Technické informace

Řídicí subsystém pikosatelitu PilsenCube

Mechanické řešení pikosatelitu PilsenCube

Činnost subsystémů pikosatelitů může být řízena decentralizovaně (bez samostatného řídícího počítače) nebo centralizovaně (se samostaným řídicím počítačem). Decentralizované topologie jsou lákavé, protože nehrozí ztráta celého pikosatelitu jako v případě poruchy řídicího počítače centralizované topologie. Naproti tomu centralizovaná topologie přináší řadu možností, které by byly u decentralizované komplikované nebo nemožné. Jedná se hlavně o možnost detekce poruchových stavů jednotlivých subsystémů, jejich vynucené odstavení z napájecích a komunikačních sběrnicí, přikázání energeticky úsporných režimů činnosti nebo upgrade firmwarů v jednotlivých subsystémech. Centrální řídící počítač má také výpočetní výkon pro zpracování dat z měření subsystémů. Z tohoto důvodu jsme se v projektu pikosatelitu PilsenCube rozhodli jít cestou vývoje centralizované architektury, jež bude funkčně zálohována včetně napájecích a komunikačních sběrnicí.

Části řídicího subsystému pikosatelitu PilsenCube

Řídící subsystém je složen ze ze dvou procesorů (hlavního a záložního) s jádrem ARM 7, dvou datových a řídících sběrnicí odvozených z RS-485, z FLASH paměťových modulů, z obvodu reálného času a z hardwarového kontrolního obvodu, který může přepnout z hlavního na záložní procesor v případě poruchy. Porucha hlavního řídícího procesoru je detekována do 0,1s. Úkolem řídicího subsystému je spravovat interní komunikaci, poskytovat a přijímat od subsystémů data, skladovat je a připravovat pro přenos na Zem softwarově definovaným rádiem, dávat subsystémům příkazy, nahrávat do nich nové firmwary, detekovat poruchy subsystémů, restartovat je nebo je případně odpojit od společných sběrnicí.

Jako hlavní procesory byly vybrány obvody Philips LPC2148 s jádrem ARM 7, protože poskytují dostatečný výpočetní výkon nejenom pro řízení pikosatelitu, ale i s rezervou pro zpracování dat z vědeckých experimentů. Tyto obvody mají rovněž příznivou spotřebu (2 mW/Mips) a při radiačních testech prokázaly dostatečnou odolnost (45 krad). Jeden z procesorů (hlavní) vždy spravuje a řídí datovou komunikaci na sběrnici jako master, ostatní subsystémy jsou typu slave, kdy odpovídají na příkazy řídicího procesoru. Druhý z procesorů (záložní - identický jako hlavní) je od sběrnicí odpojený a v případě poruchy hlavního procesoru je řízení a komunikace na sběrnicích předána jemu hardwarovým kontrolním obvodem. Zdvojené procesory umožňují rovněž provádět upgrade firmwaru sobě vzájemně.

Hardwarový kontrolní obvod (watchdog) je složen z D klopného obvodu, čítače a tří-stavových hradel. Hlavní řídicí počítač musí periodicky posílat kontrolnímu obvodu impulzy, pokud se vlivem poruchy generování impulzů zastaví, po určité krátké době je řízení komunikace předáno pomocí tří-stavových hradel záložnímu procesoru, který přebírá funkci mastera. V případě možné poruchy obou procesorů vynutí kontrolní obvod jejich reset. Všechny části kontrolního obvodu byly rovněž testovány na radiační odolnost pro zajištění spolehlivosti.

Řídící procesory mají přístup k periferním obvodům jako jsou paměti a obvod reálného času. Je využíváno celkem 5 paměťových obvodů FLASH každý s kapacitou 4MB. Paměti slouží pro uchování měřených dat a pro uchování záloh firmwarů všech důležitých subsystémů pro případ jejich poškození v procesoru vlivem radiační události. Jako důležitý prvek systému byly rovněž vybírány při radiačních testech. Obvod reálného času poskytuje pikosatelitu informace o aktuálním času pro plánování operací a pro navázání měřených dat na čas měření. Stabilita hodin je lepší než 0,3 sekundy za den a obvod má napájení zálohováno malým superkapacitorem s kapacitou 0,07 F pro případ poruchy na napájecí sběrnici.

Dvě datové a řídicí sběrnice jsou odvozeny z RS-485 pro dobrou dostupnost budičů sběrnice v průmyslovém provedení. Důležité subsystémy jsou připojeny na obě sběrnice pro případ poruchy na jedné z nich. Přenosová rychlost na sběrnicích může být měnitelná od základních 9600 Bd až po 1 MBd pro vybrané subsystémy vyžadující přenos velkého objemu dat (např. komunikační rádia). Všechny subsystémy jsou ke sběrnicím připojovány přes tří-stavová hradla pro možnost jejich nuceného odstavení od sběrnice. Toto je ochrana proti zablokování sběrnice porouchaným subsystémem. Pře řídicí sběrnice se rovněž přenáší signál umožňující deaktivovat napájení subsystémů, pokud začne některý z nich napájecí sběrnice přetěžovat přílišným výkonovým odběrem.

Řídicí subsystém, stejně jako většina ostatních důležitých subsystémů pikosatelitu, je napájena zálohovaně ze dvou nezávislých napájecích sběrnicí. Napájení z nezávislých větví je sdružováno přes tzv. ideální diody. K tomuto používáme obvody Analog Devices ADM1171 se senzorem proudu a možností odpojení subsystému od napájecí sběrnice v případě trvalého zkratu.

Výzkum a vývoj technologie spolehlivých pikosatelitů byl v letech 2009 až 2011 podporován Grantovou agenturou České republiky v rámci projektu "Energeticky úsporná platforma pro experimentální výzkum na bázi pikosatelitů" pod registračním číslem 102/09/0455. Projekt má vlastní webové stránky: www.pilsencube.zcu.cz

Řídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCubeŘídicí subsystém pikosatelitu PilsenCube