Digitális áramkörök és rendszerek alkalmazása az űrben 2.

Átírás

1 Budapest Universit y of Technology and Economics Digitális áramkörök és rendszerek alkalmazása az űrben 2. Csurgai-Horváth László, BME-HVT 2015.

2 A fedélzeti számítógép - méretek Pikoműholdak... nagy műholdak ~1000 kg Miniatűr műholdak: CubeSat: ESEO: ACTIVE (1989): < 500 kg 1 kg, 10*10*10 cm 100 kg, 100*100*100 cm 1570 kg

3 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

4 Blokkvázlat CPU ROM/SUROM RAM EEPROM Órajel Fedélzeti idő Housekeeping data Parancs interface a kísérletek felé RS422, LVDS, CAN, speciális Telemetria, földi parancsok Watchdog Analóg adatgyűjtő buszrendszer Energiaellátás

5 A mikroprocesszoros fedélzeti számítógép és adatgyűjtő (ODCS, es évek) CPU A/D Interface Communication Motherboard

6 CPU NSC-800 CPU PROM Power-OFF (MIL-STD-883 Military/Aerospace)

7 Digitális kommunikációs modul 8*CDP1854 USART Kísérletek

8 Digitális telemetria modul Részlet... 10/20/40/80 kbit/sec NRZ/BPSK

9 Jelátvitel modulok között Legtöbbször valamilyen soros adatátvitelt használnak USART, RS-232 RS-422 RS-485 LVDS CAN-busz SpaceWire

10 Zavarmentes digitális jelátvitel Digitális interface, adó Digitális interface, vevő jel 1 2 1k k zaj 200 LM k k Szimmetrikus áramhurok

11 SpaceWire (ECSS-E50-12A standard) Fedélzeti eszközök közötti kommunikáció - kompatibilitás Soros adatátvitel (differenciális adat/differenciális strobe jelek) Mbit/s Kétirányú, full duplex FPGA-ban implementálható ( gate) csomag alapú adatátvitel hibatűrő

12 Tartalékolás: órajel-generátor

13 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

14 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

15 Parancs és telemetria-formátum Frame (keret) struktúra alkalmazása általános: Szinkronizáció Eszközcím Parancs/ Status Adat Hibajavító /detektáló kód Az ODCS (Onboard Data Collection System) frame felépítése: Major frame (512 byte) Subframe 1 Subframe 2 Subframe 3 Struktúra-memória: programozható frame-szerkezet 3 byte frame synchron / 4 byte housekeeping / 121 byte data Digitális és analóg adatgyűjtők kimenetei Subframe 4

16 NSC 800

17 80C32 Port 0: low address/data bus Port 2: high address - Két belső timer - Statikus működés

18 A 80C32 mikrokontroller alkalmazása 18/35 Csurgai-Horváth László CPU PROM RAM Kommunikáció

19 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:

20 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

21 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...)

22 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

23 ADC0816: 8 bit, 16 ch, 100 μs, 15 mw, single supply - sample & hold áramkör - differenciális bemenet

24 RHF krad, 12 bit, 50 Msps/100 mw, CMOS differenciális analóg bemenet ref. feszültség digitális kimenet (STMicroelectronics)

25 AD7892, 12 bit, 600 ksps/60 mw LC 2 MOS ~20 krad (Rosetta) belső ref. többféle bemeneti mód digitális kimenet low power mode

26 PC104??? (forrás:

27 PC104??? Stack system Data acquisition (forrás:

28 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

29 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

30 PCU blokkdiagram Control Σ 240 I/O CDMS Control M. PCU Main CIC FPGA Data M/R A/D converter Analog MPX. 112 input CDMS Control R. PCU Red. CIC FPGA Controls Digital In/Out I/O CIC=Common Interface Circuit Overload Switches Outputs

31 ..Inputs....Inputs.. PCU - F board: CDMS Control M. PCU Main CIC RT FPGA Main A/D converter Analog MPX. CDMS Control R. PCU Red. CIC RT FPGA Red. A/D converter Analog MPX. ( system gates) 256 pin Switches..Outputs.. PCU - C board: CDMS Control M. CDMS Control R. PCU Main CIC PCU Red. CIC RH 1280 FPGA RH 1280 FPGA 172 pin Digital In/Out I/O ( system gates)

32 Rosetta A/D egység Power Latch-up védelem Konvertált digitális adat AD csatornás analóg multiplexer 7*4067 mux. Analóg bemenetek Vezérlés: -konverzió start -standby mode Címzés A0-A6

33 Megoldások a megbízhatóság növelésére Többségi döntés: Kimenetek összegzése: CDMS command D latch1 D latch2 Majority logic Main FPGA Redundant FPGA Output M. Output R. D latch3 Bemenetek összegzése: Watchdog: Main FPGA Redundant FPGA Input M. R Input R. R SSCLK M/R RHFM command Count Clear 25 bit counter with TMR F/F Reset out PCU M/R reset

34 2LSW2 kapcsoló vezérlése L. L. L. L. 2LSW2 Túlterhelés esetén automatikus kikapcsolás 10 ms elteltével Limiter Error Delay On-Off controls Switch off after 10 ms PCU CLK CMD DTA CDMS

35 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

36 Köszönöm a figyelmet!