Controllo Real Time della Satellite TCR Suitcase Usando LabVIEW

Controllo Real Time della Satellite TCR Suitcase Usando LabVIEW FPGA
"La tecnologia FPGA unita alla rapidità dello
sviluppo del software tipica dell’ambiente LabVIEW,
ha permesso di realizzare la TCR Suitcase."
- M. Nonni, SELESO
La sfida:
La validazione prestazionale di un sistema satellitare ha richiesto la realizzazione di un simulatore del Satellite, da utilizzare per verifica della Ground
Station, che potesse implementare ed emulare le funzioni TTC (Telecommand & Telemetries) in condizioni di real-time stretto, rispettando inoltre le
milestone imposte dalla pianificazione del programma.
La soluzione:
La nostra soluzione si è ispirata ai ben noti principi della strumentazione virtuale: un’applicazione scritta in LabVIEW controlla in maniera
completamente automatica le operazioni della Suitcase; l’impiego della tecnologia FPGA disponibile nei prodotti PCI-7831R ha permesso di
raggiungere gli obiettivi prefissati, sia in termini di prestazioni real-time, sia in relazione al time-to-market imposto dal programma aerospaziale.
Autore (i):
M. Nonni - SELESO
Breve riassunto
Nell’ambito di un programma per la realizzazione di un sistema satellitare, è necessario eseguire preliminarmente la validazione prestazionale dei
protocolli di Telecomando e Telemetria, in particolare per le comunicazioni fra Satellite e Ground Station.
La tecnologia FPGA, disponibile nei prodotti PCI-7831R, unita alla rapidità dello sviluppo del software tipica dell’ambiente LabVIEW, ha permesso di
realizzare la TCR Suitcase rispettando sia i requisiti funzionali/prestazionali, che la pianificazione stretta imposta dalle condizioni di mercato, evitando di
ricorrere a soluzioni custom che pur rispondendo ai requisiti non si sarebbero rese disponibili in tempo utile, e soprattutto rimuovendo la necesità di
ricorrere a risorse specialistiche nel settore FPGA, nella fattispecie ad esperti VHDL.
Introduzione
Il satellite in questione è un satellite geostazionario, realizzato da un’importante azienda italiana del settore aerospaziale, per applicazioni multifunzionali
nel settore delle telecomunicazioni.
Nell’ambito del progetto, viene realizzato anche il sottosistema dedicato alla validazione prestazionale della Ground Station; tale sottosistema, indicato
come TCR Suitcase, è configurato come un ATE, il cui ruolo è quello di implementare ed emulare le funzioni di Telecommand & Telemetries che hanno
luogo nelle comunicazioni tra il Satellite e la Stazione di Terra, allo scopo di validarne sia il funzionamento che le prestazioni.
Allo scopo di realizzare una simulazione totalmente realistica, si è reso necessario integrare nella Suitcase le unità di bordo del satellite, nella versione
EQM (Engineer Qualified Model).
Le esigenze del programma hanno imposto una pianificazione molto stretta per la realizzazione della Suitcase: da qui la proposta di una soluzione
tecnologica basata su hardware riconfigurabile FPGA, disponibile nei prodotti NI PCI-7831R, che è stata individuata come l’unica soluzione possibile che
rispondesse tanto ai requisiti tecnici che a quelli di pianificazione.
Hardware
L’apparato di test in questione, chiamato TCR Suitcase, è stato progettato in modo da includere al suo interno le vere e proprie unità di bordo dedicate
alle funzioni di comunicazione con la Ground Station: il Transponder in Spread Spectrum, la DeCrypto Unit e la Time Of Day Unit, realizzati come EQM
(Engineer Qualified Model).
Inoltre la Suitcase è stata corredata con una serie di strumenti di misura di elevate prestazioni: Spectrum Analyzer, Signal Generator, Power Meter,
Frequency Meter, Power Supply.
Gli strumenti e le unità EQM sono state integrate in un cabinet standard 19”, contenente anche un PC industriale destinato a svolgere le funzioni di
controllo della Suitcase e ad implementare la Man Machine Interface.
Nel PC industriale sono state installate 2 schede NI PCI-7831R, destinate rispettivamente alla gestione del protocollo TC/TM ed al monitoring delle attività
della Suitcase stessa.
Le linee di I/O digitali rese disponibili dalle schede con FPGA sono state utilizzate per comandare una serie di Transition Board, allo scopo di interfacciare
correttamente le unità EQM mediante le classiche metodologie di Signal Conditioning.
Software
L’architettura del software della Suitcase prevede due macroblocchi funzionali, dedicati rispettivamente alla gestione della Man Machine Interface ed
all’interfaccia TC/TM verso le unità satellitari EQM.
La MMI, di cui in figura è rappresentato il layout del pannello frontale, è stata scritta interamente in LabVIEW, seguendo il paradigma classico della
strumentazione virtuale.
Il requisito di poter controllare lo stato della Suitcase in tempo reale e simultaneamente per tutte le unità ha imposto la realizzazione della MMI sotto forma
di un unico pannello sinottico, che racchiudesse tutte le informazione di stato disponibili, nonché tutti i comandi inviabili alle unità.
In particolare, la comandabilità è stata realizzata includendo nel pannello i controlli e gli indicatori relativi all’azionamento ed al monitoraggio dei relè di
accensione e spegnimento delle unità DCU, SST e TOD. Inoltre sono stati predisposti degli indicatori di temperatura delle unità stesse, per il monitoring
delle condizioni operative.
Tutti gli I/O digitali ed analogici per la sezione di comando e controllo sono stati attestati sui canali di I/O di una delle schede PCI-7831R.
L’interfaccia TC/TM è stata scritta invece in LabVIEW FPGA, utilizzando quindi in maniera intensiva le funzionalità di hardware riprogrammabile della
seconda scheda PCI-7831R.
Tale esigenza è emersa dalla considerazione che i protocolli di Telecomando e di Telemetria in questione sono protocolli di comunicazione seriali per i
quali non esistono componenti standard, disponibili a livello commerciale, con i quali realizzare i driver di basso livello; inoltre un’ipotesi di
implementazione software dei protocolli non avrebbe garantito l’adeguata rispondenza ai requisiti di determinismo del real time stretto.
La scrittura del software su FPGA, invece, ha permesso di ottenere da un lato le prestazioni di tempo reale necessarie per rispondere ai requisiti dei
protocolli, e dall’altro ha garantito la fattibiltà della soluzione scelta entro i ristretti tempi del progetto, grazie soprattutto alla familiarità dell’ambiente di
sviluppo LabVIEW ed alla versatilità degli esempi già disponibili nella libreria.
Conclusioni
Il successo della validazione prestazionale della Ground Station del sistema satellitare, effettuata con la TCR Suitcase basata sulla tecnologia LabVIEW
FPGA, ha dimostrato l’efficacia della soluzione ad hardware riprogrammabile.
Un importante risultato interno, inoltre, è stato raggiunto anche con la sperimentazione della programmabilità di un tipo di componente (FPGA),
notoriamente riservato a pochissimi specialisti del settore, ottenuta impiegando un ambiente di sviluppo (LabVIEW) sul quale è estremamente più facile
costruire e/o recuperare know-how specializzato.
Informazioni sull'autore:
M. Nonni
SELESO
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www.ni.com
Figura 1 - Main panel
Informazioni Legali
Questo case study (questo "case study") è stato fornito da un cliente di National Instruments ("NI"). QUESTO CASE STUDY È FORNITO SENZA NESSUN TIPO DI
GARANZIA ED È SOGGETTO AD ALCUNE LIMITAZIONI PIÙ SPECIFICATAMENTE DESCRITTE NEI TERMINI D’USO DI NI.COM
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