CANoe: از شبیه‌سازی شبکه تا اجرا

[1] یکی از مطرح‌ترین توسعه‌دهندگان ابزار نرم‌افزاری برای شبکه‌سازی سیستم‌های الکترونیک مبتنی بر گذرگاه‌های داده سریال است. در بخش اویونیک شرکت وکتور مجموعه‌ای از سخت‌افزار و نرم‌افزارهای لازم برای شبکه‌های گذرگاه داده هوایی ارائه می‌دهد. در حال حاضر گذرگاه‌های داده CAN، [2]AFDX، ARINC 825، CAN FD، CANopen و Ethernet توسط ابزار این شرکت پشتیبانی می‌شوند. در این میان از مهم‌ترین ابزار نرم‌افزاری این شرکت می‌توان به CANoe اشاره کرد. در ادامه به تشریح این نرم‌افزار و کاربرد آن در زمینه اویونیک پرداخته خواهد شد.

نرم‌افزار CANoe

این ابزار نرم‌افزاری برای توسعه، تست و تحلیل شبکه سیستم‌های اویونیک استفاده می‌شود. توابع این نرم‌افزار فرایند‌هایی همچون عیب‌یابی شبکه، تحلیل و شبیه‌سازی ارتباطات را به طور کاملا خودکار و بهینه‌سازی شده انجام می‌دهند. ابزار CANoe در حال حاضر پشتیبانی کاملی از شبکه‌های گذرگاه به کار رفته در صنعت هوایی همچون AFDX، ARINC 664، ARINC 429 و ARINC 825 را ارائه می‌دهد. نکته قابل توجه در این ابزار امکان تست گذرگاه داده هر یک از تجهیزات به تنهایی و بدون اتصال به شبکه اصلی است. بدین طریق سیستم مورد نظر به سخت‌افزار پیش‌بینی شده برای این منظور متصل و با انتقال اطلاعات ارسالی آن به CANoe می‌توان صحت عملکرد دستگاه را بررسی کرد. سخت‌افزار مذکور که با نام VT System شناخته می‌شود، از انواع رابط‌های ورودی و خروجی رایج در شبکه‌‌های گذرگاه هوایی پشتیبانی می‌کند.

VT System: رابط سخت‌افزاری ابزار CANoe برای اتصال دستگاه‌های الکترونیکی به رایانه و تست آن

قابلیت‌ها

حوزه فعالیت ابزار CANoe محدود به صنایع خودروسازی و هوافضا نبوده و توسعه‌دهندگان آن هرساله ضمن بهبود عملکرد نرم‌افزار قابلیت جدیدی را برای استفاده از آن در سایر صنایع فراهم می‌کنند. با این حال در آخرین نسخه این نرم‌افزار مهم‌ترین قابلیت‌ها و توابع شامل موارد زیر است.

• شبیه‌سازی کامل ارتباطات پلتفرم
• تحلیل ارتباطات گذرگاه‌ها و زیرگذرگاه‌های سیستم به صورت جداگانه
• تست عملکرد دستگاه‌های مختلف متصل به شبکه به صورت جداگانه
• استفاده از زبان برنامه‌نویسی دسترسی ارتباطات ([3]CAPL) برای عملیات‌های شبیه‌سازی تحلیل و تست
• نمایش نتایج شبیه‌سازی در قالب‌های مختلف
• امکان اتصال مستقیم به سخت‌افزار با استفاده از VT System
• امکان عملکرد در حالت توزیع شده روی چند کامپیوتر برای تست و شبیه‌سازی سیستم‌های بحرانی و بلادرنگ
• امکان یکپارچه‌سازی با مدل‌های تهیه شده در MATLAB/Simulink
• محیط گرافیکی برای تعیین ساختار شبکه و ارتباطات

ویژگی‌های خاص

همانطور که گفته شد ابزار CANoe قابلیت پشتیبانی از انواع گذرگاه‌های داده هوایی را دارد، بنابراین می‌توان گفت یکی از بزرگ‌ترین مزیت‌های استفاده از آن امکان شبیه‌سازی پلتفرم‌هایی است که در آن چند گذرگاه داده متفاوت به کار گرفته شده است. در حال حاضر در بیشتر وسایل نقلیه زمینی، هواپیماهای نظامی و مسافربری شاهد تنوع در نوع ارتباطات هستم و حتی در برخی از آن‌ها بیش‌ از 5 شبکه و گذرگاه داده متفاوت دیده می‌شود. ابزار یکپارچه CANoe می‌تواند در چنین مواردی فرایند توسعه و تست پلتفرم را بسیار ساده کند.

از دیگر نکات قابل توجه CANoe می‌توان به ارائه کامل اسناد و راهنماهای کاربری برای توابع و ابزار مختلف آن اشاره کرد. هر یک از توابع در نظر گرفته شده برای CANoe بطور دقیق در کتابچه‌های راهنما تشریح شده و بصورت رایگان در اختیار کاربر قرار داده شده است. توسعه دهندگان این ابزار همچنین به منظور تسهیل فرایند یادگیری آن، مثال‌های مختلفی را برای توابع نرم‌افزار پیش‌بینی کرده‌اند. باید یادآور شد که تمامی این اسناد و مثال‌ها به همراه نسخه آزمایشی CANoe و ویدئوهای آموزشی از طریق وب‌سایت شرکت وکتور به صورت رایگان قابل دریافت است.

به منظور تسهیل فرایند توسعه سیستم، شرکت وکتور امکان تست و تحلیل شبکه را در دو حالت شبیه‌سازی کامل و تجهیزات واقعی فراهم کرده است. همچنین این امکان وجود دارد که پس از شبیه‌سازی کامل مجموعه سیستم، هر یک از دستگاه‌ها به صورت مرحله به مرحله جایگزین مدل شبیه‌سازی خود شده تا تست و تحلیل سیستم در فضایی ترکیبی از تجهیزات شبیه‌سازی و تجهیزات واقعی انجام شود.

فرایند توسعه یک پلتفرم با CANoe از مرحله شبیه‌سازی کامل تا مرحله تست سیستم‌های واقعی

ابزارهای توسعه یک شبکه‌ هوایی

در نرم‌افزار CANoe برای پشتیبانی از شبکه‌ها و گذرگاه‌های داده هوایی ابزار خاصی برای هر یک از آن‌ها در نظر گرفته شده است. در ادامه به هر یک از این ابزار‌ها اشاره خواهد شد.

ابزار CANoe .CANaero

این ابزار به منظور پشتیانی نرم‌افزار CANoe از شبکه گذرگاه داده CAN aerospace ایجاد شده است. این گذرگاه داده نسخه سفارشی‌شده از CAN است که برای کاربردهای هوایی در نظر گرفته شده است. از قابلیت‌های این ابزار می‌توان به شبیه‌سازی کامل شبکه، تحلیل و بررسی ترافیک روی گذرگاه داده، امکان تست تجهیزات به صورت مجزا، گزارش‌دهی اختلالات و خطاهای روی شبکه و پشتیبانی از زبان برنامه‌نویسی CAPL اشاره کرد. این ابزار از پروتکل‌های تعریف شده در استانداردهای ARINC 825 و ARINC 826 پشتیبانی کامل می‌کند.

ابزار CANoe .AFDX

شبکه AFDX به منظور پاسخگویی به نیاز افزایش پهنای باند انتقال اطلاعات در هواپیماهای تجاری و بر اساس شبکه اترنت ایجاد شده است. می‌توان گفت CANoe .AFDX ابزاری ایده‌آل برای تست و تجزیه و تحلیل کامل شبکه‌های AFDX و دستگاه‌های متصل به آن است. این ابزار امکان مشاهده و تحلیل دقیق اطلاعات در لایه‌های مختلف شبکه AFDX را برای کاربر فراهم می‌کند. تولید‌کنندگان تجهیزات اویونیک که در سیستم‌های خود از شبکه AFDX استفاده می‌کنند فایل‌هایی را با قالب ICD[4] برای ارتباط با شبکه در اختیار خریداران قرار می‌دهند. ابزار CANoe .AFDX توانایی دریافت این نوع فایل‌ها را داشته و از این طریق به راحتی می‌توان سیستم‌ مورد نظر را مدل‌سازی کرد یا از طریق VT System به نرم‌افزار متصل کرد.

ابزار CANoe .A429

هرچند گذرگاه داده ARINC 429 دارای محدودیت‌های زیادی مانند نرخ انتقال داده کم و ارسال یک طرفه اطلاعات است اما همچنان از آن در برخی از پلتفرم‌ها استفاده می‌شود. همچنین استفاده گسترده از این گذرگاه داده در هواپیماهای مسافربری نسل گذشته و لزوم وجود سیستم‌هایی برای عیب‌یابی و تعمیر این هواپیماها مهندسان شرکت وکتور را مجاب به طراحی ابزاری برای این منظور در CANoe کرده است. در این ابزار نیز مشابه با موارد پیشین امکان شبیه‌سازی کامل سیستم‌ها و تحلیل و تست مجموعه شبکه فراهم شده است.

ابزار CANoe .Ethernet

محبوبیت پروتکل اترنت و اهمیت آن در سیستم‌های تعبیه‌شده باعث شده تا طراحان سیستم‌های اویونیک تمایل زیادی به استفاده از آن برای شبکه‌سازی تجهیزات خود نشان دهند. از طریق ابزار CANoe .Ethernet کاربر به راحتی قادر به شبیه‌سازی و تحلیل ترافیک شبکه روی لایه‌های مختلف پروتکل (لایه 2 تا 7) و استخراج خطاهای موجود است.

تصویری از محیط برنامه CANoe .A429

 بررسی یک نمونه عملی

به عنوان یک نمونه از پلتفرم‌هایی که از محصولات و ابزار شرکت وکتور برای طراحی و توسعه استفاده کرده است می توان به Airlander10 اشاره کرد. این پرنده توسط شرکت HAV به صورت یک بالن طراحی شده است و عنوان بزرگترین وسیله نقلیه هوایی جهان شناخته می‌شود. در مراحل اولیه طراحی این پلتفرم، مهندسان شرکت HAV تصمیم ‌گرفتند تا از نرم‌افزار CANoe و سخت افزارVT System برای تست و تحلیل طراحی‌های اولیه شبکه گذرگاه داده استفاده کنند. مهندسان در نظر داشتند تا با ترکیب این دو محصول شرکت وکتور ضمن صحت‌سنجی طراحی‌ها هر یک از واحد‌های کنترل پرنده را تحت شرایط سخت‌افزار در حلقه (HIL) مورد ارزیابی قرار دهند.

در طراحی سیستم‌های کنترلی نسخه‌های اولیه این پلتفرم، بیشتر ارتباطات از طریق گذرگاه CAN و اتصالات RS422/RS485 برقرار می‌شود. استفاده از محصولات وکتور به طراحان شرکت HAV این امکان را داده تا در صورت نیاز تغییر گذرگاه‌ داده به ARINC 825 در نسل‌های بعدی این پرنده، تنها اصلاحات جزئی در لایه‌های فیزیکی شبکه ضرورت داشته باشد.

در اولین مرحله از این پروژه مهندسان اقدام به نگاشت کامل ارتباطات شبکه در نرم‌افزار CANoe کردند. با این کار امکان شبیه‌سازی کامل شبکه و تست نرم‌افزاری آن فراهم شد. سپس از طریق VT System یک محیط سخت‌افزار در حلقه واقعی برای تست هر یک از دستگاه‌ها فراهم شد. از سوی دیگر مهندسان یک مدل آیرودینامیک از این پرنده را در MATLAB/Simulink طراحی و به نرم‌افزار CANoe متصل کردند. از این طریق طراحان امکان تست دقیق‌تر پلتفرم را در شرایط شبیه‌سازی پرواز در اختیار داشتند. همچنین این مدل‌سازی و ارتباط آن با CANoe در سیستم آموزشی پرواز این شبیه‌ساز نیز به کار رفته است.

Airlander 10: بزرگترین وسیله نقلیه هوایی که در طراحی شبکه‌های گذرگاه داده آن از نرم‌افزار CANoe استفاده شده است.

کاربر در نرم‌افزار CANoe توانایی ایجاد پنل‌های خاص را به صورت گرافیکی و در قالب مجموعه‌ای از کلید‌ها و نمایشگرها دارد. این پنل‌ها می‌توانند به سیستم‌های کنترلی پرنده مرتبط شده و یک شبیه‌سازی کامل را فراهم کنند. به دلیل هزینه‌های زیاد ساخت چنین پرنده‌ای طراحان پیش از تست واقعی پرواز مجبور به تست دقیق تمامی سیستم‌ها و شبیه‌سازی شرایط پرواز عملیاتی پرنده بودند. با ابزار شرکت وکتور آن‌ها این امکان را داشتند تا تمامی سیگنال‌های کنترلی جاری در پرنده را ثبت و تحلیل کنند. بنابراین برای چند ماه سیستم‌ها به صورت مجازی و سخت‌افزار در حلقه تحت آزمایش‌های گوناگون قرار گرفتند.

یکی از بزرگ‌ترین مزیت‌های استفاده از محصولات وکتور در طراحی Airlander 10 قابلیت پیشبرد مرحله به مرحله آن است. همانطور که پیش‌ از این گفته شد، CANoe و VT System این قابلیت را دارند که هر یک از سخت‌افزار‌ها را به صورت جداگانه با سیستم معادل شبیه‌سازی شده جایگزین کنند. در حین ساخت نمونه اولیه این پرنده بزرگ فرآیند تهیه و ساخت برخی از دستگاه‌های اویونیکی آن زمان‌بر بود. از این سو قابلیت یاد شده برای مهندسان یکپارچه‌ساز پلتفرم این ویژگی را فراهم می‌کرد تا درصورت عدم دسترسی به برخی از سیستم‌ها بتوانند سایر سخت‌افزارهای موجود را به طور کامل تست کنند. با وارد شدن هر سخت‌افزار جدید بلافاصله آن را با مدل شبیه‌سازی جایگزین کرده و تنها تست‌های مربوط به آن انجام می‌شد. بدین ترتیب فرایند تست نمونه اولیه بدون توقف و با سرعت بالا انجام شده است.

یکی از چالش‌ها در طراحی Airlander 10 مدیریت دقیق سیستم کنترل توزیع توان الکتریکی پرنده است. با توجه به شرایط خاص این پرنده در صورت بروز مشکل برای یکی از منابع تولید توان، کنترل‌کننده‌ها باید در کوتاه‌ترین زمان ممکن منابع جایگزین را وارد سیستم تامین توان کنند. علاوه بر این در صورت لزوم باید مدار تغذیه سیستم‌های غیر ضروری از شبکه توان حذف شود. شرکت HAV برای تحلیل دقیق این شرایط و صحت‌سنجی حلقه‌های کنترلی از نرم‌افزار vTESTstudio ساخت شرکت وکتور استفاده کرد. این نرم‌افزار قابلیت ارتباط با CANoe و VT System را داشته و توسط آن می‌توان حالت‌های مختلف بروز خطا و پیامد‌های آن را بررسی کرد.

پنل‌های طراحی شده در نرم‌افزار CANoe برای کنترل و شبیه‌سازی Airlander

[1] Vector Informatik

[2] Avionics Full Duplex Switched Ethernet

[3] Communication Access Programming Language

[4] Interface Control Document