Andrzej Cichocki, inż. Rafał Graczyk, mgr inż. Dominik Rybka Politechnika Warszawska,

Warszawa, 21 kwietnia 2007

ADAPTACJA UKŁADÓW COMMERCIAL OF-ADAPTACJA UKŁADÓW COMMERCIAL OF-THE-SHELF W SYNTEZIE THE-SHELF W SYNTEZIE

NIEZAWODNYCH SYSTEMÓW NIEZAWODNYCH SYSTEMÓW CYFROWYCH DLA APARATURY CYFROWYCH DLA APARATURY

KOSMICZNEJKOSMICZNEJ

Andrzej Cichocki, inż. Rafał Graczyk, mgr inż. Dominik RybkaPolitechnika Warszawska, Instytut Systemów Elektronicznych

•Studenckie Koło Inżynierii Kosmicznej

•Photonics and Web Engineering Research Group

•Studenckie Koło Astronautyczne


Plan PrezentacjiPlan Prezentacji

•Podstawowe problemy budowy aparatury kosmicznej•Systemy cyfrowe segmentów kosmicznych systemów satelitarnych•Porównanie

•Komponenty „Mil-Space”•Komponenty „COTS”

•Dlaczego COTS?•Przykłady projektów•Podsumowanie


•Promieniowanie kosmiczne•Zjawiska przejściowe (SEE)•TID

•Temperatura•Odprowadzanie ciepła•Ogrzewanie

•Drgania mechaniczne•Start rakiety

•Ekstremalnie niskie ciśnienie•Gazowanie, parowanie

•Mikrograwitacja

„„Kosmiczne Problemy”Kosmiczne Problemy”


Promieniowanie kosmicznePromieniowanie kosmiczne

•Zjawiska przejściowe•Single Event Latchup – efekty tyrystorowy (technologia CMOS)•Single Event Upset - przekłamania bitowe (pamięć SRAM)•Single Event Functional Interrupt (zmiana funkcjonalności FPGA)•Single Event Transient („glitch’e” i „peak’i” na liniach sygnałowych)


Promieniowanie kosmicznePromieniowanie kosmiczne

•Zjawiska trwałe•Single Event Burnout – trwałe uszkodzenie układu scalonego•Single Event Gate Rapture – trwałe zwarcie bramki z kanałem (MOSFET)

•Efekty długofalowe•Total Ionization Dose (pochłonięta dawka promieniowania)•Displacement Damage (degradacja półprzewodnika)•Zwiększony pobór mocy (CMOS)


Sprawy termiczneSprawy termiczne

•Wahania i gradienty temperatur•Różne współczynniki rozszerzalności cieplnej•Zmniejszenie wytrzymałości materiałów

•Odprowadzanie ciepła•Rezystancja termiczna obudowy układu scalonego•Duże częstotliwości taktowania układów cyfrowych VLSI

•Zakresy temperatur•Trwałość układów scalonych•Niezawodność•Pobór mocy


Drgania mechaniczneDrgania mechaniczne

•Start rakiety wynoszącej•Duża amplituda drgań w szerokim zakresie częstotliwości•Udary mechaniczne i akustyczne (pojedyncze milisekundy Ariane 5: 10000G na 3 kHz)•Przyspieszenia statyczne•Przyspieszenia dynamiczne


•Problemy związane z wysoką próżnią•Parowanie substancji (maska przeciwlutowna)•Bąbelki w paście lutowniczej i elementach elektronicznych i spoinach•Brak konwekcji•Naprężenia mechaniczne

Niskie ciśnienieNiskie ciśnienie


•Problemy związane z mikrograwitacją•Zmiana położenia okablowania przy rotacji•Mikrozwarcia

MikrograwitacjaMikrograwitacja


•Komputery pokładowe•Układy pamięci masowej•Sterowanie modułów ładunków użytecznych•Moduły komunikacji•Moduły sterowania stabilizacją

Systemy cyfrowe w aparaturze Systemy cyfrowe w aparaturze kosmicznejkosmicznej


•Zalety•Specjalnie zaprojektowany do pracy w kosmosie•Wysoka niezawodność•Gwarancje producenta

•Wady•Wysoka cena•Problemy z zakupem•Długi czas dostaw•Problemy z transferem technologii (ITAR)

Komponenty „Mil-Space”Komponenty „Mil-Space”


•Zalety•Niska cena•Łatwość zakupu•Brak zobowiązań lojalnościowych wobec producenta•Łatwość użycia

•Wady•Brak gwarancji producenta•Duże ograniczenia związane z jakością wykonania

Komponenty „COTS”Komponenty „COTS”


•Projekty:• Niskobudżetowe• Amatorskie• Studenckie• o małych wymaganiach środowiskowych

•Możliwość specjalnego wykorzystania, aby zapewnić niezawodność

Dlaczego „COTS”?Dlaczego „COTS”?


•Niskobudżetowy projekt studencki•Elementy „Mil-Space” tylko w krytycznych podzespołach•Niska orbita okołoziemska•Krótki czas trwania misji

Przykłady projektów – Przykłady projektów – YES2YES2


•Karta rozszerzeń komputera pokładowego•Specjalne zastosowanie pamięci FLASH

• Pamięć typu NOR• Kodowanie korekcyjne i detekcja błędów• „Potrójny odczyt”• Odprężanie – specjalny sposób zasilania

•Specjalne zastosowanie układu FPGA•Technologia FLASH•Redundancja trzymodułowa

•Zabezpieczenie przed SEL•Ograniczenie nadprądowe

Przykłady projektów – Przykłady projektów – SSETI ESEOSSETI ESEO


Przykłady projektów – PW-Przykłady projektów – PW-SatSat

•Niskobudżetowy projekt studencki•Całkowity brak elementów „Mil-Space”•Krótki czas trwania misji•Niska orbita okołoziemska•„Stara” technologia CMOS•Zabezpieczenia przed SEL•Zabezpieczenia programowe

•Watchdog•Detekcja błędów (CRC)•Podwojone instrukcje weryfikujące


Przykłady projektów – PAS-Przykłady projektów – PAS-SatSat

•Komputer pokładowy•Wykorzystanie FPGA

•Technologia Antifuse•Wbudowane IP Core:

•LEON3•SpaceWire controller•CAN controller

•Redundancja trzymodułowa•Dysk na ciele stałym

•Matryca FLASH•EDAC (Turbokody)


Przykłady projektów – PAS-Przykłady projektów – PAS-SatSat

•Zestaw dwóch FPGA (redundancja)•Specjalny sposób zasilania

•Odprężanie•Zewnętrzne, wyższe napięcie programowania

•Układ detekcji SEL•Zewnętrzny Watchdog sprzętowy


PodsumowaniePodsumowanie

•Istnieje możliwość ograniczenia kosztów i czasu projektowania i budowy systemów cyfrowych na pokładzie satelitów

•Nierzadko projekty oparte na COTS dorównują funkcjonalnością i niezawodnością odpowiednikom „Mil-Space”

•ESA i NASA coraz częściej używają COTS w swoich projektach


DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ•Kontakt: [email protected]•Zapraszam do odwiedzenia stron internetowych:

•www.ska.pw.edu.pl•www.skik.pw.edu.pl•www.sseti.net•www.yes2.info•www.pw-sat.pl

Andrzej Cichocki, inż. Rafał Graczyk, mgr inż. Dominik Rybka Politechnika Warszawska,

Documents

Transcript of Andrzej Cichocki, inż. Rafał Graczyk, mgr inż. Dominik Rybka Politechnika Warszawska,