George M. Sponsler, Excalibur Systems
לפני שמתחילים פרויקט, מהנדסי המערכות צריכים לבחור באחד משני מסלולי תכנון: לבנות את המערכת בתוך הארגון או להשתמש ברכיבים ותת מכללים מהמדף. פרויקט המצריך פיתוח של מקליט נתונים מוקשח ליישומי אוויוניקה מדגים כיצד מערכת מסחרית מהמדף (COTS) יכולה לספק את הפונקציונליות העומדת בתקן הצבאי MIL-STD שנחוצה תוך חיסכון בזמן ובעלויות.
החקר הראשוני, התכנון החשמלי והתכנון המכני, הייצור והבדיקות הקשורים לכל שלב של פרויקט פיתוח יכולים לקחת יותר זמן ולעלות יותר מהצפוי. במקרים רבים, במיוחד בהזמנות שמצריכות כמויות קטנות, הזמן הדרוש עד לייצור לא מצדיק את המאמץ שצריך להשקיע כדי לבצע את הפרויקט בתוך הארגון. החלופה היא להשתמש בתת מכללים COTS כדי לעמוד בדרישות.
כשהמתכננים משתמשים ברכיבים מהמדף, עליהם להביא בחשבון מספר גורמים כגון הפונקציונליות של המוצרים הזמינים, גודל המערכת ודרישות סביבתיות. במקרים מסוימים, חלקים מהמדף לא עומדים בפרמטרי התכנון הנדרשים. יש להעריך את הפערים האלה ולדון עליהם עם הלקוח כדי להבטיח שהם קבילים ולא משפיעים על הביצועים הכוללים של המערכת.
פרמטרי התכנון של מקליט הנתונים המוקשח
כדי להדגים את הערך של התקנת COTS, נדון בפרויקט מהזמן האחרון שהצריך פיתוח של מקליט נתונים כשיר לטיסה עם הרבה מימשקי אוויוניקה, כולל ארבעה ערוצים של MIL-STD-1553,
20 ערוצים של ARINC 429, ארבעים ק/פ נפרדים ושמונה ערוצים של RS-485. נתונים שהתקבלו מכל אחד מהמימשקים היו צריכים להישמר במשך 10 שעות ולהיות זמינים לניתוח במעבדה אחרי המשימה. בנוסף, התכנון היה צריך לעמוד במפרטים סביבתיים למערכות אוויוניקה ולהיות מאוחסן במארז קטן.
במקום להשלים את הפרויקט בתוך הארגון, צוות התכנון בחר להשתמש במוצרים מהמדף ולאחר מכן בחר במארז מוקשח של PC/104-Plus (איור 1) מתוצרת Excalibur Systems. המידות של המכשיר הן רוחב 7.74”, גובה 6.31”, עומק 5.695”, המשקל בערך 4 ק”ג והוא מבוסס על ארכיטקטורה מודולרית שמאפשרת תכנון רב תכליתי.
המכשיר כולל ארבעה מודולים: המעבד, זיכרון נשלף, חלק ק/פ וספק כוח.
השיקולים לגבי המעבד
צוות התכנון החליט להשתמש בלוח מעבד PC/104-Plus מתוצרת Advanced Digital Logic משום שהוא עמד בדרישות הביצועים והטמפרטורה (-40 °C עד +85 °C) של המערכת. למרות שהוא לא המעבד המהיר ביותר שיש, מעבד הליבה הכפולה 1.5 GHz של המודול נבחר בגלל שאפשר להסתדר עם צריכת החשמל הנמוכה שלו בתוך המארז (איור 2). החום שנוצר על ידי המעבד והשבבים מתועל אל צלעות הקירור של המארז באמצעות צינור חום.
אחסון נשלף
כפי שאפשר לראות באיור 1, המכשיר כולל כונן זיכרון מוצק (SSD) SATA 256 GB לאחסון הנתונים שמצטברים במהלך משימות אוויוניקה ארוכות. למרות שהתכנון לא חייב הכללת כונן אחסון נשלף, צוות התכנון הוסיף את ה-SSD כדי שלא יהיה צורך להוציא את כל המארז כשנדרשת גישה לזיכרון המאוחסן. הכונן מורכב על מגש, המאפשר הוצאה והחלפה ב-SSD חלופי אם חייבים להשלים את הניתוח במסגרת זמן קצרה. הפונקציה הזאת שימושית כשמטפלים במידע מסווג, משום שניתן להוציא את ה-SSD ולאחסן אותו במקום מאובטח.
כבלים ותוכנה מסופקים עם המכשיר כך שאפשר להוריד את הנתונים ולנתח אותם במחשב באתר מרוחק. חבילת התוכנה EXALT של Excalibur Systems מאפשרת לצפות בנתונים מפרוטוקולים שונים ביחידות הנדסה ולסנן אותם כדי לקבל חריגות שאולי התרחשו. הזיכרון הנשלף משמש רק לאחסון של מידע ק/פ, מערכת ההפעלה ותוכניות היישום מאוחסנות במודול זיכרון CompactFlash II 16 GB.
תצורת ק/פ
בסמוך למודול הזיכרון נמצא מודול ק/פ המאחסן את כרטיס זיכרון ההבזק הקומפקטי ושני כרטיסי ק/פ מרובי פרוטוקולים זהים (ראו איור 3). כל אחד מהכרטיסים מרובי הפרוטוקולים מקבל שני מודולים מתחברים ומכיל שני ערוצי MIL-STD-1553 ועשרה ערוצי ARINC 429.
מערכת ה-COTS כוללת שני מודולים RS-232/422/485 הניתנים לתכנות באמצעות תוכנה עם ארבעה ערוצים, ושני מודולים עם 20 ק/פ נפרדים (כל אחד) כדי לעמוד בדרישות התכנון. את המודול הנפרד אפשר לתכנת לקלט או לפלט. הקלטים יכולים להיות ברמות TTL או ברמות אוויוניקה (0-32 VDC) וניתן לבחור אותם אינדיבידואלית לכל ערוץ.
למכשיר יש גם תג זמן משלו. התיוג של כל אירוע נתונים פרטני שמתקבל מאפשר לתאם את האירועים עם מימשקי ה-MIL-STD-1553 ו-ARINC 429. למרות שלתכנון הזה הדבר לא נדרש אפשר בכל זאת לתת מענה למימשקים ופרוטוקולים אחרים באמצעות הכמות הגדולה של כרטיסי PC/104 ו-PC/104-Plus שנמצאים בשוק.
הספקת החשמל
המודולים של ספק הכוח והמעבד נמצאים בשני הקצוות של המכשיר ובמגע ישיר עם צלעות הקירור של המארז, וזה מאפשר את פיזור החום היעיל ביותר האפשרי לרכיבים החמים ביותר. כדי להבטיח החלפת חום מספקת, המימשק בין הרכיבים והמארז הוא באמצעות חומר משנה פאזה שמשנה צורה ממצב מוצק לנוזל בטמפרטורה של +55 °C ומגדיל את העברת החום בטמפרטורות גבוהות יותר. ספק הכוח מספק 50 W של 5 VDC ו-±12 VDC הנחוצים לערוץ של ה-PC/104 וכולל אופציה ל-3.3 VDC, שלא נעשה בה שימוש משום שהלוח של המעבד כבר מספק את המתח הזה לערוץ. מכיוון שהמערכת הזו מיועדת ליישומים מוטסים, ספק הכוח שלה היה צריך לעמוד בדרישות של MIL-STD-704 למאפיינים של זרם חשמל במטוסים.
השימוש ב-COTS לצמצום הזמן והעלויות
מכשיר בסיסי עם תצורה דומה למערכת ה-COTS הזאת נבדק בהתאם למפרטים של MIL-STD-810F. טבלה 1 מציגה את תוצאות הבדיקה הזאת.
אותה מערכת בסיסית נבדקה גם לפי ההוראות של MIL-STD-461, והתוצאות מוצגות בטבלה 2. היות שהמערכת הבסיסית הזאת לא הייתה שונה באופן משמעותי ממכשיר ה-COTS, לא נדרשו בדיקות נוספות והתוצאות הותאמו לפי דמיות (similarity).
בנוסף למילוי המפרטים הסביבתיים של פרויקט התכנון, כתוצאה מההחלטה לפתח מוצר תוך שימוש ברכיבי ומכללי COTS איכותיים התאפשר להתקין את המערכת המבוקשת ב-25% מהזמן וב-40% מהעלויות שהיה לוקח לבנות אותה מההתחלה עד הסוף בלי להסתמך על מוצרי צד שלישי. כשחושבים על הפוטנציאל בחסכון בעלויות, פתרון COTS מהווה אפשרות תכנון אטרקטיבית מאוד.
