Estudio y adaptación de la tarjeta de aviónica ARINC429

Realizado por José Carlos Fernández Redondo.

Curso 2016/17.

Contenido:

Resumen

El presente Trabajo Fin de Grado trata sobre la gestión, estudio, sustitución y adaptación de una tarjeta de comunicaciones debido a su obsolescencia. La tarjeta utiliza el estándar ARINC 429, y está instalada en un equipo dentro de un sistema de aviónica, que gestiona el tráfico de comunicaciones que se produce en las aeronaves.

La aviónica y sus sistemas han soportado un llamativo avance en estos últimos años, dicho avance ha sido impulsado por la rápida evolución de la electrónica en ésta última década. Las aeronaves cada año van incluyendo sistemas con mayor complejidad y mayor autonomía, haciendo de ellas aparatos aún más seguros y eficientes. Por lo que estos sistemas han llegado a ser imprescindibles para cualquier aeronave.
Dentro de las aeronaves existen sistemas con los que esta prácticamente se puede controlar sin que el piloto opere directamente en los mandos. Podemos encontrar sistemas para casi cualquier función, desde sistemas complejos como TACAN “Tactical Air Navigation”, hasta sistemas más simples como un manómetro.
Dicho avance electrónico ha provocado en la última década, que muchos de esos sistemas se tengan renovar y actualizar, para poder adaptarse a las nuevas necesidades, de ahí que aparezcan obsolescencias en sus equipos y sea necesario sustituir partes de ellos.
La tarjeta de comunicaciones que vamos a tratar en este TFG está instalada en la mayoría de las aeronaves comerciales que se fabrican actualmente. La tarjeta se encuentra instalada dentro de un sistema de comunicaciones en aviónica, que incluye un equipo con certificación RTCA llamado MIC “MIDS Interface Computer” parte del sistema tipo MIDS (Multifunctional Information Distribution System), fabricado por la empresa TECNOBIT y que se instala en las nuevas aeronaves de la compañía AIRBUS, concretamente en el avión de transporte A400M.
ARINC 429 es la tarjeta encargada de recibir todas las comunicaciones que se producen entre equipos y sistemas de una aeronave. Con el fin de gestionar la información de la manera más eficiente  y evitando, en lo posible, la instalación de largas tiradas de cables por la aeronave. Grandes tiradas de cableado para cada sistema suponen un mayor peso, lo que provoca que él avión tenga menor capacidad y por tanto sea menos eficiente. Dicho peso es bastante significante, ya que en una sola aeronave podemos encontrar kilómetros de cables, siendo la reducción de peso del cableado una de las medidas prioritarias a tener en cuenta en el diseño de una aeronave.
En el siguiente trabajo fin de grado veremos como realizar los cambios oportunos para sustituir la tarjeta con el estándar ARINC 429 obsoleta. Para ello realizaremos un estudio de las tarjetas que tenemos en el mercado, las comparamos y haremos los cambios necesarios para adaptar, tanto Hardware, como software la nueva tarjeta con el objetivo de que el equipo siga ofreciendo los mismos servicios.

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Introducción

a. Motivación

Este trabajo fin de grado, se centra en el estudio, comparación y adaptación de una tarjeta electrónica de comunicación, cuyo estándar es ARINC 429. Dicha tarjeta está integrada en el equipo de aviónica MIC (MIDS Interface Comunications) fabricado por la empresa TECNOBIT. Este equipo realiza la función de comunicación y intercambio de datos, entre los muchos sistemas que están integrados en aeronaves de la compañía AIRBUS, concretamente en la aeronave A400M.
La aviónica y las comunicaciones son mundos muy diferentes pero aunque no lo parezca están muy unidos. Los sistemas de comunicaciones son de los más importantes y de los que mayor peso tienen dentro de una aeronave, siendo de vital importancia para que todo pueda transcurrir con normalidad. Gracias al avance tecnológico sufrido en las comunicaciones en estos últimos años, la aviónica ha podido evolucionar y avanzar a pasos agigantados.

b. Objetivos

El principal objetivo que se va a tratar en este trabajo fin de grado, es la gestión de obsolescencia de la tarjeta de comunicaciones con el estándar ARINC 429. La cual está instalada en el equipo de aviónica MIC (MIDS Interface Comunications), fabricado por la empresa TECNOBIT.
El equipo MIC se diseñó en 2008. En ese diseño se incluyó como tarjeta ARINC 429 el modelo CEI-830 fabricado por la empresa ABACO, modelo que en esos años estaba a la vanguardia de las tarjetas electrónicas con estándar ARINC 429. Debido al gran avance de la aviónica, dicha tarjeta ha quedado obsoleta, ya que en las aeronaves actuales alojan muchos más sistemas que en 2008 y consumen un mayor número de recursos.
En el presente trabajo fin de grado, ha de realizarse un estudio de la línea de productos ARINC que se distribuyen actualmente. Se debe de buscar un modelo de tarjeta electrónica con el estándar ARINC 429, que cumpla con todas las funciones y requisitos necesarios para asegurar una larga vida de operación al sistema donde está instalada, además es necesario tener la posibilidad de aumentar el rendimiento y las funciones para futuras aplicaciones o mejoras.
Una vez realizado el estudio de los productos ARINC, la tarjeta escogida debe de adaptarse su Hardware, su Firmware y su Software de tal manera que sea compatible con la procesadora del equipo MIC, realizándose los cambios mínimos para que así sea. También la nueva tarjeta ARINC 429 debe de soportar una serie de pruebas climáticas y unas pruebas de vibraciones, que aseguren que es apta para soportar las condiciones extremas a las que va a estar expuesta cuando pase a estar operativa dentro del equipo MIC.

c. Equipo MIC

El equipo MIC, es una evolución de los equipos tipo Link de la empresa tecnológica TECNOBIT para su uso en los aviones AIRBUS A400M y en el AIRBUS A330-200 MRTT. Equipo de bajo peso y alta capacidad de proceso, diseñado para el manejo de toda la información Link 16 recibida del MIDS-LVT (Multifunctional Information Distribution System) para su posterior comunicación con el computador embarcado de misión.
Link 16  (http://www.tecnologiaeinnovacion.defensa.gob.es/es-es/Contenido/Paginas/detalleiniciativa.aspx?iniciativaID=90) es una red táctica militar de intercambio de datos utilizada por Estados Unidos y las Naciones OTAN. Su especificación es parte de la familia Tactical Data Links. Con Link 16, aviones militares, buques y equipos terrestres pueden intercambiar su dibujo táctico en tiempo real. Link 16 también soporta el intercambio de mensajes de texto, imágenes y voz digital. Link 16 se define como uno de los servicios digitales del MIDS.
El MIDS (Multifunctional Information Distribution System) es un sistema radio de comunicaciones tácticas que permite transmitir y recibir información entre plataformas militares aéreas, navales (de superficie y submarinas) y terrestres, de forma muy segura y resistente a las interferencias electromagnéticas provocadas desde el exterior, empleando como protocolo de comunicaciones el catálogo de mensajes denominado Link-16 (órdenes de traslado, de tiro, posición, estatus, etc). El Programa MIDS, en el que participan EE.UU., Francia, Italia, Alemania y España, tiene por objeto el diseño, desarrollo, producción y despliegue operativo de equipos MIDS que incorporan las tecnologías más recientes con el menor peso y volumen posible, lo que se denomina MIDS-LVT (MIDS Low Volume Terminal). A nivel nacional en España, el objetivo del programa MIDS es la integración del terminal MIDS en diversas plataformas tácticas españolas con especial hincapié en lograr y garantizar la interoperabilidad L16 entre ellas.

d. Estándar/Protocolo ARINC429

Hoy en día, el mundo de la aviación requiere de una gran cantidad de datos digitales, lo que supone un número elevado de transferencia de información entre los sistemas y los subsistemas instalados en las aeronaves actuales. Estos sistemas de transmisión digital de información se utilizan por tres motivos esenciales, como son:

  • Aumento de la precisión de la aeronave.
  • Se reduce la cantidad de cableado, por lo que el peso de la aeronave disminuye considerablemente.
  • Reduce el costo de mantenimiento de la aeronave.

¿ Qué es ARINC 429?

ARINC 429 es una especificación que define como los equipos de aviónica y los sistemas dentro de una aeronave deben comunicarse entre sí. Determina las características que se deben llevar a cabo para el intercambio de datos dentro de los sistemas de aviónica, los cuales están interconectados por cables trenzados. La especificación define también las características eléctricas y de datos, además de los protocolos que se utilizan. ARINC 429 emplea un bus de datos digital unidireccional compuesto por dos hilos par trenzado apantallado, conocido como Sistemas Transferencia de Información Digital  Mark 33(DSIT). Los mensajes se transmiten a una velocidad de bits de 12.5 o 100 kilobits por segundo a otros sistemas.
Uso de ARINC 429
ARINC 429 se ha instalado en la mayoría de aviones de transporte comercial fabricados por  Airbus, Helicópteros de la compañía Bell y aeronaves de la compañía Boeing.
El sistema unidireccional ARINC 429 ofrece alta fiabilidad a costa de peso del cableado de la aeronave y velocidades de datos limitados. Aeronaves militares generalmente usan sistemas a una alta velocidad, como es el protocolo bidireccional que se especifica en las especificaciones militares, llamado MIL-STD-1553.
Cada aeronave puede estar equipado con equipos y sistemas electrónicos diferentes, creándose con ARINC 429 una interconexión entre ellos. Según sea la función de la aeronave, se pueden involucrar una gran cantidad de equipos. Estos se identifican en la especificación y se les asignan números de identificación digital denominan Identificación del equipo ID.

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Planteamiento Problema: Obsolescencia en el sistema MIC

El sistema MIC se encuentra actualmente en la Fase III de su ciclo de vida, es decir, el equipo esta en producción, por lo que él sistema está operativo y satisface las necesidades del programa.
El programa de este sistema se ha alargado varios años, debido a esto alguno de sus componentes han sufrido obsolescencias, como es el caso de la tarjeta ARINC429 con modelo CEI-830.
Obsolescencia: End Of Life de ARINC429 CEI-830.
El concepto End of life define el estado de un material cuando ya no va a ser fabricado, pero que todavía se puede adquirir a través de los canales de distribución normales.
Uno de los casos de componentes del sistema MIC que ha quedado obsoleto, es la tarjeta ARINC429 modelo CEI-830. Su proveedor aviso con años de antelación que entraba en una fase de end of life, es decir, estado de un material cuando ya no va a ser fabricado, pero que todavía se puede adquirir a través de los canales de distribución normales, de la tarjeta ARINC429 con versión 1.2 de SW y modelo CEI-830.
La notificación se realizo mediante carta en el año 2013, en esa carta el proveedor indica los motivos de obsolescencia y también te recomienda productos compatibles para sustituir dicho componente obsoleto.
Estrategias activa y reactiva llevadas a cabo
A continuación, se muestran las estrategias que se llevaron a cabo para gestionar la obsolescencia de tarjeta de comunicaciones con estándar ARINC 429, que está instalada en el equipo MIC, de TECNOBIT.\\
Estrategia activa: Actualización planificada.
Gracias al aviso del proveedor se dispone de tiempo suficiente para poder actuar sobre la obsolescencia que presentaba la tarjeta CEI-830 instalada en el equipo MIC.
Estrategias reactivas frente a obsolescencias: Solución mixta. Compra “puente” y rediseño.
Cuando existe una notificación de que un componente ha sido declarado obsoleto, la decisión suele elegir entre la compra de componentes necesarios para soportar el ciclo de vida del producto. La solución más viable suele ser la realización de una compra-puente que soporte la producción hasta un punto de rediseño que puede ser realizado posteriormente. Esta puede ser la mejor estrategia para productos en producción. La clave es definir el punto óptimo en el tiempo para minimizar los costes de la solución de la obsolescencia.

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Fases Rediseño Y Problemas Encontrados

Fase I: Estudio Tarjetas con Estándar ARINC429.

Productos en el mercado CEI-X30 ARINC
La compañía encargada actualmente de dar soporte y de ofrecer estos productos es GE Intelligent Platforms Embedded Systems, Inc. La cual presenta una línea de productos CEI-x30 ARINC con un diseño de interfaces multicanal ARINC, disponibles en varios formatos (PCI, PCI Express, PMC, XMC..)  y con diferentes configuraciones de canal, que dan base al estándar  ARINC 429, ARINC 573/717, a módulos de E/S en Aviónica y de sincronización de tiempo IRIG.
El proveedor de tarjetas con estándar ARINC indicó, en la carta en la que indicaba End Of Life, una serie de productos que estaban disponibles para sustituir el modelo CEI-830 que ha quedado obsoleto. El modelo recomendado es la tarjeta RCEI-830.

Comparación Tarjeta Obsoleta CEI-830 con RCEI-830A

Fase II: Implementación Hardware.

Adaptación Hardware

  • Tarjeta insertada en tarjeta Procesadora
  • Configuración Apilamiento
  • RCEI-830 A diseño: 16 Canales Rx  y 16 Canales  Tx.
  • Necesidades de nuestro sistema: 2 Canales  Tx  y 4 Canales Rx.

Diferencias  requiere modificación Hardware:
Adaptación de pines mediante conector PMC.

Fase III: Implementación Firmware

  • Compatibilidad con las normas anteriores.
  • Modificación requerida en App Host para dar soporte mejorado.
  • Modificaciones y Cambios Requeridos:
    • A) Detección de BAR2 Tamaño de la región de memoria.
    • B) Programación de BAR2 Tamaño de la región de memoria a 512Kb.
    • C) Restaurar BAR2 Tamaño de la región de memoria a 4Kb.

/* Detecting the BAR2 Memory Region Size */
if (ar_set_device_config(c_board, 0, ARU_HW_ENHANCE_CHECK, 0) != ARS_NORMAL)
{
return_value = STATUS_OK;    \\512Kb
}
else    {
return_value = ARS_HW_CONSISTENCY; \\4Kb
}
/* Programming the BAR2 Memory Region Size to 512Kb */
if (ar_set_device_config (board, 0, ARU_HW_ENHANCE_UPDATE, AR_ON) != ARS_NORMAL)
{
return_value = STATUS_ERROR;

}
else    {
return_value = STATUS_OK;
}

Fase IV: Implementación Software

Fase V: Test y verificación de rendimiento

Software de Pruebas BusTools ARINC
BusTools-ARINC es un programa que se ejecuta en Windows, con la finalidad de realizar análisis de bus, Simulación, mantenimiento y registro de datos con el estándar ARINC 429.
También BusTools-ARINC proporciona un completo monitoreo, del registro de datos y de la simulación de comunicaciones ARINC429 en tiempo real.
La tarjeta simulada incluye 32 canales (16 Rx, 16 Tx, Conectados entre sí).Puede gestiona hasta 4 tarjetas E/S.

Agente para test 429
Agente de software, es una parte del software que actúa para un usuario u otro programa como agente. El agente tiene la autoridad de decidir cuándo una acción es apropiada (y si es apropiada). La idea es que los agentes no son estrictamente invocados para un tarea, sino que se activan ellos mismos.
Nuestro AGENTE429 tiene como objetivo lanzarse cada vez que se enciende el equipo y así testear el correcto funcionamiento de las comunicaciones ARINC.

Pruebas Climáticas y Pruebas de Vibraciones
Las siguientes pruebas se realizaron en el laboratorio de pruebas climáticas de la empresa TECNOBIT. El fin de estas pruebas es exponer al equipo a las condiciones climáticas a las que va a estar expuesto cuando esté operativo en una aeronave y comprobar que el funcionamiento sigue siendo correcto cuando el equipo se expone a condiciones extremas. Estas pruebas son de vital importancia, ya que el equipo se va a exponer en cada vuelo a cambios extremos de temperatura y a vibraciones extremas, ya sea vibraciones de aterrizaje como vibraciones de despegue, un mal funcionamiento del equipo puede suponer un problema critico para alguno de los sistemas de abordo de una aeronave.

Pruebas Climáticas de Temperatura
Las aeronaves comerciales y de transporte vuelan sobre la capa atmosférica llamada troposfera. En esa capa aproximadamente la temperatura que se alcanza es de -50\ºC, siendo muy diferente a la temperatura que se puede alcanzar cuando la aeronave está en tierra.
Para realizar la prueba climática de temperatura, el equipo se instala en el interior de una cámara climática y se conecta directamente a un banco de pruebas, que pasará constantemente test y funciones para simular que el equipo está trabajando de igual forma que lo haría en una aeronave, los test serán guardados como reportes y posteriormente analizados para comprobar su correcto funcionamiento.
Para realizar estas pruebas se usa un rango de temperaturas que es de -55\ºC hasta 85\ºC. El equipo se programa junto a la cámara climática para que cuando ésta alcance los -55\ºC, arranque el equipo MIC y empiecen a lanzarse los test. La prueba tiene una duración de 6 horas.

Pruebas de Vibraciones
Los equipos que se instalan en las aeronaves están expuestos a vibraciones extremas. El fin de estás pruebas es comprobar que el equipo funciona correctamente, que sus componentes electrónicos y sus ensamblajes soportan correctamente la exposición a las vibraciones que va a estar expuesto cuando esté instalado en una aeronave.
Al igual que las pruebas climáticas de temperatura, el equipo se conecta directamente a un banco de pruebas que realizará una serie de test y funciones para simular sus condiciones de operación, en cambio para estas pruebas ya no se necesita la cámara climática, si no que se usa un banco de vibraciones donde se instala el equipo junto a 6 acelerómetros. Las pruebas tienen una duración de 10 minutos pasándose tres pruebas, es decir una por cada eje (X, Y, Z) con un rango de vibración de 20Hz a 2000 Hz.

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