Sottosistema di comunicazione tollerante ai guasti per satellite modulare AraMiS Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica Novembre 2008 Relatori: Candidato: Prof. Dante Del Corso Danilo Roascio Prof. Leonardo Reyneri

Il progetto AraMiS Struttura modulare Power Management Tile Attitude and Orbit control Telecommunication Tile Housekeeping management TT&C On Board Computer

Interazioni interne tra i moduli Scambio di energia tra pannelli, batterie e carichi Scambio di informazioni: Da Telecommunication a Power Management: comandi di gestione della potenza, comandi di controllo di assetto, comandi di lettura dei dati di telemetria Da Power Management a Telecommunication: invio dei dati di telemetria, invio delle risposte ai comandi, segnalazione completamento del controllo di assetto  L’On-Board Data Bus che trasferisce queste informazioni è l’oggetto di questa tesi

Requisiti dell’On-Board Data Bus Tolleranza ai guasti Ridondanza Flessibilità nelle interconnessioni Isolamento galvanico Moderato bitrate ~1 Mbit/s Semplicità implementativa Utilizzo delle periferiche esistenti Tolleranza alle radiazioni

Standard esistenti Standard per utilizzo spaziale: SpaceWire Standard automotive: LIN (Local Interconnect Network) FlexRay MOST (Media Oriented Systems Transport) CAN (Controller Area Network) Prestazioni limitate Real-time system, complesso Ridotta fault tolerance, complesso

Problemi standard esistenti SpaceWire Utilizzato da ESA, NASA, JAXA, … LVDS (nessun isolamento galvanico) Topologia point-to-point con routing CAN (Controller Area Network) Consolidato utilizzo automotive Nessun isolamento galvanico Elevato overhead (37-51%)

 Quale bus? Proposta di un nuovo bus con isolamento galvanico. Ogni protocollo ha caratteristiche specifiche per l’ambito in cui è stato sviluppato Nessun protocollo si adatta a tutti i requisiti dell’architettura AraMiS  Proposta di un nuovo bus con isolamento galvanico. Due tipi di isolamento possibili: Magnetico  trasformatori Ottico  LED e fotodiodi

Codifica di canale Impossibilità di accoppiare la componente continua Magnetico  uso di trasformatori Ottico  sovrapposizione luce ambientale  Codifica Return-to-Zero Inverted (RZI) compatibile con entrambi gli accoppiamenti Magnetico  pulse transformer Ottico  simile a IrDA, de/codifica integrata in molti μP

Acc. Magnetico – Interfaccia Pilotaggio differenziale Utilizzo classico con segnale bilanciato Non compatibile con codifica RZI Pilotaggio open-collector Compatibile con codifica RZI Receiver RS-485 con elevato common-mode rejection Lato bus: Presa centrale per evitare derive elettrostatiche Resistenze in serie per tolleranza ai guasti

Acc. Magnetico – Guasti Guasti tollerati:

Acc. Magnetico – Topologia Topologia di collegamento ridondata (esempio su cubo minimo)

Acc. Magnetico – Conclusioni Buona tolleranza ai guasti Semplicità realizzativa delle interfacce Numero elevato di conduttori e di connettori

Acc. Ottico – Canale Accoppiamento ottico mediante fotoaccoppiatori Sostituiscono i trasformatori Accoppiamento ottico distribuito con propagazione in spazio libero

Acc. Ottico – Vantaggi Connessione dei moduli senza cavi e connettori Maggiore tolleranza alle sollecitazioni meccaniche Ingombro ridotto Ridondanza di canale utilizzando lunghezze d’onda diverse Test agevole all’interno di camere climatiche/a vuoto o con satellite interamente montato Assenza di un percorso ottico garantito Sensibilità ad infiltrazioni luminose dall’esterno

Acc. Ottico – Strutture guidanti Propagazione guidata per garantire il percorso ottico Fibre ottiche plastiche (POF) + star coupler passivo Struttura guidante integrata nella mattonella

Acc. Ottico – Caratteristiche Scelta delle lunghezze d’onda Livello irradiazione solare (possibile disturbo): irradiazione minore nelle bande UV e IR Efficienza e selettività componenti (LED e fotodiodi): massima nelle bande visibile e IR Tolleranza all’illuminazione solare Elevata sensibilità Canale principale a 1 Mbit/s, codifica RZI Canale a bassa frequenza per segnalazione di interrupt

Acc. Ottico – Trasmettitore Codifica RZI interna al processore (TI MSP430) Comando diretto del MOS per accensione ad alta velocità Segnale a bassa frequenza generato dal processore, filtraggio armoniche e controllo accensione del LED in corrente

Acc. Ottico – Ricevitore Schema complessivo del ricevitore: Disaccoppiamento componente continua e discreta tolleranza a illuminazione costante Fotodiodo polarizzato in modo fotoconduttivo Doppio stadio di amplificazione Filtro passa-banda attivo per il ramo a bassa frequenza Comparatori di uscita con soglie adattative

Acc. Ottico – Collaudo Prototipo Bitrate: 1 Mbit/s Duty-cycle: 20% Corrente di picco in trasmissione: ~300 mA Distanza massima di ricezione: ~2.5 m Normale funzionamento con illuminazione ambientale a incandescenza e fluorescente Tolleranza faretto spot ad incandescenza (1 kW): fino a ~40 cm Prestazioni transceiver IrDA commerciale HSDL-3602 Agilent/Avago Technologies (singola lunghezza d’onda, nessun canale secondario): Distanza massima di ricezione: ~3 m Tolleranza faretto: fino a ~15 cm

Livello collegamento Prima ipotesi di livello collegamento Organizzazione single-master (OBC) Trasmissione asincrona 8N1 mediante UART del processore (TI MSP430) 256 identificatori, 127 word dati 16 bit CRC (hamming distance pari a 4) Sequence bit per rilevamento condizioni di errore

Bus Guardian Bus condiviso insensibile alle condizioni statiche dei singoli nodi Indisponibilità del canale in caso di trasmissione ininterrotta da parte di un nodo (per SEE) Un bus guardian esterno sorveglia il processore e interviene in caso di comportamento anomalo

Qualifica dei componenti Componenti ottici (LED e fotodiodi) soggetti a degrado a causa delle radiazioni Danni da displacement generano Riduzione della sensibilità nei fotodiodi Riduzione della potenza emessa nei LED Opacizzazione delle resine trasparenti dei package  È necessaria una valutazione quantitativa della riduzione delle prestazioni

Misura delle caratteristiche Misura dei diagrammi di emissione/ricezione e valutazione della loro variazione Misure effettuate in condizioni di normale funzionamento con accensione impulsiva del LED

Irradiazione componenti Irradiazione di LED e fotodiodi con la collaborazione dell’INFN di Legnaro (PD) Acceleratore di protoni AN2000 Ioni H1 e He4 fino a 2 MeV Dose rate: ~109 particelle/s/cm2 Penetrazione particelle: ~50 μm Valutazione dei soli danni da displacement nella resina Total dose missione: 1.2 ÷ 2.0 krad(Si)/anno Total dose irradiata: 100 krad(Si)

Elaborazione dei risultati LED SFH-4650 OSRAM Opto Semicond. GmbH Fotodiodo PDB-C142 Advanced Photonix Inc.

Conclusioni Lavoro svolto Sviluppi futuri Analisi degli standard esistenti Confronto tra la soluzione di accoppiamento magnetico e quella di accoppiamento ottico Progetto, realizzazione e collaudo dell’interfaccia di livello fisico per accoppiamento ottico Livello collegamento di base su MSP430 Misura delle caratteristiche dei componenti ottici Sviluppi futuri Miglioramento delle interfacce di livello fisico Livello collegamento multi-master Ulteriori test sui componenti sotto radiazioni