DEL DIMOSTRATORE TECNOLOGICO SATELLITARE · 2017-06-09 · Il microcontrollore prescelto è il...

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IL SOTTOSISTEMA OBDH DEL DIMOSTRATORE TECNOLOGICO SATELLITARE

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INDICE 1. Introduzione ................................................................................................................ 32. Lista delle abbreviazioni ............................................................................................. 33. Requisiti e architettura dell’OBDH ............................................................................ 4

3.1 I compiti dell’OBDH .............................................................................................. 43.2 Le Interfacce dell’OBDH ....................................................................................... 53.3 Lo schema a blocchi dell’OBDH ............................................................................ 6

4. I dettagli del progetto .................................................................................................. 74.1 Il Microcontrollore ................................................................................................. 7

4.1.1 I compiti e le caratteristiche principali del microcontrollore ........................ 74.1.2 Lo schema a blocchi del microcontrollore ...................................................... 9

4.2 Il Multiplexer delle Telemetrie ........................................................................... 124.2.1 I principi di funzionamento .......................................................................... 124.2.2 Lo schema logico di dettaglio ....................................................................... 15

4.3 Il circuito di Watch-Dog ...................................................................................... 174.4 Le telemetrie del modulo OBDH ........................................................................ 184.5 I collegamenti dell’OBDH con i sottosistemi ACS e COMMS ........................... 194.6 Il circuito di espansione del bus SPI .................................................................. 21

5. Riepilogo delle caratteristiche dell’OBDH ............................................................... 236. Realizzazione meccanica ........................................................................................... 24

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1. Introduzione

Questo documento descrive l’architettura, le caratteristiche di dettaglio, lo schema elettrico, la costruzione ed il montaggio del sottosistema On Board Data Handling (OBDH) del Dimostratore Tecnologico Satellitare (DTS). Il termine OBDH, tradotto in italiano, significa Elaborazione dei Dati a Bordo. Il sottosistema OBDH, il cui nucleo è costituito da un microcomputer, costituisce di fatto la parte “intelligente” del satellite e, per questo motivo concentra gran parte delle funzionalità necessarie sia per gestire lo stato del veicolo che per soddisfare agli scopi didattici ed operativi della missione. Lo schema che verrà seguito in questo documento segue un approccio che in inglese viene definito “top-down” ovverosia dall’alto verso il basso, cioè parte dalla descrizione generale dell’architettura per scendere via via nei particolari del progetto e quindi della realizzazione pratica, con schemi funzionali ed elettrici, disegni, e fotografie.

2. Lista delle abbreviazioni

°C Gradi Centigradi, unità di misura della temperatura

A Unità di misura della intensità di corrente elettrica, secondo il Sistema Internazionale

µA microAmpere, corrisponde ad un milionesimo di Ampere

ACS Attitude Control Subsystem, Sottosistema Controllo di Assetto ADC Analog to Digital Converter, Convertitore Analogico-Digitale

ALU Arithmetic Logic Unit, Unità Logico-Aritmetica: i circuiti di un computer o microprocessore che eseguono le operazioni aritmetiche e quelle logiche sotto il controllo di un programma software

DC opp. dc Direct Current, Corrente Continua DTB Dimostratore Tecnologico di Base

DTS Dimostratore Tecnologico Satellitare. Se ne parla in questo documento per quanto riguarda l’OBDH

ECCP Enhanced Capture Compare and PWM: è un protocollo sviluppato dalla società Microchip per la misura ed il controllo di segnali impulsivi. Il circuito ECCP è incluso in diversi tipi di microcontrollori prodotti dalla stessa Microchip

EEPROM Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory, Memoria a Sola Lettura Cancellabile e Programmabile Elettricamente: è una memoria da usare prevalentemente in lettura, che può essere cancellata elettricamente e quindi riscritta, e serve normalmente per la memorizzazione dei dati a lungo termine

Hz Hertz, l’unità di misura della frequenza di un segnale periodico, secondo il Sistema Internazionale. 1 Hz equivale ad 1 ciclo al secondo

I/O Input/Output, Ingresso/Uscita. La funzione ed i circuiti di un computer per gestire i dati in ingresso e in uscita

MHz megahertz, 1 Milione di Hertz


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MSSP Master Synchronous Serial Port, Porta Seriale Sincrona Principale (di un computer o microcontrollore)

MW Momentum Wheel (Ruota di inerzia)

OBDH On Board Data Handling, Elaborazione Dati a Bordo

Ω Ohm, unità di misura della resistenza elettrica, secondo il Sistema Internazionale

RAM Random Access Memory, Memoria ad Accesso Casuale. Indica la memoria accessibile in lettura e scrittura normalmente utilizzata nei computer

RISC

Reduced Instruction Set Computer, Computer con Corredo di Istruzioni Ridotto. E’ una particolare architettura, un tempo molto in voga nei sistemi UNIX, in cui le istruzioni del computer sono poche e semplici e le istruzioni più complesse, quale ad esempio la moltiplicazione e la divisione, si realizzano mediante programma software. La maggioranza dei microprocessori odierni, fra i quali il Pentium e il Core2 della Intel, sono di tipo CISC (Complex Instruction Set Computer) e dispongono di un corredo di molte istruzioni complesse

ROM Read Only Memory, Memoria a Sola Lettura. Una volta scritta, i dati non possono più essere modificati in alcun modo

SPI Serial Peripheral Interface, Interfaccia Seriale con le Periferiche

USART Universal Synchronous-Asynchronous Receiver/Transmitter, Ricetrasmettitore Universale Sincrono-Asincrono: in un computer ha il compito di gestire le comunicazioni del computer con le interfacce seriali RS-232.

V Volt: unità di misura della differenza di potenziale elettrico, secondo il Sistema Internazionale

3. Requisiti e architettura dell’OBDH

Il Modulo OBDH realizza la funzione di comando e controllo del satellite e per svolgere tale compito sfrutta le capacità e la flessibilità di un microcontrollore. Le azioni intraprese dal microcontrollore sono eseguite sotto il controllo di un programma software residente nel dispositivo stesso.

3.1 I compiti dell’OBDH I compiti affidati all’OBDH sono i seguenti:

• Decodificare ed interpretare i comandi ricevuti via radio dal simulatore della stazione di terra

• Propagare i comandi ricevuti fino ai sottosistemi di destinazione, nel nostro caso, il sottosistema di controllo di assetto (ACS), ed assicurarne l’attuazione

• Gestire le modalità operative del “satellite” • Acquisire i valori di tensione, corrente, temperatura, velocità di rotazione,

posizione angolare e stato dei sottosistemi di bordo: questi dati, che vengono poi trasmessi a terra via radio al simulatore della stazione di terra, sono utilizzati


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per il monitoraggio di importanti parametri elettrici e fisici dell’intero “satellite”. Dalle telemetrie è possibile avere un quadro praticamente completo del funzionamento dei vari sottosistemi.

• Acquisire le telemetrie digitali e di stato • Gestire le interfacce per i collegamenti in ricezione ed in trasmissione con il

simulatore della stazione di terra. • Monitorare lo stato di carica della batteria di bordo ed altri parametri associati

ad essa.

3.2 Le Interfacce dell’OBDH Il termine “interfaccia”, derivato dall’inglese che a sua volta lo ha derivato dal latino, viene usato molto frequentemente, e non solo in ambito tecnico, per indicare le modalità di incontro e di scambio di informazioni fra due o più entità, in genere simili. In campo elettronico ed informatico, con il termine interfaccia e con il relativo verbo interfacciare si indica la modalità fisica e logica con la quale due o più dispositivi vengono collegati, in modo che lo scambio di dati avvenga correttamente. L’OBDH si interfaccia con il resto del DTS nelle modalità indicate nella figura 1.

Fig. 1 – Le interfacce dell’OBDH con il resto del DTS

Analizziamo la figura:

• Alla sinistra dell’OBDH troviamo il sottosistema Power, che fornisce l’alimentazione elettrica, non solo all’OBDH, ma anche agli altri sottosistemi, che per ora non ci riguardano. Questo sottosistema fornisce all’OBDH una tensione continua stabilizzata di 5 V, e delle informazioni di telemetria che indicano le sue condizioni di funzionamento e di salute

• Alla destra troviamo sottosistema COMMS, che contiene anche un rice-trasmettitore in banda UHF, e serve a comunicare via radio con il simulatore della stazione di terra: le sue interfacce con l’OBDH consistono in:


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o dati di telemetria, elaborati dall’OBDH, che devono essere inviati al simulatore della stazione di terra

o dati di telecomando che l’OBDH deve decodificare ed inoltrare all’ACS o dati di telemetria riguardanti lo stato di funzionamento e di salute dello

stesso sottosistema COMMS • In basso, infine, appare il Controllo di Assetto (ACS – Attitude Control System),

che riceva dall’OBDH i dati necessari per attivare i comandi e fornisce all’OBDH le informazioni telemetriche che indicano il suo stato di funzionamento e di salute.

3.3 Lo schema a blocchi dell’OBDH Nella architettura dell’OBDH, riportata in Fig. 2, si distinguono tre blocchi funzionali: • Il Microcontrollore

• Il Multiplexer di Telemetrie Analogiche

• Il Circuito ausiliario per la funzione di Watch-Dog

Fig. 2 – Lo schema a blocchi dell’OBDH, con le interfacce verso gli altri sottosistemi

Il microcontrollore concentra gran parte delle funzionalità necessarie a gestire sia lo stato del dimostratore che gli scopi didattici della missione. Per svolgere questo compito il microcontrollore si avvale di un certo numero di funzioni circuitali di supporto, mediante le quali è in grado di interagire con il resto del sistema, di acquisire dati telemetrici, di propagare comandi e di gestire il flusso di comunicazioni da e verso il simulatore della stazione di terra.


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I multiplexer delle telemetrie analogiche servono al modulo OBDH per effettuare la scansione dei canali analogici di telemetria. Il termine “multiplexer” indica un circuito, o anche un apparecchiatura, capace di selezionare un singolo segnale elettrico fra diversi segnali in ingresso in base al valore di un opportuno comando di selezione. I multiplexer vengono indirizzati sequenzialmente in modo ciclico, al fine di effettuare un’acquisizione periodica di tutte le telemetrie analogiche disponibili a bordo rendendole temporalmente omogenee. La conversione delle telemetrie analogiche in formato digitale viene effettuata da un convertitore digitale-analogico (ADC) integrato nel microcontrollore. Il modulo OBDH è infine dotato di un circuito ausiliario, che sebbene non contribuisca in modo principale all’architettura di questo sottosistema, è in grado di assolvere funzioni molto importanti per il corretto funzionamento dell’hardware e per migliorare l’affidabilità di tutto il sistema: si tratta del circuito di watch-dog. Il termine “watch-dog”, il cui significato in italiano suona come “cane da guardia”, indica un circuito di sicurezza che in particolari situazioni effettua un reset del software del microcontrollore e recupera eventuali instabilità che si dovessero manifestare, o a seguito di possibili problemi software, o per corruzione temporanea di dati indotta da radiazioni cosmiche (Single Event Upset).

4. I dettagli del progetto

4.1 Il Microcontrollore

4.1.1 I compiti e le caratteristiche principali del microcontrollore Il microcontrollore è, di fatto, un piccolo computer che, sotto il controllo di un programma residente nel dispositivo stesso, realizza gran parte delle funzioni di comando e controllo del satellite, facendosi carico delle funzioni che abbiamo elencato nel paragrafo 2.1 e che qui ripetiamo per comodità di lettura:

• Decodificare ed interpretare i comandi ricevuti dal simulatore della stazione di terra

• Propagare i comandi ricevuti al sottosistema ACS • Gestire le modalità operative del “satellite” • Acquisire tramite i multiplexer le telemetrie analogiche di tensione, corrente,

temperatura, velocità angolare, e posizione e convertirle in formato digitale • Acquisire le telemetrie digitali e di stato • Gestire le interfacce per i collegamenti in ricezione ed in trasmissione con il

simulatore della stazione di terra. Il microcontrollore prescelto è il PIC16F887, uno tra i dispositivi con più alte prestazioni della famiglia dei controllori PIC16 prodotti dalla società americana Microchip. Le caratteristiche funzionali del PIC16F887 sono elencate nella tabella 1.


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Parametro Valore

Architettura generale RISC - Reduced Instruction Set Computer (Computer con corredo ridotto di istruzioni)

Corredo di istruzioni 35 (quasi tutte eseguite in un solo ciclo)

Frequenza operativa fino a 20 MHz

Durata di un ciclo di istruzione 200 ns (alla massima frequenza di clock)

Reset e ritardi POR, BOR, PWRT, OST

Memoria di programma (tipo Flash con lunghezza di parola di 14 bit)

8 KiloWord

Memoria dati (RAM) 368 Byte

Memoria dati (EEPROM) 256 Byte

Interrupt di programma dall’esterno possibile

Porte di I/O - Input/Output (Ingresso/uscita) A,B,C,D a 8 linee E a 4 vie

Timer 3

Comunicazioni seriali MSSP, USART

Comunicazione parallela PSP

Modulo convertitore Analogico/Digitale conversione a 10 bit, 14 canali di ingresso

Durata delle Memorie Flash ed EEPROM

• memoria flash scrivibile fino a 100.000 volte • memoria EEPROM scrivibile fino a 1.000.000

di volte • conservazione dei dati: oltre 40 anni

Tensione di alimentazione da 2,0 V a 5,5 V

Corrente assorbita tipica (dipende dalla frequenza operativa e dalla tensione di alimentazione))

220 µA alla frequenza operativa di 4 MHz con una tensione di alimentazione di 2 V

Gamma di temperatura operativa da - 40 °C a + 85 °C

Produttore Microchip Technology Inc. - USA

Tabella 1 – Le caratteristiche principali del microcontrollore PC16F887


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4.1.2 Lo schema a blocchi del microcontrollore Vale la pena di dare un’occhiata allo schema a blocchi del PC16F887, così come viene fornito dalla società produttrice. L’organizzazione dello schema dovrebbe riuscire abbastanza familiare a chi a una certa conoscenza di computer. Nello schema, in cui alcuni dettagli sono evidenziati a colori per una migliore comprensione, si notano:

• Le memorie, flash, EEPROM e RAM evidenziate in verde: o la memoria flash situata in alto a sinistra accanto al contatore di

programma (program counter), contiene il programma software che il microcontrollore deve eseguire

o la memoria RAM (Random Access Memory), che serve per la registrazione temporanea dei dati di elaborazione e si comporta essenzialmente come un banco di registri

o la memoria EEPROM (Electrically Erasable and Programmable Read Only Memory) è una memoria da usare prevalentemente in lettura, che può essere cancellata elettricamente e quindi riscritta, e serve normalmente per la memorizzazione dei dati a lungo termine

• L’unità logico-aritmetica (ALU) a 8 bit con il multiplexer di ingresso ed il registro di uscita sono evidenziate in rosso

Le porte di Ingresso/Uscita sono evidenziate in arancione • Il convertitore Analogico/Digitale (ADC) a 10 bit è evidenziato in azzurro chiaro.

Al di sotto del convertitore sono indicati 14 canali in ingresso, da AN0 ad AN13: ma nel nostro caso, pur potendo il convertitore funzionare anche da multiplexer, viene utilizzato solo il canale 0 e la funzione di scansione dei canali telemetrici viene effettuata da un circuito esterno. Questa scelta progettuale è dettata da criteri di affidabilità, allo scopo di evitare che un guasto anche temporaneo del microcontrollore produca un guasto anche nel multiplexer di telemetria.

• Attraverso tutto lo schema corrono i bus dei dati, a 8 bit, e quello degli indirizzi, a 7 bit

• In basso a destra, evidenziato in blu, vi è il circuito denominato Master Synchronous Serial Port (MSSP) cioè Porta Sincrona Seriale Principale, che viene utilizzato per comunicare con i multiplexer di telemetria, una volta configurato a funzionare in modalità SPI (Serial Peripheral Interface cioè Interfaccia Seriale con le Periferiche). Le specifiche di questo tipo di interfaccia prevedono quattro linee, e cioè:

o SDO (Serial Data Output, cioè Uscita Seriale Dati) o SDI (Serial Data Input, cioè Ingresso Seriale Dati) o SCL (Serial Clock) che fornisce il clock per i dati seriali o SS (Serial Select) che serve a selezionare il dispositivo con cui il circuito

SPI vuole comunicare.


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• Osservando infine la parte centrale dello schema, si nota la presenza di un circuito watch-dog, che però nel nostro caso non viene utilizzato. Per motivi di affidabilità dettati dall’impiego spaziale del microcontrollore, si è preferito impiegare un watch-dog esterno, ad evitare che un guasto temporaneo al microcontrollore, per esempio di tipo Single Event Upset, metta fuori uso anche il watch-dog il cui scopo è proprio di permettere il recupero di questo genere di guasti.


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• Fig. 3 - Lo schema a blocchi del microcontrollore (tratto da documentazione Microchip)


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4.2 Il Multiplexer delle Telemetrie

4.2.1 I principi di funzionamento Il Modulo OBDH esegue una scansione dei canali analogici di telemetria mediante una schiera di multiplexer (MUX) analogici opportunamente indirizzati tramite un comando di selezione. Un indirizzamento ciclico dei multiplexer consente di effettuare un’acquisizione periodica di tutte le telemetrie analogiche disponibili a bordo ed ha il pregio di renderle temporalmente omogenee. Le telemetrie acquisite a bordo sono utilizzate nel terminale (PC) collegato al simulatore della stazione di terra per il monitoraggio di importanti parametri elettrici e fisici dell’intero DTS. Dallo stato di queste telemetrie è possibile avere un quadro praticamente completo del funzionamento dei vari sottosistemi. Le telemetrie sono suddivise in analogiche, tra cui:

• Telemetrie di Tensione • Telemetrie di Corrente • Telemetrie di Temperatura

e digitali: • Telemetrie di Stato, Posizione del DTS, Velocità della ruota di inerzia (MW)

La Figura 4 mostra lo schema a blocchi concettuale per l’acquisizione delle telemetrie. Il microcontrollore vi è raffigurato in forma semplificata, per mostrarne i blocchi interessati all’acquisizione ed alla memorizzazione dei dati telemetrici.

Fig. 4 – Il multiplexer delle telemetrie (MUX) e le sue interfacce Il microcontrollore, attraverso le linee di selezione riceve in ingresso il canale da campionare. Il valore analogico di tensione viene riportato sulla linea AN0 del microcontrollore che fa capo al convertitore A/D a 10 bit. Tale valore viene campionato e salvato nella rispettiva locazione della EEPROM.


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Il multiplexer delle telemetrie viene realizzato mediante un complesso di 9 circuiti integrati tipo ADG738, prodotti dalla società americana Analog Devices. Lo schema di un singolo ADG738 è riportato nella fig. 5: si tratta di un multiplexer analogico a 8 ingressi avente basso consumo e bassa dispersione di corrente (leakage) in ingresso (100 pico Ampere a 85 °C), per non alterare il valore del segnale da acquisire.

Fig. 5 – Lo schema concettuale del circuito ADG738 (fonte Analog Devices)

Gli ingressi sono situati a sinistra dello schema e sono numerati da S1 a S8; l’uscita è denominata D ed è rappresentata a destra. In basso vi è la circuiteria di selezione degli ingressi e della relativa temporizzazione. Le caratteristiche generali del circuito integrato ADG738 sono elencate nella figura 6 che segue, di fonte Analog Devices. Il circuito è bidirezionale, e può quindi essere usato sia come multiplexer che come demultiplexer (sostanzialmente un distributore). Oltre alla bassissima corrente di dispersione il circuito offre una bassa resistenza fra l’ingresso attivo e l’uscita, dell’ordine di 2,5 ohm, ed accetta una tensione di alimentazione fra 2,7 e 5,5 Volt in corrente continua.


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Fig. 6 – Sommario delle caratteristiche del circuito ADG738 (fonte Analog Devices)


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4.2.2 Lo schema logico di dettaglio Se si devono acquisire più di 8 canali, un solo multiplexer non basta, ma occorre affiancarne tanti quanti sono i canali da acquisire, diviso 8, arrotondando il risultato al valore intero più vicino, naturalmente per eccesso. Nel nostro caso, volendo acquisire 56 canali di telemetria, occorreranno 56/8 = 7 multiplexer affiancati. Le 7 uscite di questi 7 multiplexer dovranno a loro volta essere collegate ad un ulteriore multiplexer, per ottenere una singola uscita. Si avrà così una struttura a due livelli, il cui schema logico è rappresentato nella figura 7, completo dei circuiti di controllo.

Fig. 7 – lo schema logico del multiplexer di telemetria completo

Notiamo anzitutto che la struttura descritta è alquanto flessibile e facilmente espandibile per accettare ulteriori ingressi di telemetria. Con una struttura a due livelli come quella mostrata è possibile avere al massimo 56 ingressi di telemetria. La selezione della linea di telemetria by-passata in uscita avviene mediante interfaccia


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Serial Peripheral Interface (Interfaccia seriale per le periferiche - SPI) implementata in hardware direttamente sul microcontrollore. Facciamo riferimento alla figura 7 dove, per semplicità, sono stati omessi i multiplexer (MUX) da M2 a M5 in quanto superflui al fine della comprensione del circuito. La descrizione che segue presuppone una conoscenza di base dei circuiti digitali e del loro funzionamento. Si noti anzitutto che vi sono 7 multiplexer di primo livello, che sono denominati M1 … M7, un multiplexer di secondo livello denominato SS (Slave Selector, cioè Selettore Secondario), ed un multiplexer usato come organo di comando, chiamato MS (Master Selector cioè Selettore Principale), il quale funziona come demultiplexer o distributore. Ognuno dei multiplexer da M1 a M7 è in grado di acquisire 8 canali telemetrici. I multiplexer sono dunque organizzati su due colonne, ovvero da M1 a M7 sulla colonna di sinistra e MS, SS su quella di destra. Altre due linee del PC16F887 controllano uno degli ingressi delle porte logiche NAND e il pin SYNC del multiplexer denominato MS. Il funzionamento prevede una scansione sequenziale dei canali analogici (CH1…CH56) con relativa acquisizione attraverso il convertitore A/D a 10 bit presente nel microcontrollore. I MUX utilizzati vengono pilotati dal microcontrollore utilizzando le linee dei multiplexer denominate SCLK e DIN (si vedano le figure 5 e 6 di questo documento). La linea SYNC dei multiplexer da M1 a M7 e del multiplexer denominato SS viene pilotata attraverso la rete di porte logiche NAND, la linea SYNC del multiplexer MS viene pilotata direttamente dal microcontrollore. Per i dettagli dell’interconnessione fra il microcontrollore ed i multiplexer di telemetria si rimanda allo schema elettrico. La prima operazione è quella di selezionare quale banco fra i sette disponibile da M1 a M7 verrà riportato sul convertitore A/D. Questo avviene mediante il pilotaggio al livello logico basso della linea SYNC1

Il passo successivo consiste nel deselezionare il MS ponendo al livello logico alto il segnale SYNC. Fatto ciò viene portato al livello logico alto il segnale di pilotaggio delle porte NAND: questo comporta la selezione dello SS in quanto anche la linea S8 del MS risulta essere al livello logico alto. Così facendo è possibile selezionare quale banco di telemetrie verrà acquisito dal convertitore A/D. Il primo banco è quello relativo alla linea DM1, quindi sullo SS viene selezionata la linea S1.

del MS e dei gate NAND e la selezione del canale S8 del MS. In questo modo, il segnale al livello logico alto (5V) presente su sulla linea D del MS, viene riportato sulla linea S8 ovvero, sulla linea SYNC del multiplexer SS (Slave Selector). Ovviamente, essendo uno degli ingressi delle porte NAND a zero logico, tutti gli altri MUX non risultano essere selezionati.

A questo punto è necessario fare la scansione dei canali CH1…CH8. Viene quindi attivato nuovamente il MS portando al livello logico basso la relativa linea SYNC e vengono disattivati tutti gli altri MUX ponendo al livello logico basso la linea di controllo delle porte NAND. Fatto ciò, viene selezionata la linea S1 del MS che consentirà di pilotare il multiplexer M1. Portando nuovamente al livello logico alto le 1 I segnali di SYNC dei multiplexer sono attivi bassi.


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linee di controllo delle porte NAND e la linea SYNC del MS, l’unico MUX attivo sarà proprio M1 in quanto agli ingressi del gate NAND sono presenti livelli logici alti. Essendo sul banco 1, viene eseguita la scansione dei canali CH1…CH8 attraverso il BUS SPI. Le telemetrie verranno riportate direttamente in ingresso al convertitore A/D per l’acquisizione. La sequenza continua selezionando il banco M2, seguita dalla scansione dei canali CH9…CH16 e così via fino al banco M7.

4.3 Il circuito di Watch-Dog Il circuito di watch-dog è rappresentato in Figura 12 ed è costituito da un circuito integrato della Maxim del tipo MAX824. Esso realizza la funzione di Reset del Software del microcontrollore in modo da recuperare eventuali instabilità che si dovessero manifestare a seguito di possibili problemi software, o per corruzione di dati indotti da fenomeni di SEU. Il circuito ha un proprio timer che farebbe scattare il comando di Reset nel caso in cui il microcontrollore, una volta perso il controllo, non intervenisse in tempo, con il proprio segnale “OBDH alive” (cioè “OBDH vivo”), ad azzerare il conteggio del timer.

Fig. 8 – Il circuito di watch-dog

In pratica, il circuito deve ricevere una transizione di livello logico sull’ingresso denominato WDI almeno ogni 1,6 secondi: questo indica che il microcontrollore è “vivo”, cioè funziona correttamente. Se il tempo intercorso dall’ultima transizione supera 1,6 secondi, la mancanza di transizione viene interpretata dal watch-dog come sintomo di un problema nel microcontrollore, e viene emesso un segnale di RESET.


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4.4 Le telemetrie del modulo OBDH Le telemetrie analogiche del modulo OBDH consistono nel rilevamento della tensione di alimentazione e della corrente assorbita dall’OBDH stesso. Per la telemetria di corrente si fa uso di un circuito integrato della Texas Instruments denominato current shunt monitor INA198, il cui schema di funzionamento è riportato in Figura 9: la corrente assorbita dall’OBDH passa attraverso la resistenza Rs, sulla quale provoca una caduta di tensione. Il valore di questa differenza di potenziale viene quindi amplificato e riportato in uscita sul piedino del circuito INA198 denominato OUT, il quale è collegato a sua volta al multiplexer delle telemetrie, per essere quindi inviato al convertitore A/D del PIC16F887. Per quanto riguarda la tensione di alimentazione, anche questa viene instradata tramite il multiplexer delle telemetrie per essere convertita in digitale dal convertitore A/D del PIC16F887.

Fig. 9 – schema del circuito per la misura della corrente assorbita dall’OBDH

(fonte Texas Instruments)


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4.5 I collegamenti dell’OBDH con i sottosistemi ACS e COMMS Per la comunicazione con i sottosistemi ACS e COMMS, l’OBDH utilizza due collegamenti seriali. Per quanto riguarda la comunicazione con l’ACS, si usa un collegamento asincrono a 9600 bps. Il link utilizza due linee standard rispettivamente per la ricezione e per la trasmissione, più una linea aggiuntiva come segnale di acknowledge (segnale di conferma). Quest’ultima viene utilizzata per sopperire alla mancata gestione degli interrupt sul microcontrollore dell’ACS (descritto in altro documento). La figura 10 mostra a grandi linee la temporizzazione del trasferimento da OBDH ad ACS. Come si può notare, l’OBDH alza per un certo intervallo di tempo il segnale di acknowledge, denominato ACK. L’ACS quando “vede” il segnale ACK alto, si prepara per la ricezione dei dati che avviene secondo il protocollo seriale standard. La trasmissione ha inizio quando la linea dati viene portata a livello logico basso (start), mentre la fine si ottiene mantenendo la linea dati al livello logico alto dopo una sequenza di 8 bit inviati (stop).

Sta

rt

T9600

Sto

p

OB

C T

XA

CK

t

t Fig. 10 - Timing della trasmissione fra OBDH e ACS

La trasmissione è del tipo denominato T9600, dove la lettera T, iniziale dell’inglese “True” cioè “Vero”, indica per convenzione che il livello logico vero corrisponde ad una tensione zero. Per quanto riguarda invece la trasmissione da ACS a OBDH non è necessario nessun segnale di acknowledge in quanto la ricezione viene gestita mediante interrupt, disponibile sul microcontrollore. Non appena viene rilevata una transizione 1/0 (start), sulla linea di interrupt, la routine software di gestione degli interrupt blocca il flusso del programma correntemente in esecuzione per passare all’indirizzo relativo al


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“vettore di interrupt”, seguendo la tecnica universalmente utilizzata nei computer per la gestione delle interruzioni di programma. A questo punto la ricezione viene gestita da un modulo hardware e il byte ricevuto viene trasferito in un registro accessibile via software. Il tempo di bit vale:

sTbit µ16.1049600

1≈=

Per la comunicazione tra OBDH e COMMS viene utilizzato un collegamento sincrono a 115,2 Kbps, dove l’OBDH fa da dispositivo master e il sottosistema COMMS da slave. La Fig. 1 mostra un esempio di timing relativo al collegamento sincrono. In pratica si utilizzano solo due linee delle quali una rappresenta il clock, l’altra la linea dati bidirezionale. Il clock viene generato sempre dal dispositivo master, quindi dall’OBDH. In pratica quando l’OBDH vuole trasmettere dei dati, pone i bit in sequenza sulla linea dati generando un fronte di clock per ogni bit trasmesso. Viceversa, quando il sottosistema deve trasmettere dati verso l’OBDH, pone i bit in sequenza sulla linea dati per ogni fronte di clock generato dall’OBDH.

Dat

aC

lock

t

t Fig. 11 - Timing del collegamento seriale sincrono

Il periodo di bit in questo caso vale:

sTbit µ7.8115200

1≈=


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4.6 Il circuito di espansione del bus SPI L’OBDH incorpora anche un circuito, formato da due multiplexer tipo ADG738, uguali a quelli che abbiamo già visto al paragrafo 2.2 per il multiplexer delle telemetrie analogiche, che servono a espander il bus SPI del microcontrollore. Con riferimento alla figura 3, che abbiamo già descritto nel paragrafo 2.1.2, il circuito denominato MSSP (Master Synchronous Serial Port) viene configurato per funzionare in modalità SPI (Serial Peripheral Interface). Ricordiamo che l’interfaccia SPI prevede quattro linee, e precisamente:

• SDO (Serial Data Output, cioè Uscita Seriale Dati) • SDI (Serial Data Input, cioè Ingresso Seriale Dati) • SCL (Serial Clock) che fornisce il clock per i dati seriali • SS (Serial Select) che serve a selezionare il dispositivo con cui il circuito SPI

vuole comunicare. Di per sé, il circuito SPI può comunicare con un dispositivo solo, sia in ingresso che in uscita. Se però il segnale SS viene opportunamente demultiplato, per esempio mediante due multiplexer del tipo ADG738 (il cui impiego abbiamo già discusso nel paragrafo 2.2 per l’acquisizione delle telemetrie analogiche), la cui configurazione viene comandata dal microcontrollore attraverso due uscite digitali (RE1 ed RE2), è possibile di volta in volta selezionare uno fra 16 dispositivi esterni con cui si vuole comunicare Il microcontrollore seleziona a quale dispositivo a cui vuole inviare i dati tramite uno dei multiplexer: la linea SS relativa a questo dispositivo, e solo a questo, viene collegata alla linea SS dell’interfaccia SPI del microcontrollore, e la comunicazione può avvenire. Lo schema di questo circuito, derivato dallo schema elettrico generale che vedremo nel prossimo capitolo, è mostrato nella figura 12. Nella configurazione attuale del dimostratore tecnologico satellitare, queste linee non vengono impiegate.


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Fig. 12 - Il circuito di espansione del bus SPI


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5. Riepilogo delle caratteristiche dell’OBDH

In base a quanto detto nei capitoli precedenti, le caratteristiche del sottosistema OBDH si possono sintetizzare come segue:

Parametro valore

Frequenza di lavoro (MHz) 20 Alimentazione (Volt dc) 5 Canali di telemetria analogici 56 Watchdog Hardware 1 Watchdog Software 1 Canali digitali SPI 16 I/O general purpose 5 Sensori temperatura on board 1

Tabella 2 – sommario delle caratteristiche del sottosistema OBDH

Gli assorbimenti elettrici previsti sono sintetizzati nella tabella 3 seguente:

Componente Assorbimento nominale Assorbimento massimo

Microcontrollore 1mA 10mA

MUX 10µA 20µA

Watch-dog 4.5µA 12µA

Tabella 1 - Assorbimento di corrente

Qui di seguito viene riportato il calcolo della potenza massima dissipata da ogni componente. Il microcontrollore viene alimentato con una tensione di 5V. La potenza dissipata dal microcontrollore in queste condizioni è dunque data da:

mWIVP MCUDDMCU 50=⋅=

Per quanto riguarda i multiplexer (nel calcolo se ne considerano 10) e il circuito di Watch-dog, si ha:

WIVPmWIVP

WDDDWD

MUXDDMUX

µ60110

=⋅==⋅⋅=


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La potenza dissipata totale è quindi:

mWPPPP WDMUXMCUtot 52≅++= circa

6. Realizzazione meccanica

Il sottosistema OBDH trova posto su di un circuito stampato, la cui disposizione è mostrata nelle figure 13 e 14 che seguono, tratte dal progetto eseguito tramite un programma CAD tridimensionale. La figura 13 mostra la parte superiore.

Fig. 13 – Circuito stampato dell’OBDH, parte superiore

Si possono notare: 1. al centro le piazzole per il montaggio del microcontrollore PIC16F887, non

mostrato 2. a destra del microcontrollore, il buffer CDC208 3. a sinistra del microcontrollore, un multiplexer ADG738


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4. sotto il microcontrollore, i due circuiti 7400D, che realizzano la rete di NAND del multiplexer di telemetria

5. in alto e in basso, il posto per il montaggio dei connettori (non mostrati), con le resistenze di protezione da 1 KOhm utilizzate su tutti gli ingressi di telemetria.

Nella figura 14 è mostrata la parte inferiore dello stesso circuito.

Fig. 14 - Circuito stampato dell’OBDH, parte inferiore

1. al centro un multiplexer ADG738 e accanto ad esso (molto piccolo) il circuito di watch-dog MAX824

2. in basso, l’oscillatore a quarzo da 20 MHz e quattro multiplexer ADG738; ancora più in basso una fila di resistenze di protezione di 1 KOhm per gli ingressi telemetrici

3. in alto, sotto una fila di resistenze di protezione di 1 KOhm, altri tre multiplexer ADG738.


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Documento: Il sottosistema OBDH del Dimostratore Tecnologico Satellitare (DTS) Testi: Rodolfo Gamberale Michele Marino Illustrazioni: Rodolfo Gamberale, Michele Marino


DEL DIMOSTRATORE TECNOLOGICO SATELLITARE · 2017-06-09 · Il microcontrollore prescelto è il...

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