Test d'équipements réseau

 

Auteur(s) :

MATERIELS :

  • NI PXI 8115 (Contrôleur embarqué)
  • NI PXI 1031 (Châssis PXI 4 emplacements)
  • NI PXI 7813R (Carte FPGA)
  • NI PXI 8231 (Carte Ethernet)
  • NI 6220 (24 lignes d'E/S digitales)

LOGICIELS :

  • NI LabVIEW
  • NI LabVIEW FPGA

Vous avez un projet similaire ?

L'objectif :

Réaliser un système capable d'émettre et de recevoir divers messages numériques dédiés à la navigation. À l'émission, le système doit utiliser des profils paramétriques ou des calculs ou encore des entrées externes pour définir les valeurs des composantes des messages. Les multiples messages circulent en parallèle sur réseau Ethernet et sur plusieurs lignes RS422 avec des périodicités et des vitesses de transmission indépendantes mais strictes sur lesquelles on peut intervenir en insérant des défauts.

La solution :

Développer une architecture à trois étages qui allie un code LabVIEW FPGA exécuté sur une carte PXI-7813R, piloté par une application LabVIEW frontale sur contrôleur double cœur PXI-8106 et une Interface Homme-Machine LabVIEW séparée sur PC portable en réseau local.

 

 

Le groupe DCNS est un acteur européen de tout premier plan sur le marché mondial des systèmes navals de défense. Pour répondre à une demande de plus en plus globale et intégrée, DCNS assure la maîtrise d'œuvre des navires armés et leur soutien, en s'appuyant sur ses moyens propres de développement, de commercialisation et de réalisation, et sur des partenaires sélectionnés.

C’est ainsi que SAPHIR a été missionné par DCNS – DCSIN/NAV pour « le développement et la fourniture de simulateurs de navigation destinés au programme FREMM ».

Le Système d’Élaboration des Données de Navigation collecte des données de divers senseurs et les compile pour fournir des informations cohérentes à l’ensemble des abonnés du bord.

Le simulateur, objet du projet en question, est destiné à être utilisé lors des phases d’intégration et validation, de qualification et d’acceptation des divers équipements constitutifs.

Un simulateur d’émission et analyseur de messages

 Cet outil, appelé SEAMEN (Simulateur d’Émission et Analyseur de Messages d’Équipements de Navigation), doit être capable de se substituer au calculateur de navigation : réception de messages issus des différents équipements et émission de messages sur les réseaux internes du bâtiment.

En synthèse de l’analyse des exigences, en particulier des attentes de performances et de stabilité, le dispositif de simulation repose sur une architecture distribuée à trois étages qui allie un code LabVIEW FPGA exécuté sur une carte PXI-7813R, piloté par une application LabVIEW frontale sur contrôleur double cœur PXI-8106 et une Interface Homme-Machine LabVIEW séparée sur PC portable en réseau local. Le châssis PXI-1031 est complété par une carte interface Ethernet PXI-8231 et une carte d’acquisition de données multifonction PXI-6250.

 Des moyens existants rigides et limités

Les moyens de test habituellement utilisés sont basés sur un calculateur équipé de multiples interfaces RS422. Si ces interfaces respectent parfaitement les vitesses de transmission standards, en revanche elles ne permettent pas :

  • d’introduire des variations (jitter) maitrisées des signaux numériques
  • de garantir la périodicité précise des départs de messages
  • de supporter des vitesses supérieures, hors standard, exigées par certains abonnés.

Pourquoi recourir au FPGA ?

La série de bits d’un message peut être générée par une sortie numérique rapide classique ; cependant le support de 10 lignes simultanées à des vitesses, des périodes et des tailles de messages différentes complexifie sensiblement l’exercice. De plus, les tâches de sérialisation et désérialisation des messages qui transforment à l’émission une suite d’octets en série de bits ou l’inverse en réception, pénaliseraient lourdement le contrôleur dont le principal rôle, outre l’enregistrement continu sur disque des flux émis ou reçus, est d’encoder ou décoder à la volée des groupes d’octets entre l’IHM et le périphérique d’écritures ou lectures multiples. On soulage ainsi le contrôleur par délégation à un périphérique capable d’embarquer du code.

La nature même du circuit « Field Programmable Gate Array » permet d’assurer un réel parallélisme par instanciation d’autant de boucles indépendantes que de liaisons à supporter simultanément (dans la limite du nombre de portes logiques disponibles), sans risque de dégradation de performances.

La recherche des limites de robustesse de multiples communications bruitées ou non, sur liens séries asynchrones à diverses vitesses standards et spécifiques, a imposé la simulation des lignes RS422 simultanées au moyen de signaux numériques générés par FPGA.

Une architecture à trois étages

Le dispositif SEAMEN est composé de deux calculateurs en réseau local, l’un dit IHM l’autre dit Frontal, et d’un périphérique intelligent.

L’Interface Homme-Machine présentée sur un PC portable offre toutes facilités « hors ligne » de configuration paramétrique, de saisie et maintenance des profils de signaux simulés et de scénarii à dérouler ; ce PC abrite également toutes boîtes à outils et applications dédiées à l’analyse différée des messages enregistrés. En ligne lors du déroulement d’un essai, diverses IHM permettent d’observer les messages échangés, d’intervenir sur les profils de consignes de certains signaux constitutifs de messages à émettre et enfin de paramétrer et piloter le Frontal.

Le second calculateur (Frontal) est un contrôleur du PXI qui encode et décode les messages en fonction des instructions fournies par l’IHM ; néanmoins, après paramétrage et lancement d’un scénario de longue durée, le Frontal peut continuer de dérouler l’essai en l’absence de l’IHM retirée du réseau, sans plus alors d’intervention interactive, jusqu’à épuisement du scénario ou reprise de contrôle par retour de l’IHM. Les messages échangés, en mode Simulateur comme en mode Analyseur, sont enregistrés en continu sur disque Frontal ; ils sont recopiés en fin d’essai sur disque du poste IHM pour exploitation et archivage. En mode Simulateur, la préparation des messages périodiques est régulée par des boucles temporisées cadencées par une horloge issue de la carte multifonction.

Outre les messageries sur liens RS422 simulés, des messages circulent également sur le réseau bord (dit INS) ; la réception horodatée comme l’émission périodique est prise en charge par la carte interface Ethernet PXI-8231 couplée au contrôleur.

Enfin, la carte FPGA échange les messages avec le contrôleur PXI par un protocole dédié au travers de FIFO ; elle assure réception ou émission des signaux physiques sérialisés avec une résolution de 25 ns et les conversions entre groupes d’octets et trains de bits.

Conditionnement

Un boîtier externe assure la connexion et le conditionnement électrique entre la carte FPGA et dix liaisons RS422 simulées.

Cet équipement destiné à une exploitation nomade est assemblé dans une valise de transport.

Pertinence de la solution

Non seulement l’architecture proposée lors de la consultation a su convaincre de son adéquation, mais elle a également permis de dépasser certaines exigences du projet, notamment en termes de nombre de canaux simultanés.

La modularité du système a facilité le management du projet et la répartition des tâches à une équipe de quatre développeurs, permettant de respecter à quelques jours près une contrainte initiale de délai extrêmement sévère.

Enfin, un mode dégradé, non prévu à l’origine, permet d’exécuter par le poste IHM les tâches nominalement dévolues au Frontal ; dans ce cas, le réseau Ethernet libéré du Frontal assure la messagerie INS et seuls les ports COM disponibles sur le PC sont supportés impliquant la perte de maîtrise des datations précises de messages et l’introduction d’instabilités ; cette fonctionnalité s’avère cependant couramment appréciable pour des configurations d’essais à faible exigence.

 Déploiement, maintenance et évolution

Le dispositif SEAMEN est déjà déployé sur six sites et devrait voir le parc augmenter. Il est amené à recevoir des extensions ; en particulier, l’architecture modulaire est conçue pour supporter de nouveaux messages et pour faciliter la simulation de nouveaux équipements de navigation.

La séparation de l’IHM permet d’offrir une ergonomie adaptée à divers besoins, sans affecter ni le moteur d’encodage et de génération des messages, ni le processus de réception et décodage. On propose notamment d’adapter l’interface aux contraintes spécifiques des équipements du prochain BPC3 (Bâtiment de Projection et de Commandement) en cours de réalisation par DCNS.

Des fonctions de post-traitement et d’analyse fine différée enrichissent enfin progressivement le dispositif au cours des retours d’expérience.