استفاده از RTX برای شبیه‌سازی یکپارچگی سیستم‌های اویونیک

[1]AISS) مبتنی بر ^[2]RTX است. این ابزار که توسط شرکت امریکایی آردنس توسعه یافته، یک افزونه نرم‌افزاری قدرتمند برای کنترل ویندوز مایکروسافت است. طبق گفته مسئولین شرکت آردنس، از RTX می‌توان در پروژه‌های مختلف اتوماسیون صنعتی، هوافضا، تجهیزات تست و اندازه‌گیری، روباتیک و صنایع دیگر به منظور کاهش هزینه‌ها و افزایش سرعت توسعه محصول استفاده کرد.

1-معرفی ابزار RTX

ایده توسعه ابزار RTX به وجود برخی محدودیت‌های اساسی در سیستم‌عامل محبوب مایکروسافت (ویندوز) برمی‌گردد. سیستم‌عامل ویندوز یک رابط سطح بالا و ابزار توسعه‌ عالی برای سیستم‌های تعبیه‌شده ارائه می‌کند. اما در مورد سیستم‌های زمان- بحرانی و عملیات-بحرانی که نیازمند پاسخ‌دهی بالادرنگ و قطعی هستند، بخش برنامه‌ریز ویندوز توانایی کنترل اولویت‌بندی‌ها و زمان‌بندی وظایف را ندارد. از این‌رو شرکت آردنس که اخیرا توسط اینتروال‌زیرو خریداری شده است به اولین شرکتی تبدیل شد که یک افزونه برای تبدیل ویندوز به یک سیستم‌عامل بلادرنگ ارائه می‌کند. بنابراین تجهیزات مبتنی بر ویندوز که از این افزونه بهره‌ می‌برند، توانایی اجرای وظایف زمان-بحرانی را به خوبی سایر وظایف عادی خود خواهند داشت.

در حال حاضر بخش زیادی از وظایف پردازشی تجهیزات اویونیک توسط تراشه‌های گران قیمت FPGA و DSP اجرا می‌شود. این در حالی است که این وظایف می‌تواند در پردازنده‌های چند هسته‌ای اینتل که به خصوص برای انجام عملیات‌های پردازشی پیچیده طراحی شده‌اند، اجرا شوند. با استفاده از ویژگی چندپردازشی متقارن (SMP^[3]) در RTX، کاربران می‌توانند از قدرت هسته‌های پردازشی چند کامپیوتر به طور همزمان برای انجام وظایف حرفه‌ای در برنامه‌های صوتی، تصویری، شبیه‌سازی و … استفاده کنند.

ترکیب ویندوز و RTX روی پردازنده‌های چند هسته‌ای x86 و x64 می‌تواند موجب حذف پلتفرم‌های DSP و FPGA از سیستم‌های زمان- بحرانی شود.

بنابراین می‌توان گفت با استفاده از ابزار نرم‌افزاری RTX، توسعه‌دهندگان برنامه‌های کاربردی می‌توانند علاوه بر استفاده از ویژگی‌های معمول محیط ویندوز، چالش‌های بزرگ خود در کنترل، اولویت‌بندی و زمان‌بندی وظایف هر سیستم را حل کنند. این کار با حذف بخش برنامه‌ریز ویندوز توسط RTX به منظور دستیابی به پاسخ‌های بلادرنگ و قطعی انجام می‌شود.

2- استفاده از RTX در کاربردهای نظامی

استفاده از ابزاری همچون RTX امکان استفاده از سیستم‌های مبتنی بر COTS را برای طراحان فراهم می‌کند. طبق گفته مسئولین اینتروال‌زیرو، شرکت‌های بزرگی همچون بوئینگ، لاکهیدمارتین، نورتروپ گرومن و رایتون توانسته‌اند با استفاده از این ابزار نیازمندی‌ها و تقاضاهای ارائه شده از سوی آژانس‌های دولتی ایالات متحده، ناسا و خطوط هوایی را پاسخگو باشند.

توسعه‌دهندگان سیستم‌های تعبیه‌شده برای بخش نظامی و هوافضا از اهمیت طراحی‌های مبتنی بر عملکرد بهینه، قابلیت اطمینان بالا و قابلیت پشتیبانی بلند مدت آگاه هستند. روند گسترش استفاده از نرم‌افزارها و سخت‌افزارهای COTS موجب شده است تا مهندسان بتوانند از ویژگی‌های طراحی مبتنی بر استانداردها برای رسیدن به اهدافی همچون هزینه و زمان توسعه کمتر در محصولات خود بهره‌مند شوند.

3- استفاده از RTX به عنوان سیستم شبیه‌ساز یکپارچگی اویونیک

آقای وانگ لیانگ به همراه همکارانش در آزمایشگاه ملی علم و فناوری چین اخیرا در یک مقاله نتایج استفاده از RTX به عنوان سیستم شبیه‌ساز یکپارچگی اویونیک (AISS) را ارائه کرده‌اند. در ادامه سعی می‌کنیم به طور خلاصه پلتفرم شبیه‌سازی مورد استفاده آن‌ها را شرح دهیم و برای مشاهده نتایج شبیه‌سازی‌ها می‌توانید به مقاله مذکور مراجعه کنید.

3-1 طراحی سیستم شبیه‌ساز اویونیک

یک AISS نقش حیاتی در شبیه‌سازی سخت‌افزار در حلقه برای سیستم‌های اویونیک دارد و می‌تواند فرایند آزمایش و صحت‌سنجی را در محیط آزمایشگاهی اجرا کند. توسعه دهندگان سیستم‌های اویونیک می‌توانند با استفاده از نتایج حاصل از شبیه‌سازی سخت‌افزار در حلقه، تجهیزات را اصلاح کنند. یک AISS از 5 قسمت اصلی شامل شبیه‌ساز یکپارچگی اویونیک (AIS)، دسته کنترل خلبان، سیستم تغذیه، سیستم ارتباطات اترنت و دستگاه انتقال سیگنال تشکیل می‌شود. شکل 2 ساختار سیستم سخت‌افزار در حلقه مبتنی بر AISS را برای آزمایش‌های آقای وانگ نشان می‌دهد.

ساختار سیستم آزمایشی سخت‌افزار در حلقه مبتنی بر AISS

در اینجا AIS به عنوان کرنل سیستم آزمایشی سخت‌افزار در حلقه مبتنی بر AISS عمل می‌کند و توانایی شبیه‌سازی انواع وظایف اویونیک همچون نمایشگرهای هواپیما، کامپیوترهای پردازشگر و عملیات‌های مخابراتی را دارد. توسط دسته کنترل خلبان می‌توان دستورات کنترلی را به AIS اعمال کرد. این دو بخش از طریق یک پورت USB به یکدیگر متصل می‌شوند. پس از پردازش دستورات کنترلی، AIS پیام‌ها را از طریق دستگاه انتقال سیگنال روی گذرگاه‌های داده همچون 1553B و ARINC249 برای دیگر تجهیزات آزمایشی ارسال می‌کند. در واقع دستگاه انتقال سیگنال به منظور تبدیل قالب داده‌ها بین AISS و تجهیزات واقعی هواپیما به کار گرفته می‌شود. ارتباط اترنت نیز برای انتقال داده‌ها بین AISS و دیگر تجهیزات آزمایشی همچون شبیه‌سازهای کنترل پرواز است.

3-2- معماری نرم‌افزار برای سیستم AISS

در برنامه‌نویسی نرم‌افزار سیستم AISS از طراحی سلسله مراتبی استفاده شده است. نرم‌افزار سیستم AISS از پنج سطح شامل رابط برنامه‌های کاربردی، تعاملات بلادرنگ و غیر بلادرنگ، توزیع برنامه RTX، درایور سخت‌افزار RTX و سخت‌افزار واقعی تشکیل شده است.

سطوح نرم‌افزار سیستم AISS

سطح رابط برنامه کاربردی در واقع همان رابط نرم‌افزاری انسان و ماشین است. در این سطح، تعاملات مربوط به خلبان مانند ارائه پیام‌ها و نمایش عملیات‌های کنترلی هواپیما قرار دارد. سطح تعاملات بلادرنگ و غیر بلادرنگ به منظور تبادل داده و پیام بین برنامه‌های غیربلادرنگ ویندوز و برنامه‌ بلادرنگ RTX ایجاد شده است. سطح توزیع برنامه RTX وظیفه مدیریت داده‌ها، ارتباطات و پردازش‌ برنامه‌های مختلف RTX و همچنین بررسی تطابق آن‌ها با نیازمندی‌های تعریف شده برای آزمایش‌ها را بر عهده دارد. سطح درایور سخت‌افزار RTX نیز به منظور مدیریت و کنترل داده‌های مختلف ورودی و خروجی از کارت‌های ارتباطی همچون A/D، D/A، DI،DO ، 1553B، ARINC 429 و اترنت در نظر گرفته شده است.

[1] Avionics Integration Simulation System

[2] Real-time Extension for Control of Windows

[3] Symmetric Multi-Processing