On-board data handling systems

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).