Nghiên cứu giải pháp thu phát dữ liệu theo chuẩn truyền thông гост 26765.52-87 trong các hệ thống tác chiến điện tử do nga chế tạo

nguyên lý hoạt động, xây dựng lại sơ đồ khối, sơ đồ nguyên lý của mô đun này. Mô đun POY-400 là một mô đun truyền thông theo chuẩn trên, sử dụng các linh kiện của Nga, qua thời gian sử dụng đã có những hư hỏng, việc tìm kiếm, sửa chữa gặp nhiều khó khăn. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu, nhóm tác giả đề xuất thiết kế một mô đun tương tự sử dụng các linh kiện dễ tìm kiếm, thay thế, lập trình. Từ khóa: ГОСТ 26765.52-87; POY-400; H1515XM1; Hệ thống con. 1. MỞ ĐẦU Việc nghiên cứu, khai thác làm chủ các tổ hợp vũ khí trang bị kỹ thuật đặc biệt là tổ hợp tác chiến điện tử (TCĐT) trên tàu Hải quân là một nhiệm vụ vô cùng quan trọng. Các hệ thống, khí tài TCĐT thường thực hiện các nhiệm vụ: trinh sát điện tử, chế áp điện tử và bảo vệ điện tử [1]. Tổ hợp tác chiến điện tử gồm nhiều thiết bị được kết nối với nhau và nối với các hệ thống khác một cách hoàn chỉnh, thông qua nhiều giao thức truyền thông như nối tiếp, song song, ethernet, cùng các chuẩn như RS-485, RS-232, ГОСТ 26765.52-87 (ГОСТ- 87),... Nội dung bài báo có ba phần chính: phần thứ nhất giới thiệu về chuẩn ГОСТ - 87, các ưu nhược điểm và tham số truyền thông. Phần thứ hai đề cập đến nguyên lý truyền thông trên một mô đun truyền thông theo chuẩn ГОСТ-87 của LB Nga (POY-400). Phần thứ ba đề xuất thiết kế một mô đun truyền thông theo chuẩn ГОСТ-87 với các linh kiện thông dụng. 2. CHUẨN ГОСТ 26765.52-87 Chuẩn ГОСТ -87 được dùng nhiều trong các hệ thống truyền thông trên tàu, máy bay quân sự. Đây là là tiêu chuẩn quân sự của Nga, xác định đặc tính cơ học, điện và chức năng bus dữ liệu nối tiếp. Ban đầu nó được thiết kế để sử dụng với mục đích quân sự như hệ thống radar quân sự, hệ thống điều khiển máy bay, thông tin tác chiến trên tàu quân sự, sau đó được sử dụng trên cả mục đích dân sự như hàng hải, hàng không. 2.1. Các đặc trưng truyền thông Bus của hệ thống sử dụng cặp dây duy nhất trở kháng 70-85 Ω tại tần số 1 MHz. Dữ liệu trên bus được mã hóa Manchester hai trạng thái. Cặp thiết bị thu phát nhận tín hiệu qua biến áp cách ly. Nếu cự li ngắn, hai thiết bị sử dụng kết nối kiểu trực tiếp, khi cự li xa đến 6m thì sử dụng kiểu kết nối thông qua biến áp ghép nối. Kiểu truyền dẫn của trong hệ thống là bán song công. Số thiết bị đầu cuối tối đa trong một hệ thống đến 31 thiết bị. Kiến trúc một hệ thống dùng bus theo chuẩn ГОСТ- 87 như trên hình 1. Kiến trúc này bao gồm bộ điều khiển bus (BC) điều khiển nhiều thiết bị đầu cuối từ xa Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020 25 (RT) được kết nối với nhau bằng một bus dữ liệu. Hệ thống cũng có thể có một hoặc nhiều thiết bị giám sát bus (BM) nhưng thiết bị này không được phép tham gia vào việc truyền dữ liệu, và chỉ được sử dụng để ghi lại dữ liệu phục vụ phân tích. Khi thiết lập thêm bus dự phòng, sẽ có nhiều hơn một bus dữ liệu, ví dụ bus dự phòng thứ hai, bus dự phòng thứ ba. Bộ điều khiển bus (BC) Bộ điều khiển bus dự phòng (BBC) Giám sát bus (BM) Thiết bị đầu cuối từ xa (RT) Hệ thống con Hệ thống con được nhúng RT Tối đa 30 RT 1 BC được hoạt động tại một thời điểm Bus A ГОСТ.87 Bus B ГОСТ.87 Các bus dự phòng Giao thức bất kỳ Hình 1. Kiến trúc một hệ thống bus ГОСТ- 87. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 1 15 55 Số từ dữ liệu/ Mã chế độ Địa chỉ con/Chế độĐịa chỉ Thiết bị đầu cuối Đồng bộ 1 11 15 Địa chỉ Thiết bị đầu cuối Đồng bộ T/R P B ản t in l ỗ i Y êu c ầu d ịc h v ụ 1 3 Dự phòng 1 1 1 1 P ar it y C ờ R T B ận C ờ h ệ th ố n g co n C h ấp n h ận đ iề u k h iể n b u s đ ộ n g 116 Dữ liệuĐồng bộ P P h át q u ản g b á T h iế t b ị đ o k iể m Bit Từ lệnh Từ dữ liệu Từ trạng thái Hình 2. Các từ được truyền trong hệ thống [3]. Tất cả truyền dẫn trên bus được điều khiển bởi bộ điều khiển bus. Một hệ thống con có thể kết nối với bus thông qua RT bằng giao thức bất kỳ hoặc hệ thống con này được thiết kế có thể giao tiếp trực tiếp với bus. Có ba loại từ là từ dữ liệu, từ lệnh và từ trạng thái như mô tả trên hình 2. Mỗi từ truyền sẽ dài 20 bit bao gồm 3 bit cho đồng bộ, 16 bit cho dữ liệu và 1 bit để kiểm soát lẻ. Các từ được truyền nối tiếp và khoảng thời gian tối thiểu giữa các từ là 4μs. 2.2. Phương thức truyền thông Truyền thông giữa thành phần trong hệ thống sẽ bao gồm các trường hợp xảy ra là: giữa BC và một RT xác định hoặc giữa BC và cặp RT. Truyền thông BC đến RT theo định dạng 1 như trong hình 3: BC gửi từ lệnh 16- bit (trên thực tế là 20 -bit), theo sau là từ 1 đến 32 từ dữ liệu 16-bit. Thiết bị RT nào được chọn sẽ gửi từ phản hồi 16-bit về trạng thái. Truyền thông RT đến BC theo định dạng 2: BC gửi từ lệnh đến RT, RT gửi từ trạng thái, theo sau là từ 1-32 từ dữ liệu. Kỹ thuật điện tử Đ. D. Điện, B. M. Tuấn, N. K. Hưng, “Nghiên cứu giải pháp thu phát do Nga chế tạo.” 26 Truyền thông RT đến RT theo định dạng 3: Bộ điều khiển BC gửi từ lệnh nhận và từ lệnh chuyển. RT truyền sẽ gửi từ trạng thái, tiếp sau là 1-32 từ dữ liệu. RT nhận sẽ gửi từ trạng thái của nó. Truyền thông trong chế độ lệnh không có từ dữ liệu theo định dạng 4: BC gửi từ lệnh với địa chỉ con 0 hoặc 31 xác định lệnh mã chế độ. RT trả lời bằng từ trạng thái. КС СД СД СД ОС КС.... t1 t2 bản tin tiếp theo Định dạng 1 КС КС.... t2 bản tin tiếp theo ОС СД СД СДĐịnh dạng 2 КС КС t1 t1 ....ОС СД СД СД ОС КС t1 t2 bản tin tiếp theo Định dạng 3 КС ОС КС t1 t2 bản tin tiếp theo КС ОС КС t1 t2 bản tin tiếp theo СД КС КС t2 СД ОС t1 bản tin tiếp theo Định dạng 4 Định dạng 5 Định dạng 6 Hình 3. Một số định dạng truyền thông theo ГОСТ- 87 [4]. Truyền thông trong chế độ lệnh với từ dữ liệu (truyền tin) theo định dạng 5: BC gửi lệnh với địa chỉ con 0 hoặc 31 xác định mã chế độ. RT trả lời bằng từ trạng thái, tiếp theo là từ dữ liệu duy nhất. Truyền thông trong chế độ lệnh với từ dữ liệu (nhận tin) theo định dạng 6: BC gửi lệnh với địa chỉ con 0 hoặc 31 xác định mã chế độ tiếp theo là từ dữ liệu duy nhất. RT phản hồi với từ trạng thái. Hình 3 là các bản tin theo giao thức truyền thông chuẩn ГОСТ- 87. Trong đó, КС là từ lệnh, СД là từ dữ liệu và ОС là từ phản hồi, t1là khoảng thời gian chờ tin phản hồi, t2 là các khoảng thời gian giữa các bản tin. Thông qua việc phân quyền ưu tiên, hệ thống truyền thông theo chuẩn ГОСТ- 87, không bị xung đột bản tin. Tất cả các bản tin được đi trước bởi một từ lệnh và chỉ được kích hoạt bởi bộ điều khiển bus. 3. MÔ ĐUN TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ THỐNG TÁC CHIẾN ĐIỆN TỬ Mô đun РОУ-400 được sản xuất bởi công ty cổ phần điện tử ELCUS thuộc Đại học Kỹ thuật điện Quốc gia SAINT-PETERSBURG (LEEI). Mô đun này được sử dụng trong các hệ thống tác chiến điện tử trên các lớp tàu hải quân với mục đích thu nhận, điều khiển và kiểm soát dữ liệu [5]. Mô đun РОУ-400 thực hiện chức năng là mô đun truyền thông theo chuẩn ГОСТ- 87, khả năng dự phòng cao có nhiệm vụ: thực hiện gửi các tín hiệu kiểm tra tới nó và kiểm tra các thông tin thu nhận. Mô đun sử dụng hai mô đun thu phát BA996A dùng để thu phát dữ liệu từ máy tính đưa đến. Sau đó, tín hiệu được đưa đến hai bộ mã hóa và giải mã 588BГ7, tại Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020 27 đây, dữ liệu nối tiếp được chuyển thành dữ liệu 16 bít song song D15-D0 đưa đến các hệ thống con, đồng thời cũng đưa đến IC điều khiển bus H1515XM1. Biến áp ТИЛ-3В dùng để cách ly, dữ liệu truyền nối tiếp theo mã Manchester-2 qua được biến áp này. IC mã hóa/giải mã 588ВГ7 Bộ thu/phát BA-996 ТИЛ-3В Bộ dao động 12Mhz Mạch lựa chọn kênh Mạch chia tần số IC mã hóa/giải mã 588ВГ7 Bộ thu/phát BA-996 ТИЛ-3В Bộ điều khiển OY H1515XM1 Bus dữ liệu D15-D0 Tín hiệu điều khiển Địa chỉ A10-A0 Kênh 1 Kênh 2 Hình 4. Sơ đồ khối mô đun РОУ- 400. Trên cơ sở khai thác tài liệu, đo đạc nhóm nghiên cứu đã xây dựng lại sơ đồ nguyên lý của mô đun. Hình 5. BC dùng H1515XM1 và IC mã hóa/giải mã địa chỉ 588BГ7. Mạch thu phát dữ liệu nối tiếp sử dụng mô đun BA996A như hình 11. Hình 6. Mạch thu phát dữ liệu sử dụng IC BA996A và biến áp cách ly. Kỹ thuật điện tử Đ. D. Điện, B. M. Tuấn, N. K. Hưng, “Nghiên cứu giải pháp thu phát do Nga chế tạo.” 28 4. ĐỀ XUẤT THIẾT KẾ MÔ ĐUN TƯƠNG TỰ THEO CHUẨN ГОСТ- 87 Qua nghiên cứu, khảo sát, đo đạc, phân tích nhóm nghiên cứu nhận thấy mô đun POY-400 là khâu trung gian để hệ thống kết nối với các thiết bị, có khả năng kết nối các chuẩn dữ liệu khác nhau [2]. Mô đun sử dụng các linh kiện của Nga, việc tìm kiếm, sửa chữa, thay thế khó khăn đặc biệt là trong đó có linh kiện là chip lõi là bộ điều khiển bus có lập trình. Vì vậy, nhóm nghiên cứu đề xuất xây dựng mô đun truyền thông theo chuẩn ГОСТ- 87 có các linh kiện dễ tìm kiếm thay thế cũng như lập trình. 4.1. Sơ đồ khối phần cứng mô đun RT đề xuất DSP (Host processor) Line Transceiver Bus Transceiver Biến áp BUS Nguồn cấp +15V, -15V5V, 3.3V +15V, -15V Các hệ thống con Hình 7. Sơ đồ khối mô đun đề xuất. Sơ đồ khối bao gồm một bộ xử lý, một bộ thu phát bus, một bộ thu phát đường dây kết nối giữa bộ thu phát bus với bộ vi xử lý, các biến áp phối hợp. TMS320C6713 DSP của hãng Texas Instruments được sử dụng là bộ xử lý (Host processor). Nó có một bộ xử lý dấu phẩy động 32 bit chuyên cho hoạt động xử lý tín hiệu số. Tốc độ xung nhịp tới 167 MHz, tốc độ thực hiện lệnh là 1336 MIPS, 192K byte RAM tĩnh bên trong (IRAM), bộ nhớ ngoài 16 bit. IC có bộ điều khiển truy cập bộ nhớ trực tiếp nâng cao (EDMA); hai cổng nối tiếp đệm đa kênh (McBSP); hai bộ định thời đa năng 32 bit; bộ tạo xung nhịp linh hoạt dựa trên vòng khóa pha (PLL). DS90LV019 của hãng National Semiconductor thực hiện chức năng của bộ thu phát đường truyền kết nối giữa DSP và bộ thu phát bus. DS90LV019 được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng kết nối điểm-điểm tốc độ cao, năng lượng tiêu thụ thấp. IC hoạt động ở điện áp 3.3V hoặc 5.0V; có một điều khiển vi sai và một bộ thu nhận. Bộ điều khiển chuyển đổi các mức CMOS/TTL thành các mức tín hiệu chênh lệch điện áp thấp. Trong sơ đồ thiết kế của mô đun, IC điều khiển bus là HI-1553 của hãng Holt Integrated Circuits Inc. Đây là chip thu phát bus kép sử dụng điện áp 3,3V. Phần phát lấy dữ liệu CMOS/TTL và chuyển đổi nó thành các mức điện áp chênh lệch phù hợp với biến áp cách ly. Phần thu chuyển đổi dữ liệu bus thành tín hiệu mức CMOS/TTL. Giao tiếp giữa các cổng McBSP của DSP với HI-1553 thông qua bộ thu phát đường truyền. Chân dữ liệu phát của cổng McBSP được nối với chân đầu vào của IC thu phát đường truyền, và tại đây, nó được bù mức tín hiệu thành 3.3V tại các chân Data Out+ và Data Out-. Các chân đầu ra này được nối với các chân đầu vào dữ liệu số không đảo và đảo của IC điều khiển bus tương ứng. Tương tự các chân đầu ra dữ liệu đảo và không đảo của IC điều khiển bus được nối với các chân đầu vào Data In+ Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020 29 và Data In- của IC thu phát đường truyền. Tại đây, dữ liệu được bù mức thành 3.3V đưa đến DSP qua các chân DR (dữ liệu thu) và FSR (dữ liệu đồng bộ khung). Chân FSR phát hiện xung đồng bộ đến và chân DR để thu nhận dữ liệu. Hình 8. IC HI-1553 và IC DS90LV019. 4.2. Thiết kế phần mềm cho DSP Mọi RT thực hiện truyền thông trên kênh đều thông qua BC. Đầu tiên, BC gửi một lệnh xuống RT mà nó yêu cầu. RT thu được bản tin đúng với nó thì nó sẽ thực thi các yêu cầu mà BC đưa đến như: cung cấp trạng thái RT, yêu cầu RT cấp dữ liệu cho BC hay yêu cầu RT cấp dữ liệu cho RT khác trong hệ thống. Lưu đồ thuật toán cho một RT được đưa ra như hình dưới đây. Bắt đầu Khởi tạo PLL Khởi tạo các kênh EDMA Khởi tạo các thanh ghi McBSP Cho phép ngắt thu McBSP Chương trình con phát dữ liệu (nếu yêu cầu) Mã hóa Manchester-II Thêm các xung đồng bộ Thêm dữ liệu McBSP Cho phép ngắt phát McBSP Sao chép dữ liệu bộ đệm phát đến McBSP_Tx Sao chép dữ liệu từ McBSP_Rx sang bộ đệm thu Lọc dữ liệu McBSP Chuyển đổi sang logic Phát hiện xung đồng bộ Giải mã Manchester-II Phát hiện lỗi Tách 16 bít dữ liệu Có lệnh yêu cầu từ BC? Xử lý giao thức ГОСТ- 87 theo LUT, lưu trữ dữ liệu OK NOT Kiểm tra trạng thái kênh? Chương trình con thu dữ liệu NO OK Thêm bít Parity Đưa ra 16 bít phát Chương trình con phát dữ liệu Chương trình con thu dữ liệu Chương trình chính Hình 9. Lưu đồ thuật toán xử lý thu và phát một từ trên mô đun RT. Phần đầu tiên của phần mềm bao gồm khởi tạo phần cứng như thiết lập PLL thông qua các thanh ghi, xung nhịp cho các thiết bị ngoại vi, cấu hình các tham số EDMA và thiết lập các thanh ghi McBSP. Phần thứ hai là trình phục vụ ngắt khi EDMA truyền dữ liệu từ McBSP sang IRAM và ngược lại từ IRAM sang McBSP. Khi có dữ liệu từ BC đến, RT kiểm tra xem có phải là dữ liệu yêu cầu của mình Kỹ thuật điện tử Đ. D. Điện, B. M. Tuấn, N. K. Hưng, “Nghiên cứu giải pháp thu phát do Nga chế tạo.” 30 không. Tiếp theo nếu đúng, RT kiểm tra đó là yêu cầu gì, còn không RT bỏ qua tiếp tục chờ đợi lệnh tiếp theo của BC. Thông qua phản hồi của các McBSP, DSP biết rằng kênh truyền đang thực hiện là phát hay thu. Đối với việc thu một từ dữ liệu, dữ liệu nhận được từ McBSP sau đó là sao chép nó sang bộ đệm thu, chuyển đổi mức sang dữ liệu số logic. Dữ liệu này được tách xung đồng bộ qua thuật toán phát hiện xung đồng bộ, qua giải mã Manchester-II, kiểm tra bít parity và tách lấy 16 bít dữ liệu cần thiết đưa về lưu trữ và xử lý theo yêu cầu của từng mục đích. Đối với việc phát một từ lên bus, dữ liệu 16 bít được thêm bít kiểm tra, sau đó mã hóa Manchester-II, thêm các xung đồng bộ cho đủ 20 bít và đưa ra bộ đệm phát. Các tham số của EDMA được thiết lập theo yêu cầu truyền 8 bít giữa McBSP và IRAM. Ngắt INT_8 trong bảng véc tơ ngắt trong DSP được sử dụng cho việc truyền này. Mỗi McBSP chiếm mất ½ pha của một bít mã Manchester-II như một từ 8 bit. Vì vậy, đối với bản tin của ГОСТ- 87 có 20 bít thì cần 40 khung McBSP. Dữ liệu được sao chép đến IRAM trong quá trình nhận được nén lại 1/8 lần so với dữ liệu nhận được bởi McBSP. Mỗi khung McBSP trong DSP có thể cấu hình khung phát hoặc thu 8, 12, 16, 20, 24 và 32 bít. Mặc dù khung 20 bít là lý tưởng cho việc truyền bản tin ГОСТ- 87, nhưng nó lại không thể tạo nửa bít cao và nửa bít thấp cho xung đồng bộ. Vì vậy, cấu hình khung cho McBSP là 8 bit truyền. Xung nhịp cho DSP được chọn là 16MHz cho việc truyền bản tin McBSP. Đối với bản tin của ГОСТ- 87 là 20 bít tương ứng với 40 khung 8 bít của McBSP, nên thời gian của ½ pha bít mã Manchester-II là 0,5us. Giản đồ thời gian tạo gói bản tin được thể hiện như hình dưới đây. Hình 10. Giản đồ thời gian tạo gói tin theo ГОСТ- 87. 5. KẾT LUẬN Bài báo đã trình bày tổng quan về chuẩn ГОСТ- 87 để kết nối các thiết bị trong một hệ thống truyền thông, các tham số đặc trưng cấu hình hệ thống cơ bản. Nhóm tác giả đã phân tích các ưu nhược điểm. Nhóm đã khai thác tìm hiểu xây dựng sơ đồ chức năng mô đun POY-400, phân tích nguyên lý hoạt động, chức năng của các linh kiện, dựng lại sơ đồ nguyên lý mô đun POY. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu nhóm tác giả đề xuất thiết kế một mô đun truyền thông theo chuẩn ГОСТ- 87 có các linh kiện dễ tìm kiếm thay thế cũng như lập trình. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Viện Điện tử, 9 - 2020 31 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Hướng dẫn sử dụng thiết bị vô tuyến điện tử MП-405-AП, “Hướng dẫn khai thác sử dụng và bảo dưỡng kỹ thuật tàu 12418(377, 378)”, Tổng cục công nghiệp quốc phòng (2015). [2]. “Nghiên cứu khai thác làm chủ và chế tạo một số mô đun chức năng của tổ hợp tác chiến điện tử МП-405-1Э trên tàu 1241.8”, Thuyết minh đầu vào đề tài cấp Bộ Quốc Phòng, mã số KC-KT.08/19 (2019). [3]. https://en.wikipedia.org/wiki/MIL-STD-1553. [4]. https://meganorm.ru/Data2/1/4294827/4294827714.pdf. [5]. ABSTRACT A DATA TRANSMISSION SOLUTION BASED ON COMMUNICATION STANDARD ГОСТ 26765.52-87 IN ELECTRONIC WARFARE SYSTEM In the article, a data transmission solution based on communication standard ГОСТ 26765.52-87 is introduced. Through the study of POY-400 module in electronic warfare systems, the authors explored the operating principle, rebuilt the block diagram, the principle diagram of this module. The POY-400 module is a communication module based on the above standard, using Russian components, after many years of use, it has been damaged, difficult to find and repair. Based on the research results, the authors propose to design a similar module using easy-to-find, replacement, and programming components. Keywords: GОSТ 26765.52-87; ROU-400; H1515XM1; Subsystem. Nhận bài ngày 11 tháng 02 năm 2020 Hoàn thiện ngày 30 tháng 7 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 28 tháng 8 năm 2020 Địa chỉ: Viện Điện tử/Viện KH-CN quân sự. * Email: evn.vdt@gmail.com.