Fedélzeti adatfeldolgozó rendszerek
A tantárgy angol neve: On-board data handling systems
Adatlap utolsó módosítása: 2022. június 17.
Űrmérnök mesterszak Űrmérnöki szakmai ismeretek kötelezően választható
Dr. Horváth Péter
adjunktus
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Dr. Jani Lázár
Digitális rendszerek alapjai
A beágyazott rendszerek alapjai
A mikroelektronika alapjai
Az űreszközök egyik kulcsfontosságú, rendszerszintű egysége a fedélzeti adatok kezelését, feldolgozását, tárolását és továbbítását végző egység. A tantárgy ismerteti a műhold fedélzeti számítógépeinek változatait, felépítését, tervezési megfontolásait. Kitér a megbízható, hibamentes működést biztosító hardver és szoftver technológiákra, az űrkörnyezet, elsősorban a részecskesugárzás okozta hatásokra és kivédésüknek a lehetőségeire. Tárgyalja a fedélzeti mérés/adatgyűjtés rendszereit is. Ismerteti a fedélzeti kommunikáció eszközeit és protokolljait, a telemetria fogalmát és egyes formátumait, a földi parancs és adattovábbítás feladatait és megvalósítási módjait.
1. Bevezetés (előadás): Az előadás célja a tárgy tematikájának elhelyezése tágabb kontextusban. Alrendszerek: ground segment + launch segment + space segment. Műholdak felépítése: platform (bus) + payload. Műhold/misszió típusok/alkalmazások (kommunikáció, műsorszórás, Föld-megfigyelés, navigáció, időjárás, asztronómia, katonai alkalmazások, űrállomások), hasonlóságok és különbségek a fedélzeti rendszerek szempontjából.
2. A fedélzeti adatfeldolgozó rendszerek szerepe, feladatkörei (előadás): Platform (telemetria és telekommand, kommunikáció, navigáció/tájolás, fedélzeti adatgyűjtés, tápellátás stb.), payload (alkalmazás szerint)
3. Esettanulmány I. (gyakorlat): Egy ismert műhold (pl. Pioneer-10/11, Voyager-1/2) architektúrájának, fedélzeti rendszereinek rendszerszintű bemutatása.
4. A környezet hatása (előadás): Az űrkörnyezet jellegzetességei, amelyek hatással lehetnek a fedélzeti elektronikára. Mechanikai igénybevétel, szélsőséges hőmérséklet-változások hatásai, vákuum. A különböző sugárzások forrásainak, tulajdonságainak, hatásainak bemutatása. Vonatkozó mérőszámok (Total Ionizing Dose, TID stb.), a sugárzás hatása a félvezető struktúrákra és eszközökre. Single-Event jelenségek: SEU, SET, SEL stb.
5. A sugárzás hatásainak mérséklését szolgáló technológiák (előadás). Hardver-redundancia, kapcsolástechnika (pl. TMR FF), layout-tervezési megoldások (ECSS-Q-HB-60-02A).
6. Rendszerszintű architektúrák (előadás): A fedélzeti adatfeldolgozó rendszerek architektúrája. Fedélzeti hálózati topológiák. Architekturális különbségek kis-, közepes- és nagyműholdak között (pl. CAN busz vs. SpaceWire/SpaceFibre hálózatok).
7. Központi feldolgozás I. – Mikroprocesszorok, mikrokontrollerek (előadás): Mikroprocesszorok és mikrokontrollerek feladata, felépítése, az űrkörnyezet hatásaira érzékeny architekturális elemek. RT/RH processzor- és kontrollertípusok (pl. Cobham Gaisler GRxx).
8. Adattárolás (előadás): Memória-típusok és technológiák (PROM, EEPROM, Flash, SRAM, SD/DDR, eMMC). Alkalmazási területek (mikroprocesszorok regiszterei, cache, operatív tár, platform-NVM, FPGA-k konfigurációja, blokk-RAM). Űrspecifikus technológiák és kapcsolástechnikai megoldások (pl. tokozás: 3D-Plus).
9. Adatgyűjtés (előadás): Az adatgyűjtő alrendszer általános felépítése. Diszkrét komponensek (54xx sorozat), AD/DA-átalakítók. Integrált megoldások (pl. Microsemi LX7730 telemetria-vezérlő stb.). Klasszikus elosztott és integrált megoldások összehasonlítása rendszertechnikai szempontból (ár, megbízhatóság, karbantarthatóság, javíthatóság stb.).
10. Adatgyűjtés esettanulmány I. (gyakorlat): Diszkrét komponensekből felépülő adatgyűjtő rendszer tervezése egyszerű állapotjelzők monitorozására.
11. Mikrokontrollerek gyakorlati alkalmazása I. (gyakorlat): Mikrokontrolleres alaprendszer megvalósítása. Alapvető adatgyűjtési és tárolási feladat megvalósítása mikrokontrollerrel, belső A/D-konverterrel, külső memóriával (pl. eMMC).
12. Fedélzeti kommunikáció hardver vonatkozásai (előadás): Kommunikáció PCB-n belül, hátlapon (backplane), alrendszerek között. Fizikai réteg (RS-232, RS-422, RS-485, LVDS), adatkapcsolati/hálózati réteg (U(S)ART, CAN, I2C, SPI, SpaceWire, SpaceFibre, MIL-STD-1553B), nagysebességű soros kommunikációs interfészek (SERDES). Nagysebességű párhuzamos interfészek (pl. DDR memória) tervezése, specialitásai, jelintegritás, EMC.
13. Mikrokontrollerek gyakorlati alkalmazása II. (gyakorlat): Mikrokontrolleres alaprendszer továbbfejlesztése: mérési adatok továbbítása OBC felé UART/LVDS soros linken, egyedi adatkapcsolati-rétegbeli protokollal.
14. Adatgyűjtés esettanulmány II. (gyakorlat): – Összetett adatgyűjtő rendszerekben alkalmazható, általános célú, hátlapi kommunikációs protokoll vizsgálata és megvalósításának részletei.
15. Központi feldolgozás II. – Programozható logikai eszközök (előadás): PLD-k felépítése, szerepe. Hardverleíró nyelvek alapjai, VHDL vs. SystemVerilog. FPGA-k az űriparban (Microsemi RTAX, RTSX, RT ProASIC3L, RT PolarFire, RTG4, Xilinx RT Kintex UltraScale).
16. FPGA-k gyakorlati alkalmazása I. (gyakorlat): Mikrokontrolleres alaprendszer kiváltása „glue-logic”-jellegű, FPGA-alapú megoldással. Külső A/D konverter illesztése (eszközfüggő interfész-adapter leírása VHDL-ben), adattárolás blokk-RAM-ban.
17. FPGA-k gyakorlati alkalmazása II. (gyakorlat): FPGA-s „glue-logic” alaprendszer továbbfejlesztése: mérési adatok továbbítása OBC felé UART/LVDS soros linken, egyedi adatkapcsolati-rétegbeli protokollal.
18. Központi feldolgozás III. – Soft-processzoros rendszerek, SoC FPGA-k (előadás): Soft-processzor fogalma, példák (8051, MicroBlaze, LEONx, Mi-V). Jellemző utasításkészlet-architektúrák (ARM vs. RISC-V). Buszrendszerek (ARM AMBA/AXI, Xilinx PLB, OPB, LMB, FSL). SoC FPGA-k (Microsemi PolarFire SoC, Xilinx Virtex-4/5QV).
19. FPGA-k gyakorlati alkalmazása III. (gyakorlat): Adatgyűjtő és továbbító rendszer megvalósítása Mi-V soft-processzoros környezetben. A/D interfész-adapter kiegészítése APB-slave interfésszel, illesztés a processzoros rendszerhez. HW/SW particionálás: A/D konverter illesztése „glue-logic”-jellegű interfész-adapterrel, UART felett értelmezett adatkapcsolati rétegbeli protokoll megvalósítása szoftveresen.
20. Szoftver-architektúrák nagymegbízhatóságú rendszerekben (előadás): Beágyazott szoftver-architektúrák. Információ-redundancia, hibadetektáló és hibakorrekciós kódok (EDAC, Hamming, SECDED, CRC, BCH stb.).
21. RTL (HDL) tervezési megoldások nagymegbízhatóságú rendszerekben (előadás): Állapotkódolások (szekvenciális, Gray, one-hot, Hamming-2/3) összehasonlítása megbízhatósági szempontból. Automatizált/kézi állapotkódolás, szoftver-támogatás. TMR megvalósítása kapcsolástechnikai vs. logikai szinten (soft-TMR). Hibatűrő állapotgép-implementációk, kézi vs. automatizált módszerek.
22. RTL tervezési megoldások a gyakorlatban (gyakorlat): Az állapotkódolás hatása az állapotgépek erőforrásigényére és számítási teljesítményére. Soft-TMR hatása az erőforrásigényre és a számítási teljesítményre.
23. Fedélzeti kommunikáció szoftver vonatkozásai (előadás): PCB-n belül: SERDES-alapú, nagysebességű soros kommunikációs interfészek magasabb rétegei (pl. PCIe, XAUI stb.). Alrendszerek között: SpaceWire, SpaceFibre protokoll-stack-ek magasabb rétegei (pl. RMAP).
24. HW/SW particionálás esettanulmány (gyakorlat): SpaceWire/RMAP-kompatibilis Mi-V rendszer: SpaceWire CODEC IC vs. IP core, RMAP IP core vs. RMAP firmware.
25. TMTC kommunikáció szoftver vonatkozásai (előadás): ECSS és CCSDS szabványokban rögzített, jellemzően szoftverben megvalósított protokoll-rétegek és szolgáltatások (pl. randomizálás, csatorna-kódolás, titkosítás stb.). TMTC csomagszerkezet; Proximity-1, TM/TC szinkronizáció és csatornakódolás, TMTC Space Data Link Protocol, Space Packet Protocol.
26. TMTC kommunikáció esettanulmány (gyakorlat): TMTC kommunikációs modul rendszerszintű kérdései. TMTC COM modul illesztése az adatgyűjtő alrendszerhez; Parancsok fogadása és mérési adatok továbbítása földi állomás(ok) felé.
27. Design flow I. (előadás): Specifikáció, rendszertervezés és HW/SW particionálás. Beágyazott szoftverfejlesztés: eszközmeghajtók, API-k, alkalmazásfejlesztés. Verifikációs módszerek (pl. TDD).
28. Design flow II. (előadás): FPGA-alapú rendszerek tervezési módszerei. RTL tervezés, automatizált áramkörszintézis, HDL modellek funkcionális verifikációja, automatizált regressziós tesztelés. Fizikai tervezés (place&route). Időzítésvizsgálatok (STA, időzítési szimuláció).
Előadás. A tárgy sikeres elvégzése és az ismeretek egymásra épülése miatt a leadott tananyag folyamatos elsajátítása szükséges.
Gyakorlat: Az előadáson elhangzottak áttekintése, gyakorlati példákkal történő kiegészítése.
A félévközi jegy megszerzésének feltétele:
· A félév során 2 nagyzárthelyit íratunk. A félévközi jegy megszerzésének feltétele a két nagyzárthelyi elégséges szintű teljesítése. Ellenkező esetben a hallgató elégtelen érdemjegyet szerez.
· A félév során 3 kiszárthelyit íratunk. A félévközi jegy megszerzéséhez legalább 2 kiszárthelyi elégséges szintű teljesítése szükséges. Ellenkező esetben a hallgató elégtelen érdemjegyet szerez.
· A nagyzárthelyik a pótlási időszakban, egy-egy alkalommal pótolhatók, pót-pót-ZH nincs.
· A kiszárthelyik külön-külön nem, csak együttesen pótolhatók a pótlási időszakban.
Az előadások előtt és után, valamint bármikor, de előre egyeztetett időpontban.
· P. Forescue, G. Swinerd, J. Stark – Space Systems Engineering 4th ed., WILEY, 2010, ISBN: 9780470750124
· P. J. Ashenden – Digital Design, An Embedded System Approach Using VHDL, Elsevier, 2008, ISBN: 978-0-12-369528-4
· Husain Parvez, Habib Mehrez – Application-Specific Mesh-based Heterogeneous FPGA Architectures, Springer, 2011, ISBN: 978-1-4419-7927-8
· Michael Keating, Pierre Bricaud – Reuse Methodology Manual For System-on-a-Chip Designs, 3rd ed., Kluwer Academic Publishers, 2002, ISBN: 1-4020-7141-8