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Projeto e implementação de computador de bordo para controle e monitoramento térmico em ambiente

de microgravidade

Angela Crepaldi

Universidade Federal de Santa Catarina – UFSCCentro Tecnológico - CTC

Departamento de Engenharia Elétrica – EEL

Disciplina: EEL 7890 – Projeto FinalOrientador: Prof. Ph.D. Eduardo Augusto BezerraFlorianópolis, julho de 2011

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Agenda

• Introdução

• Experimento

• Ferramentas

• Projeto

• Implementação

• Conclusão

Introdução

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Introdução

• Refrigerar equipamentos de forma eficiente.

• Tubos de calor são dispositivos de alta condutância térmica.

• Dispositivos para controle térmico de satélites ainda são adquiridos no exterior.

• O LabTucal vem desenvolvendo dispositivos para aplicação em satélites brasileiros.

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Introdução

• Módulo eletrônico de aquisição e controle.

• Leitura das tensões aplicadas a cada resistência, aplicar patamares de tensão nas resistências, ler sinais dos sensores de temperatura, processar os dados e transmiti-los por comunicação serial e armazená-los em um cartão de memória.

• Sistema em um chip FPGA.

• Placa de aquisição.

Experimento

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Tubos de calor

• São dispositivos trocadores de calor com alta condutância térmica.

• Aplicações:▫Componentes eletrônicos;▫Moldes de alumínio;▫Processos de fabricação;▫Oleodutos;▫Conservação de energia;▫Células combustíveis.

Princípio de funcionamento.

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Tecnologias

• Tecnologia de placas-fio em S deitado.

• Material sinterizado.

• Tubos de calor pulsante.

• Materiais com mudança de fase.

Tubo de calor pulsante. Sinterizado e placas-fio.

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Experimento

• Os dispositivos ficam prensados entre duas placas de isolamento polimérico fixada no dissipador de calor de alumínio através de um suporte.

• O calor é inserido gradualmente nos dispositivos através de resistências elétricas.

• Termistores NTC fazem a leitura da temperatura.

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Computador da missão Maracati II

• Placa Athena II▫Computador, 800

MHz.▫Conversor AD 16

bits, DA 12 bits, RS232, vídeo, áudio, ethernet, portas USB.

• Placa de aquisição Diamond

Experimento

Ferramentas

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Ferramentas

• Chip FPGA EP2C35F672C6N;

• Processador embarcado Nios II;

• Placa de desenvolvimento DE2 da Altera;

• Quartus II Web Edition versão 10.1sp1 32 bits

• Compilador C Nios II Software Build Tools for Eclipse versão 10.1sp1;

• Simulador ModelSim SE versão 6.6e;

• Conversor para aquisição de sinais é MSC1210.

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Fluxo de projeto

• Válido para qualquer FPGA;

• Verilog, VHDL;

Requisitos do Projeto

Síntese

Simulação Funcional

Fitting

Projeto está correto?

Análise de Timing

Requisitos de Timing alcançados?

Programação e Configuração

Não

Não

Sim

Sim

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Chip FPGA EP2C35F672C6

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Placa de desenvolvimento DE2

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Processador Nios II

• Microprocessador RISC soft-core 32 bits.

• Definido em linguagem de descrição de hardware.

• Integrado com outros componentes, padrões ou personalizados, equivale a um microcontrolador, “computador em um chip”.

• Pode executar o software enquanto periféricos executam outras funções no mesmo instante.

• Otimização software-hardware.

• Programação C/C++.

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Quartus II

• Ferramenta CAD para projeto de sistema em um chip.

• Compila o sistema, executa síntese lógica, possui ferramenta de place & route, faz simulação e análise temporal, configura componentes.

• Possui integrada a ferramenta SOPC Builder.

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Nios II SBT for Eclipse

• Projeto de software para Nios II.

• Baseado no framework Eclipse.

• Criar, executar, fazer debug e download para a placa alvo.

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ModelSim SE

• Ferramenta para verificação e simulação.

• VHDL, Verilog e SystemC.

• Suporte para linguagens mistas.

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Conversor AD MSC1210

• 8 entradas AD.

• 24 bits de resolução.

• Processador embarcado 8051.

• Porta serial RS232C.

• Porta serial compatível com SPI.

Projeto

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Projeto

placa de aquisição

computadorde bordo

foguete

SD card

laptop

resistência

termistor

antena

tubos de calor

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Componentes do Sistema (SoC)

• Processador Nios II;

• Memória onchip – tightly coupled memory;

• Interface memória flash;

• Interface memória SDRAM;

• PLL – phase locked loop;

• JTAG UART;

• System ID;

• System clock timer;

• Temporizador;

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Componentes do Sistema (SoC)

• 3 chaves – porta paralela de entrada e saída;

• Interface para SD card;

• Controladores UART RS232C.

Arbitra-se prioridade de interrupção e endereço de memória para cada componente.

Sistema em Verilog.

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Instanciamento

• Módulo top level: Verilog.

• Designação de pinos.

• Restrições de tempo (timing).▫Clock, PLL, memória flash, SD card.

• Boot load a partir da memória flash e execução na memória SDRAM.

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Fluxograma do programa

Implementação

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Implementação do software

• Nios II SBT for Eclipse.

• Comunicação serial RS232C – empacotamento de dados.

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Simulação

• Simulação dos componentes do sistema.

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Suscetibilidade à radiação

• FPGA (Field Programmable Gate Array) utiliza tecnologia SRAM para representar funções booleanas em look-up tables.

• ASIC (Application Specific Integrated Circuit) utiliza portas lógicas.

• HardCopy: chip ASIC da Altera. ▫Mais robusto.▫Utiliza do mesmo projeto do FPGA.

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Dificuldades e limitações

• Problemas na instalação do ModelSim

• Simulação do sistema.▫Duas linguagens HDL;▫Necessidade de software com licença;▫Compilação de módulos não é automática.

• Dificuldade na aquisição dos programas.

Conclusões

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Conclusões

• Com o chip FPGA Cyclone é possível construir um computador de bordo embarcado com os recursos necessários ao módulo de controle do experimento de tubos de calor.

• O hardware do sistema pode ser montado de maneira simples e rápida com o SOPC Builder e instanciado através do software Quartus II usando VHDL ou Verilog.

• O University Program fornece núcleos para o desenvolvimento de projetos acadêmicos.

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Conclusões

• O programa escrito no software Nios II SBT for Eclipse.

• Havendo mais de um HDL é necessário utilizar a versão com licença do ModelSim (Subscription Edition). A licença foi obtida através do LISHA.

• A estrutura desenvolvida no FPGA pode ser transferida para o chip HardCopy garantido menor suscetibilidade à radiação.

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Trabalhos futuros

• Concluir o software.

• Simular o sistema com o software integrado.

• Aumentar a quantidade de sensores de temperatura.

• Projeto compatível com o HardCopy.

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Obrigada!

Contato: angelacrepaldi@yahoo.com.br