بروتوكول مُفعّل زمنيًا
بروتوكول التشغيل الزمني (TTP) هو بروتوكول مفتوح لشبكات الحاسوب يُستخدم في أنظمة التحكم . صُمم في الأصل كناقل بيانات ميداني يعمل بالتشغيل الزمني للمركبات والتطبيقات الصناعية. [ 1 ] وتم توحيده في عام 2011 تحت مسمى SAE AS6003 (بروتوكول اتصال TTP). وقد سجلت وحدات تحكم TTP أكثر من 500 مليون ساعة طيران في تطبيقات الطيران التجاري من المستوى A ، وفي توليد الطاقة، والتحكم البيئي، وأنظمة التحكم في الطيران. يُستخدم TTP في أنظمة التحكم الرقمي الكاملة للطائرات (FADEC) وأنظمة التحكم المعيارية في مجال الطيران ، وفي حواسيب الطيران . بالإضافة إلى ذلك، سجلت أجهزة TTP أكثر من مليار ساعة تشغيل في تطبيقات إشارات السكك الحديدية من المستوى SIL4 .
تاريخ
صُممت تقنية TTP في الأصل بجامعة فيينا للتكنولوجيا في أوائل ثمانينيات القرن الماضي. وفي عام 1998، تولت شركة TTTech Computertechnik AG تطوير هذه التقنية، وقدمت منتجات البرمجيات والأجهزة. وتتوفر رقائق التحكم في الاتصالات الخاصة بتقنية TTP وحقوق الملكية الفكرية من مصادر تشمل austriamicrosystems و ON Semiconductor و ALTERA .
تعريف
TTP عبارة عن ناقل بيانات ميداني ثنائي القنوات بسرعة 4-25 ميجابت/ثانية يعمل بنظام التوقيت. يمكنه العمل باستخدام قناة واحدة أو كلتيهما بمعدل بيانات أقصى يبلغ 2 × 25 ميجابت/ثانية . يدعم هذا النظام الاتصال الاحتياطي بفضل نسخ البيانات على كلا القناتين.
باعتباره بروتوكولًا زمنيًا مقاومًا للأعطال، يوفر بروتوكول TTP نقلًا مستقلًا للرسائل في أوقات محددة وبأقل قدر من التذبذب، وذلك باستخدام استراتيجية الوصول المتعدد بتقسيم الوقت (TDMA) على قنوات اتصال متكررة. كما يوفر TTP مزامنة ساعة مقاومة للأعطال تُنشئ قاعدة زمنية عالمية دون الاعتماد على خادم زمني مركزي.
يوفر بروتوكول TTP خدمة عضوية لإبلاغ كل عقدة صحيحة بسلامة نقل البيانات. يمكن اعتبار هذه الآلية خدمة تأكيد موزعة تُعلم التطبيق فورًا في حال حدوث خطأ في نظام الاتصال. وفي حال فقدان سلامة الحالة، يتم إخطار التطبيق على الفور.
بالإضافة إلى ذلك، يتضمن بروتوكول TTP خدمة تجنب الزمر لاكتشاف الأخطاء خارج فرضية الخطأ، والتي لا يمكن التسامح معها على مستوى البروتوكول.
التطبيقات الحيوية
يُستخدم بروتوكول TTP غالبًا في تطبيقات اتصالات البيانات بالغة الأهمية ، حيث يُعد التشغيل الحتمي شرطًا أساسيًا. تشمل هذه العمليات إدارة محركات الطائرات وتطبيقات الفضاء الجوي الأخرى. في هذه التطبيقات، تُدار شبكات TTP عادةً كشبكات منفصلة بأجهزة واجهة AS8202NF منفصلة، وبتكوينات منفصلة ولكن منسقة.
يُقدّم بروتوكول TTP ميزة فريدة تتمثل في معرفة جميع العُقد على الشبكة، في الوقت نفسه، عندما تفشل أي عقدة أخرى في الاتصال أو تُرسل بيانات غير موثوقة. ويتم تحديث حالة كل عقدة لجميع العُقد عدة مرات في الثانية.
التفاصيل الفنية
تُنظَّم عملية نقل البيانات في بروتوكول TTP عبر جولات TDMA. تُقسَّم جولة TDMA إلى خانات زمنية. لكل عقدة خانة إرسال واحدة، ويجب عليها إرسال إطارات في كل جولة. يتراوح حجم الإطار المخصص لكل عقدة بين 2 و240 بايت، ويحمل كل إطار عادةً عدة رسائل. دورة المجموعة هي تسلسل متكرر من جولات TDMA؛ في الجولات المختلفة، يمكن إرسال رسائل مختلفة في الإطارات، ولكن في كل دورة مجموعة، تُكرَّر مجموعة رسائل الحالة كاملةً. تُحمي البيانات بواسطة فحص التكرار الدوري (CRC ) ذي 24 بت. يُخزَّن الجدول الزمني في قائمة واصفات الرسائل (MEDL) داخل وحدة التحكم في الاتصالات.
فتحة
يوجد خانة واحدة لكل عقدة في شبكة TTP. تُرسل العقدة دائمًا البيانات (المعلمات) خلال خانتها، حتى لو لم يكن لديها بيانات لإرسالها. مع ذلك، لن تُرسل العقدة إلا المعلمات المُهيأة لإرسالها في الجولة المحددة التي تقع فيها تلك الخانة. على سبيل المثال، قد تُرسل العقدة المعلمات 1 و2 و3 في خانتها خلال الجولة x، والمعلمات 4 و5 و6 في خانتها خلال الجولة y.
يتم تحديد خانة العقدة عند تصميم شبكة TTP باستخدام أدوات TTP Plan وTTP Build على الحاسوب. ويحتوي ملف MEDL على التعريف الذي يُلزم جهاز AS8202NF بإرسال بيانات أو معلمات محددة لخانة وجولة معينتين.
دائري
تُخصص جولة TTP خانة لكل عقدة في شبكة TTP. ويُحدد عدد الجولات في دورة المجموعة باستخدام أدوات الحاسوب TTP Plan وTTP Build. وتُدرج هذه المعلومات أيضًا في ملف MEDL.
توجد الجولات لأن العقدة ليست ملزمة بإرسال جميع معلماتها خلال فترة زمنية محددة. ولتوزيع عرض النطاق الترددي بين العقد، ترسل كل عقدة معلمات مختارة في جولات مختلفة.
دورة التجميع
تُعرَّف دورة التجميع بأنها تتكون من عدد من الجولات. في نهاية دورة التجميع، تكون جميع العقد قد أرسلت جميع معلماتها. وتبدأ دورة التجميع بالبت الأول من الخانة الأولى في الجولة الأولى.
موازنة العقد والفتحات ودورات التجميع
يُحدد عدد الفتحات بعدد العقد في شبكة TTP. أما عدد الجولات فيُحدده مصمم الشبكة باستخدام أداتي TTP Plan وTTP Build.
مزامنة الساعة
تُوفر مزامنة الساعة لجميع العُقد مفهومًا زمنيًا مُكافئًا. تقيس كل عقدة الفرق بين وقت الوصول المُتوقع المُسبق ووقت الوصول الفعلي للرسالة الصحيحة، وذلك لمعرفة الفرق بين ساعة المُرسِل وساعة المُستقبِل. تحتاج خوارزمية المتوسط المُقاومة للأخطاء إلى هذه المعلومات لحساب مُعامل تصحيح دوري للساعة المحلية، بحيث تبقى الساعة مُتزامنة مع جميع ساعات المجموعة الأخرى.
العضوية والاعتراف
يسعى بروتوكول التوقيت الزمني إلى إرسال البيانات باستمرار إلى جميع العقد الصحيحة في النظام الموزع، وفي حالة حدوث عطل، يحاول نظام الاتصال تحديد العقدة المعطلة. وتتحقق هذه الخصائص من خلال بروتوكول العضوية وآلية الإقرار.
متطلبات التكوين
يُشترط أن تحتوي كل عقدة متصلة بشبكة TTP على مجموعات بيانات تكوين مُثبّتة قبل بدء تشغيل الشبكة. الحد الأدنى لعدد مجموعات البيانات لكل عقدة هو مجموعتان. راجع قسم الأجهزة وAS8202NF (أدناه). تحتاج كل عقدة إلى معرفة تكوين جميع العقد الأخرى على شبكة TTP. لهذا السبب، لا يُسمح للعقد النشطة بالانضمام إلى شبكة قائمة دون تحديث مجموعات بيانات التكوين لجميع العقد على الشبكة.
مجموعات بيانات التكوين النموذجية لكل عقدة:
- TASM لـ AS8202NF (يسمح باستخدام MEDL)
- MEDL أو قائمة وصف الرسائل لـ AS8202NF (تحدد البيانات المراد تبادلها بين جميع العقد)
- تكوين منصة الحوسبة. (يحدد البيانات المتوقعة واستخدامها)
يتم إنشاء مجموعتي البيانات TASM وMEDL بواسطة أدوات TTP Plan وTTP Build التي توفرها شركة TTTech. أما مجموعة البيانات الثالثة، فيتم إنشاؤها غالبًا من قبل العميل، وهي خاصة بالمنصة والتطبيق.
الأجهزة
يتطلب الاتصال بشبكة TTP استخدام جهاز AS8202NF. [ 2 ] يعمل هذا الجهاز كوسيط بين منصة الحاسوب وشبكة TTP. ويجب تحميل جهاز AS8202NF بمجموعتي بيانات التكوين TASM (مجمع TTP) وMEDL (قائمة واصفات الرسائل) قبل التشغيل.
سيتصل جهاز AS8202NF بشبكة واحدة أو شبكتين من شبكات TTP.
لا يمكن تصميم وتنفيذ شبكة TTP بمجرد شراء جهاز AS8202NF. يتطلب كل تصميم ترخيصًا وأدوات تهيئة من TTTech أو جهة خارجية.
التطبيقات التجارية
تم دمج تقنية TTP في عدد من التطبيقات التجارية.
حلول إشارات السكك الحديدية
تم تصميم نظام التعشيق الإلكتروني "LockTrac 6131 ELEKTRA" في إطار تعاون بين قسم حلول إشارات السكك الحديدية في شركة Thales وشركة TTTech .
نظام LockTrac 6131 ELEKTRA هو نظام تعشيق إلكتروني يوفر أعلى مستويات الأمان والتوافر. النظام معتمد وفقًا لمعايير CENELEC بمستوى سلامة متكامل 4 ( SIL4 )، ويقدم وظائف تعشيق أساسية، وتحكمًا محليًا وعن بُعد، وتشغيلًا آليًا للقطارات، ووظائف متكاملة للتحكم في حركة القطارات، ونظام تشخيص متكامل. يحتوي نظام LockTrac 6131 على قناتين برمجيتين ببرامج متنوعة لضمان متطلبات السلامة العالية. قبل إرسال البيانات خارجيًا، يتم فحصها في قناة الأمان. يقوم جهاز التشخيص بحفظ جميع المعلومات ذات الصلة لتسهيل الصيانة الفعالة في حالة حدوث عطل .
FADEC
يُستخدم هذا النظام في أنظمة التحكم الرقمي الكامل للمحرك (FADEC) . يتميز نظام FADEC الخاص بطائرة إيرماكي M346 ، والمبني على نظام التحكم المعياري للفضاء الجوي (MAC) ، بقابليته للتوسع والتكيف ومقاومة الأعطال. ويُعدّ استخدام بروتوكول TTP للتواصل بين الوحدات التقنية العاملَ التقني الرئيسي في هذا النظام الجديد. يُزيل بروتوكول TTP الترابطات المعقدة بين الوحدات، مما يُبسّط عملية تطوير التطبيقات الأولية، بالإضافة إلى التغييرات والترقيات أثناء التشغيل. كما يُتيح لجميع الوحدات في النظام الاطلاع على جميع البيانات في جميع الأوقات، مما يضمن معالجة الأعطال بسلاسة دون الحاجة إلى منطق معقد لتغيير القنوات .
تم دمج نظام التحكم المعياري للطيران والفضاء (MAC) القائم على تقنية TTP، وهو جزء من نظام التحكم الرقمي الكامل للمحرك (FADEC) من شركة جنرال إلكتريك ، في طائرة لوكهيد مارتن إف-16 المقاتلة . يدعم نظام TTP، المستخدم كناقل بيانات خلفي، مستويات عالية من أمان المحرك، والجاهزية التشغيلية، وخفض تكلفة دورة حياة المحرك. ومن أهم مزاياه أن جميع المعلومات الموجودة على ناقل البيانات متاحة لقناتي نظام FADEC في آن واحد .
أنظمة توليد الطاقة والبيئة
قامت شركة TTTech بتطوير نظام الاتصالات الداخلية لنظام التحكم في ضغط المقصورة لطائرة إيرباص A380، وذلك بالتعاون مع شركة Nord-Micro، وهي شركة تابعة لشركة Hamilton Sundstrand Corporation .
بالتعاون مع شركة هاميلتون ساندستراند ، طورت شركة TTTech منصة اتصالات بيانات تعتمد على بروتوكول TTP لنظام التحكم الكهربائي والبيئي لطائرة بوينغ 787 دريملاينر. تمنع منصة الاتصالات المصممة بتقنية TTP حدوث تحميل زائد في نظام ناقل البيانات، حتى في حال تزامن عدة أحداث مهمة. إضافةً إلى ذلك، تتميز الأنظمة القائمة على بروتوكول TTP بوزنها الأخف مقارنةً بالأنظمة التقليدية، وذلك بفضل قلة عدد الموصلات والأسلاك . علاوةً على ذلك، يتميز النظام ككل بمرونة أكبر وقابلية تصميم معيارية أعلى من أنظمة الاتصالات التقليدية.
المركبات ذاتية القيادة
زُوِّدت المركبتان الروبوتيتان التابعتان للفريق الأحمر، واللتان شاركتا في تحدي داربا الكبير عام 2005، بتقنية "القيادة الإلكترونية"، حيث تتحكم الحواسيب الموجودة على متنهما في التوجيه والكبح والحركات الأخرى. وتتحكم ثلاث وحدات TTC 200، القائمة على تقنية TTP، في فرامل التوقف ووظائف دواسة الوقود وناقل الحركة، بينما تتحكم وحدة TTP-By-Wire Box في فرامل الخدمة لمركبة H1 Hummer H1ghlander. كما تحكمت تعديلات القيادة الإلكترونية في تسارع وكبح ونقل حركة مركبة Sandstorm .
انظر أيضاً
مراجع
- ↑ كوبيتز، هيرمان؛ غرونستيدل، غونتر (1993)، "بروتوكول TTP - بروتوكول مُفعّل زمنيًا لأنظمة الوقت الحقيقي المقاومة للأعطال"، FTCS-23. المؤتمر الدولي الثالث والعشرون للحوسبة المقاومة للأعطال، ملخص الأوراق ، تولوز، فرنسا: IEEE، الصفحات 524-533 ، doi : 10.1109/FTCS.1993.627355 ، S2CID 509153 ، 0-8186-3680-7
- ↑ "AS8202 - وحدة تحكم الاتصالات TTP-C2NF - ams" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 2013-12-17.
روابط خارجية
- الشبكات