Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica Novembre 2008

Presentazione sul tema: "Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica Novembre 2008"— Transcript della presentazione:

1 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

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

3 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

4 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

5 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

6 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%)

7  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

8 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

9 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

10 Acc. Magnetico – Guasti Guasti tollerati:

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

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

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

14 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

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

16 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

17 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

18 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

19 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 Agilent/Avago Technologies (singola lunghezza d’onda, nessun canale secondario): Distanza massima di ricezione: ~3 m Tolleranza faretto: fino a ~15 cm

20 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

21 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

22 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

23 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

24 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)

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

26 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