O que é BARRAMENTO DE DADOS ARINC

Já ouviu falar em barramento de dados de um sistema de aeronave? Se não, ainda vai ouvir!

Os barramentos de dados numa aeronave permitem a comunicação entre si de uma grande variedade de equipamentos aviônicos.

Neste post vamos falar sobre os princípios básicos dos diversos tipos de barramentos de dados comuns na aviação utilizados nas aeronaves modernas.

O que é BARRAMENTO DE DADOS?

Barramento de dados é a tradução da palavra inglesa “bus” que é uma contração da palavra grega “omnibus” que significa “para todos”.

No contexto dos sistemas eletrônicos digitais, BUS refere-se a um sistema que permite a interligação e troca de dados entre dispositivos num sistema complexo.

Note-se que essa interligação envolve mais do que a simples ligação dos condutores, entre outras coisas define os níveis de tensão e regras (ou protocolos) que controlam a transferência dos dados.

Com um número tão elevado de componentes aviônicos uma aeronave necessita ter uma grande quantidade de cablagem e com elevados comprimentos como se pode ver na Figura abaixo:

INTRODUÇÃO A BARRAMENTOS DE DADOS

Terminologia

Os barramentos de dados podem ser unidirecionais e bidirecionais, como mostra a Figura abaixo:

Podem ser barramentos em série (um bit é transmitido de cada vez) ou em paralelo (onde se transmitem grupos de bits simultaneamente).

Por restrições impostas pela massa e comprimento dos condutores, praticamente todos os barramentos utilizados são barramentos em série.

BIT: é a menor unidade de medida de transmissão de dados usada na computação e informática. Um bit tem um único valor, zero ou um , verdadeiro ou falso.

Os barramentos providenciam uma forma eficiente de interface (ligação) entre os diversos sistemas de uma aeronave moderna como mostra a Figura:

Unidade de substituição em linha (LRU – Line replacement Unit), tais como o Interface de dados do motor ou unidades eletrôicas de Flaps/Slats, estão ligadas ao barramento por meio de acopladores e interfaces série (não mostrados na Figura acima).

Em cada LRU, os sinais lógicos digitais e sistemas de micro controladores processam dados localmente e fazem uso de pequenos barramentos internos.

Esses barramentos internos, invariavelmente, fazem uso de ligações em série e em paralelo e são capazes de movimentar grandes quantidades de informação muito rapidamente, mas apenas em distâncias muito curtas.

Protocolos

Um protocolo é basicamente um código criado para que os computadores “conversem” entre si. Assim como qualquer tipo de comunicação, é necessário estabelecer algumas regras para para que haja o entendimento e compreensão de ambas as partes.

Arquitetura de um barramento de dados

 A arquitetura de um barramento é um termo genérico que se refere à estrutura global de um sistema digital.

A arquitetura é normalmente descrita sob a forma de diagramas de blocos demonstrando como os vários elementos de um sistema estão interligados e como o fluxo de informação está organizado entre esses elementos.

A arquitetura de um sistema baseado no uso de um barramento série unidirecional é mostrada na figura (a) enquanto um sistema bidirecional comparável é mostrado na figura (b).

Note-se como um sistema bidirecional simplifica a interligação de LRU’s e permite a todos os equipamentos ligados ao barramento a transmissão e recepção de dados.

Princípios de um barramento de dados em série

Um sistema básico de transmissão de dados em série entre duas LRU’s, em que cada um compreende um sistema aviônico característico como é mostrado na figura. Dentro de cada LRU a informação é utilizada e distribuída por todos os componentes internos com barramentos internos rapidamente como referido anteriormente.

A ligação entre as LRU é feita com um simples cabo série (normalmente com 2, 4 ou 6 fios).

A conversão série paralelo e paralelo-série necessária para adaptar a forma de transmissão de dados são feitas com uma carta (ou dispositivo) de interface.

Os dados podem ser transmitidos de forma síncrona (utilizando sinais de clock gerados internamente em cada LRU) e assíncrona (com sistemas de self-clock).

O sistema mostrado na figura acima tem a óbvia limitação de que os dados apenas podem ser partilhados entre dois dispositivos.

Na prática necessitamos de partilhar dados entre várias LRU’s, isto consegue-se com barramentos do tipo mostrado na figura a seguir:

Neste sistema, a informação é transferida utilizando um cabo de dados blindado torcido (STP – shielded twisted pair) com um determinado número de painéis que estão localizados em pontos apropriados da aeronave (cockpit, baia de aviônicos, etc…).

Cada painel de acoplamento permite a ligação de um determinado número de equipamentos.

De forma a optimizar a velocidade da transferência de dados e minimizar problemas como reflexão, colisão e incompatibilidades de dados, cada cabo do barramento deve ser terminado em cada ponta utilizando um terminador.

Acopladores de barramento são produzidos em modo de tensão e de corrente em função da ligação de equipamentos que transmitam sinais em tensão ou corrente.

Além de providenciar uma interface elétrica a interface acoplador também converte determinados formatos de dados como se mostra na figura:

De forma a transmitir dados utilizando um barramento série, a informação tem de ser disponibilizada de acordo com um formato standard. Um formato standard típico utiliza uma palavra de 32 bits que compreende os seguintes campos:

Até 20 bits de dados (que podem ser subdivididos e manipulados).
Um marcador de 8 bits que normalmente identifica o tipo de dados e parâmetros associados.

Um identificador de fonte/destino (SDI).
Um conjunto de bits de estado (status bits) para disponibilizar informação acerca do modo de funcionamento, condição do hardware ou validade dos dados.

Um bit de paridade que fornece a possibilidade de validar os dados transmitidos (verificar se houve ou não um erro de transmissão).

ARINC 429

O barramento ARINC 429 é um dos mais populares barramentos utilizado na aviação comercial. O ARINC 429 emprega um barramento unidirecional conhecido como Mark 33 Digital Information Transfer System (DITS).

As mensagens são transmitidas em pacotes de 32bit ao ritmo de 12,5 ou 100kbit por segundo (baixa ou alta velocidade de transmissão).

Dado que o barramento é unidirecional, portas independentes, acopladores independentes e cablagens independentes necessitam de ser instaladas caso uma LRU necessite de enviar e receber dados.

Note-se que um grande número de ligações ao barramento é necessário numa aeronave comercial moderna.

O ARINC 429 é utilizado de forma extensiva em aeronaves como por exemplo: Airbus A310/A320 e A330/A340; Boeing 737,747, 757, e 767; e McDonnell Douglas MD-11.

Aeronaves mais modernas (por exemplo Boeing 777 e Airbus A380) utilizam barramentos de dados significativamente mais complexos de forma a reduzir o tamanho e peso das cablagens e permitir velocidades de transmissão de dados maiores do que as possíveis com ARINC 429.

Apesar da existência de barramentos superiores ao ARINC 429, este provou ser altamente confiável e é natural que continue em serviço durante muito tempo.

Características Eléctricas

O ARINC 429 é um barramento de dois condutores diferencial que permite ligar um único dispositivo transmissor a dois ou mais equipamentos receptores. Estão disponíveis duas velocidades de transmissão, 12,5kbps e 100kpps.

O barramento utiliza dois condutores de sinal para transmitir palavras de 32bit. A transmissão de palavras sequenciais é separada por pelo menos 4bits nulos (tensão 0, nível lógico 0). Isto elimina a necessidade de um clock externo tornando-se self-clocking.

As características eléctricas do ARINC 429 estão resumidas abaixo:

O ARINC 429 é um barramento de dois condutores diferencial que permite ligar um único dispositivo transmissor a dois ou mais equipamentos receptores.

Estão disponíveis duas velocidades de transmissão, 12,5kbps e 100kpps. O barramento utiliza dois condutores de sinal para transmitir palavras de 32bit.

A transmissão de palavras sequenciais é separada por pelo menos 4bits nulos (tensão 0, nível lógico 0). Isto elimina a necessidade de um clock externo tornando-se self-clocking.

As características eléctricas do ARINC 429 estão resumidas abaixo:

• Níveis de tensão: +5V, 0V, −5V (em cada condutor relativamente à massa). +10V, 0V, −10V (condutor A relativamente ao condutor B).
• Codificação de dados: Bipolar com retorno a zero.
• Tamanho da palavra: 32bit.
• Bitrate (velocidade alta): 100kbps.
• Bitrate (velocidade baixa): 12,5kbps.
• Velocidade de varrimento: High 1.5ms (±0.5 ms).
• Low 10ms (±5 ms).

A tensão nominal é de 10V±1V entre condutores (diferencial), com polaridade positive ou negativa.

Daí que, cada sinal oscila entre -5V e +5V. Se um condutor estiver a +5V outro estará a -5V e vice-versa. Um condutor é chamado de ‘A’ (ou ‘+’ ou ‘HI’) e o outro condutor é chamado de ‘B’ (ou’-‘ ou ‘LO’).

A modulação aplicada é bipolar com retorno a zero (BPRZ) (ver figura logo abaixo).

O estado do sinal compósito pode estar num de três níveis distintos (medidos entre condutores):

HI: Em que a diferença de potencial deverá estar entre +7.25V e 11V (entre A e B).
NULL: Em que a diferença de potencial deverá estar entre +0.5V e −0.5V (entre A e B).
LO: Em que a diferença de potencial deverá estar entre −7.25V e −11V (entre A e B).

A tensão recebida num barramento de dados série depende do comprimento dos condutores e do número de receptores ligados. Com o ARINC 429, não se devem ter mais de 20 receptores ligados a um único barramento.

Dado que cada barramento é unidirecional, um sistema necessita de ter o seu próprio barramento de emissão no caso de querer transmitir além de receber mensagens. Daí no caso do ARINC 429, de forma a obter bidirecionalidade na transferência de dados é necessária a existência de dois barramentos de dados.

Protocolo

Dado que apenas pode haver um transmissor num cabo STP, o ARINC 429 utiliza um protocolo muito simples, ponto-a-ponto. O transmissor está continuamente a transmitir palavras de 32bit ou então é colocado em estado NULL.

Bit timing velocidade de varrimento

A velocidade de varrimento refere-se ao tempo que demora um nível lógico variar de nívelalto para nível baixo e vice-versa num sinal.

Especificamente, refere-se à quantidade de tempo que é necessário para um sinal ARINC subir de 10% tensão para 90% da tensão no flanco positivo e no flanco negativo de um sinal ARINC 429.

Os dados da tabela abaixo aplicam-se a ambas as velocidades possíveis num barramento ARINC 429.

Formato das palavras ARINC 429

Uma palavra ARINC consiste numa única palavra de 32bit (ver Figura abaixo). O marcador de 8bit define o tipo de dados que está contido no resto da palavra de 32bit e tipicamente incluem 5 campos primários, Paridade, SSM, Data, SDI e LABEL. A convenção diz que o bit 1 é LSB e o bit 32 é MSB.

Bits

Bits são transmitidos a partir do bit 1 da LABEL (marcador) e o bit final é o bit de paridade.
O standard especifica o uso de paridade ímpar (o bit de paridade é set 1 ou reset a 0 de forma a garantir que existe um número impar de 1’s em cada palavra transmitida).

É de notar que ao LABEL é transmitida com o bit MSB primeiro enquanto os dados começam com o bit LSB.

LABEL

O campo LABEL é um valor octal que indica o tipo de dados ( por exemplo velocidade, altitude, etc.) a serem transmitidos.

SDI

O campo SDI é utilizado quando um transmissor é ligado a vários receptores mas não existe interesse em disponibilizar todos os dados a todos os receptores. Neste caso a cada receptor será atribuído um valor SDI e apenas interpretará as mensagens que indiquem o mesmo SDI.

DATA

O campo DATA é o campo dos dados propriamente ditos. Normalmente os dados são transmitidos em BCD que utiliza grupos de 4bit que contêm um algarismo decimal.

SSM

O campo SSM é utilizado para informação que assiste a interpretação de valores numéricos do campo DATA. Exemplos de valores SSM podem ser Norte, Sul, Leste, Oeste, Menos, Acima ou Abaixo.

O campo P é o bit de paridade e é sempre o último bit a ser transmitido.

Alguns exemplos de palavras ARINC 429 são mostrados nas figuras abaixo:

Na Figura acima a LABEL (103) corresponde a “Selected Airspeed” e o valor indicado é 268 (256+8+4). O zero na posição 29 indica que a velocidade é positiva e que os dados transmitidos em binário natural utilizam o bit 28 (MSB) até ao bit 20 (LSB). Os restantes bits são preenchidos com zeros.

OUTROS BARRAMENTOS STANDARD

Veja outros barramentos standard que são utilizados em algumas aeronaves nas últimas 4 décadas.

No entanto, em todos os casos, o principal objetivo é garantir que os fabricantes de equipamentos e operadores estão trabalhando com as mesmas especificações comuns, garantindo a compatibilidade de hardware e software.

ARINC 419

O ARINC 419 descreve diversos standards de transmissão de dados digitais que precedem o ARINC 429. Alguns utilizavam palavras de 32bit similares a ARINC 429. Alguns standards eram baseados na utilização de 6 condutores, outros utilizavam apenas cabo STP como o ARINC 429 ou cabo coaxial.

Os níveis de tensão são de dois estados (HI/LO) ou três estados (HI/NULL/LO) com tensões entre 10 V e 18.5 V para o nível alto e menos de 1 V até menos de 5 V para o estado NULL.

ARINC 573 O ARINC 573 é o standard adaptado para utilização de Flight Data Recorders (FDR) que utilizam um fluxo contínuo de palavras de 12bit com codificação Harvard bifásica. Estas palavras estão codificadas.

Em blocos (frames) que contém uma amostra instantânea do estado de todos os equipamentos aviônicos a bordo. Cada frame tem 4 sub-frames. Uma palavra de sincronização aparece no início de cada sub-frame.

A norma ARINC 717 substituiu a ARINC 573 e é substancialmente diferente em termos de bitrates (velocidade) e tamanho das frames (quantidade de dados).

ARINC 575

Similar a ARINC 429, este tipo de barramento é um barramento de baixa velocidade num par de condutores torcidos. Devido à baixa velocidade suportada, é um standard obsoleto e em desuso.

Electricamente o ARINC 575 é compatível com o ARINC 429 de baixa velocidade, no entanto, algumas variantes de ARINC 575 têm uma velocidade mais baixa que não permitem a interligação de ambos os barramentos.

ARINC 615

O ARINC 615 é um protocolo de software que é aplicado no topo de sistemas ARINC 429.

Permite a transmissão de dados a elevada velocidade entre equipamentos de leitura e escrita de dados como leitores ópticos, de disquetes ou mais por último em USB pen drives.

ARINC 629

O barramento ARINC 629 foi introduzido na década de 1990 e suporta uma bitrate de 2Mbps (20 vezes mais rápida que o ARINC 429).

O barramento suporta até 120 dispositivos ligados e é atualmente utilizado nas aeronaves mais modernas como o Boeing 777, Airbus A330 e A340.

Uma melhoria notável relativamente a ARINC 429 é o facto de o barramento ARINC 629 ser bidirecional, não necessitando de ter mais barramentos de interligação ou a existência de controladores de barramento específicos.

A cablagem necessária é igualmente cabo STP.

ARINC 708

O barramento ARINC 708 é utilizado para transferir dados do radar atmosférico para os equipamentos que fazem a indicação no painel.

Este tipo de barramento é unidirecional e utiliza um fluxo de dados com 1Mbps codificado em código Manchester.

As palavras têm 1600 bit de tamanho e são compostas por palavras de estado de 64bit e 512 palavras de 3bit de dados.

GLOSSÁRIO

Barramento elétrico

Realiza a função de condutor dentro de um sistema elétrico. Os barramentos elétricos de cobre são resistentes ao calor e a corrosão.

Protocolo

De maneira simples, um protocolo pode ser definido como “as regras que governam” a sintaxe, semântica e sincronização da comunicação.

Bit

Simplificação para dígito binário, “Binary digit” (em inglês) é a menor unidade de informação que pode ser armazenada ou transmitida, usada na Computação e na Teoria da Informação. Um bit pode assumir somente 2 valores: 0 ou 1, corte ou passagem de energia respectivamente.

LRU (Line Replaceable Unit)

É a designação atribuída a um componente, normalmente exterior, facilmente substituível a nível de linha.

Commercial Standard Digital Bus – CSDB

Barramento Digital Padrão Comercial é um barramento assíncrono unidirecional, anteriormente conhecido como o Barramento Digital Padrão Collins. A velocidade máxima é de 50 kbit /s.

Expressão de lógica booleana

É uma estrutura lógica que pode ser verdadeira ou falsa. As expressões podem ser ligadas através de operadores (como AND, OR e NOR) para possibilitar a criação de expressões complexas.

Circuito integrado

Um circuito integrado, abreviadamente CI, é um circuito eletrônico miniaturizado (composto principalmente por dispositivos semicondutores) sobre um substrato fino de material semicondutor.