Digitális áramkörök és rendszerek alkalmazása az űrben 2.
Csurgai-Horváth László, BME-HVT 2015. Budapest Universit y of Technology and Economics
A fedélzeti számítógép - méretek Pikoműholdak ... nagy műholdak ~1000 kg Miniatűr műholdak:
< 500 kg
CubeSat:
1 kg, 10*10*10 cm
ESEO:
100 kg, 100*100*100 cm
ACTIVE (1989):
1570 kg
Fedélzeti számítógép Többféle struktúra/komplexitás lehetséges – kisműholdak → nagy rendszerek
Központi vezérlőegység szerep Külső kommunikáció Fedélzeti berendezések vezérlése Telemetria struktúra létrehozása Adattárolás
Autonóm működés irányítása Mérés-adatgyűjtés
Blokkvázlat Órajel
CPU
Parancs interface
a kísérletek felé ROM/SUROM
Fedélzeti idő
RS422, LVDS, CAN, speciális
RAM EEPROM
Housekeeping data
Watchdog Analóg adatgyűjtő buszrendszer Energiaellátás
Telemetria, földi parancsok
A mikroprocesszoros fedélzeti számítógép és adatgyűjtő (ODCS, 80-90-es évek) CPU
A/D
Interface
Communication
Motherboard
CPU NSC-800 CPU (MIL-STD-883 Military/Aerospace)
PROM Power-OFF
Digitális kommunikációs modul 8*CDP1854 USART
Kísérletek
Digitális telemetria modul Részlet... 10/20/40/80 kbit/sec NRZ/BPSK
Jelátvitel modulok között Legtöbbször valamilyen soros adatátvitelt használnak USART, RS-232 RS-422 RS-485 LVDS CAN-busz SpaceWire
Zavarmentes digitális jelátvitel Digitális interface, vevő
Digitális interface, adó jel 1k5 1
2
+
+
LM139
zaj
1k5 1
2
-
10k
200
-
10k
Szimmetrikus áramhurok
SpaceWire (ECSS-E50-12A standard) • • • •
Fedélzeti eszközök közötti kommunikáció - kompatibilitás Soros adatátvitel (differenciális adat/differenciális strobe jelek) 2-200 Mbit/s Kétirányú, full duplex • FPGA-ban implementálható (5-8000 gate) • csomag alapú adatátvitel • hibatűrő
Tartalékolás: órajel-generátor
Telekommand rendszer (Föld-műhold) Vezérlés parancsokkal –végrehajtása késleltetett Direkt parancsok – azonnali végrehajtás Tipikus parancsok: Energiaellátással összefüggő Telemetria/telekommand-rendszer vezérlése Kommunikációval kapcsolatos Az űreszköz pozicionálása Kísérletek (payload-ok) vezérlése Parancsok végrehajtása: azonnali késleltetett adaptív üzemmód
A telemetria (műhold-Föld) A műhold egészére vonatkozó
információk
Nyomás Hőmérséklet Vibráció Pozíció Gyorsulás Tápfeszültség
Az egyes alrendszerek jellemző adatai A kísérletek adatai
Nagy számú, általában lassan változó jel
Parancs és telemetria-formátum Frame (keret) struktúra alkalmazása általános: Parancs/ Szinkronizáció Eszközcím Adat Status
Hibajavító /detektáló kód
Az ODCS (Onboard Data Collection System) frame felépítése:
Major frame (512 byte)
Subframe 1
Subframe 2 Subframe 3 Subframe 4
Struktúra-memória: programozható frame-szerkezet 3 byte frame synchron / 4 byte housekeeping / 121 byte data Digitális és analóg adatgyűjtők kimenetei
NSC 800
80C32
Port 0: low address/data bus Port 2: high address
- Két belső timer - Statikus működés
A 80C32 mikrokontroller alkalmazása CPU
PROM
RAM
Kommunikáció
18/35
Csurgai-Horváth László 2012.
Atmel AT697E SPARC processor Rad-Hard, fault tolerant, RISC, 1 utasítás/1 órajel-ciklus
Static RAM
Synchron DRAM
• 86 MIPS • memory interface-ek • timerek • 2 USART • IT controller • 32 parallel I/O • PCI interface • 1 W / 100 MHz • AMBA Advanced Microcontroller Bus Architecture TMR (Triple Modular Redundancy) logic:
A fedélzeti számítógép software kérdései Hibatűrő megoldások szükségesek Kód
checksum ellenőrzés PZ pattern (memória mintázat figyelése) Watchdog alkalmazása Parancsok ellenőrzése, hibajavítása Multitasking/scheduler Telemetriában redundancia, hibajavítás On-board memória, adattárolás
A mérés-adatgyűjtés általános feladatai Analóg csatornák mintavételezése Multiplexelés Bemeneti szint, mód, erősítés szabályozás Külső/belső órajelek Egyszeri/folyamatos/burst mintavételezés (FIFO!) Pre/post trigger Digitális csatornák mintavételezése Timer/counter funkciók Triggerjelek előállítása Analóg output (PWM, D/A) D/A FIFO ciklikus jelek előállítására Fejlett interrupt logika (több forrás, prioritások, szint ...)
A fedélzeti adatgyűjtő Egyszerűbb esetben központi mérés-adatgyűjtő
számítógép használható Szoros a kapcsolata a telemetria rendszerrel A mérés-adatgyűjtő rendszer főbb funkciói:
digitális adatok gyűjtése analóg adatok gyűjtése interface felület biztosítása a kísérletek felé szintillesztés kommunikáció a fedélzeti számítógéppel
ADC0816: 8 bit, 16 ch, 100 μs, 15 mW, single supply
- sample & hold áramkör - differenciális bemenet
RHF1201 300 krad, 12 bit, 50 Msps/100 mW, CMOS ref. feszültség
differenciális analóg bemenet
digitális kimenet
(STMicroelectronics)
AD7892, 12 bit, 600 ksps/60 mW LC2MOS ~20 krad (Rosetta) belső ref.
többféle bemeneti mód
digitális kimenet
low power mode
PC104 ???
(forrás: www.rtd.com)
PC104 ??? Stack system
Data acquisition
(forrás: www.rtd.com)
Fedélzeti energiaellátó rendszer digitális vezérlése és adatgyűjtője (Rosetta lander) 2004 március – 2014 augusztus 67P/Churyumov-Gerasimenko üstökös Orbiter
Lander
PCU-C board
sci.esa.int
PCU: Power Control Unit Rosetta Lander Power Subsystem Fő feladatai: Parancs/adat/status interface a CDMS felé (Central Data Management System) PSS (Power Subsystem) digitális vezérlése
Berendezések ki/be kapcsolása (SW, SW2, 2SW2, LSW2,
2LSW2)
Analóg és digitális housekeeping adatok továbbítása a CDMS felé Wake-up Direkt vonalak kezelése Elsődleges és másodlagos telepek vezérlése
PCU blokkdiagram Σ 240 I/O
Control
M/R A/D converter CDMS Control M.
PCU Main
CIC CDMS Control R.
MPX.
Data
112 input
FPGA
PCU Red.
CIC
Analog
FPGA
CIC=Common Interface Circuit
Digital In/Out
I/O
Switches
Outputs
Controls Overload
CDMS Control R.
PCU Main
Main A/D
Analog
CIC
converter
MPX.
PCU Red.
Red. A/D
Analog
CIC
converter
MPX.
RT 14100 FPGA
RT 14100 FPGA
(30.000 system gates)
256 pin
Switches ..Outputs..
PCU - C board: CDMS Control M.
PCU Main
CIC CDMS Control R.
RH 1280 FPGA
Digital In/Out
PCU Red.
CIC
RH 1280 FPGA
(12.000 system gates)
172 pin
I/O
..Inputs..
CDMS Control M.
..Inputs..
PCU - F board:
Rosetta A/D egység Power
Latch-up védelem Konvertált digitális adat
AD 7892
112 csatornás analóg multiplexer
7*4067 mux.
Vezérlés: -konverzió start -standby mode
Címzés A0-A6
Analóg bemenetek
Megoldások a megbízhatóság növelésére Többségi döntés:
Kimenetek összegzése: Main FPGA
Output M.
D latch1
CDMS Output R.
command
D latch2
Majority logic
Redundant FPGA
Bemenetek összegzése:
D latch3
Main FPGA
Input M.
R
Watchdog: Input R. Redundant FPGA SSCLK M/R
Count
RHFM command Clear
25 bit counter with TMR F/F Reset out
PCU M/R reset
R
2LSW2 kapcsoló vezérlése L.
L.
L.
Limiter
Error
2LSW2
L.
ms elteltével
On-Off controls
CLK
Delay Switch off after 10 ms
PCU
Túlterhelés esetén automatikus kikapcsolás 10
CMD DTA
CDMS
A rendszer parancs és telemetria-struktúrája
• Paritásbittel védett adatátvitel • Paritáshiba jelzése • Main/Redundant bit a housekeeping adatokban • Limiter overload bit – paranccsal törölhető • Watchdog (262 sec): a housekeeping lekérdezés nullázza
Köszönöm a figyelmet!
