CANaerospace es un protocolo de capa superior basado en Controller Area Network (CAN) que fue desarrollado por Stock Flight Systems en 1998 para aplicaciones aeronáuticas.
CANaerospace apoya los sistemas aerotransportados que emplean el concepto de unidad reemplazable en línea (LRU) para compartir datos a través de CAN y garantiza la interoperabilidad entre las LRU de CAN definiendo las características de la capa física de CAN , las capas de red, los mecanismos de comunicación, los tipos de datos y los sistemas de ejes aeronáuticos. CANaerospace es un proyecto de código abierto , que se inició para estandarizar la interfaz entre las LRU de CAN a nivel de sistema. CANaerospace se está desarrollando continuamente y también ha sido publicado por la NASA como el Estándar de bus de datos de experimentos de transporte de aviación general avanzado [1] en 2001. Encontró un uso generalizado en la investigación aeronáutica en todo el mundo. Un importante avión de investigación que emplea varias redes CANaerospace para la interconexión de computadoras en tiempo real es el Observatorio Estratosférico de Astronomía Infrarroja (SOFIA), un Boeing 747SP con un telescopio astronómico de 2,5 m. CANaerospace también se utiliza con frecuencia en la simulación de vuelo y conecta cabinas de aviones completas (es decir, en simuladores Eurofighter Typhoon ) a las computadoras host de simulación. En Italia, CANaerospace se utiliza como tecnología de bus de datos para vehículos aéreos no tripulados . [2] Además, CANaerospace sirve como red de comunicaciones en varios sistemas de aviónica de aviación general .
La definición de la interfaz CANaerospace cierra la brecha entre el protocolo CAN de capa 1 y 2 de ISO/OSI (que se implementa en el propio controlador CAN) y los requisitos específicos de los sistemas distribuidos en aeronaves. Puede utilizarse como red de aviónica primaria o auxiliar y fue diseñada para cumplir con los siguientes requisitos:
Para garantizar la interoperabilidad y una comunicación fiable, CANaerospace especifica las características eléctricas, los requisitos del transceptor de bus y las velocidades de datos con las tolerancias correspondientes según la norma ISO 11898. Se hace especial hincapié en el cálculo de la sincronización de bits (precisión de la velocidad en baudios, definición del punto de muestra) y la robustez ante las interferencias electromagnéticas. También se abordan los conectores CAN, las consideraciones de cableado y las directrices de diseño para maximizar la compatibilidad electromagnética.
La propia especificación CAN de Bosch permite la transmisión de mensajes tanto de forma periódica como aperiódica, pero no cubre cuestiones como la representación de datos, el direccionamiento de nodos o los protocolos orientados a la conexión. CAN se basa completamente en la comunicación Anywhere-to-Many (ATM), lo que significa que los mensajes CAN siempre son recibidos por todas las estaciones de la red. La ventaja del concepto CAN es la coherencia inherente de los datos entre todas las estaciones, el inconveniente es que no permite el direccionamiento de nodos, que es la base de la comunicación Peer-to-Peer (PTP). Sin embargo, el uso de redes CAN en aplicaciones aeronáuticas exige un estándar orientado a los requisitos específicos de los sistemas aéreos, lo que implica que la comunicación entre estaciones individuales de la red debe ser posible para permitir el grado requerido de supervisión del sistema. En consecuencia, CANaerospace define funciones adicionales de las capas 3, 4 y 6 de ISO/OSI para soportar el direccionamiento de nodos y mecanismos de comunicación ATM/PTP unificados. La comunicación PTP permite establecer interacciones cliente/servidor entre estaciones individuales de la red, ya sea de forma temporal o permanente. Más de una de estas interacciones puede estar en vigor en un momento dado y cada nodo puede ser cliente para una operación y servidor para otra al mismo tiempo. Este mecanismo de CANaerospace se denomina "Concepto de servicio de nodo" y permite a ie distribuir funciones del sistema en varias estaciones de la red o controlar la reconfiguración dinámica del sistema en caso de fallo. El concepto de servicio de nodo admite interacciones orientadas a conexión y sin conexión, como con TCP/IP y UDP/IP para Ethernet .
Para habilitar la comunicación ATM y PTP para CAN es necesario introducir capas de red independientes para aislar los diferentes tipos de comunicación. Esto se logra para CANaerospace formando grupos de identificadores CAN, como se muestra en la Figura 1. La estructura resultante crea canales de comunicación lógica (LCC) y asigna un tipo de comunicación específico (ATM, PTP) a cada uno de los LCC. Los LCC definidos por el usuario proporcionan la libertad necesaria para los diseñadores y permiten la implementación de CANaerospace según las necesidades de aplicaciones específicas.
Figura 1: Canales de comunicación lógicos para CANaerospace
Como efecto secundario, los grupos de identificadores CAN de la figura 1 afectan a la prioridad de la transmisión de mensajes en caso de arbitraje de bus. Por lo tanto, los canales de comunicación se organizan según su importancia relativa:
La mayoría de los sistemas de control en tiempo real utilizados en aeronáutica emplean arquitecturas de procesador " big endian ". [ cita requerida ] Por lo tanto, esta representación de datos también se especificó para CANaerospace. Con la representación de datos big endian, el bit más significativo de cualquier dato se organiza más a la izquierda y se transmite primero en CANaerospace, como se muestra en la Figura 2.
Figura 2: Representación de datos "Big Endian" para CANaerospace
CANaerospace utiliza un formato de mensaje autoidentificativo que se logra estructurando la carga útil del mensaje como se muestra en la Figura 3. Esta estructura define un encabezado de mensaje de 4 bytes y una sección de parámetros de 4 bytes.
Figura 3: Formato de mensaje de autoidentificación de CANaerospace
A primera vista, el uso del 50% de la carga útil del mensaje CAN para fines distintos a la transmisión de datos operativos puede parecer un desperdicio de ancho de banda. Sin embargo, el encabezado del mensaje CANaerospace proporciona información valiosa que requeriría el uso de bytes de la carga útil del mensaje incluso si se realizara de otra manera: el encabezado permite a las estaciones receptoras analizar los mensajes recibidos inmediatamente con respecto al origen, el tipo de datos, la integridad y el momento de creación. Para lograr esto, no se necesita ninguna otra información excepto el conocimiento de la asignación del identificador CAN para el sistema en particular. Los bytes del encabezado del mensaje tienen el siguiente significado:
La información anterior contenida en el encabezado del mensaje CANaerospace contiene información importante para determinar la integridad de los parámetros para el uso en sistemas críticos para la seguridad del vuelo y respalda la redundancia del sistema. Además, mejora significativamente la interoperabilidad entre las LRU de diferentes proveedores y permite la monitorización de las redes CANaerospace en relación con el estado de las LRU asociadas a ellas. Para una mayor interoperabilidad, CANaerospace define sistemas de ejes específicos de la industria aeroespacial con las convenciones de signos y unidades físicas correspondientes. Junto con la lista de asignación de identificadores predefinida, estas definiciones describen el tráfico en una red CANaerospace de forma inequívoca. La lista de asignación de identificadores estándar de CANaerospace reserva los identificadores CAN entre 300 y 1799 y les asigna parámetros como se muestra en el extracto de esta lista (Figura 4).
Figura 4: Extracto de la lista de asignación de identificadores estándar de CANaerospace V 1.7
Los diseñadores de sistemas pueden utilizar listas de asignación de identificadores definidas por ellos mismos. El "Servicio de identificación de nodos" obligatorio al que debe responder cada LRU de CANaerospace permite escanear la red en busca de LRU conectados y su código de lista de asignación de identificadores para evitar inconsistencias. La Lista de asignación de identificadores estándar de CANaerospace, así como las listas de tipos de datos y unidades, proporcionan secciones definidas por el usuario que pueden ser utilizadas por los diseñadores de sistemas para ampliar estas listas según sus necesidades.
Una característica esencial de todos los sistemas críticos para la seguridad del vuelo es que su comportamiento debe definirse, analizarse y probarse con precisión para cumplir con los requisitos formales de certificación. Esta característica a menudo se malinterpreta como determinismo temporal, pero en realidad es predictibilidad. El grado de precisión requerido para la sincronización es específico para cada aplicación y debe cuantificarse mediante el análisis del sistema. Sin embargo, el objetivo final que se debe alcanzar es poder demostrar a las autoridades de certificación (es decir, FAA , EASA ) que un sistema crítico para la seguridad se comporta de manera predecible en circunstancias previsibles. Con CANaerospace, se puede lograr esta predictibilidad.
CANaerospace propone un concepto de gestión del ancho de banda disponible de una red CAN multipunto para garantizar un comportamiento predecible para la comunicación ATM y PTP, que se denomina Programación de bus activada por tiempo. La Programación de bus activada por tiempo se basa en una limitación del número de mensajes CAN que cualquier nodo de la red puede transmitir dentro de un marco de tiempo menor. El marco de tiempo menor se define durante el diseño inicial del sistema. El número máximo de mensajes transmitidos dentro de un marco de tiempo menor puede diferir de un nodo a otro y contener potencial de crecimiento si lo permite el diseño del sistema. Es crucial para el concepto de Programación de bus activada por tiempo que cada nodo de la red se adhiera a su programa de transmisión en todo momento al generar tráfico de red. Sin embargo, no se requiere ni se prohíbe que los nodos de la red se sincronicen con otros nodos en lo que respecta al orden de transmisión de mensajes o los tiempos de transmisión.
Los marcos de error CAN pueden llevar a un comportamiento impredecible si el ancho de banda es consumido por marcos de error resultantes de fallas de la red o de los nodos conectados a ella. Por lo tanto, CANaerospace recomienda limitar el uso del ancho de banda al 50% del ancho de banda máximo para mitigar la imprevisibilidad. Si bien la Programación de Bus Activada por Tiempo requiere márgenes y no optimiza el uso del ancho de banda de la red, proporciona un enfoque seguro y sencillo para construir sistemas certificables (predecibles). Para garantizar esto en condiciones de falla, el diseñador del sistema tiene que definir el comportamiento en estas condiciones (marcos de error y evitación de la inversión de prioridad ). [4] Aplicando el concepto de Programación de Bus Activada por Tiempo, se puede demostrar que una red CANaerospace se comporta de manera predecible. En la Figura 5 se muestra el programa de transmisión de una red CANaerospace con dos nodos que transmiten sus mensajes de forma asincrónica, en orden alterno y en momentos aleatorios dentro de sus marcos de tiempo menores (escenario del peor caso). Este ejemplo utiliza el 50% del ancho de banda máximo.
Figura 5: Esquema simplificado de transmisión de CANaerospace
Al utilizar la programación de bus activada por tiempo, ningún mensaje en esta programación de transmisión tiene una latencia que exceda el 50 % de un intervalo de tiempo menor más la duración del mensaje más largo. La programación de bus activada por tiempo reduce el efecto de la prioridad de los mensajes debido a que los nodos de la red deben medir sus transmisiones de mensajes.
Las tolerancias de los osciladores locales y la falta de sincronización temporal entre los nodos darán lugar a que los intervalos de tiempo menores se alejen entre sí. Esto no afecta negativamente a las latencias de los mensajes siempre que la duración del intervalo de tiempo menor en todos los nodos coincida estrechamente. Para garantizar la previsibilidad, todos los mensajes aperiódicos deben incluirse en los cálculos de gestión del ancho de banda.
La programación de bus activada por tiempo garantiza la flexibilidad adecuada para aumentar el tráfico de red durante la vida útil del sistema si se prevé un potencial de crecimiento. Por ejemplo, el diseño del sistema permitirá que los nodos se integren en la red sin afectar a los nodos existentes. Además, el comportamiento predecible que impone la programación de bus activada por tiempo permite que los sistemas con diferentes niveles de criticidad coexistan en la misma red.