» выявилось, что трансформаторные линии связи работают практически на пределе своих возможностей. А скорость передачи информации по электрическим линиям связи ограничивается скоростью передачи через герметизированные электрические разъемы с максимальной частотой работы в 30 МГц.

С течением времени стало видно, что аппаратная реализация СППИ с межблочным разделением функций цифровой обработки и упаковки ВИ практически подошла к своему верхнему пределу. Поэтому в системах следующих поколений было принято решение объединить этапы цифровой обработки и упаковки видеоинформации, которые решаются в отдельных блоках системы, в единые моноблоки — интегральные оптико-электронные преобразователи (ИОЭП).

Структурная схема СППИ КА ДЗЗ с использованием ИОЭП представлена на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 Структурная схема системы приема и преобразования информации космического аппарата дистанционного зондирования Земли без межблочного разделения функций

Объединение этапов цифровой обработки и упаковки видеоинформации было компенсировано повышением степени интеграции аппаратуры СППИ. Цифровая обработка и упаковка ВИ производится непосредственно в ячейках тракта обработки сигнала (ТОС) блоков ИОЭП КА ДЗЗ в ПЛИС. Также в ИОЭП интегрирована часть функций блоков управления и тактового питания.

Таким образом, с развитием новых технологий аппаратура космических аппаратов постоянно модернизируется и постепенно возрастает не только степень интеграции, но и объем передаваемой информации. Соответственно с увеличением скорости передачи данных возросло и количество линий связи, что привело к резкому повышению уровня помех и электромагнитных наводок при передаче данных и поставило под угрозу качество и надежность аппаратуры.

К тому же, современные линии передачи составляют значительную часть от массы всей аппаратуры. Сопоставительный анализ массы блоков для вариантов исполнения СППИ представлен в таблице 1.1.

Таблица 1.1. Сопоставительный анализ массы блоков.

1.2 Анализ волоконно-оптических линий связи, используемых в ракетно-космической технике

К настоящему времени способы передачи информации аппаратуры КА ДЗЗ потребовали некоторого пересмотра.

Одним из наиболее перспективных решений данного вопроса является внедрение волоконно-оптических линий связи для передачи информации в аппаратуре КА.

Первоначально рассматривалось 4 варианта реализации межсистемных линий связи:

1. Высокоскоростной двунаправленный сетевой интерфейс Space Wire.

На сегодняшний день существуют интерфейсные приемные и передающие микросхемы, обеспечивающие реализацию данного интерфейса как иностранного производства, так и разработанные отечественными фирмами.

Рассматриваемый интерфейс допускает передачу информации на тактовой частоте до 400 МГц. Обмен в Space Wire осуществляется по 4-м дифференциальным линиям связи с использованием LVDS передатчиков и согласованных с ними LVDS приемников. При этом сами линии связи должны быть выполнены с использованием импортных кабелей, содержащих витые пары с нормированным волновым сопротивлением, не выпускающихся в настоящее время в России. Кроме того, для применения в аппаратуре КА ДЗЗ должны быть использованы соответствующие герметичные высокочастотные разъемы, что также достаточно проблематично. Особенностью интерфейса Space Wire является также то, что он разработан для сетевого двухстороннего обмена, его протокол и все интерфейсные микросхемы выполнены с учетом данного обстоятельства. Это существенно затрудняет его использование при реализации линий связи между СППИ и системой накопления информации, где необходимо реализовать одностороннюю передачу информации по схеме «точка-точка».

2. Был предложен к рассмотрению интерфейс передачи информации, используемый в современных авиационных комплексах, с тактовой частотой до 400 МГц.

Рассматриваемый интерфейс разработан с учетом односторонней передачи информации по схеме «точка-точка» по согласованной линии связи, содержащей две витые пары. Для его реализации не требуются специальные интерфейсные схемы, а в качестве приемников и передатчиков используются LVDS микросхемы.

Однако при его использовании на частотах до 400 МГц линии связи должны быть так же, как и в Space Wire выполнены с использованием импортных кабелей, содержащих витые пары с нормированным волновым сопротивлением и соответствующие герметичные высокочастотные разъемы.

3. Был предложен вариант использования в линии передачи информации новых импортных микросхем многоканальных высокочастотных LVDS приемников и передатчиков со встроенными непосредственно в кристаллы мультиплексорами и демультиплексорами, что позволяет на передающем конце сворачивать параллельную шину, а на приемном снова ее разворачивать. При этом сокращается количество линий в канале связи до одной дифференциальной витой пары, и могут достигаться скорости передачи информации до 1 Гбит в секунду. Однако с увеличением потока передаваемых данных требования к самим линиям проводной передачи и соединителям существенно возрастают, что ограничивает возможность использования данного интерфейса на борту КА.

4. Был также рассмотрен вариант использования интерфейса SerDes, позволяющего вести передачу информации на расстояния до 50 метров по витой паре проводов на частоте 1,32 ГГц. При этом скорость передачи при использовании интерфейса SerDes может достигать 1,056 Гбит в секунду. Однако и в этом случае требуются высокочастотные герметичные соединители и согласованные высокочастотные проводные линии связи. Кроме того, при работе с такими частотами передачи цифровой информации по проводам в многоканальной аппаратуре возникает большая вероятность взаимовлияния каналов. В процессе обсуждения интерфейса было высказано мнение о необходимости рассмотрения возможности использования наряду с интерфейсом SerDes волоконно-оптической линии передачи.

После рассмотрения данного предложения было принято решение о внедрении волоконно-оптических линий связи и их компонентов для передачи информации в аппаратуру космических аппаратов, так как они имеют ряд преимуществ перед электрическими линиями связи:

— низкая масса волоконно-оптических линий связи позволяет сократить массу линий связи более чем в 10 раз;

— высокая пропускная способность волоконно-оптических линий связи позволяет практически снять ограничения по скорости передачи информации, которая раньше ограничивалась скоростью передачи информации через герметичные электрические соединители;

— устойчивость волоконно-оптических линий связи к помехам и электромагнитным наводкам обеспечивает защиту передаваемой информации и электромагнитную совместимость при работе с другой аппаратурой космического аппарата;

— устойчивость волоконно-оптических линий связи к радиации, необходимая для данного типа систем;

— полная гальваническая развязка волоконно-оптической линии передачи обеспечивает электрическую независимость СППИ от системы накопления ВИ;

— небольшие габаритные размеры линий связи и оптических компонентов позволяют значительно сократить габаритные размеры СППИ;

— низкая потребляемая и рассеиваемая мощность при передаче информации значительно сокращает энергопотребление СППИ.

В настоящее время компоненты волоконно-оптических линий широко используются в боевой авиации, на подводных лодках, в составе подвижных комплексов противовоздушной обороны, а также имеются примеры использования ВОЛП и на космических объектах. Так, по заявлению представителей ОАО «НПК СПП» на борту международной космической станции вот уже в течение 11 лет работает волоконно-оптическая линия в системе передачи телеметрической информации.

Однако, учитывая специфичность систем приема и преобразования информации КА ДЗЗ, необходимо пересмотреть методы построения систем передачи для использования на КА ДЗЗ. Разработан целый ряд волоконно-оптических компонентов, которые удовлетворяют требованиям по использованию в аппаратуре СППИ КА ДЗЗ:

— оптические передатчики;

— оптические приемники;

— семейство оптических кроссов;

— оптические соединители;

— линии связи для применения внутри блока ОЭП;

— линии связи между ОЭП и аппаратурой накопления ВИ;

— линии связи, используемые в аппаратуре накопления ВИ и контрольно-измерительной аппаратуре.

Типовая схема волоконно-оптической линии передачи информации для СППИ КА ДЗЗ изображена на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4. Схема волоконно-оптической линии передачи.

Обеспечение надежности волоконно-оптических компонентов достигается за счет:

— применения материалов и комплектующих изделий, поставляемых от надежных и аттестованных поставщиков;

— применения технологии монтажа, пайки компонентов ЭРИ на печатную плату и контроля отработанной технологии.

Каждое изделие подвергается проведению испытаний, таких как:

— визуальный контроль монтажа перед заваркой корпуса;

— виброиспытания в диапазоне частот;

— многократные удары;

— одиночные удары;

— термообработка перед заваркой корпуса;

— электротермообработка;

— проверка внешнего вида и маркировка;

— проверка габаритных, установочных и присоединительных размеров;

— проверка оптических и электрических параметров;

— проверка функционирования при повышенной рабочей температуре;

— проверка функционирования при пониженной рабочей температуре;

— проверка функционирования при воздействии низкочастотной вибрации.

Волоконно-оптические системы передачи, разрабатываемые для космических аппаратов, положительно прошли все наземные испытания.

Тем не менее, поскольку ВОЛП в аппаратуре СППИ КА ДЗЗ стали использоваться впервые, выполненного объема работ было недостаточно, чтобы гарантировать безупречную работу линий в бортовой системе. Стало ясно, что ВОЛП требуют многократных испытаний, которые не должны ограничиваться только проверкой работоспособности оптического волокна. Наряду с ним в диагностике нуждаются всевозможные разъемы и оптические компоненты, входящие в состав линии. Из этого следует, что ВОЛП нуждаются в комплексной проверке, которая предполагает проверку всего тракта приема и передачи информации. Обеспечить такую проверку представляется возможным только после этапа прокладки ВОЛП на борту ракетоносителя (РН). Это позволило бы тестировать линию, имитируя реальные условия в бортовой системе.

1.3 Понятие отказа в технических системах. Анализ отказов в оптоволоконных линиях связи

Все более возрастающие требования к надежности цифровых систем вызывают необходимость создания и внедрения современных методов и технических средств контроля и диагностики для различных стадий жизненного цикла.

Под надежностью и безопасностью технической системы понимается ее защищенность от случайных или преднамеренных вмешательств в нормальный процесс ее функционирования. Такие вмешательства могут привести как к единичным сбоям в работе, так и к общему отказу системы.

Отказ — это событие, заключающееся в нарушении работоспособности объекта, когда один или несколько рабочих параметров выходят за допустимые пределы. Отказы возникают вследствие отказов отдельных составляющих, расстройки, разрегулирования, разрушения или изменения структуры объекта, а также при воздействии внешних помех.

Отказы относятся к малоизученным явлениям. Это объясняется, прежде всего, тем, что время возникновения отказа зависит от большого числа случайных факторов, его трудно исследовать и еще труднее измерить.

Время возникновения отказа или время работы системы между отказами представляют собой явления случайные. Наблюдая за внешними проявлениями отказов, можно видеть, что они приводят к различным последствиям, таким как полное прекращение работы системы, ухудшение ее характеристик и временное прекращение работы с последующим восстановлением. Случайность времени отказов связана со случайными изменениями: условий эксплуатации, технологического процесса, условий транспортировки и прочих.

Отказавшая система обычно восстанавливается, так как ее отказы могут возникнуть из-за отказов элементов различного типа, расположенных в различных местах сложной системы. Время восстановления также является случайной величиной.

Существует 4 стадии эксплуатации изделия:

1) Исправное состояние — это состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической и/или конструкторской документации.

2) Работоспособное состояние — это состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и/или конструкторской документации.

3) Неработоспособное состояние — это состояние объекта, при котором значения хотя бы одного параметра, характеризующего способность выполнять заданные функции, не соответствует требованиям нормативно технической и/или конструкторской документации.

Рисунок 1.5. Связь технического изделия: 1 — повреждение; 2 — отказ; 3 переход в предельное состояние; 4 — восстановление; 5 — ремонт.

4) Предельное состояние — это состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна, либо восстановление его работоспособного состояния невозможно или нецелесообразно.

Отказы в оптоволоконных линиях связи.

В оптоволокне отказы, в первую очередь, могут быть вызваны изломом оптоволоконного кабеля. Излом оптоволокна приводит к полной потере передаваемого сигнала. При этом процедура восстановления волоконно-оптической линии связи заключается в поиске оператором места разрыва и ручной спайке волокна либо полной замене кабеля.

Однако не только излом кабеля может стать причиной нарушения передачи информации. Наряду с прочими механическими повреждениями к полной или частичной потере передаваемого сигнала может привести перегиб оптоволоконного кабеля. В зависимости от радиуса изгиба существует риск возникновения микротрещин, приводящих к росту потерь сигнала. При недостаточно большом радиусе изгиба увеличивается затухание тракта, а при слишком малом — возможны поломки световедущих частей оптических кабелей.

Следует также иметь ввиду, что волоконно-оптический тракт даже в самой минимальной конфигурации не может ограничиваться кабелем. В состав линии могут входить всевозможные оптические компоненты, среди которых оптические передатчики и приемники, оптические соединители и специализированные оптические компоненты. Внешние механические воздействия нередко приводят к смещению разъемов друг относительно друга, в результате чего происходит потеря сигнала.

Крайне важна заделка оптоволокна в разъем, ведь от этого зависит эффективность перехода световых импульсов в местах соединений. Поэтому во всех инструкциях по волоконно-оптическим линиям связи на подготовку и заделку оптических разъемов обращают особое внимание. Заделанный в разъеме конец оптоволокна герметизируют клеем, эпоксидной смолой или другим заполнителем. Не заделанное должным образом волокно может стать одной из наиболее вероятных причин отказа оптоволоконной системы.

1.4 Выводы

Таким образом, анализ средств передачи данных в ракетно-космической технике показал, что традиционные линии связи не удовлетворяют предъявленным требованиям. В качестве одного из вариантов реализации межсистемных линий связи было предложено использовать оптическое волокно, что повлекло за собой принятие решения о внедрении оптоволоконных линий связи в бортовые системы. Однако гарантировать безотказную работу волоконно-оптических линий передач в бортовой системе не представлялось возможным в связи со специфичностью области их применения. Был проведен анализ отказов в оптоволоконных линиях связи, который выявил необходимость обеспечения проверки тракта приема и передачи информации на борту космического аппарата.

2. Специальный раздел: «Разработка экспериментального блока для проведения диагностики бортовых волоконно-оптических линий передач цифровой информации в автоматическом режиме»

2.1 Разработка технических требований для блока диагностики волоконно-оптических линий передач в составе ракетоносителя

Был поставлен вопрос о проведении натурных испытаний ВОЛП в составе РН. Решением данного вопроса стало создание блока, имитирующего работу бортовой волоконно-оптической системы передачи и обеспечивающего диагностику работы волоконно-оптических линий передачи с выдачей результатов в телеметрическую систему РН для подтверждения работоспособности оптического приемника (ОПРМ), оптического передатчика (ОПРД), волоконно-оптических кабелей, оптических кроссов и оптических соединителей в условиях эксплуатации, действующих на РН.

Для этого необходимо разработать систему диагностики, которая будет удовлетворять следующим требованиям:

— формирование цифрового тестового сигнала для диагностики работоспособности волоконно-оптических линий передачи;

— передача через волоконно-оптические кабели тестового сигнала и его последующего приема;

— автоматическая диагностика работоспособности волоконно-оптических линий передачи путем проверки достоверности передаваемого тестового сигнала;

— формирование и выдача в телеметрическую систему РН результатов проведения диагностики работоспособности волоконно-оптических линий передачи;

— формирование и выдача в телеметрическую систему РН телеметрической информации о состоянии работы блока.

Вследствие большой разницы в значениях виброускорений, помех по цепям питания, температурных воздействий, а также других параметров воздействия на волоконно-оптические линии связи, было принято решение о разработке комплекта ВОЛП-ЦИ (волоконно-оптической линии передачи цифровой информации) из трех блоков диагностики ЦБВОП для более детального изучения поведения волоконно-оптических линий связи при воздействии внешних факторов в условиях эксплуатации, действующих на РН. Комплект каждого блока включает в себя блок ЦБВОП и необходимые оптические компоненты. Так как значения внешних возмущающих факторов на ступенях РН сильно различаются, то предусмотрен монтаж нескольких комплектов блока ЦБВОП на РН (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1. Состав комплекта ВОЛП-ЦИ Также при разработке были учтены требования, обеспечивающие совместимость комплекта ВОЛП-ЦИ с системами РН:

— ВОЛП-ЦИ должна работать только в режиме диагностики работоспособности волоконно-оптических линий передачи;

— ВОЛП-ЦИ должна обеспечивать проверку подстыковки волоконно-оптических кабелей в процессе сборки РН;

— ВОЛП-ЦИ (ЦБВОП) должна обеспечивать выдачу в ТМ-систему РН цифровую информацию с частотой смены слова 10 Гц. Слово представляет собой 20 разрядный параллельный код;

— запись информации в выходной регистр ЦБВОП должна осуществляется с использованием синхронизирующих импульсов;

— выходные сигналы с ЦБВОП в ТМ-систему должны выдаваться относительно общего провода, не связанного гальванически с корпусом РН и цепями питания «27 В» ВОЛП-ЦИ. Соединение общих измерительных проводов друг с другом и с корпусом РН должно осуществляться со стороны ТМ-системы;

— блок ЦБВОП должен обеспечивать передачу тестового сигнала по волоконно-оптическим линиям связи на расстояние до 200 м.;

— включение ВОЛП-ЦИ должно обеспечиваться путем подачи на нее питающего напряжения 27 В;

— напряжение питания должно выдаваться на ВОЛП-ЦИ по двум отдельным фидерам «+27 В» и «-27 В». Для защиты шины питания в ВОЛП-ЦИ допускается установка плавких предохранителей;

— шины питания внутри ВОЛП-ЦИ не должны иметь соединения с корпусом РН ни по одному из полюсов питания, а при периодическом возникновении такого соединения вне ВОЛП-ЦИ в процессе испытаний РН, либо случайном соединении в ВОЛП-ЦИ или в любой другой аппаратуре в процессе эксплуатации РН ВОЛП-ЦИ должна сохранять работоспособность;

— отказ любого элемента ВОЛП-ЦИ или самопроизвольное его срабатывание не должно приводить к отказу ВОЛП-ЦИ или невозможности дальнейшего выполнения ВОЛП-ЦИ функциональных задач.

2.2 Структурная схема ячейки ЦБВОП

Каждый комплект ЦБВОП включает в себя следующие оптические компоненты: оптический кросс (ОПКрС) и три оптических кабеля (рисунок 2.2).

Блок ЦБВОП имеет три электрических и два оптических разъема. К электрическим разъемам относятся:

— разъем питания +27 В «ПИТ»;

— информационный разъем обмена с ТМ-системой РН «ИНФ»;

— технологический разъем для прошивки микросхем блока «ТЕХН».

Оптические разъемы являются информационными и включают в себя оптический выход и оптический вход.

Рисунок 2.2. Схема блока ЦБВОП с оптическими компонентами Оптический кросс ОПКрС (2×2) представляет собой пассивный оптический разветвитель — 2 входа и 2 выхода.

Структурная схема оптического кросса ОПКрС представлена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3. Структурная схема оптического кросса ОПКрС (2×2)

Назначение оптического кросса — контроль выходной оптической мощности в оптической линии при работе блока на этапе наземных испытаний в составе РН.

Блок ЦБВОП генерирует тестовую последовательность сигналов для передачи информации в волоконно-оптическую линию связи, после чего сигнал проходит через оптический кросс и возвращается в блок для анализа прохождения тракта волоконно-оптической передачи. Предусмотрена возможность определения ослабления оптической мощности сигнала через технологический волоконно-оптический кабель. Таким образом, можно диагностировать качество стыковки волоконно-оптических кабелей во время испытаний и монтажа на РН. Для этого к FC-FC адаптеру необходимо подключить измеритель оптической мощности, а на блок ЦБВОП подать питание.

Волоконно-оптическая линия передачи, которая проходит испытания в составе РН, спроектирована для передачи информации из системы приема и преобразования информации в систему накопления видеоинформации. Соответственно, для диагностирования ВОЛП необходимо создать условия, максимально имитирующие работу системы СППИ.

В первую очередь необходимо использовать аналогичную СППИ элементную базу. При выполнении этого условия можно создать условия, максимально точно воспроизводящие тракт передачи информации.

Во-вторых, необходимо обеспечить автономную работу блока. Для выполнения этого условия блок работает по жестко заданному алгоритму в стационарном режиме.

После подачи на блок напряжения питания производится непрерывное генерирование определенного информационного сигнала, передаваемого с оптического передатчика блока, и далее, через оптическую линию связи (оптические кабели и оптический кросс), сигнал поступает на вход оптического приемника этого же блока. Переданные тестовые информационные массивы сравниваются с принятыми массивами информации. По результатам сравнения переданного и принятого массивов информации блок формирует отчетную информацию для передачи в телеметрическую систему РН.

Структурная схема формирования тестового сигнала, передачи и приема информации в цифровом блоке волоконно-оптической передачи и передачи отчетной информации в телеметрическую систему представлена на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4.Структурная схема блока ЦБВОП комплекта ВОЛП-ЦИ.

2.3 Анализ элементной базы ячейки ЦБВОП

Для имитации выходного информационного потока СППИ, анализа информации и формирования телеметрических отчетов используется микросхема ПЛИС XC2V4000_5BF957I семейства VIRTEX-II в корпусе с 957 выводами, используемая в ячейке обработки ВИ СППИ.

Микросхема XC2V4000−5BF957I является программируемой логической интегральной схемой, т. е. пользователь может ее запрограммировать для своих конкретных целей. Для загрузки ПЛИС в блоке ЦБВОП используется технологический разъем «ТЕХН». Конфигурационные данные формируются с помощью программного пакета XILINX Foundation. Одной из особенностей ПЛИС является то, что она не имеет постоянной конфигурационной памяти, для этого фирма XILINX выпускает к каждой модели ПЛИС рекомендуемую микросхему постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). Для XC2V4000−5BF957I будем использовать ПЗУ XCF32P.

Для составления схемы электрической принципиальной не обязательно наличие готовой логической схемы конфигурации ПЛИС. Однако необходимо знать назначение всех выводов микросхем и иметь расчет фильтров питания.

Фильтры питания состоят из параллельно соединенных конденсаторов, которые при определенном скачке напряжения не дадут резко изменить уровень на своих контактах (переходные процессы). Выбор фильтров не имеет принципиального значения и зависит от количества задействованных пользовательских выводов и выводов под питание. В блоке ЦБВОП была применена схема фильтров, используемая в ячейке ТОС для обеспечения аппаратной имитации СППИ.

Все пины делятся на пользовательские (которые можно использовать по своему усмотрению в зависимости от загруженной логики), зарезервированные (имеют определенную закрепленную за собой функцию) и пины по питанию (питание внешних выводов, питание внутренней логики и земля).

— IO_LXXY — пользовательские входы-выходы.

Входы-выходы с двойной целью (которые становятся пользовательскими после процесса конфигурирования ПЛИС):

— DIN/D0-D7 — входы-выходы конфигурации.

Применяются при конфигурировании ПЛИС, причем пин DIN используется при загрузке конфигурации с компьютера, а D0-D7 — с ПЗУ.

— CS_B — пин, отвечающий за выбор кристалла;

— RDWR_B — пин разрешения на конфигурацию;

— BUSY/DOUT — устанавливает очередность во время конфигурирования ПЛИС с нескольких ПЗУ;

— INIT_B — пин подготовки к загрузке ПЛИС, очистка;

— GCLKx (P), GCLKx (P) — входы-выходы для принятия и выработки тактирующих сигналов, сигналов генераторов;

— VRP, VRN, VREF — вспомогательные пины.

Входы-выходы с тройной целью:

— D2, D4/ALT_VRP, D3, D5/ALT_VRN — возможно использование их вместо соответствующих пинов с двойной целью, если они заняты.

Описание основных входов-выходов по питанию:

— VCCO — питание внешних выводов (3,3 В);

— VCCINT — питание внутренней центральной логики (1,5 В);

— VCCAUX — вспомогательное питание (3,3 В);

— GND — земля.

Все пины, выделенные под питание, подключаем к соответствующим схемам стабилизации и фильтрам.

Загрузка конфигурационных данных может производиться как через ПЗУ, так и через параллельный кабель. Способ конфигурации определяется запаянным контактом.

Конфигурирование устройств Virtex II — процесс, состоящий из трех фаз. В первой фазе конфигурирования очищается память. Следующая фаза — загрузка данных в конфигурационную память. Наконец, активизируется логика (фаза Start-Up).

Для передачи информации в волоконно-оптическую линию используется интерфейсная микросхема GigaSTaR .

GigaSTaR (от англ. Gigabit/s Serial Transmitter and Receiver) представляет собой универсальный высокоскоростной двухточечный канал связи. Он состоит из двух устройств: передатчик INGT165 и приемник INGR165.

Передатчик INGT165 преобразует параллельно передаваемые данные до 36-и бит в последовательный поток двоичных сигналов. Дифференциальные выходы логической схемы, работающей в токовом режиме, могут быть напрямую подключены к экранированной витой паре на расстоянии до 50 метров, либо непосредственно к входам оптоволоконных модулей для обеспечения связи на более дальние расстояния.

Приемник INGR165 преобразует последовательный поток двоичных сигналов в исходный формат параллельно передаваемых данных. Это происходит без участия пользователя и без затраты времени и ресурсов на выполнение протокольных функций.

Внутренние высокоскоростные средства обеспечивают синхронизацию сигналов, кодирование/декодирование потока двоичных сигналов и установление тактовой синхронизации после сбоя. Линии связи GigaSTaR могут работать параллельно, масштабируя ширину полосы пропускания кратно 1.188 Гбит/с (скорость передачи данных).

Параллельный интерфейс передатчика способен поддерживать различные режимы работы, обеспечивая тем самым максимальную гибкость для конкретной прикладной системы. Параллельный интерфейс передатчика представлен на рисунке 2.5.

Управляющие сигналы:

RESET# - асинхронный активный малый сигнал сброса. После включения питания и активации генератора тактовых импульсов необходимо поддерживать RESET# в режиме малого сигнала в течение хотя бы 1мс. Канал начинает функционировать, как только сигнал приемника LSYNC# становится низким.

Рисунок 2.5 Параллельный интерфейс передатчика

LOCK='1' - свидетельствует о том, что внутренняя фазовая автоматическая подстройка частоты (ФАПЧ) заблокирована. Если LOCK не был назначен, передатчик не готов к работе.

PARGEN='1' - активирует внутреннее формирование сигнала четности. В этом режиме входной вывод контроля по четности не учитывается. Происходит генерирование внутреннего бита контроля по четности, который затем передается.

Внутренний флаг устанавливается по положительному фронту FLAGI и вставляется в конце информационного слова во время передачи. Приемник декодирует флаг из последовательности двоичных сигналов и устанавливает соответствующий уровень на выходе FLAGO. Сигнал может использоваться для обозначения конечной отметки блока данных.

VALID='1' - сообщает передатчику о том, что данные доступны. После установки VALID происходит запуск RDCLK. PDATA[35.0] отсчитывает каждый положительный фронт RDCLK. Отключение VALID приводит к блокировке RDCLK, и через канал GigaStar начинают передаваться избыточные биты до тех пор, пока синхронизация не будет установлена.

Параллельный интерфейс приемника представлен на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 Параллельный интерфейс приемника

RESET# - асинхронный активный малый сигнал сброса. После включения питания и активации генератора тактовых импульсов необходимо поддерживать RESET# в режиме малого сигнала в течение хотя бы 1мс. Канал начинает функционировать, как только сигнал приемника LSYNC# становится низким.

LOCK='1' - свидетельствует о том, что внутренняя ФАПЧ заблокирована. Если LOCK не был назначен, передатчик не готов к работе.

EQLSEL — активирует внутренний стабилизатор для обеспечения возможности использования кабелей длиной более 10 метров.

FLAGO — выходной флаг боковой полосы частот. По умолчанию состояние флага после сброса принимает значение «0».

Бит состояния LSYNC# назначается в том случае, если приемник GigaStar синхронизирован с поступающим потоком двоичных чисел. Если приемник не синхронизирован должным образом, LSYNC# не устанавливается.

Приемник постоянно осуществляет контроль четности каждого переданного слова и сравнивает его с битом четности. Несоответствие выражается в ошибке передачи, в ходе чего назначается сигнал PERR# для данного цикла информации. LSYNC# сбрасывается, и приемник начинает повторную синхронизацию канала связи.

Гальваническая развязка вывода ТМ-информации в ТМ-систему РН осуществляется с помощью транзисторной оптопары 249КП1С (рисунок 2.7). Эта транзисторная оптопара предназначена для использования в качестве бесконтактных ключевых элементов в схемах, требующих электрической изоляции входных и выходных цепей.

Рисунок 2.7 Схема расположения и электрическая схема выводов Соответственно, нам необходимо подключить выходные каналы к ножкам, как показано в таблице 2.1.

Таблица 2.1 Назначения выводов

Схема стыковки системы РН с блоком ЦБВОП показана на рисунке 2.8.

Рисунок 2.8. Схема стыковки системы РН с блоком ЦБВОП

2.4 Анализ средств диагностики ячейки ЦБВОП

Выходная информация блоков ЦБВОП передается непрерывно в течение всего времени работы и формируется независимо друг от друга с каждого блока.

Она не зависит от стационарного времени РН и начинает передаваться сразу после подачи питания на блоки. Для определения фронтов информации при передаче используется сигнал сопровождения информации, передаваемый по одному из разрядов информационного массива блока ЦБВОП комплекта ВОЛП-ЦИ.

Состав и структура информационного массива блока ЦБВОП комплекта ВОЛП-ЦИ представлена в таблицах 2.2 и 2.3.

Таблица 2.2. Состав кадра выходной информации блока ЦБВОП

Таблица 2.3. Структура кадра выходной информации блока ЦБВОП.

Информационный массив отчетов информации состоит из следующих телеметрических параметров диагностики блока ЦБВОП и линии ВОЛП:

— количество битых слов за 0,1 с (КБС) — подсчитывает количество слов, прошедших через волоконно-оптическую линию передачи (ВОЛП) в течение 0,1с, в которых были обнаружены ошибки после приема и сравнения их с исходной информацией. Выходной информацией является отчет об ошибках передачи за предыдущую 0,1с. относительно времени передачи отчета. Время передачи одного отчета — 0,1с. Так как в 0,1с времени проходит около 3−4 млн. слов, а отведенное количество бит равно шести, для качественной оценки информация кодируется по логарифмической шкале. Соответствие передаваемых значений параметра «КБС» и количества сбитых слов за 0,1с представлено в таблице 2.4;

Таблица 2.4. Соответствия передаваемых значений параметра «КБС»

— количество отчетов со сбоями в работе ВОЛП за 5 с (КСР) — подсчитывает количество отчетов «КБС» в течение 5 секунд, в которых были обнаружены сбои в передаче информации через ВОЛП. Выходной информацией является отчет об ошибках в передачи за предыдущие 5с. относительно времени передачи отчета. Время передачи одного отчета _ 5с. За это время отсылается 50 отчетов по 0,1с. Так как количество отведенных бит равно шести, информация кодируется по логарифмической шкале. Соответствие передаваемых значений параметра «КСР» и количества сбоев в ВОЛС за 5 с представлено в таблице 2.5.

Таблица 2.5. Соответствие передаваемых значений параметра «КСР»

Блок ЦБВОП имеет несколько характерных особенностей, которые важны для декодирования информации. Соответственно, были выработаны требования к приему и декодированию информационных массивов:

— прием информационных массивов должен производиться непрерывно на частоте аппаратуры телеметрических систем;