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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.
