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Concepção do On-Board Data Handling com Sensor Inercial para

Aplicações Espaciais

Orientador:

Prof. Dr. Eduardo Augusto Bezerra

Autores:

Cristiano Garré Ferreira

Felipe Augusto da Silva

Paulo Ricardo Cechelero Villa

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul 

Faculdade de Engenharia – Faculdade de Informática

Agenda Introdução Trabalhos Relacionados Projeto PUC#SAT Arquitetura Proposta de OBDH Metodologia de Projeto e Desenvolvimento Implementação dos Módulos do Sistema Resultados Obtidos Conclusão e Trabalhos Futuros

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Agenda Introdução Trabalhos Relacionados Projeto PUC#SAT Arquitetura Proposta de OBDH Metodologia de Projeto e Desenvolvimento Implementação dos Módulos do Sistema Resultados Obtidos Conclusão e Trabalhos Futuros

Introdução Visão Geral

Desenvolvimento da tecnologia espacial

Diversidade de funções dos satélites Navegação, Observação, Comunicação, ...

Posição do Brasil no cenário mundial

Introdução Motivação

Aplicações Espaciais / Microeletrônica / Sistemas de Tempo Real / Arquitetura de Computadores

Agenda de lançamento de satélites nacionais

Reconhecida importância de projetos na área espacial para avanços da tecnologia como um todo

Introdução Objetivos

Modelo básico para gerência e manipulação de dados a bordo de um satélite (On-Board Data Handling - OBDH)

Sensores Inerciais

Integração dos componentes de bordo

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Agenda Introdução Trabalhos Relacionados Projeto PUC#SAT Arquitetura Proposta de OBDH Metodologia de Projeto e Desenvolvimento Implementação dos Módulos do Sistema Resultados Obtidos Conclusão e Trabalhos Futuros

Trabalhos Relacionados Chipsat – Centro Espacial Surrey

Trabalhos Relacionados OBDH da empresa LABEN

Trabalhos Relacionados

Modelos Tradicional COTS RSoC

DPUs em operação Rosetta Rosina

µDPU VEX VMC

Processador TSC21020 DSP56302 LEON-2 em Virtex-1

Volume – sem encapsulamento [cm3] 850 70 250

Memória Cache 16 Mbit 6 Mbit 16 Mbit

Memória de Dados 128 Mbit 1 Gbit 1 Gbit

DPUs em desenvolvimento AT697 / ASIC MSC8101 LEON-3 em Virtex-II

Qualidade de confiabilidade alta média alta

Custo dos componentes alto / muito alto baixo médio

Tempo de desenvolvimento médio / longo médio curto

Flexibilidade muito baixa baixa alta

Universidade Técnica IDA - Alemanha

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Agenda Introdução Trabalhos Relacionados Projeto PUC#SAT Arquitetura Proposta de OBDH Metodologia de Projeto e Desenvolvimento Implementação dos Módulos do Sistema Resultados Obtidos Conclusão e Trabalhos Futuros

Projeto PUC#SAT

Plataforma Multi-Missão (PMM)

Programa Uniespaço (AEB) – 2005/2009

Subsistema de Comunicação – UTMC

Projeto PUC#SAT

Projeto PUC#SAT

Subsistema de Comunicação Telecomando Telemetria

Telecomando

Telemetria

Veículo Espacial

Estação Terrestre

Projeto PUC#SAT

OBDH

Sensores

OBC

Manipulação de Dados

Gerenciamento da Comunicação

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Agenda Introdução Trabalhos Relacionados Projeto PUC#SAT Arquitetura Proposta de OBDH Metodologia de Projeto e Desenvolvimento Implementação dos Módulos do Sistema Resultados Obtidos Conclusão e Trabalhos Futuros

Arquitetura Proposta de OBDH Visão Geral

Arquitetura Proposta de OBDH

Processador

LEON3 - descrição VHDL sintetizável de um processador de 32-bits. Atributos: Conjunto de instruções do SPARC V8; Cache de instruções e de dados separadas

(Arquitetura Harvard); AMBA-2.0 AHB bus interface; Suporte a on-chip debug;

Arquitetura Proposta de OBDH

Processador

Processador embarcado em FPGA Virtex II na placa de desenvolvimento Xilinx XUP V2-Pro.

Escolha levou em consideração o aconselhamento dos Engenheiros do INPE.

Arquitetura Proposta de OBDH

Sistema Operacional

RTEMS – SO de tempo real para sistemas embarcados.

Amplamente utilizado em aplicações espaciais, pois dá suporte a vários microprocessadores.

É utilizado em conjunto com o LEON3 em missões da Agência Espacial Européia.

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Arquitetura Proposta de OBDH

Arquitetura Proposta de OBDH

Microcontroladores Conversor AD/DA MSC1213 Texas Instruments

Arquitetura 8051

Recursos LEDs RS-232C Pinos de Uso Geral

Compilador para linguagem C SDCC

Arquitetura Proposta de OBDH

Acelerômetros ADIS16201

Giroscópios ADIS16250

Analog Devices

Encapsulamento LGA

Interface de Comunicação SPI

Acesso por Registradores

Arquitetura Proposta de OBDH

Arquitetura Proposta de OBDH

Painel de Instrumentos

8 LEDs para Visualizar o TC

Buzzer para Sonorizar um Alarme

Arquitetura Proposta de OBDH

Arquitetura Proposta de OBDH Subsistema de Comunicação

UTMC Comunicação Estação Terrestre/OBDH FPGA Actel ProASIC3E

ESE Estação Terrestre Hardware LabVIEW

Arquitetura Proposta de OBDH

Arquitetura Proposta de OBDH

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Agenda Introdução Trabalhos Relacionados Projeto PUC#SAT Arquitetura Proposta de OBDH Metodologia de Projeto e Desenvolvimento Implementação dos Módulos do Sistema Resultados Obtidos Conclusão e Trabalhos Futuros

Metodologia de Projeto e Desenvolvimento Estudo das Tecnologias

Arquitetura Satélites

Sensoriamento de Satélites

Técnicas de Desenvolvimento em SoC

Protocolos de Comunicação

Arquitetura de OBDH

Metodologia de Projeto e Desenvolvimento Atividades de Implementação

Síntese LEON3 Desenvolvimento código fonte OBDH Placas e Soldagem Sensores Inerciais Comunicação com Sensores Painel de Instrumentos Integração OBDH e Periféricos Modificações UTMC e ESE Integração Sistema Completo Visualização Gráfica de Inclinação

Metodologia de Projeto e Desenvolvimento Requesitos

GRLIB – Biblioteca de IPs LEON3

RCC – Compilador Cruzado RTEMS

GRMON – Monitor de Testes

SDCC – Compilador Cruzado para Microcontroladores

LabView – Interface com Hardware do ESE

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Agenda Introdução Trabalhos Relacionados Projeto PUC#SAT Arquitetura Proposta de OBDH Metodologia de Projeto e Desenvolvimento Implementação dos Módulos do Sistema Resultados Obtidos Conclusão e Trabalhos Futuros

Implementação dos Módulos do Sistema Síntese LEON3

Configuração GRLIB

Port Map novas UARTs

Barramento AMBA

Arquivo de Configuração

Pinos de Expansão

Implementação dos Módulos do Sistema Desenvolvimento código fonte OBDH

Plataforma de Desenvolvimento

Tarefas OBDH

Implementação dos Módulos do Sistema Tarefas RTEMS

Implementação dos Módulos do Sistema Placas e Soldagem Sensores Inerciais

Layout de Placas OrCAD Adaptação de Footprints

Soldagem de Componentes

Implementação dos Módulos do Sistema Comunicação com Sensores

Codificação do Protocolo SPI

Painel de Instrumentos Leitura Serial e Execução de Comandos

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Implementação dos Módulos do Sistema Integração OBDH e Periféricos

Comunicação Serial RS-232C

PC como Subsistema de Comunicação

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Implementação dos Módulos do Sistema Modificações UTMC e ESE

Serial Assíncrona Protocolo de Comunicação Modificações LabView

Integração Sistema Completo

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Implementação dos Módulos do Sistema Visualização Gráfica de Inclinação

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Agenda Introdução Trabalhos Relacionados Projeto PUC#SAT Arquitetura Proposta de OBDH Metodologia de Projeto e Desenvolvimento Implementação dos Módulos do Sistema Resultados Obtidos Conclusão e Trabalhos Futuros

Resultados Obtidos Protótipo do OBDH Simplificado

SoC + Sistema Operacional Software

Periféricos Inerciais

Integração com um Subsistema de Comunicação Real

Reconhecimento do INPE

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Agenda Introdução Trabalhos Relacionados Projeto PUC#SAT Arquitetura Proposta de OBDH Metodologia de Projeto e Desenvolvimento Implementação dos Módulos do Sistema Resultados Obtidos Conclusão e Trabalhos Futuros

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Conclusões e Trabalhos Futuros

O trabalho abrangeu grande parte dos conceitos do curso de Engenharia de Computação

Conhecimento adquirido / Especialização

Dificuldades Encontradas

Conclusões e Trabalhos Futuros

Continuação da Implementação do OBDH

Algoritmos de Controle de Atitude e Órbita (AOC)

Técnicas de Confiabilidade de Hardware e Software