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IL TEST JIG PER IL SOTTOSISTEMA OBDH

DEL DIMOSTRATORE TECNOLOGICO SATELLITARE

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INDICE

1. Introduzione ................................................................................................................3

2. Lista delle abbreviazioni.............................................................................................3

3. Requisiti e architettura del test jig OBDH ................................................................4

3.1 I compiti del test jig OBDH...................................................................................4

3.2 Le Interfacce del test jig OBDH ...........................................................................5

3.3 Lo schema a blocchi del test jig OBDH ................................................................6

4. I dettagli del progetto..................................................................................................7

4.1.1 Il funzionamento...........................................................................................10

5. Realizzazione meccanica...........................................................................................14

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1. Introduzione

Questo documento descrive l’architettura, le caratteristiche di dettaglio, lo schema

elettrico, la costruzione ed il montaggio del test jig per il sottosistema On Board Data

Handling (OBDH) del Dimostratore Tecnologico Satellitare (DTS). Il termine test jig è

indica un apparato che esegue un test di funzionamento di un sottosistema.

2. Lista delle abbreviazioni

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

Internazionale

µA microAmpere, corrisponde ad un milionesimo di Ampere

USB Universal Serial BUS

ACS Attitude Control System – Sistema di Controllo d’Assetto

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

COMMS Sottosistema di comunicazione

OBDH On Board Computer & Data Handling

DC Direct Current – Corrente Continua

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

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

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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

PC Personal Computer

PTX Potenza di Trasmissione

CV Corrente Variabile – carica batteria

CC Corrente Costante – carica batteria

3. Requisiti e architettura del test jig OBDH

Il test jig OBDH realizza la funzione di testing del modulo OBDH e per svolgere tale

compito sfrutta le capacità e la flessibilità di due microcontrollori dei quali uno per

simulare il sottosistema ACS e l’altro per simulare il sottosistema COMMS. Le azioni

intraprese dai microcontrollori sono eseguite sotto il controllo di un programma software

residente nel dispositivo stesso.

3.1 I compiti del test jig OBDH

I compiti affidati al test jig OBDH sono i seguenti:

• simulare il comportamento dei sottosistemi ACS e COMMS;

• propagare i comandi ricevuti fino ai sottosistemi di destinazione, nel nostro caso, il

sottosistema di controllo di assetto simulato (ACS), ed assicurarne l’attuazione;

• simulare i valori di tensione, corrente, temperatura, velocità di rotazione, posizione

angolare e stato dei sottosistemi di bordo: questi dati, che vengono poi trasmessi a

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terra via cavo USB al simulatore software della stazione di terra, sono utilizzati per

il monitoraggio di tutti i parametri elettrici e fisici simulati. Dalle telemetrie è

possibile avere un quadro praticamente completo del funzionamento del

sottosistema OBDH;

• gestire l’interfaccia USB per il collegamento in ricezione ed in trasmissione con il

personal computer.

3.2 Le Interfacce del test jig 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.

Il test jig si interfaccia con il sottosistema OBDH attraverso un cavo flat a 30 pin e con il

personal computer attraverso cavo USB (Figura 1).

Figura 1 - Le interfacce dell’OBDH con il resto del DTS

Analizziamo la figura:

• alla sinistra del test jig troviamo il personal computer, che, attraverso il software

dedicato, consente di monitorare tutte le telemetrie simulate e successivamente

acquisite dal sottosistema OBDH;

• alla destra troviamo sottosistema OBDH, che rappresenta l’apparato da testare. Le

sue interfacce con il test jig consistono in:

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o dati di telemetria, elaborati dall’OBDH, che devono essere inviati al

simulatore software della stazione di terra;

o dati di telecomando che l’OBDH deve decodificare ed inoltrare all’ACS

simulato;

o dati di telemetria riguardanti lo stato di funzionamento e di salute del

sottosistema COMMS simulato;

o interfacce di alimentazione;

• tra il personal computer e il sottosistema OBDH, infine, appare il test jig, che riceve

e invia all’OBDH i dati necessari per attivare i comandi e fornisce le informazioni

telemetriche simulate.

3.3 Lo schema a blocchi del test jig OBDH

Nella architettura del test jig, riportata in Figura 2, si distinguono tre blocchi funzionali:

• il simulatore dei sottosistemi ACS e COMMS;

• il simulatore delle Telemetrie Analogiche, Digitali e di Stato;

• il Circuito di interfaccia USB.

5V

5V

5V5V

5V 5V

Figura 2 - Lo schema a blocchi del test jig OBDH

I simulatori dei sottosistemi ACS e COMMS concentrano tutte le funzionalità dei

sottosistemi reali come l’impacchettamento e la trasmissione dei dati verso la stazione di

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terra per quanto riguarda il sottosistema COMMS e l’attuazione dei comandi per quanto

riguarda il sottosistema ACS.

I simulatori delle telemetrie analogiche, digitali e di stato servono per verificare se

l’acquisizione da parte del modulo OBDH viene eseguita correttamente.

Il circuito di interfaccia USB consente di inviare il pacchetto di telemetrie acquisite

dall’OBDH verso il personal computer al fine di visualizzarle su schermo.

4. I dettagli del progetto

Il test jig viene utilizzato per testare le funzionalità del sottosistema OBDH. E’ costituito

essenzialmente da una schiera di trimmer per la simulazione delle telemetrie analogiche e

da due microcontrollori atti a simulare il sottosistema COMMS e ACS. Sono presenti

inoltre, tre switch per la simulazione dello stato del sottosistema COMMS, ACS, POWER e

tre trimmer aggiuntivi per la simulazione delle telemetrie digitali quali potenza di

trasmissione (PTX), RSSI e giri della ruota d’inerzia.

La scheda viene alimentata mediante un regolatore lineare a 5V collegato ad un

alimentatore esterno stabilizzato (DC 12V - Figura 2). L’interfaccia USB consente di

collegare il test jig ad un personal computer affinché si possano visualizzare, mediante il

programma JAVA prodotto dalla IMT e scaricabile dal sito IMT Educational, i dati di

telemetria inviati ed elaborati dall’OBDH. Inoltre è possibile verificare il corretto

processamento dei comandi che da PC vengono inviati al Sottosistema.

La serigrafia presente in prossimità di ogni trimmer indica la telemetria corrispondente,

mentre i test point consentono di misurare il valore di tensione mediante un multimetro

digitale (Figura 3). Dal valore misurato è possibile risalire e, quindi verificare, il valore di

telemetria visualizzato sull’interfaccia grafica. Le tabelle che seguono mostrano le formule

di conversione per i vari sottosistemi.

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Figura 3 - Esempio di utilizzo dei test point

Sottosistema ACS

Dato Range Risoluzione Bit Formula

RPM 0÷8000 rpm 20 rpm 8 D · 60

MAGN 0÷359° 6 ° 6 D · 6

PWR_STATUS 4 valori 2

ACS_S/A_T 0÷100°C 1°C 8

0225.0

375.1256

5−

⋅D

MW_I 0÷370 mA 1.95 mA 8 D · 1.9531

MW_V 0÷12 V 121.19 mV 7 D · 0.1211939

ACS_I 0÷250 mA 2.60416 mA 7 D · 2.60416

TOTALE 46 bit

Sottosistema POWER

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PWR_STATUS 4 valori 2

TEMP (x 2) 0÷100°C 0.5°C 8 x 2

0225.0

375.1256

5−

⋅D

S/A_I (x 3) 0÷333 mA 1.3 mA 8 x 3 D · 1.3013

BAT_I_CRG 0÷2A 32.552 mA (128 - D) · 32.552

BAT_I_DIS 0÷500 mA 3.60625 mA 8

(D - 128) · 3.60625

DC/DC_5V_I 0÷300 mA 1.9531 8 D · 1.9531

DC/DC_15V_I 0÷500 mA 1.9531 8 D · 1.9531

S/A_V 0÷25 V 0.110954 8 D · 0.110954

BAT_V 0÷16.8 V 0.277593V 6 D · 0.277593

TOTALE 80 bit

Sottosistema COMMS


COMMS_STATUS 4 2

P_TX 0÷10 dbm 0.3125 dbm 5 D · 0.3125

RSSI 0÷-125 dbm 1.5 dbm 7 -(D·1.5)

COMMS_I 0÷30 mA 0.25781 mA 7 D · 0.25781

COMMS_S/A_T 0÷100°C 0.5°C 8

0225.0

375.1256

5−

⋅D

TOTALE 29 bit

Sottosistema OBDH


OBDH_STATUS 2 1

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OBDH_S/A_T 0÷100°C 1°C 8

0225.0

375.1256

5−

⋅D

OBDH_I 0÷50 mA 0.78 mA 6 D · 0.78

TOTALE 15 bit

4.1.1 Il funzionamento

Per fare qualche esempio consideriamo la telemetria relativa alla temperatura della

batteria. Il valore indicato sul pannello delle telemetrie è di 28,3°C e la tensione misurata in

uscita al sensore è di circa 2,03V.

Figura 4 - Quadro sinottico del sottosistema POWER

Con riferimento alla tabella relativa al sottosistema POWER, la formula da considerare è:

0225.0

375.1256

5−

⋅D

,

dove la tensione misurata rappresenta il termine racchiuso tra le parentesi tonde. La

tensione viene campionata dal convertitore A/D a 10 bit interno al microcontrollore. Di

questi vengono considerati soltanto gli 8 bit più significativi con un fondo scala di 5V,

per cui il passo di quantizzazione è:

256

5

2

5

8==q

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La variabile D rappresenta il valore digitale campionato dall’A/D. Per ottenere il

valore di tensione è necessario moltiplicare D per il passo di quantizzazione q. Nel caso

in esame la tensione viene acquisita direttamente dal multimetro e rappresenta quindi

il termine racchiuso tra le parentesi tonde.

La formula fornisce un valore di circa 29,1°C che rientra nelle specifiche di risoluzione

pari a circa 1°C.

Prendiamo ora in considerazione la telemetria di corrente batteria. Il valore

visualizzato è di 112mA, mentre la tensione di telemetria misurata col multimetro è di

circa 3,0884V. Poiché la batteria è in modalità scarica (modalità impostabile mediante

gli switch) la formula da utilizzare è la seguente:

(D - 128) · 3.60625

Poiché si considera un numero di 8 bit effettivi su un fondo scala di 5V, il valore D è dato

da:

1585

2560884.3 ≅

=D

La corrente calcolata è circa 109mA che rientra, anche in questo caso, nelle specifiche di

tolleranza.

Per quanto riguarda le telemetrie di stato sono presenti tre switch a montaggio

superficiale, uno per ogni sottosistema (COMMS, ACS, POWER). La serigrafia sulla

scheda indica lo stato logico in relazione alla posizione dei cursori (Figura 5). Le tabelle

seguenti mostrano i possibili stati di funzionamento del DTS.

Stato ACS:

- 00: Stato mantenimento posizione

- 01: Stato attuazione comando

- 10: Stato FAILURE

- 11: Libero

Stato COMMS:

- 00: Libero

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- 01: Ricezione comando

- 10: PLL agganciato

- 11: PLL sganciato

Stato POWER:

- 00: Batteria carica (>12V)

- 01: Batteria scarica (<12V)

- 10: Batteria in carica, CC

- 11: Batteria in carica, CV

L’immagine seguente mostra una configurazione di esempio.

Figura 5 - Microswitch per la simulazione degli stati

La Figura 6 mostra invece lo stato sull’interfaccia grafica.

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Figura 6 - Quadro sinottico dei sottosistemi

Le figure che seguono mostrano la ricezione dei comandi fermo, rotazione verso sinistra e

rotazione verso destra corrispondenti alle rispettive configurazioni di led spenti, led in

alto acceso e led in basso acceso.

Figura 7 - Comandi del DTS

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Figura 8 - LED segnalazione attuazione comandi

5. Realizzazione

Il test jig OBDH trova posto su di un circuito stampato, la cui disposizione è mostrata nella

Figura 9 e Figura 10 che seguono, tratte dal progetto eseguito tramite un programma CAD

tridimensionale. La Figura 9 mostra la parte superiore.

Figura 9 - Circuito stampato del test jig OBDH, parte superiore

Si possono notare:

1. in basso i trimmer per la simulazione delle telemetrie analogiche;

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2. in alto a sinistra i microswitch per simulazione dello stato dei sottosistemi POWER,

ACS e COMMS;

3. a sinistra l’interfaccia USB;

4. a destra dell’interfaccia USB, i trimmer per la simulazione delle telemetrie digitali;

5. proseguendo verso destra, i due microcontrollori per la simulazione dei

sottosistemi ACS e COMMS;

6. in alto a destra, il regolatore lineare e i condensatori di filtraggio dell’alimentazione;

7. il jack di alimentazione DC 12V con centrale positivo.

Nella Figura 10 è mostrata la parte inferiore dello stesso circuito.

Figura 10 - Circuito stampato del test jig OBDH, parte inferiore

Notiamo solo la presenza di condensatori per il filtraggio dell’alimentazione.

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Figura 11 - Scheda reale

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Documento:

Il test jig per il sottosistema OBDH del Dimostratore Tecnologico Satellitare (DTS)

Testi:

Michele Marino

Illustrazioni:

Michele Marino

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