Egyszerűbb adatgyűjtés az űrben: RISC-V
Az űrszerkezetek fejlesztői két malomkő közt őrlődnek: kicsi, keveset fogyasztó és rendkívül megbízható áramkörökre van szükségük a hordozóeszköz mind jobb kihasználása érdekében, de mindezt a légkör védőpajzsán kívül, „gyilkos” sugárzási viszonyok közepette. Ez utóbbiak fejlesztésének nehézségei viszont hátráltatják a magasan integrált IC-k megjelenését, ezért az űripari mérnököknek sokszor messze az élvonal mögött kullogó szolgáltatásszintű eszközökből kell építkezniük. Most úgy tűnik, csökken a lemaradás.
Példátlan ütemben növekszik a Föld körül, alacsony pályán keringő űreszközök iránti igény, amelyet olyan szerteágazó követelmények sürgetnek, mint a gyorsabb és megfizethetőbb internet-hozzáférés, vagy a Földet ábrázoló, nagyobb felbontású és gyakrabban frissülő képalkotás. A műholdak hasznos terhében elhelyezett, kommunikációs vagy képalkotó funkciókat ellátó berendezések képességei egyre növekednek, és ezzel együtt növekvő mennyiségű telemetriai adatot kell továbbítaniuk a műhold biztonságos és megbízható üzemeltetéséhez. Ezt több, nagy méretű, energiafaló és sok hulladékhőt termelő, számos diszkrét elemet tartalmazó áramköri kártyával szokás megvalósítani annak érdekében, hogy felügyeljék a hasznos terhet alkotó egységek „egészségi állapotát”. Az ehhez szükséges I/O-kártyák alkatrészeinek száma, az általuk elfoglalt hely és az általuk elfogyasztott energia jelentősen csökkenthető a sugárzástűrő kivitelű, kevert jelű integrált áramkörök (IC-k) felhasználásával, amely egy új, nyílt felhasználású, csökkentett (Reduced Instruction Set Computing – RISC) utasításkészlet-architektúrával (Instruction Set Architecture – ISA) együtt alkalmazva kínál jelentős előnyöket a megszokott megoldásokhoz képest. Ez az utasításkészlet a RISC-V (ejtsd: RISC Five) nevet viseli.
Kritikus telemetriai funkciók
A telemetria teszi lehetővé a műhold berendezéseinek állapotfelügyeletét, hibaállapot-felismerését, elszigetelését és a hibás állapot helyreállítását a földi irányítóállomás számára, de arra is lehetőséget ad, hogy a műhold vezérlése önállóan vezérelje a hasznos teher berendezéseinek energiafogyasztását és hődisszipációját. Ez a túlterhelődés elkerülése miatt válhat szükségessé, és gyakran csak ezzel kerülhető el a teljes műhold működésképtelenné válása.
Napjainkban a telemetriai adatok összegyűjtését nagy méretű áramköri kártyák végzik, amelyeket gyakran I/O-kártyáknak neveznek. Ezek olyan diszkrét elemekből épülnek fel, mint az analóg méréspontváltók (multiplexerek), az analóg/digitális átalakítók, nagyáramú meghajtók és feszültségreferenciák. Ezek az alkatrészek gyűjtik össze az olyan adatokat, mint a feszültségszint és áramfelvétel-érték, hőmérséklet, mechanikus igénybevétel, nyomás és mágneses térerősség, egyszóval mindenféle fizikai paraméter, amely alapján a hasznos teher berendezéseinek állapota és működése felügyelhető. Ezek az I/O-kártyák rendszerint igen nagy méretűek, akár 80…120 cm2-nyi értékes helyet is elfoglalhatnak minden egyes hasznosteher-egységen belül. Az olyan bonyolult hasznos terhek, mint a kommunikációs alkalmazások csatornaegységei vagy a képalkotó és radaralkalmazások jelfeldolgozó berendezései, gyakran keretekbe vannak foglalva, amelyek akár több I/O-kártyát is igényelhetnek a telemetria megvalósításához. A telemetriai I/O-kártyák falják az energiát, hőt termelnek, és jelentősen megnövelik a hasznosteher-egységek anyagköltségét. Ráadásul a diszkrét elemekből felépített áramköri kártyák rugalmas kezelhetősége és konfigurálhatósága sem oldható meg egyszerűen.
Csökkentsük egyszerre a méretet, az árat és a fogyasztást
A sugárzástűrő, kevert jelű integrált áramkörök legutóbbi időkben végbement fejlődése magasabb fokú integráció megvalósítását tette lehetővé, amellyel minimálisra csökkenthető az ilyen I/O-kártyák alkatrészszáma és helyigénye. Az olyan funkciók, mint a multiplexerek, erősítők, szűrők, A/D- és D/A-átalakítók, amelyeket eddig csak alacsony fokon integrált áramkörökből és diszkrét elemekből lehetett megvalósítani, most egyetlen integrált áramkörben is realizálhatók. Ezáltal a műhold kritikus paramétereinek felügyeletéhez kiolvasni és feldolgozni szükséges adatok jelentősen kisebb helyigényű kártyával is kezelhetők. Az integráció fokának megnövelésével a műholdak gyártói azt az előnyt is élvezhetik, hogy a kevesebb alkatrész nagyobb megbízhatóságot eredményez, valamint csökken az ellenőrzés, tesztelés és minősítés időigénye, mivel mindezek az erőfeszítések csupán egyetlen integrált áramkörre koncentrálódnak. A Microsemi LX7730 telemetriai vezérlő jó példája ennek a fejlődésnek. Ez az összes funkciót egyetlen kis méretű, 132 kivezetéses, négyzetes elrendezésű tokozatban egyesíti, amely rendelkezik a Minősített Gyártók Listája (Qualified Manufacturers List – QML) néven ismert tanúsítvány Q (katonai) és V (űripari, sugárvédett) fokozatával. Ezzel olyan feltétel teljesül, amely elengedhetetlen a legigényesebb űrtechnológiai alkalmazásokhoz.
Ennek a megközelítésnek az előnyei láthatók olyan alkalmazásokban is, mint a GALA (Ganymede Laser Altimeter – lézeres magasságmérő), amely egyike azoknak a tudományos berendezéseknek, amelyeket az ESA európai űrügynökség kíván a Jupiter jeges holdjaihoz indítani 2022-ben a Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE) küldetés keretében. Ez a magasságmérő rendszer méri majd az űreszköz távolságát a Jupiter jeges holdjainak (a Ganümédesznek, az Európának és a Kallisztónak) a felszínétől egy lézersugár visszaverődési idejének mérésével, amit a műszerbe épített távcső érzékel.
A lézeres magasságmérő berendezés beszállítója, a Hensold Optronics vállalat az LX7730-at választotta a mérőegység „háztartási” adatainak, hőmérsékleteknek, feszültségeknek és áramoknak az összegyűjtéséhez. A kis helyfoglalású LX7730 integrált áramkör aktív szerephez jut néhány zárt hurkú szabályozási feladat megoldásában is, amelyek a lézer pontos üzemeltetéséhez szükségesek alacsony elektromágneses zavarszint (Electro-Magnetic Interference – EMI) mellett.
A rendszeres kalibrációs eljárások csökkentik a lassú, hőmérséklet- és időfüggő változások hatását, amelyek révén hozzájárulnak ahhoz, hogy a begyűjtött digitalizált értékek elérjék a kívánt pontosságot.
További előnye ennek a rendszerarchitektúrának, hogy a RISC-V utasításkészlet-architektúrára alapozza működését. Ezzel ajtót nyit az alacsony költségszinten fejleszthető és rendkívül rugalmas adatfeldolgozás felé, amely „helyben”, a telemetriai adatok forrásánál valósul meg – beleértve, hogy az adatnaplózás, a működési állapot felügyelete és a terheléselosztás feladatai autonóm módon, az űreszköz hasznos terhét alkotó egységben történjenek, és ezzel az űreszköz központi számítógépe mentesüljön az egyes hasznosteher-egységek telemetriájának kezelési feladatai alól.
A RISC-V nyílt utasításkészlet-architektúra fontos tulajdonsága, hogy „kőbe van vésve”, amelynek különös előnyei vannak az űrmissziók tervezése és irányítása során. A „befagyasztott” utasításkészletnek köszönhetően ugyanis bármilyen, RISC-V alapú magra írt szoftver örök időkig futtatható marad bármelyik RISC-V hardveren. Ez ideális az űrtechnológiai alkalmazásokban, ahol a megírt kódot ezáltal sokszor újra lehet hasznosítani, és az olyan programok karbantartása is könnyebbé válik, amelyek esetleg évtizedeken át futnak valamely úton levő űreszközben.
Ráadásul a nyílt utasításkészlet lehetővé teszi az alkatrész-beszállítóknak, hogy „szoftprocesszorokat” állítsanak elő a felhasználó sajátos igényeihez igazodva. („Szoftprocesszor” alatt értendő például az olyan IP [az FPGA-elemek adott célnak megfelelő összehuzalozási sémáját leíró „szellemi tulajdon” – Intellectual Property], amely az FPGA-n belül képes generálni speciális igények szerinti, akár egyedi utasításkészletű, az adott alkalmazásra optimalizált felépítésű processzort a hagyományos processzorhardverekhez hasonlóan alkalmas cserélhető felhasználói programok futtatására. – A szerk. megj.) Ezek a szoftprocesszorok kiegészülhetnek saját, valós idejű feldolgozásra alkalmas – „huzalozott” – logikai célhálózatokkal is. Ez kulcsfontosságú lehet az olyan rendszerekben, amelyek külső felügyeletet igényelnek a biztonságkritikus alkalmazások hitelességének garantálásához.
Már most is létezik űrtechnológiai célra kidolgozott RISC-V utasításkészletű processzor IP, amely sugárzástűrő kivitelű FPGA-kban is kialakítható. Egy RISC-V processzort is megvalósító FPGA használható minden egyes hasznosteher-egység telemetriai feladatainak ellátására, amelyek először leolvassák a telemetriai adatokat a kevert jelű telemetriai adatgyűjtő integrált áramkör segítségével, azután elvégzik az adatok feldolgozását és döntéseket hoznak ezek alapján, végül pedig valamely elterjedt buszprotokollt felhasználva továbbítják az általuk felügyelt műszeregység „egészségi állapotát” jellemző információkat az űreszköz központi számítógépébe. Az FPGA-kat széles körben alkalmazzák olyan szabványos űrtechnikai vezérlőbuszok megvalósítására, mint a Mil Std 1553, a SpaceWire vagy a CAN-busz, de az űreszköz-rendszerintegrátor vállalkozás által preferált egyedi buszprotokollok megvalósítása is lehetséges.
A fentiek szerint egy teljes telemetriai adatgyűjtő rendszer megvalósítható egyetlen magas fokon integrált adatgyűjtő áramkör és egy RISC-V szoftprocesszort is magába foglaló FPGA felhasználásával. Ilyen rendszert demonstrált a Microsemi a Six Sensor Demo (hat érzékelőt integráló) bemutatóeszköz által, amely a cég RTG3 FPGA-jában megvalósított RISC-V szoftprocesszort csatlakoztat SPI-inter-fészen keresztül az LX7730 telemetriai vezérlőhöz. A vezérlő egy hozzá csatlakoztatott kis szenzorhálózat adatait gyűjti, és a mért eredményeket egy laptop képernyőjén jeleníti meg grafikus felhasználói felület (GUI) segítségével. Az FPGA küldi el a címet, az adatot és az SPI keretek írás/olvasás bitjeit az adatgyűjtő IC-nek, amely visszaküldi az AD-konverter által mért értékeket az FPGA számára. Végül pedig az FPGA elvégzi a szükséges skálázást (az AD-konverter „nyers” adatainak fizikai egységekre történő átszámítását – A szerk. megj.), és UART-interfészen át elküldi az eredményt a PC-n futó grafikus kezelőfelületnek.
A telemetriai adatok gyűjtésének ez a legfrissebb megoldása nagymértékben egyszerűsíti az adatnaplózás feladatait, és ezzel tehermentesíti a főprocesszort, amelynek ezáltal felszabaduló számítási kapacitása más feladatok ellátására fordítható. Egyben a kevert jelű funkciók magas szintű integrációja radikálisan csökkenti a telemetriai naplózó alrendszer teljes méretét és súlyát, miközben növeli a megbízhatóságát, és ezzel a jelenkori űrtechnológiának egyszerre három kritikus követelményét teljesíti.
Szerző: Dorian Johnson, marketingigazgató – Microchip Technology, Inc.
www.microchip.com
még több Microchip
