Aspectos de Confiabilidade naImplementação da Unidade de Telecomando e

Telemetria para Plataformas Orbitais

Luciano Rigelo Azevedoluciano.azevedo@pucrs.br

Orientador: Prof. Eduardo Augusto Bezerra

Seminário de Andamento - SA

Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul

PPGCC - Faculdade de Informática

Porto Alegre, 21 de Agosto de 2009

Sumário Introdução e Estado da Arte

O Projeto UTMC

Trabalho Proposto e Resultados Obtidos

Andamento das Atividades

Considerações Finais

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Introdução

A importância dos Veículos Espaciais Sistemas distintos: Plataforma Orbital e Carga Útil Tecnologias para aplicações espaciais, FPGA SRAM,

Antifuse e ASIC Função da UTMC na Plataforma Orbital Padrão CCSDS/ESA na UTMC Tipos de TC e TM Aplicação de ordem crítica na missão Confiabilidade na Plataforma Orbital

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Introdução

Proteção contra SEUs é imperativo na UTMC Avanço tecnológico deixou sistemas altamente

suscetíveis a radiação oriundas do espaço Ambiente extremamente hostíl: variações na

temperatura, variações na tensão de alimentação e EMI

Tolerância a falhas também é um fator importante para equipamentos a nível terrestre

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Motivação

Grande demanda pelos serviços fornecidos nas plataformas orbitais: Exploração espacial Comunicação Aplicações Científicas Militar Meteorologia

Aplicações espaciais são exóticas e apresentam muitos desafios a respeito de sua confiabilidade

Utilizar FPGA no módulo UTMC é uma solução atrativa Agregar confiabilidade em todo o módulo UTMC é

essencial para o sucesso da missão

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Objetivos

Aplicar técnicas de confiabilidade no módulo da UTMC Analisar aspectos de confiabilidade existentes no projeto atual

da UTMC Determinar qual é a técnica de tolerância a falhas a ser

empregada nos dispositivos FPGA antifuse Fazer uma análise numérica do índice de confiabilidade atual e

comparar o novo índice obtido Avaliar os ganhos obtidos com a aplicação das técnicas Validar o trabalho com o módulo real da UTMC

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Tolerância a Falhas e Confiabilidade

Tecnologia tolerante a radiação Objetivo das técnicas: eliminar ponto único de falha Inserir redundância é base de tudo

Hardware – TMR, módulos redundantes, EDAC RAM Software – Programação diversitária Informação – BCH, RS, Convolucional, Paridade Tempo – Repetição da operação, re-envio de mensagem

Mascarar falhas transientes e permanentes Custo da técnica deve ser observado

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TMR – B. Pratt, M. Caffrey Fault Tolerance Implementation within SRAM Base

FPGA – D. Fay, A. Shye Evaluating TMR Techniques in the Presence of

Single Event Upsets – N. Rollins, M. Wirthlin, M. Caffrey

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Which Concurrent Error Detection Scheme to choose – S. Mitra, E. McCluskey

Antifuse FPGA Technology: Best Option for Satellite Applications – K. O’Neill

On Fault Modeling and Fault Tolerance of Antifuse Based FPGAs – K. Roy

9

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An Adaptive Fault Tolerant Memory System for FPGA Based Architectures in Space Environment – K. O’Neill

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Synchronous Resets? Asynchronous Resets?I am so confused!How will I ever know which to use? – Clifford E. Cummings

Understanding Metastability in FPGAs – J. Chen D. Fung R. Stephenson

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Sumário Introdução e Estado da Arte

O Projeto UTMC

Trabalho Proposto e Resultados Obtidos

Andamento das Atividades

Considerações Finais

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Análise do Módulo da UTMC

Implementa o protocolo de comunicação de acordo com as recomendações CCSDS/ESA

A plataforma orbital possui dois módulos da UTMC

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Análise do Módulo da UTMC Implementação das camadas do padrão CCSDS/ESA

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Técnicas de Confiabilidade Existentes na UTMC Códigos corretores de erro

BCH RS

Códigos detectores de erro Convolucional CRC

Redundância dos módulos da UTMC Redundância dos canais de transmissão Fonte de alimentação duplicada

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Técnicas de Confiabilidade Existentes na UTMC Redundância na UTMC

15

Metaestabilidade

Problemas na Implementação VHDL

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Problemas na Implementação VHDL

Solução: Circuito sincronizador

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Sincronismo de reset. Problema: Ruído pode acionar o reset

Problemas na Implementação VHDL

18

Inferência automática de memória realizada pelo Synplify

Depuração do código VHDL e depuração do código do LabView simultaneamente

Problemas na Implementação VHDL

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O Projeto UTMC

Trabalho Proposto e Resultados Obtidos

Andamento das Atividades

Considerações Finais

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Proposta de Trabalho

Aplicação da técnica de TMR

É limitada pelos recursos da FPGA

Possui ponto único de falha

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Proposta de Trabalho

Aplicação da TMR reduzida

CED – Concurrent Error Detection

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Proposta de Trabalho

Utilização de EDAC RAM da Actel, família RTAX-S/SL Implementa a técnica de Scrubbing na memória da FPGA

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Resultados Obtidos

Metaestabilidade resolvidaMargem de erro inicial de 40%Solução eliminou a margem de erro

Sincronismo de resetMargem de erro de 50%Solução eliminou a margem de erro

Principais ainda não obtidos

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Resultados Obtidos

Área ocupada da FPGA (Sem codificação)Core Cells : 13264 of 38400 (35%)Block Rams : 18 of 60 (30%)

Área ocupada da FPGA (RS+Convolucional)Core Cells : 21612 of 38400 (56%)Block Rams : 18 of 60 (30%)

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Sumário Introdução e Estado da Arte

O Projeto UTMC

Trabalho Proposto e Resultados Obtidos

Andamento das Atividades

Considerações Finais

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Atividades

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Atividades

Atividades Extras:Concluir o fluxo de TC/TMComunicação serial sincrona rs422Solucionar problemas de instabilidade na

FPGASolucionar problemas de resetValidar o fluxo de TC/TM no hardware

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Sumário Introdução e Estado da Arte

O Projeto UTMC

Trabalho Proposto e Resultados Obtidos

Andamento das Atividades

Considerações Finais

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Considerações Finais

Falhas são por natureza assíncronas Encontrar uma solução 100% efetiva é impossível Análise minuciosa dos pontos únicos de falha Determinar custo em termos de área, consumo e

complexidade Verificar se a aplicação da técnica não apresenta novos

pontos únicos de falhas Análise numérica é fundamental

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Considerações Finais

Procedimento de teste Plano de teste Documentação também é um item de confiabilidade

dentro do projeto da UTMC

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