Design and Architecture of a Hardware Platform to Support the Development of an Avionic Network Prototype

Trentin, Davide (2012) 

Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal.

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Résumé

Résumé en français La récente évolution des architectures des systèmes avioniques a permis la création de réseaux avioniques modulaire embarqués (IMA) et l’augmentation du nombre de systèmes embarqués numériques dans chaque avion. Cette transition vers une nouvelle génération d’avions plus électriques permet une réduction du poids et de la consommation énergétique des aéronefs et aussi des couts de production et d’entretien. Pour atteindre une réduction du poids encore plus poussée et une amélioration de la bande passante des réseaux utilisés, des technologies innovatrices ont récemment été adoptées : ARINC 825 et AFDX qui permettent en fait une réduction du câblage nécessaire pour réaliser le réseau embarqué.Dans le cadre du projet AVIO 402, qui inclus plusieurs sujets de recherche qui concernent aussi les capteurs et leur interface avec le système IMA, une nouvelle architecture a été proposée pour la réalisation du réseau utilisé pour le système de contrôle de vol. Cette architecture est basée sur des bus ARINC 825 locaux, connectés entre eux en utilisant un réseau AFDX qui offre une meilleure bande passante ; les ponts entre les deux protocoles et les modules qui connectent les nœuds au réseau ont une structure générique pour supporter des protocoles différents et aussi plusieurs types des capteurs et actionneurs. Pour une évaluation des performances et une analyse des défis de son implémentation, la réalisation d’un prototype du réseau proposé est requise par le projet. Dans ce mémoire, le développement d’une plateforme matérielle pour soutenir la réalisation de ce prototype est traité et trois modules fondamentaux du prototype ont été conçus sous forme de "IP core" pour être subséquemment intégrés dans l’architecture du réseau qui sera implémenté en utilisant des FPGA. Les trois systèmes sont le contrôleur du bus CAN, utilisé comme base pour l’implémentation du protocole ARINC 825, le "End System" AFDX et le commutateur nécessaires pour la réalisation d’un réseau AFDX. Dans la première partie de ce mémoire, les objectifs visés sont présentés et une analyse des spécifications des protocoles considérés est fournie, cela permet d’identifier les fonctionnalités qui doivent être incluses dans chaque système et de déterminer si des solutions pour leur implémentation ont déjà été publiées et peuvent être réutilisées. Ensuite, le développement de chaque système est présenté et les choix de conception sont expliqués afin de montrer comment les fonctionnalités requises par les spécifications des deux protocoles peuvent être implémentées pour mieux répondre aux nécessités du projet AVIO 402.

 Abstract

  The objective of the present project is to design three modules for a hardware platform that will support the implementation of an avionic network prototype based on the FPGA technology. The considered network has been conceived to reduce cabling weight and to improve the available bandwidth, and it exploits the recently introduced ARINC 825 and AFDX protocols. In order to support the implementation of both these protocols, a CAN bus controller, an AFDX End System, and an AFDX Switch have been designed. After an extensive review of the existing literature about the two related avionic protocols, a study of the existing solutions for CAN and Ethernet protocols, on which they are based, has been done as well to identify what knowledge and technology could be reused. Because they are very similar, a flexible CAN controller has been implemented in hardware instead of an ARINC 825 one in order to support both these technologies and in order to reduce the IP core size. A combined HW/SW approach has been preferred for the AFDX End System architecture to leverage an existing UDP/IP protocol stack and the Ethernet layer included in the Linux kernel has been modified to create a portable and configurable implementation of AFDX. Since various problems have been encountered to reproduce an ARINC 653 compliant environment on the embedded system, the suggested design has been ported in a PC. Finally, an original solution for the implementation of the AFDX switch fabric has been finally presented; a space-division switching architecture has been chosen and tailored to meet the AFDX specification. Hardware parallelism is exploited to reduce the latency introduced on each frame by filtering them concurrently. Input buffers have been duplicated to separate high from low priority traffics, further reducing latency of critical frames and creating a redundancy that reduce the possibility of packet loss. Packet scheduling and double queuing guarantee that all critical frames are forwarded before low priority ones.Keywords: Avionic Full-Duplex Switched Ethernet, AFDX, ARINC 664, ARINC 825, CAN, Avionic Data Networks, Ethernet Switch, FPGA.