MICROPROCESADORES EN AVIÓNICA

MICROPROCESADORES
EN AVIÓNICA
Antonio Bautista Pardo.
Microprocesadores para comunicaciones.
5º E.T.S.I.T.
Curso 2007/08.
Microprocesadores en aviónica.
Curso 2007/2008.
MPC.
INDICE
-
¿Qué es la aviónica?
Algunos sistemas de aviónica
-
Introducción
-
Sistemas COTS
-
Procesadores en aviónica
PC7448
PC8641D
Otros procesadores
-
Buses en aviónica
ARINC 429
ARINC 664
-
Aplicaciones
SAFEE
ADS-B
-
Referencias
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Microprocesadores en aviónica.
Curso 2007/2008.
MPC.
¿Qué es la aviónica?
La aviónica, del inglés, avionics y éste de aviation (aviación) y
electronics (electrónica), son los sistemas electrónicos instalados en las
aeronaves para su mando y control.
El cambio más radical que la aviación ha experimentado desde la
aparición del motor a reacción, ha sido, sin duda, la aplicación de la informática
a las cabinas de vuelo (cockpit), persiguiendo dos motivos principales: reducir
la carga de trabajo en cabina, mejorando con ello la seguridad, y aumentar la
rentabilidad de la operación.
De este rediseño de la cabina derivan no pocas consecuencias y algún
que otro trauma, como por ejemplo la paulatina reconversión de un querido
miembro de la tripulación técnica, el mecánico de vuelo, hasta hace pocos años
imprescindible.
La cantidad de electrónica que se ha introducido en las aeronaves en los
últimos años relacionada con la navegación, la aproximación, el aterrizaje, la
instrumentación general, etc. es tremenda. Cualquiera que haya tenido
oportunidad de entrar en la cabina de un avión de última generación, tras una
mirada rápida, se ha dado cuenta que los únicos instrumentos redondos
convencionales son el anemómetro, el altímetro y horizonte.
Aunque los nuevos sistemas integrados nos puedan parecer más
complejos, ya que están basados en tecnología digital (bus digitales de datos,
microprocesadores, etc.) lo cierto es que en apariencia visual nos da sensación
de haber descargado tremendamente las cabinas. Por ejemplo, si
consideramos, el Boeing 747-400, este tiene 150 indicadores menos que el
más antiguo de los B737.
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Algunos sistemas de aviónica.
Los sistemas de aviónica se dividen en 3 grandes grupos:
Sistemas autónomos:
No necesitan equipo de tierra para funcionar. Dentro de este grupo
tendríamos los de control de vuelo, de navegación, de motor o de control del
avión.
Sistemas dependientes:
Necesitan de los equipos de tierra para funcionar. Estos son sistemas
que sin antenas, torres de control y otras ayudas que tienen en tierra los
aviones sería una utopía volar. Estos son los de aproximación, los de radares,
de emergencia, telemétricos o satelitales entre otros muchos.
Sistemas electrónicos integrados multifunción
En este grupo se incluyen todos esos sistemas que no pueden incluirse
dentro de los otros dos, pero que son igualmente necesarios. Hablamos, por
nombrar a los más conocidos, del piloto automático o del sistema de alerta de
tráfico.
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Introducción
Hoy en día los procesadores con lo que se diseña los sistemas de
aviónica de los aviones, tanto comerciales como militares, no se caracterizan
por ser excesivamente complejos, ya que cada sistema de los que se
implementa (ordenadores de vuelo, sistemas para el tren de aterrizaje,
radares…) utiliza procesadores cuyos núcleo no trabajan a mas de 2 Ghz y las
memorias caché no suelen superar el megabyte de capacidad. Sin embargo en
algunas ocasiones si podremos encontrar procesadores que tengan mas de un
núcleo pero nunca mas de 2.
Sin embargo la verdadera importancia de que la aviónica funcione se
consigue gracias a la utilización de buses que permiten conectar todos estos
sistemas de una forma óptima, lo que disminuye la complejidad en el diseño de
los aparatos y proporciona una mayor seguridad. Estos buses aparecen porque
a medida que la aviónica se volvía mas compleja, aumentaban las conexiones
y el número de cables que atravesaban los aviones, debido a que antes estas
conexiones se realizaban punto a punto, por tanto había que encontrar la
manera de enviar muchos datos por pocos cables y que la vez se tratara de un
sistema seguro y robusto que no condujera a fallos.
Esquema de un bus
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Sistemas COTS
En la actualidad el uso de software basado en COTS (Commercial OffThe-Shelf) se ha hecho muy común dado que ofrece una solución de
infraestructura y aplicaciones en áreas como es el tema que estamos tratando.
Ya se ha pasado la etapa en la que las empresas se daban el lujo de producir
sus propias aplicaciones de bases de datos, redes y la infraestructura de
administración de la interfaz de usuario.
Ventajas
 Disponibilidad inmediata.
 Evita el desarrollo costoso.
 Evita el mantenimiento costoso.
 Buena funcionalidad.
 Actualizaciones frecuentes que anticipan las necesidades del cliente.
 Organización dedicada al soporte.
 Independencia de hardware y software.
Desventajas
 Retrasos por licenciamiento.
 Pagos por licenciamiento.
 Pagos frecuentes por mantenimiento.
 Confiabilidad desconocida o inadecuada.
 No se tiene control de las actualizaciones y mantenimiento.
 Dependencia al proveedor.
Cuando un cliente adquiere un software COTS este tiene que adaptar
sus necesidades a las ofertas del mercado. El proveedor puede agregar
algunas partes que requiera el cliente pero no todas. Esto significa que el
cliente no puede esperar que todos sus requerimientos estén en la solución
adquirida. Los requerimientos para integrar un nuevo sistema COTS con uno
ya existente son difíciles porque los proveedores pueden utilizar diferentes
formas de integrarlo y con otros sistemas diferentes. Cuando ya se ha realizado
la compra el proveedor puede tener un monopolio de facto ya que solo él
puede ampliar el sistema o integrarlo con otros sistemas.
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Procesadores en aviónica
Hoy en día y debido a la fuerte competitividad existente entre las
compañías que fabrican los aviones, conocer exactamente que procesadores y
para que se utilizan en los sistemas de aviónica se antoja complicado. Se sabe,
más o menos, que procesadores se mueven en el mercado de la aviación pero
su verdadera aplicación dentro de los sistemas de aviónica es un misterio salvo
para algunos caso puntuales. Entre estos casos puntuales tenemos 2
procesadores: el PC7448 y el PC8641D. Sin embargo se conoce la existencia
de otros muchos de los que no se sabe para que se utilizan, pero si que se
utilizan en los sistemas de aviónica.
PC7448
Este es un procesador fabricado por varias compañias entre las que se
encuentran Atmel, Freescale… Se caracteriza por su alto rendimiento unido a
su bajo consumo y su tecnología de 90nm. Es un procesador de tipo RISC,
superescalar con un bus de datos de 32 bits y memoria caché de 1 Megabyte.
Su frecuencia de trabajo oscila entre 1 y 1,25 Ghz según diferentes versiones y
su aplicación en el campo de la aviónica se refleja en el diseño de radares y de
las pantallas que se usan dentro de la cabina o cockpit. Este diseño se
caracteriza porque es ideal para aplicaciones embebidas y para uso donde la
fiabilidad y las condiciones externas afecten notablemente al funcionamiento
del procesador.
PC8641D
Al igual que en el caso anterior este procesador esta fabricado por varias
compañías. Sus características principales son aun alto rendimiento, como todo
procesador que se emplee en aplicaciones de aviónica, y una latencia muy baja
entre el microprocesador y la memoria caché. La tecnología utilizada es de
90nm y a diferencia del anterior este implementa una estructura de doble
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núcleo con caché individual para cada uno de ellos su frecuencia de trabajo
llega hasta 1,5 Ghz y se utiliza para diseñar los ordenadores de a bordo de los
aviones. Es también un procesador superescalar y aporta una característica
bastante interesante como es el multiprocesamiento simétrico (SMP) que
permite que se ejecute un SO en cada núcleo pero desde el punto de vista del
programador parece que esta escribiendo uno solo.
Otros procesadores
También existen otros procesadores en el mercado con características
similares con respecto a la frecuencia de trabajo y a la memoria pero que
debido al secretismo no se conoce exactamente cual es su aplicación práctica
en cada uno de ellos.
PC603R
PC107
PC8245
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Buses en aviónica
Una vez hemos hablado de los procesadores que se utilizan en los
sistemas de aviónica, vamos a comentar que es lo que necesitan estos
sistemas para que funcionen y se puedan enlazar entre si sin provocar ningún
tipo de problemas al avión. Para conseguir esto se hace uso de los buses que
son la clave para que todos los diseños de procesadores y sistemas de
aviónica que los llevan funcionen correctamente. Su desarrollo se llevo a cabo
para facilitar las conexiones entre los distintos sistemas y gracias a su robustez
podemos enviar gran cantidad de datos sin temor a que se produzcan fallos.
Hoy en día estos buses deben implantar sistemas de seguridad como los
sistemas modulares triples o los buses duplicados.
La conexión de los buses puede ser unidireccional o bidireccional
(requiriéndose para esta dos buses, uno para cada sentido). También se
pueden utilizar diferentes topologías para conectar los sistemas LRU. Este tipo
de conexión permite que múltiples transmisores puedan transmitir a múltiples
receptores mediante diversos buses. Este tipo de tecnología, que casi parece
que fuera punto a punto, proporciona una alta fiabilidad a la hora de transmitir
grandes paquetes de datos.
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ARINC429
Es el bus de datos más comúnmente empleado en los aviones de
transporte comercial. ARINC 429 son unas especificaciones que definen como
los equipos y sistemas de aviónica deben comunicarse entre sí. Éstos están
interconectados por pares trenzados. La transmisión y recepción se hace por
puertos distintos de modo que son necesarios bastantes cables en los aviones,
ya que éstos usan un gran número de sistemas de aviónica. Las palabras con
la que se transmiten los datos son de 32 bits y la conexión a través de los
distintos puertos proporciona una gran fiabilidad y seguridad a la hora de
transmitir los datos.
ARINC664/AFDX
El bus ARINC 664/AFDX es el bus que hoy en día se esta implantando
en los aviones mas modernos. Las siglas AFDX (Avionics Full Duplex Switched
Ethernet) hacen referencia a un estándar que define las especificaciones
eléctricas y el protocolo para el intercambio de datos entre subsistemas de la
aviónica. Se caracteriza porque es mil veces mas rápido que su predecesor, el
ARINC429, porque usa palabras de 32 bits para el intercambio de datos y
porque las conexiones entre los diferentes sistemas de avionica son mediante
ethernet y no “casi” punto a punto como en el ARINC429.
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Aplicaciones
Gracias a todos estos procesadores y buses, día a día, los aviones se
convierten en medios más seguros, prácticos y cómodos para transportar a
millones de personas a través de todo el mundo. Se trabaja en la mejora de los
sistemas de avionica, en las comunicaciones, en la seguridad de los sistemas y
los pasajeros… y todo eso es consecuencia a la evolución constante a la que
se someten todos los microprocesadores y buses, los que existen y los que
están por diseñar.
De entre todo lo que se trabaja para mejorar he rescatado dos sistemas:
SAFEE Y ADS-B.
SAFEE
SAFEE, acrónimo de Security of Aircraft In The Future European
Environment (seguridad aérea en el futuro entorno europeo), es un proyecto
con el que se intenta restablecer la seguridad total en la industria del transporte
aéreo, gracias a la creación de un sistema de seguridad avanzado que evite los
ataques terroristas en los vuelos y corrija la trayectoria del avión si es
necesario, para impedir que se estrelle contra un edificio o una montaña. El
sistema se basa en la instalación de cámaras y sensores en las cabinas, que
detectan gestos y conversaciones de los pasajeros durante el vuelo. Cualquier
anomalía sospechosa genera una alerta que puede abortar un secuestro aéreo
o desencadenar un sistema de gestión de emergencia, que conducirá
automáticamente al aparato hasta el primer aeropuerto. El SAFEE fue lanzado
en febrero de 2004 con la participación de empresas como Airbus, EADS, BAE
Systems, Siemens, Thales, Airtel, con el apoyo de la Comisión Europea. El
sistema podría estar disponible comercialmente entre 2010 y 2012.
ADS-B
El equipo utilizará servicios de posicionamiento basados en satélites y
enlaces aéreos para transmitir la posición, velocidad y otra información de los
aviones a tierra, permitiendo a los aviones eliminar un gran número de
sistemas de radares secundarios que están en uso en la actualidad, y que
proporcionan información similar pero menos precisa. El ADS-B ha sido elegido
como el sistema de vigilancia de próxima generación que estará activo en el
año 2020. El sistema transmitirá elementos de 15 datos, como longitud y
anchura del avión, posición, velocidad, altitud barométrica, matrícula, categoría
de la aeronave (en función de su estela turbulenta), así como la aviónica de la
que dispone o el equipo de emergencia que lleva a bordo. Todo ello posibilitará
dirigir a los aviones por aerovías mucho más precisas que optimicen las
separaciones y las altitudes, lo que a su vez redundará en el ahorro de
combustible. Además, el equipo permitirá a los controladores situar más
aviones en un espacio aéreo determinado, incrementando así la capacidad de
éste. Se estima que debido al crecimiento que está experimentando la aviación,
junto con los aviones no tripulados, para el 2025 los actuales radares serán
insuficientes. Además creen que la implementación de este sistema supondrá
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un horro de 10 billones de dólares, principalmente por el combustible, los
costes operativos y la reducción de las distancias para el 2035.
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Referencias

www.wikipedia.es

www.ads-b.com

www.aviationtoday.com

www.powerdeveloper.org

www.eetimes.com

www.atmel.com

www.freescale.com

www.arinc.com

www.vatmex.org

www.isdefe.es

Trabajo de la asignatura de 4º ETSIT Integracion de equipos para
comunicaciones, “buses para aviónica”

klabs.org/richcontent/conferences/faa_nasa_2005/presentations/cotsskaves.pps
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