Desarrollo y puesta en marcha de la electrónica de alimentación y el software de control de un equipo de pruebas para ensayar el mecanismo de una aplicación espacial

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(1)Desarrollo y puesta en marcha de la electrónica de alimentación y el software de control de un equipo de pruebas para ensayar el mecanismo de una aplicación espacial Trabajo de fin de grado. Diego Rodrı́guez Santibáñez Universidad Politécnica de Madrid #09393 July 21, 2017.

(2) 2.

(3) Agradecimientos El finalizar un trabajo de 10 meses, rodeado de gente tan profesional y entregada con su trabajo, es inevitable agradecer la oportunidad y la experiencia con todos aquellos que la han hecho posible. En primer lugar a Cristina, por darme su confianza desde el primer momento; a Enrique, Gonzalo y Javi por su trabajo, que es brillante. Gracias por echarme una mano cada vez que ha hecho falta. A mamá, que es la que está ahı́ para preocuparse por su hijo a todas las horas del dı́a, no te preocupes que ya está, ya queda poco. Gracias Javi, porque aunque no lo creas es muy importante que estés, que escuches y que me chilles de vez en cuando. A los abuelos, que siguen enseñándome dı́a tras dı́a la importancia de las pequeñas cosas. Gracias Papá, por enseñarme a disfrutar de aprender. Por sembrar en mi la curiosidad, el esfuerzo y la pasión por lo que haga. Gracias Marina por tanto. Esto es por y para ti.. i.

(4) ii.

(5) Resumen Se va a tratar el desarrollo del trabajo de fin de grado de nombre ”Puesta en marcha de la electrónica de alimentación y desarrollo del software de control de un equipo de pruebas para una aplicación espacial”. Este proyecto fue desarrollado en el departamento de espacio de la empresa española SENER, Ingenierı́a y sistemas, entre los meses de Febrero y Noviembre de 2016. Como su nombre indica, el desarrollo técnico del trabajo está dividido en dos etapas principales. La primera de ellas consiste en el desarrollo del software de control de un equipo de pruebas, que deberá realizar los test de verificación de un subsistema espacial. La segunda, consiste en el montaje y la puesta en marcha del propio equipo de pruebas, que deberá quedar a punto para realizar las pruebas del subsistema espacial. La aplicación espacial para la que va dedicado este equipo de pruebas es el módulo Solar o Solar Array Assembly (SAM) que incorporará el Rover de la misión de la Agencia Espacial Europea Exomars 2020. Este subsistema deberá trabajar en condiciones de Temperatura de entre -40 y 100o C, por lo que se deberán realizar exhaustivas pruebas de verificación que garanticen el éxito de la misión.. Figure 1: Exomars 2020, Rover Durante el proceso de diseño, montaje y verificación del SAM, SENER no cuenta con la electrónica de control de los paneles solares del Rover y por lo tanto es necesario diseñar un equipo de pruebas que sea capaz de simularla para poder realizar los procedimientos de test necesarios. En el ámbito espacial, este tipo de equipos se denomina Electrical Ground Support Equipment, y de ahora en adelante en este documento, EGSE. Los objetivos de este proyecto se pueden resumir en 4 apartados principales desarrollados con detalle en el interior del documento. El primero consistirá en lo que se ha denominado iii.

(6) Understanding of Requirements, o la asimilación de toda la información necesaria para llevar a cabo el proyecto. Desde el conocimiento del marco de la misión, los elementos principales del Rover y del SAM, las especificaciones y requisitos del equipo de pruebas, los módulos funcionales a implementar en el software de control, los esquemas eléctricos y electrónicos del sistema, etc. Este apartado se desarrolló en un tiempo aproximado de dos meses y medio a partir de la información facilitada por SENER, y de los documentos de especificaciones creados por la ESA. El segundo objetivo será el diseño y desarrollo del software de control del EGSE. Para comprender en qué consiste, será necesario conocer con cierto detalle la estructura del SAM, los componentes del EGSE, y las tareas que el propio software deberá desempeñar durante su funcionamiento. El Solar Array Assembly consiste en un conjunto de cuatro paneles solares unidos al cuerpo principal del Rover por unas bisagras activas. Debido a las duras condiciones de temperatura en la superficie marciana, fue necesario diseñar un mecanismo que garantizara que durante el proceso de despliegue de los paneles, las bisagras se encontraran en un determinado rango térmico. Para ello, el SAM cuenta en su superficie con doce sensores de temperatura, y con cuatro calentadores o heaters. Con estos elementos se ha de realizar un bucle de control que se active antes de la orden de despliegue, y caliente las bisagras hasta la temperatura adecuada. El viaje del Rover hasta Marte se realiza en el interior de un pequeño módulo espacial diseñado por la ESA. Durante la salida de la atmósfera terrestre, y en la entrada a la atmósfera de Marte, todo el sistema diseñado se enfrenta a fuertes vibraciones. En el caso de elementos mecánicos como estas bisagras, es vital garantizar un sistema de anclado de los elementos móviles que cumpla dos especificaciones básicas. Por un lado, asegurar la inmovilización de las partes móviles del mecanismo, y por otro, que la energı́a necesaria para liberarlas antes de su despliegue sea la mı́nima posible. Para conseguir estos dos requisitos, se utilizan en su diseño unos pequeños dispositivos llamados HDRM o Hold Down and Release Mechanism, que son capaces de desplegarse mediante la energı́a térmica aportada por una pequeña resistencia introducida en su interior.. Figure 2: Solar Array Mechanism, Rover El software de control que se encarga de liberar estos pequeños dispositivos también debe ser simulado por el EGSE, utilizando varios sensores de temperatura localizados en las proximidades de los HDRMs, y cediendo la potencia necesaria a las resistencias o heaters que se encargan de activarlos. Para realizar el despliegue de los cuatro paneles solares, el SAM iv.

(7) dispone de 8 potenciómetros analógicos repartidos de dos en dos en el eje principal de cada bisagra o motor. El primero de ellos será un potenciómetro nominal, utilizado como feedback en el bucle de control del movimiento, y el segundo será un potenciómetro redundante que indicará la posible aparición de errores en la primera medida. Con estos potenciómetros, y mediante la alimentación de cuatro pequeños motores eléctricos (uno por bisagra), un puente en H una señal PWM, se realizará un algoritmo de control que permitirá a los operarios de pruebas llevar los paneles a la posición deseada. A la hora de realizar cualquier tipo de prueba en el sistema de paneles solares, los operarios deben ser capaces de visualizar toda la telemetrı́a que envı́an los sensores, ası́ como monitorizar las señales dirigidas hacia los actuadores. De esta forma, cualquier fallo de operación puede ser detectado automáticamente. Para este proceso, se ha realizado un software dedicado en Java, que hará las veces de MMI (Man Machine Interface), y permitirá a los usuarios del EGSE tanto enviar secuencia de ejecución a los actuadores, como visualizar en tiempo real la información recogida. Este software se ejecutará en un PC que será conectado al corazón del EGSE mediante USB. Todos estos bucles de control nombrados hasta ahora son realizados a tiempo real en uno de los módulos del EGSE. Este módulo es un sistema electrónico formado por cuatro tarjetas dedicadas. Esta ”caja” de electrónica se denominará Front End Electronics o FEE. Cada una de las tarjetas que la componen, realiza una función determinada en el flujo de datos de este sistema. Para comprender mejor el desarrollo del trabajo, es necesario adquirir cierto conocimiento sobre la función de estas tarjetas electrónicas, y cómo se comunican entre ellas.. Figure 3: Front End Electronic, EGSE El primero de estos elementos, y el que tiene relación directa con el objeto de este trabajo será la llamada ”DSPic + IO Board”. Esta tarjeta, diseñada ı́ntegramente por SENER, incluye un Microcontrolador Microchip 33EP512MU814 que hará las veces de corazón del EGSE. En él correrá el software desarrollado y explicado en estas páginas, y su función principal será la de gestionar la telemetrı́a y comandos con el MMI, recibir señales de los sensores, y realizar los cálculos necesarios para ejecutar los bucles de control. Además, esta v.

(8) tarjeta incluirá varios módulos ADC de 10 bits para la lectura de corrientes y tensiones del motor, y 32 salidas digitales que permitirán enviar potencia tanto a los heaters de control térmico, como a los dispositivos HDRM. El segundo elemento que compone el FEE, será una tarjeta electrónica denominada ”PWM Board”. Esta tarjeta será conectada pin a pin con las salidas PWM del microcontrolador. En ella, encontraremos dos puentes en H que cumplen dos funciones principales. Por un lado, aportan la potencia necesaria para mover los motores de corriente continua, y por otra, permiten alternar el sentido de giro de los motores mediante sus 4 transistores tipo MOSFET. Este elemento será conectado directamente al SAM utilizando un conectar DSUB de 44 pines. El tercer elemento del FEE será la Thermistor Board. Este EGSE dispondrá de dos de estas tarjetas: Una dedicada a la lectura de las temperaturas obtenidas con los termistores PT1000 distribuidos en la superficie del SAM, y otra dedicada a la lectura de los potenciómetros colocados en los motores, que nos determinarán la posición de los mismos. Estas medidas serán digitalizadas mediante unos dispositivos ADC de 16 bits localizados en las propias tarjetas, y enviadas hasta el microcontrolador utilizando una interfaz SPI. Por último, el FEE incluye un elemento de conexión entre todas las tarjetas denominado Backplane, que consigue un flujo de información Pin a Pin entre todos los elementos del sistema. El FEE ha sido diseñado de forma modular, de forma que en caso de querer incrementar el número de sensores o actuadores, basta con añadir más tarjetas en paralelo conectándolas en las ranuras libres del Bakplane. Una vez hemos definido el sistema hardware, estamos en disposición de comprender el funcionamiento del sistema completo. El EGSE realiza simultáneamente todas las operaciones definidas en los puntos anteriores. Por un lado, se produce la lectura de los sensores en las Thermistor Boards que son enviadas mediante SPI al microcontrolador. Por otro, tanto las salidas digitales disponibles en la DSPic Board, como las señales PWM, controlan la dinámica de los diferentes actuadores. A la vez, El microcontrolador envı́a mediante USB toda la telemetrı́a a un PC, que muestra por pantalla en tiempo real toda la información recogida, y proporciona una interfaz para el envı́o de comandos. Por último, el microcontrolador almacena toda la información disponible en memoria, la procesa, y obtiene como salidas las señales generadas por los algoritmos de control. Todo este proceso es controlado por varias decenas de cientos de lı́neas de código C que corren en el corazón del EGSE, y componen el cuerpo principal de este proyecto. Su diseño, su desarrollo y el conjunto de procedimientos para su verificación componen gran parte del trabajo realizado. El tercero de los cuatro objetivos propuestos consiste en una fase de pruebas, donde todos los elementos hardware y cada una de sus partes deberán ser verificadas. Esto hace referencia, principalmente, a los cinco componentes del FEE. Tanto las tarjetas electrónicas como el Backplane deberán ser probadas una a una, reportando al equipo técnico de hardware los posibles fallos o errores de funcionamiento que se puedan encontrar. Este tercer proceso, de una duración aproximada de tres meses, finaliza con una serie de procedimientos de test del sistema completo, donde todas las partes serán verificadas conjuntamente. Ası́, tanto los elementos software como hardware podrán ser probados conjuntamente, de tal forma que se consiga obtener un sistema unificado que tenga un comportamiento fluido y preciso para los vi.

(9) operadores. Para el desarrollo de esta tercera fase fue necesario utilizar elementos adicionales, como tarjetas de prueba o software dedicado. Estas tarjetas fueron diseñadas especı́ficamente por el equipo de hardware para probar cada uno de los interfaces y elementos existentes en el sistema. Como objeto de este trabajo, se incluye también un software dedicado a probar cada uno de los elementos de la tarjeta principal DSPic. Ejecutando este software, se obtiene un informe detallado del estado de la tarjeta. De esta forma, y debido a la gran cantidad de EGSEs generados por SENER, se reduce el tiempo de horas de ingenierı́a para la verificación de este sistema.. Figure 4: EGSE y dos bisagras activas del mecanismo, ExoMars El último objetivo de los nombrados al inicio del documento, consiste en la documentación exhaustiva del software generado tras su diseño y desarrollo. Cada bloque funcional o lı́nea de código ha sido documentada y explicada con detalle, para permitir la posible corrección de bugs o errores en el futuro. Todos los documentos generados al respecto se incluyen como anexo al final de este tomo, ası́ como planos electrónicos, cuadros de conexiones o esquemas explicativos. En resumen, este texto trata de documentar, explicar y transmitir el trabajo realizado durante 9 meses. Estando rodeado de tan grandes profesionales del sector no puedo más que agradecer la oportunidad que se me ofreció, y que a dı́a de hoy continuo disfrutando.. vii.

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(11) Índice Agradecimientos. i. Resumen. iii. 1 Introduccion. 1. 2 Objetivos 2.1 Understanding of requirements . . 2.2 Diseño software . . . . . . . . . . 2.3 Fase de pruebas . . . . . . . . . . 2.3.1 Pruebas de Hardware . . . 2.3.2 Pruebas de Software . . . 2.3.3 Pruebas del Sistema . . . 2.4 Montaje del Sistema . . . . . . . 2.5 Documentación . . . . . . . . . . 2.5.1 dsPic Board ICD . . . . . 2.5.2 dsPic Software . . . . . . 2.5.3 Documentación de pruebas. . . . . . . . . . . .. 3 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 5 5 6 7 9 9 10 10 11 11 12 12 13 18 18 18 18 19 19 19 20 20. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. 3 Descripción del sistema: Hardware 3.1 Misión ExoMars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Sener Mechanism . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1.1 Bisagras y actuadores . . . . . . 3.1.1.2 Potenciómetros . . . . . . . . . . 3.1.1.3 Heaters . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1.4 HDRMs . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1.5 Termistores . . . . . . . . . . . . 3.2 EGSE ExoMars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Funciones generales . . . . . . . . . . . . . 3.2.2 Elementos del EGSE . . . . . . . . . . . . 3.2.2.1 Hosting Computer + MMI . . . . 3.2.2.2 Front End Electronics . . . . . . 3.2.2.3 Power Distribution Unit PDU . . 3.2.2.4 Monitor, Teclado, Ratón . . . . . 3.2.3 Descripción de interfaces de comunicación 3.2.3.1 Interfaces internos . . . . . . . . 3.2.3.2 Interfaces externos . . . . . . . . 3.3 dsPic + Digital IO Board . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Descripción general . . . . . . . . . . . . . 3.3.2 Elementos dsPic Board . . . . . . . . . . . 3.3.2.1 Alimentación y filtrado . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. ix.

(12) 3.3.2.2 3.3.2.3 3.3.2.4 3.3.2.5. . . . .. 21 21 22 23. 4 Diseño del sistema: Software 4.1 Propósito general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Especificaciones técnicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Especificaciones funcionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Modos del EGSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 Elementos de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4 Especificaciones: Control general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.5 Especificaciones: Control del mecanismo, motores. . . . . . . . . . . . 4.2.6 Especificaciones: Control térmico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.7 Especificaciones: Control de HDRMs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.8 Especificaciones: Monitorización. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Diseño Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Definición de tareas y funciones del Software . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Definición de tipos de variables y estructura de datos . . . . . . . . . 4.3.3 Definición de tele comandos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.4 Definición de parametros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.5 Definición de telemetrı́a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.6 Definición de variables auxiliares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.7 Dimensionado y mapeado de la memoria del sistema . . . . . . . . . 4.3.8 Estimación de la velocidad de transmisión de datos y el ancho de banda de cada interfaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.9 Definición de la frecuencia de ejecución de cada tarea . . . . . . . . . 4.3.10 Gestión del acceso a recursos compartidos . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.11 Definición esquemática del funcionamiento del software y sus partes . 4.3.12 Identificación de puntos conflictivos y de posible generación de errores 4.3.13 Debug, metodologı́a y alcance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.14 Algoritmia y funciones de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Desarrollo software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.1 Gestión de procesos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2 Comunicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2.1 Telemetrı́a y comandos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2.2 Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3 Sistemas de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3.1 Control de Motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3.2 Control de HDRMs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3.3 Control de HTRs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 23 23 24 24 24 25 26 27 28 29 29 30 34 34 35 36 37 39 39. x. Lectura de señales: Backplane y SPI . . . . . Control térmico: Heaters . . . . . . . . . . . . Microcontrolador: PIC . . . . . . . . . . . . . Conversión PWM: Single-ended a diferencial.. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. . . . .. 40 41 41 42 43 43 44 44 44 45 45 46 46 46 48 48.

(13) 5 Pruebas y resultados 5.1 Pruebas dsPic Board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 48 49. 6 Metodologı́a. 51. 7 Conclusiones. 51. 8 Planificación temporal y presupuesto 8.1 Presupuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2 Diagrama PERT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3 Diagrama de Gantt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 53 54 55 57. A Glosario. 59. B Anexos, Esquemas y Planos B.1 DSPic Board, Test procedure . B.2 Microchip Diagram . . . . . . B.3 Backplane Diagram . . . . . . B.4 System scheme . . . . . . . . B.5 dsPic Board Schematics . . . B.6 PWM Board Schematics . . . B.7 Thermistor Board Schematics. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. 61 61 82 83 85 87 95 103. xi.

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(15) Índice de Figuras 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34. Exomars 2020, Rover . . . . . . . . Solar Array Mechanism . . . . . . . Front End Electronics . . . . . . . EGSE . . . . . . . . . . . . . . . . Exomars 2020, Rover . . . . . . . . Exomars 2020, Rover . . . . . . . . Solar Array Mechanism . . . . . . . Bisagra activa . . . . . . . . . . . . Potenciómetro . . . . . . . . . . . . HDRMs . . . . . . . . . . . . . . . Termistores PT1000 . . . . . . . . MMI screenshot . . . . . . . . . . . Front End Electronics (FEE) . . . . Thermistor Board . . . . . . . . . . PWM output schematics . . . . . . PWM Board . . . . . . . . . . . . . Backplane . . . . . . . . . . . . . . Exomars Rover . . . . . . . . . . . Circuito USB . . . . . . . . . . . . Control de heaters, especificaciones Microchip, 33EP512MU814 . . . . Diagrama de estados . . . . . . . . Control de motores, especificaciones Control de heaters, especificaciones Telecomandos . . . . . . . . . . . . Parametros . . . . . . . . . . . . . Telemetrı́a . . . . . . . . . . . . . . Motores . . . . . . . . . . . . . . . Prespupuesto . . . . . . . . . . . . Diagrama de bloques del proyecto . Diagrama de Gantt . . . . . . . . . Microprocesador . . . . . . . . . . . Conexiones Backplane . . . . . . . EGSE Scheme . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. iii iv v vii 1 6 7 8 9 10 11 13 14 15 16 17 17 20 21 21 22 25 27 28 36 37 38 47 54 55 57 82 83 85. xiii.

(16) xiv.

(17) 1. Introduccion. En 2020, la Agencia Espacial Europea (ESA) se encargará del lanzamiento de la segunda parte de la misión denominada Exomars. Esta misión enviará un Rover europeo a la superficie de Marte. Este pequeño robot, desarrollará tareas de búsqueda de signos de vida, recolección de muestras de diversos materiales o análisis con sofisticados instrumentos de última generación, para seguir desvelando muchos de los secretos que el pequeño planeta rojo aún nos esconde. Durante la fase del lanzamiento, y durante todo el viaje, el rover estará contenido en un módulo desarrollado por la propia ESA. Poco antes de aterrizar, el robot se separará de este módulo junto con una superficie de operaciones. Paracaı́das, propulsores, y mecanismos de amortiguación absorberán la energı́a potencial de la caı́da, y depositarán la carga útil de forma controlada en la superficie marciana, evitando cualquier posible riesgo para los equipos. Tras aterrizar, el rover abandonará la plataforma y desplegará sus paneles solares, comenzando ası́ una misión cientı́fica que durará varios años. El objetivo principal de esta misión es localizar material orgánico primitivo conservado en buenas condiciones. El rover podrá determinar las propiedades fı́sicas y quı́micas de muestras marcianas, especialmente del subsuelo. Las muestras subterráneas tendrán más probabilidades de contener restos orgánicos, teniendo en cuenta que la pobre atmósfera marciana ofrece nula protección ante la radiación solar. Para esto, pequeños taladros realizarán las operaciones de búsqueda a profundidades de hasta dos metros. Después de recoger las muestras, estas serán enviadas a su pequeño laboratorio de análisis, y transmitidas a la tierra periódicamente. La base de control estará localizada en Turı́n, Italia, y desde allı́ se realizarán las tareas de seguimiento que permitan recibir y gestionar toda la información de Exomars.. Figure 5: Exomars 2020, Rover 1.

(18) El mecanismo de despliegue de los paneles solares está formado por cuatro bisagras motorizadas que moverán los paneles, varios heaters que calentarán el sistema cuando las temperaturas estén por debajo de unos determinados lı́mites, y diversos sensores como encoders o sensores de temperatura que proporcionarán la telemetrı́a necesaria para realizar el control del sistema. Este conjunto deberá llevar al Rover y a sus motores a un estado óptimo de temperatura, y permitirá el despliegue de los paneles solares cuando sea necesario tras el aterrizaje. Además, se utilizarán unos pequeños dispositivos termo activables llamados HDRM o Hold Down and Release Mechanism, que servirán de sujeción para las placas durante el viaje, y que serán desbloqueados tras llegar a la superficie marciana. Este conjunto será desarrollado ı́ntegramente en España, y deberá ser sometido a numerosas pruebas bajo condiciones muy duras de presión y temperatura. Puesto que durante su fase de diseño, montaje y pruebas no es posible contar con el software de control que el Rover integrará en su electrónica, es determinante desarrollar un equipo de pruebas o Electrical Ground Support Equipment (EGSE) que gestione la telemetrı́a, reciba comandos, y controle todos las actividades de los actuadores del mecanismo como sus motores, heaters o HDRMs, para poder verificar el funcionamiento de todas sus partes antes de ser entregadas al cliente final. El contenido de este documento explicará detalladamente el funcionamiento del equipo de pruebas, y como se ha diseñado, desarrollado y probado el software de control que se encargará de gestionar todas sus operaciones. El segundo punto del documento, muestra un breve resumen de los hitos u objetivos marcados para este proyecto desarrollado a lo largo de nueve meses. En el tercer punto, se hará un recorrido por el diseño del Rover Exomars 2020, del propio EGSE y de las tarjetas electrónicas que incluye, que permitirá comprender las decisiones de diseño y desarrollo tomadas a la hora de crear el software de control. En el siguiente punto, Diseño del sistema: Software, se abordan todas las actividades relacionadas con la realización y puesta en marcha del programa de control, comunicación y telemetrı́a en el equipo de pruebas, que podemos considerar como epicentro real del trabajo realizado. En este apartado veremos desde las especificaciones técnicas requeridas, hasta un análisis detallado de los tiempos de ejecución del software en estado de trabajo, explicando el diseño de sus partes, bloques o funciones. Tras crear el software, o incluso durante su fase de diseño y desarrollo, es indispensable realizar pruebas y verificaciones rigurosas de cada tarea o bloque que aseguren el correcto funcionamiento del sistema. Por esta razón se dedica el quinto punto del documento a explicar y desarrollar el contenido de todos los tests, pruebas y procedimientos seguidos para garantizar un buen diseño, y otorgar garantı́as de buen funcionamiento antes de entregar el producto final. Estos procesos de verificación ensayarán las tarjetas electrónicas, el software de control, la interfaz de usuario o MMI, la compatibilidad electromagnética del equipo y el EGSE como conjunto. Se incluye en la última parte del documento la planificación temporal de todas las actividades realizadas a lo largo del perı́odo de trabajo, y un pequeño presupuesto que estima los costes de ingenierı́a asociados al desarrollo de un proyecto como este. Con el objeto de hacer la lectura de este escrito amable al lector, se añadirán esquemas y dibujos que representan los equipos que se describen, y se apartarán los esquemas eléctricos detallados al final del documento para poder realizar posibles consultas. Debido a la gran cantidad de 2.

(19) acrónimos y abreviaturas utilizados en el sector espacial, se evitará su descripción durante el desarrollo del texto y se incluirán al final del mismo en el apartado A.. 2. Objetivos. Este proyecto, tiene como objeto principal la finalización de cuatro bloques de tareas especı́ficos, que en conjunto darán lugar al desarrollo del software de control de un EGSE destinado a realizar las pruebas funcionales en los actuadores del rover EXOMARS 2020. Estas pruebas serán crı́ticas en el funcionamiento del rover, ya que verificarán el correcto funcionamiento de sensores (termistores, potenciómetros..), actuadores (Heaters, motores..), elementos de control (DSPs, microprocesadores..) y conexiones. Los cuatro bloques serán: -. 2.1. Understanding of requirements. Diseño y desarrollo del software de control. Fase de pruebas (Hardware + software). Documentación funcional y de diseño.. Understanding of requirements. En la primera fase, el objetivo es comprender el funcionamiento tanto del rover de EXOMARS, como del EGSE. Deberá adquirirse un conocimiento completo tanto a nivel de hardware como a nivel funcional para comprender los requisitos del software, y desarrollar una actitud crı́tica frente a los problemas que puedan surgir durante los perı́odos de diseño y pruebas. Esta tarea tendrá un tiempo estimado de ejecución de dos a tres semanas, en los que será facilitada toda la información necesaria para llevarla a cabo; documentación de las tarjetas de pruebas, esquemas mecánicos y eléctricos de los conjuntos, especificaciones técnicas, ICDs, test procedures, etc.... 2.2. Diseño software. En la fase de diseño y desarrollo, deberá aplicarse todo el conocimiento adquirido en el perı́odo anterior para realizar un diseño acorde a las necesidades del EGSE. Este software debe cumplir todas las especificaciones incluidas en el documento EXM-RM-SPC-SEN-20005 ”SAM EGSE Requirements Specification”, realizado por el equipo encargado del diseño del rover. Este documento incluye un resumen general del SAM (Solar Array Mechanism),una descripción detallada del modo de operación, y una lista de los requisitos de funcionalidad, configuración, comunicación y monitorización que debe cumplir el equipo de pruebas antes de su entrega final.. 2.3. Fase de pruebas. Esta tercera fase, trata de verificar que tanto los equipos electrónicos que forman el EGSE como el software incluido en ellos, realizan correctamente sus funciones bajo unas condiciones 3.

(20) de operación definidas. Para llevar a cabo estas pruebas, será necesario el desarrollo de un software dedicado que permita verificar los distintos bloques funcionales de software y hardware que se van a utilizar en el equipo final. El tiempo estimado para llevar a cabo las pruebas será de cuatro meses. 2.3.1. Pruebas de Hardware. El equipo a probar al que se refiere este documento, está formado por cinco tarjetas electrónicas. Una tarjeta controladora que monta un microcontrolador DSP, dos tarjetas de termistores que obtienen información de los sensores y la envı́an a la tarjeta anterior, un módulo PWM que recibe señales desde el control y es capaz de alimentar los motores, y un módulo de alimentación que distribuye la potencia necesaria entre todos los componentes. Además debemos incluir como elemento hardware el Backplane, que es una tarjeta de conexión paralela entre los cinco elementos anteriores que distribuye el flujo de señales. Todos estos elementos serán probados individualmente para verificar su correcto funcionamiento antes de ser incluidos en el sistema. Para ello, serán diseñados y completados los procedimientos de test necesarios, ya sea la creación de software de verificación o el diseño de elementos hardware que faciliten la tarea de análisis de cada elemento. En este documento solo se detallará el proceso de pruebas de la tarjeta de control (DSPic desde ahora), y de los componentes de software y hardware que han sido desarrollados para ello. Se incluirán al final del documento los planos y flujogramas que detallan todo el proceso. 2.3.2. Pruebas de Software. Todo elemento, componente, función o linea de código debe ser probada y verificada antes de ser incluida en el sistema final, y para ello será necesario trabajar en paralelo durante la realización de las pruebas de hardware, realizando todas las medidas necesarias que contrasten los posibles comportamientos anómalos de cada elemento en diferentes condiciones de trabajo, e identificando los posibles errores en el código para corregirlos. 2.3.3. Pruebas del Sistema. Una vez verificado el comportamiento de cada tarjeta electrónica y del software, llegamos al perı́odo de verificación del EGSE, mediante el uso de una caja de cargas que simulará el comportamiento real de los motores y los sensores correspondientes al equipo real. De este modo, se podrá depurar el producto final identificando y concretando pequeñas ambigüedades o conflictos, y se comprobará que el EGSE cumple con todas las especificaciones requeridas por el cliente.. 2.4. Montaje del Sistema. Una vez finalizado el proceso de diseño y verificación se ensamblarán los diferentes elementos en un rack, y se dejará listo para entrega incluyendo acabados exteriores, marcado CE, 4.

(21) verificaciones de seguridad mecánicas y eléctricas o pruebas de movilidad.. 2.5. Documentación. Tanto los elementos hardware como el software, ası́ como los distintos test realizados, deben ser documentados de manera clara y comprensible para garantizar la posible reparación posterior de errores o bugs. Deberá añadirse la escritura de un manual de usuario, que facilite al cliente la utilización del equipo de pruebas, y las posibles dudas que le puedan surgir. 2.5.1. dsPic Board ICD. Este documento describe los grupos funcionales, la electrónica, los protocolos de comunicación serie, el puerto USB y los diferentes interfaces de la tarjeta de control DSPic Board. En caso de reutilización para otros proyectos, será necesario que todos estos elementos queden bien definidos y sean identificados, garantizando ası́ futuras compatibilidades. 2.5.2. dsPic Software. Las funciones, rutinas y procedimientos seguidos en el desarrollo del código software quedan reflejadas en este documento con referencia tanto al datasheet del microcontrolador, como a las librerı́as de software que Microchip facilita a los usuarios del sistema (protocolo software, conexión SPI, etc). 2.5.3. Documentación de pruebas. El test procedure aplicado a las tarjetas controladoras DSPic queda también documentado y especificado, ası́ como un documento rellenable que facilita la aplicación del test a las diferentes tarjetas fabricadas.. 3 3.1. Descripción del sistema: Hardware Misión ExoMars. El programa de la agencia espacial europea (ESA) ExoMars, es una serie de misiones diseñadas para intentar explicar si alguna vez existió vida en Marte. La primera de ellas consistió en un módulo lanzado en Octubre de 2016 dirigido hacia la superficie del planeta rojo con el objetivo principal de buscar evidencias sobre la existencia de metano y otros gases atmosféricos que puedan ser signos de procesos activos biológicos o geológicos. Además, este primer módulo servirı́a de base tecnológica a la hora de desarrollar las partes posteriores de la misión ExoMars, como pilar básico a partir del cual realizar cambios o modificaciones. La siguiente fase del programa ExoMars está programada para el año 2020, y tiene el objetivo de continuar las tareas de búsqueda de signos de vida que ya comenzó la primera 5.

(22) misión. Para ello la ESA planea enviar un Rover que montará la última tecnologı́a en experimentación cientı́fica y permitirá a la central Europea analizar datos obtenidos en la atmósfera, la superficie y el subsuelo del planeta rojo. Uno de los principales retos de este rover será la obtención de energı́a para poder realizar sus actividades de exploración y análisis; y para ello utilizará unas baterı́as eléctricas que se cargarán durante el dı́a por medio de cuatro paneles solares desplegados encima del cuerpo principal del vehı́culo. Debido a las extremas variaciones de temperatura que encontramos en la superficie de Marte, será necesario vigilar muy de cerca los actuadores mecánicos, ya que los valores de este parámetro podrán influir enormemente en su funcionamiento.. Figure 6: ExoMars 2020, Rover. 3.1.1. Sener Mechanism. El Solar Array Mechanism es el conjunto de componentes del Rover que se encargan de medir la temperatura de los paneles solares, calentar la superficie mediante una serie de heaters en caso de que sea necesario, y actuar sobre los motores del mecanismo para completar el proceso de plegado y desplegado. Para ello, el mecanismo consta de una serie de sensores y actuadores que son gestionados desde la electrónica de control del vehı́culo, y que deben garantizar que estas operaciones son realizadas correctamente. Podemos dividir los componentes del mecanismo en tres grupos. Por un lado, el control mecánico está formado por cuatro bisagras dobles situados en cada una de las uniones entre placas. En cada unión, una de las bisagras es activa y es capaz de generar el momento necesario mediante un motor brushless de corriente continua. Para cerrar el bucle de control, existen también unos encoders analógicos que miden el ángulo del mecanismo con la precisión necesaria. 6.

(23) Figure 7: SAM Array, Rover. En segundo lugar tenemos el control térmico. Los motores anteriores deben estar a una temperatura comprendida entre ciertos márgenes para evitar un posible mal funcionamiento del sistema. Para ello, se localizan una serie de sensores, en este caso termistores, que medirán la temperatura antes del despliegue para poder activar asÌ unos pequeños heaters que elevan la temperatura. Por último, se utilizarán unos dispositivos denominados HDRM, que cumplirán la función de lı́mite o tope mecánico durante la fase de vuelo, y que serán liberados térmicamente tras el aterrizaje permitiendo ası́ el movimiento de los paneles.. 3.1.1.1. Bisagras y actuadores. El Rover de ExoMars debe ensamblar cuatro paneles solares diferentes, dos en el lado izquierdo y dos en el lado derecho. Para ello son necesarias cuatro uniones articuladas que estarán formadas por una bisagra pasiva, y una bisagra activa o motor que serán colocadas como indica la figura. 7.

(24) Figure 8: SAM Array, Rover. Este mecanismo será activado mediante el control, haciendo uso de los diferentes sensores colocados en el montaje. La energı́a en un sistema como ExoMars es sin duda el bien más preciado, y el tiempo su mayor aliado. Por esta razón la velocidad angular de despliegue de los paneles debe ser muy baja, optimizando ası́ el consumo energético. Los motores a utilizar serán unos motores de continua DCX 22 de 14W, 24V y unas dimensiones de 22 mm de diámetro y 31,99 mm de longitud. Estos motores irán conectados por dos terminales, positivo y negativo, y montarán una rueda reductora de relación 2700:1 en el mecanismo final. Debido a la complejidad del sistema, y a la necesidad de realizar ensayos en el equipo, es de vital importancia conocer resistencia (3.69 Ohm) e inductancia (0,231 mH) del terminal, para poder simular en la fase de pruebas las condiciones de trabajo reales, y estudiar posibles comportamientos extraños o irregularidades. También es relevante para esta actividad conocer el rango de temperaturas de trabajo del motor. Debido a la distancia al sol, este dispositivo se enfrentará a temperaturas muy bajas en la superficie de Marte y será necesario controlar en todo momento su temperatura. En este caso, la temperatura mı́nima de funcionamiento del motor son -40o C, mientras que la temperatura máxima será de 100o C. Estos datos se tendrán en cuenta a la hora de diseñar los procedimientos de ensayo del rover, y por consecuencia serán tomados como constantes de control en el código software. Como veremos más adelante en la descripción del EGSE, los cuatros motores serán controlados por medio de un puente en H alimentado en tensión, activado por cuatro señales PWM cuyo ciclo variará en función de la velocidad necesaria. Para esta función no será necesario monitorizar la temperatura del motor en caso de calentamiento, ya que su velocidad de trabajo es suficientemente baja para que el calor generado en su interior sea disipado rápidamente por su superficie. 8.

(25) 3.1.1.2. Potenciómetros. En cuanto a la medida de la posición necesaria para cerrar el bucle de control, se utilizarán dos potenciómetros analógicos por cada unión; uno de ellos será considerado como nominal, y el otro como redundante. Ambos vienen incluidos en el mismo terminal y serán situados alrededor de cada motor, para medir la posición de la bisagra en cada momento durante las acciones de plegado y desplegado de los paneles solares. El potenciómetro integra tres salidas eléctricas: el terminal vivo, alimentado a 5V, la tierra o GND, y el terminal activo que devolverá la tensión correspondiente a la posición de la bisagra.. Figure 9: Potenciómetro nominal y redundante, SAM. 3.1.1.3. Heaters. Es necesario por lo tanto garantizar que la temperatura de los motores antes de cualquier operación, ya sea plegado o desplegado, cumpla con las especificaciones de diseño. Para ello, se disponen cuatro heaters diferentes, localizados en contacto directo con cada una de las bisagras del sistema. Estos elementos activos, que no dejan de ser resistencias preparadas para disipar calor, serán controladas mediante una señal PWM teniendo en cuenta la continua monitorización de la temperatura en los motores. Esta actuación deberá realizarse siempre antes de la operación del motor, y esta no deberá iniciar en ningún caso si su temperatura mı́nima de funcionamiento no ha sido alcanzada. Todos estos requisitos recogidos hasta aquı́ se verán reflejados en el diseño del software de control, tanto del Rover, como del equipo de pruebas al que se refiere este documento. 9.

(26) 3.1.1.4. HDRMs. Los HDRMs o ”Hold down and release mechanism”, garantizan que los paneles solares quedan plegados durante la fase de vuelo del sistema, y lo aseguran frente a posibles vibraciones o fuerzas externas de cualquier tipo. Estos dispositivos se accionan térmicamente por medio de unos frangibolts que liberan los paneles cuando son activados. Para controlar su funcionamiento, se utilizan sensores de temperatura que indican a la electrónica el instante en el que el HDRM alcanza la temperatura necesaria para actuar.. Figure 10: Hold Down and Release Mechanism (HDRM), SAM. 3.1.1.5. Termistores. Como hemos visto, es necesario monitorizar la temperatura del sistema en varios de sus puntos para garantizar un correcto funcionamiento, o para alcanzar los valores lı́mite en los HDRMs. Para medir la temperatura se utilizan termistores, que son sensores de temperatura por resistencia. El principio fı́sico que rige su funcionamiento consiste en la variación de la conductividad del componente con la temperatura, lo que permite medir con bastante precisión la grados centı́grados en cada punto. Todas estas señales serán medidas con puentes a través de unas tarjetas electrónicas, y monitorizadas como telemetrı́a en todo momento mediante el software de pruebas. 10.

(27) Figure 11: Termistores PT1000, SAM. 3.2 3.2.1. EGSE ExoMars Funciones generales. El Equipo de pruebas de ExoMars es un sistema electrónico diseñado para realizar pruebas y ensayos con el Solar Array Mechanism que montará el Rover de la misión ExoMars 2020. Debido a la dureza de las condiciones ambientales en Marte, y a los requisitos de fabricación planteados por la Agencia Espacial Europea, será necesario realizar numerosos ensayos cı́clicos y de funcionamiento antes de montar el equipo en el rover. Debido a la falta de software de control durante la fase de fabricación, es necesario diseñar un equipo que simule las órdenes del propio Rover como parte de un desarrollo previo. Este equipo debe ser capaz de recoger todos los datos de telemetrı́a enviados por el mecanismo, y gestionarlos junto con una serie de comandos para simular el control de los actuadores. Además, cada operación debe ser monitorizada y almacenada en tiempo real, para permitir la detección de errores o imprevistos a la hora de realizar cada una de las operaciones de ensayo. El equipo está formado por por cuatro elementos bien diferenciados. Por un lado, un Hosting PC que servirá de MMI, a través del cual el usuario podrá gestionar telemetrı́a o enviar comandos a la electrónica; un rack de electrónica llamado Front End Electronics o FEE, formado por una serie de PCBs con propósitos muy particulares dentro del sistema entre las que se encuentra un DSPic o microcontrolador de procesado de señales en tiempo real, que deberá gestionar telemetrı́a, comandos y actuadores; Una PDU o Power Distribution Unit capaz de de alimentar a los elementos del mecanismo siguiendo las especificaciones de potencia, y una interfaz de usuario formada por un teclado, un ratón, y un monitor de 23”. Todos estos elementos se integrarán en un armario tipo rack de 19” e irán verificados según el marcado de compatibilidad electromagnética (EMC). 11.

(28) Las conexiones entre el EGSE y el SAM se realizarán por una serie de mangueras y conectores especificados más adelante, y que enviarán y recibirán las señales de control. El siguiente esquema resume a grandes rasgos todos los elementos que componen el equipo de pruebas y sus interfaces de conexión. La nomenclatura de cada elemento se mantendrá en todos los documentos adjuntos a este. Podemos observar en la parte izquierda del esquema las diferentes partes que componen el equipo de pruebas, y a la derecha los elementos incluidos en el SAM. De arriba a abajo y de izquierda a derecha podemos identificar en primer lugar el EGSE host, o el Host PC citado anteriormente, encargado de comunicarse con el operario via telemetrı́as y comandos. El ratón, el teclado y el monitor irán conectados a este PC. Más abajo se puede observar la fuente de alimentación gestionada vÌa USB por el MMI, que dará alimentación a heaters, motores y HDRMS. El FEE Power Supply es un pequeño módulo de alimentación integrado en el FEE, que alimentará las tarjetas electrónicas desde el interior del rack. La PDU o Power Distribution Unit gestionar· la potencia del equipo, que podrá ser cortada en caso de emergencia mediante un accionador mecánicos. El siguiente elemento que nos encontramos es el FEE, formado por una serie de tarjetas, y por el FEE BackPlane que se encargará de establecer comunicación entre ellas. Entre las tarjetas distinguimos cuatro: dsPic Board encargada del control y gestión del sistema, la PWM board que alimentará los motores, y dos Thermistor boards que recibirán la información de los sensores del SAM y la enviarán bajo protocolo SPI al DSPic.. 3.2.2 3.2.2.1. Elementos del EGSE Hosting Computer + MMI. Las operaciones de control del equipo a alto nivel se ejecutan desde un PC modelo SYS-1028GR, que servirá de vı́a de comunicación entre el operario que realiza las tareas de ensayo y el sistema de control. Los objetivos principales de este elemento son gestionar la totalidad de la telemetrı́a mostrándola en un entorno software diseñado para este propósito, presentar una interfaz de operación intuitiva para el usuario que permita realizar las tareas para las que está capacitado el equipo de forma simple y concreta, construir comandos de ejecución secuenciales que almacenen todos los datos necesarios para realizar cada operación, y enviar vı́a usb las órdenes y comandos al dsPic Board, que se encargará de transformarlos en acciones concretas activando los diferentes actuadores. Pese a ser un elemento accesorio o de poco peso especı́fico en el proyecto, ya que este ordenador no realiza gestiones ni algoritmos de control de ningún tipo, caben destacar ciertas pinceladas de la distribución y planteamiento del diseño del software MMI. Al tratarse de una aplicación en tiempo real, el tiempo de ejecución de tareas y procesos es un requisito importante a la hora de elegir la electrónica de un diseño. Para este caso, se utiliza una solución bastante innovadora a la hora de gestionar el tiempo de ejecución del software. 12.

(29) Figure 12: ExoMars 2020, MMI La forma de hacerlo consiste en dividir las lineas de código entre los cuatro núcleos de su procesador, de tal forma que los elementos gráficos, la gestión de comandos, la conversión de datos y la transmisión vı́a USB sean realizados en paralelo por cada uno de los núcleos sin ser necesario el uso de interrupciones ni esperas de ningún tipo. Esta partición del tiempo de ejecución mejora el rendimiento interno del PC, garantizando que las operaciones del mecanismo cumplen los tiempos de ejecución determinados en la especificación. Una de las funciones más importantes de este equipo es la gestión del tiempo, ya que se encarga de facilitar una señal cı́clica al resto de dispositivos para garantizar la simultaneidad de los procesos realizados. Es cierto, además, que cada uno de los procesos repartidos entre los distintos núcleos del equipo corre a una frecuencia de operación diferente en función de cada necesidad. De esta forma se optimizan las fronteras temporales, para que todas las tareas sean realizadas de forma rápida, controlada y eficiente. Este equipo será incluido en el Rack del producto final e irá conectado al FEE, a una fuente de alimentación y a una matriz de relés por cables de comunicación USB. 3.2.2.2. Front End Electronics. FEE es el nombre dado a la parte del EGSE encargada del control del mecanismo. Este elemento es capaz de leer la información de los sensores, interpretarla, y utilizarla para controlar los actuadores. El proceso completo de control puede resumirse en pocas lineas, y será mas adelante cuando se detalle la funcionalidad de cada una de las tarjetas que componen el FEE. En primer lugar, el control es realizado por la DSPIC Board. Esta tarjeta ha sido diseñada para leer y generar señales analógicas y digitales. Es gestionada por un microcontrolador DSP de la serie 33EP512MU814 por Microchip, que se comunicará con todos los elementos del equipo y enviará las señales de control a motores, heaters o 13.

(30) HDRMs. Podemos considerar por lo tanto, que esta tarjeta es el cerebro del EGSE; un elemento de nexo entre componentes capaz de realizar tareas complejas de control, cálculo de algoritmos, lectura de datos, comunicación, etc. El segundo elemento a considerar es el denominado Backplane. Este componente es el encargado de comunicar fı́sicamente las 5 tarjetas electrónicas del FEE, compartiendo sus recursos para facilitar el flujo de datos entre ellos. Está localizada en el lado posterior del rack, y realiza conexiones pin a pin entre las tarjetas.. Figure 13: Front End Electronics En cuanto a la lectura de datos de potenciómetros y termistores se utilizarán dos tarjetas iguales denominadas Thermistor board o tarjeta de termistores. Estos dispositivos obtienen 16 medidas de los sensores, las digitalizan mediante dispositivos AD, y las envı́an al DSPic Board para continuar el proceso. La primera de ellas está dedicada a sensores de temperatura, y la segunda a medidas de posición de los motores. Por último, el control de posición de los motores se gestiona a través de una tarjeta PWM o PWM Board, que integra la electrónica necesaria para recibir estas señales de control y transformarlas en potencia. Esta tarjeta adquiere las señales comandadas desde el DSPic y las envÌa a los motores hasta alcanzar las posiciones comandadas. Este proceso de control aparentemente simple, queda determinado y acotado por el documento de especificaciones del EGSE EXM-RM-SPC-SEN-20005, que será resumido posteriormente en el apartado 4.2. Debido a la falta de salidas digitales por parte de la dsPic board, se utilizará una matriz de relés en cascada que permita direccionar la misma salida digital a varios actuadores. De este modo, y siempre cumpliendo con las especificaciones de funcionamiento simultáneo, esto permite reducir el número de elementos electrónicos y evita redundancias en ciertos componentes creando un sistema mucho más simple. Por lo tanto, los elementos que componen el FEE son: DSpic Board, a la que se dedicará el apartado 3.3 del documento, el Backplane, una PWM Board, dos Thermistor Boards, y 14.

(31) una matriz de relés. La explicación más detallada de cada elemento nos permitirá establecer una base sólida en la que se apoyará el diseño del software del equipo. 1. Thermistor Board. Las tarjetas de termistores o thermistor boards son los elementos encargados de la lectura de los sensores. Este componente del FEE recibir· información sobre los sensores de temperatura y posición, la digitalizará y la enviará al DSPic para cerrar el bucle de control. Al igual que en el caso de la PWM board, se limitará la explicación de la tarjeta a la información necesaria para comprender el funcionamiento del sistema. En el caso de los sensores y la lectura de datos no es posible reducir el n?mero de tarjetas mediante una matriz de relés. Como el número de sensores sobre el mecanismo es de 32, serán necesarias dos tarjetas de termistores para esta función. En primer lugar, las medidas que realiza la tarjeta de termistores son siempre de tensión. El valor medido depender· de una resistencia, que se colocar· en la parte inferior de un puente de wheatstone. En función del valor de la resistencia, las tensiones obtenidas serán diferentes. La tarjeta de termistores consta de un conector subD de 44 pines en su parte frontal. Desde este conector, se harán llegar los 16 canales de datos hasta los ADCs. Tras ser convertidas a un valor con resolución de 16 bits, se empaquetarán en serie, y se enviarán vı́a SPI por el backplane hasta la tarjeta de control.. Figure 14: Thermistor Board 2. PWM Board. Esta es una tarjeta compleja con varios componentes electrónicos. Aunque se incluirán los planos y esquemas al final del documento, se limitará su explicación a la información necesaria para comprender su funcionamiento y su papel en el conjunto del EGSE. Como hemos visto anteriormente, la tarjeta PWM cumple una función de nexo entre el cerebro del equipo, la tarjeta DSPic, y los motores. Esta tarjeta por lo tanto es la encargada de recibir señales digitales desde el backplane, generadas en el DSPic, y transformarlas en señales de potencia que alimentarán las bornas de los motores. En primer lugar, la PWM Board recibe 8 señales digitales PWM a una frecuencia de 20 KHz. Cada una de estas 15.

(32) señales actúa sobre las puertas (G) de 8 transistores tipo MOSFET distribuidos de 4 en 4 en las fases de dos puentes en H. Los pines de salida (load) de estos puentes en H alimentarán directamente los motores eléctricos. Cabe destacar además la existencia de 4 señales digitales Shutdown, que activan y desactivan las 4 fases de los puentes para garantizar que el motor no recibe tensión en caso de error. Con este sistema de alimentación la tarjeta PWM consigue 2 propósitos. Por un lado, el control de la tensión de alimentación mediante la variación del ciclo de trabajo de las señales PWM.. Figure 15: PWM Outputs, PWM Board. El generador de las señales de control podrá variar esta tensión, y por consecuencia la velocidad del motor, variándola entre el valor máximo de alimentación del puente, y 0 V. De esta forma, la dsPic board tendrá control sobre la velocidad del motor en todo momento. Por otro lado, los puentes en H permiten controlar el sentido de giro mediante la simple inversión de las fases actuadoras. Puede llamar la atención en este punto que solo existen 2 puentes en H en una tarjeta PWM, y sin embargo el sistema debe ser capaz de controlar 4 motores. Pese a ser cierta la afirmación anterior, las especificaciones de potencia instantánea limitan la actuación de los motores a ”solo un motor al mismo tiempo”. De este modo, una matriz de relés controlada por el MMI realizará los cambios de conexión a la salida de los puentes entre los 4 motores. Se consigue ası́ reducir el número de tarjetas PWM y por tanto el precio del equipo. En el frontal de la tarjeta PWM se conectará la alimentación del puente en H. Esta tensión podrá ser regulada vı́a software desde el MMI, y representará la tensión máxima que podrán recibir los motores (Ciclo de trabajo = 100) Conviene comprobar que esta tensión se ajusta a las especificaciones de funcionamiento de los motores, ya que de lo contrario pueden dañarse tanto el equipo como el mecanismo. 16.

(33) Figure 16: PWM Board 3. Back Plane. El backplane es la unión fı́sica entre todas las tarjetas que componen el FEE. Este módulo está formado por cuatro grupos de 32 pines capaces de distribuir información entre hasta 8 tarjetas diferentes. Estas conexiones diferenciales se establecen pin a pin mediante conectores ERNI 364918 de 128 pines.Al ser un elemento pasivo de unión, su construcción y montaje son sencillas a partir de la PCB y los conectores hembra de cada una de las ranuras. El elemento irá unido al rack del FEE por su parte posterior, y tendrá dos funciones principales. Por un lado, distribuirá energı́a necesaria a todas las placas. Por otro lado, garantizará que las señales analógicas, las señales digitales y los buses SPI establecen sus comunicaciones de forma correcta entre las distintas tarjetas. Al final del documento se incluyen los planos y esquemas detallados del backplane, además de las tablas que detallan la información de cada pin.. Figure 17: Backplane, FEE 17.

(34) 4. Módulo de Relés. La matriz de relés cumple dos funciones principales. En primer lugar es un elemento de seguridad que aı́sla el mecanismo real de las señales de los actuadores. Los relés de estas señales estarán desactivados en condiciones normales, y solo se activarán en caso de que los actuadores entren en modo de operación. De esta forma, la alimentación de los motores podrá ser detenida mecánicamente en caso de inconveniente. En segundo lugar, la tarjeta de relés es un modo de ahorrar salidas digitales. Dado que no es necesario por especificación que los actuadores operen simultáneamente, utilizando este dispositivo se reducen a la mitad el número de salidas necesarias de este tipo. Esta unidad de 19” se integrará también en el interior del EGSE, y será controlada por el MMI vı́a USB. 3.2.2.3. Power Distribution Unit PDU. La llamada PDU es el elemento de alimentación de todos los dispositivos que componen el equipo de pruebas. Está formado por tres fuentes de alimentación de 100W de potencia controlados por USB por el MMI. En caso de fallo o error en el sistema, la alimentación de la PDU podrá ser cortada tanto manualmente, por medio de un accionamiento mecánico, como electrónicamente mediante la utilización de software. 3.2.2.4. Monitor, Teclado, Ratón. A través de estos tres dispositivos, el operario se comunicará con el MMI, podrá leer la telemetrı́a, almacenarla, enviar comandos o programar diferentes secuencias de operaciones en el mecanismo. 3.2.3. Descripción de interfaces de comunicación. Los diferentes elementos del EGSE se comunican entre ellos continuamente bajo los protocolos de diferentes interfaces de comunicación. La selección de cada uno de ellos depende de elementos como la velocidad de transmisión de datos, la limitación del hardware o el número de señales a transmitir. En este equipo podemos diferenciar dos tipos de interfaces: los internos, y los externos. Consideramos un interfaz interno de comunicación a aquel que comunica a dos de los elementos del EGSE entre si. Además, los interfaces que extraen las señales de control al exterior del equipo, o que obtienen la información telemétrica del mecanismo se consideran interfaces externos. 3.2.3.1. Interfaces internos. • UBS El USB es actualmente el estándar en comunicaciones bidireccionales debido a la sencillez de sus drivers, su velocidad y su versatilidad. En este caso, los interfaces USB se utilizan para controlar y transmitir datos desde tres elementos diferentes hasta el MMI o equipo principal. En primer lugar, la fuente de alimentación recibe comandos tales como la tensión aplicada a cada uno de sus módulos, lı́mites de corriente, condiciones de encendido y apagado, etc. La comodidad de este tipo de control permite al operario 18.

(35) ser capaz de modificar todos los parámetros necesarios sin necesidad de salir del programa principal. El segundo elemento que utiliza un interfaz USB es la matriz de relés. Todas las modificaciones en su configuración son controlados por software desde el MMI, ası́ como las condiciones de encendido y apagado. Por último, la tarjeta de control o DSPic Board realiza numerosos intercambios de comunicación a una velocidad relativamente alta. Comandos de comunicación, parámetros, callbacks o telemetrı́a son intercambiados mediante USB con el MMI, teniendo en cuenta los requisitos de frecuencia y muestreo de datos solicitados bajo especificación. • SPI En el caso del FEE, todas las comunicaciones internas realizadas entre las tarjetas de obtención de datos (Thermistor boards) y el dsPic se realizan por un protocolo en serie o SPI a través del backplane. Los datos son empaquetados y enviados en grupos de 256 bits a una frecuencia de 10 Hz desde las dos tarjetas, discriminados, y almacenados según su procedencia por la tarjeta de control. Este protocolo permite realizar control en tiempo real, tanto de los motores mediante la lectura de los sensores de posición, como de los actuadores térmicos. 3.2.3.2. Interfaces externos. La comunicación entre el equipo de pruebas y el mecanismo no contiene información codificada digitalmente, por lo que no podemos hablar de un flujo real de información. Sin embargo, todas las señales de control son llevadas desde el frontal del FEE hasta el mecanismo mediante unas mangueras pin a pin. Las salidas externas del EGSE han sido diseñadas de tal forma que los conectores externos de las tarjetas coincidan con los conectores utilizados por la agencia espacial a la hora de determinar sus interfaces. Debido a la rareza de estos interfaces, las mangueras son fabricadas por empresas subcontratadas por la ESA manteniendo unas condiciones de operación severas, especificaciones de trabajo en vacı́o, condiciones biológicas, etc. Los conectores de salida de las tarjetas son Dsub-15 en el caso de las señales de control de motores (desde la PWM board), y Dsub-44 para el control térmico (desde la DSPic board), ambos con conectores hembra.. 3.3 3.3.1. dsPic + Digital IO Board Descripción general. La tarjeta DSPic o DSPic board es el corazón del FEE. Ha sido diseñada para controlar cada una de las tarjetas que forman el sistema mediante una serie de interfaces internos. Esta tarjeta permite al equipo comunicarse con un PC, de tal forma que todos los datos puedan ser analizados y almacenados posteriormente, controlar actuadores, etc. Ha sido diseñada como un elemento flexible y adaptable a diferentes configuraciones de EGSE, de tal forma que puede ser diseñada en serie y reutilizada en distintos proyectos, simplemente modificando su software interior. Este elemento ha sido diseñado para trabajar con un dsPic33EP512MU814, pero podrı́a trabajar con cualquier otro controlador que fuera compatible con la disposición 19.

(36) de pines de la PCB. Permite al usuario por lo tanto, una infinidad de posibilidades y una gran flexibilidad a la hora de controlar cada uno de sus elementos.. Figure 18: DSPic Board, FEE. El funcionamiento del DSPic no es complejo. Está formado por tres partes, aunque no son independientes entre ellas. En primer lugar, el procesador genera una serie de señales que son utilizadas para controlar los actuadores del sistema (motores, heaters...). Al mismo tiempo, la tarjeta recibe vı́a SPI una serie de señales de monitorización que son procesadas por el dsPIC y utilizadas para cerrar el bucle de control. Por último, todas estas actividades, señales o medidas son transferidas al PC vı́a USB. En resumen, esta tarjeta es capaz de recibir y enviar señales para controlar una serie de elementos. Estas actividades son realizadas mediante una serie de bloques electrónicos que veremos en profundidad a continuación.. 3.3.2 3.3.2.1. Elementos dsPic Board Alimentación y filtrado. La función principal de este bloque es adaptar la alimentación general de la tarjeta a todos los circuitos que la componen. Es por lo tanto responsable de obtener todas las referencias analógicas y digitales, y alimentar circuitos. Además, debe realizar la distribución de tierras y filtrar las señales de entrada de tal forma que no existan variaciones de tensión significativas. Todo esto se consigue mediante una serie de filtros y reguladores soldados en la etapa principal de la placa, y que se muestra en la siguiente figura. 20.

(37) 3.3.2.2. Lectura de señales: Backplane y SPI. Figure 19: circuito USB, DSPic Board La recepción de señales se realiza a través de 8 conectores distribuidos en la placa. El más importante es el que encontramos en la parte trasera de la tarjeta, ya que recibe toda la información procedente del backplane, y por lo tanto de las tarjetas del FEE de adquisición de datos. El módulo USB es capaz de recibir y enviar información al MMI, y facilita la salida de información hacia el exterior. El tercer elemento importante es la salida de las señales digitales, que se originan en el microprocesador y abandonan el sistema por el panel frontal hasta el mecanismo. 3.3.2.3. Control térmico: Heaters. Figure 20: Heater outputs, DSPic Board 21.

(38) Los circuitos de control térmico pueden resumirse en actuadores digitales que alimentan un elemento de control; en este caso un transistor tipo MOSFET. De este modo, y mediante una fuente de alimentación y un pequeño módulo óptico, se aı́slan las señales de control de las señales de potencia. El control térmico es regulado utilizando las señales digitales como generadores de PWM. De este modo se puede actuar sobre los heaters mediante ajustes dinámicos y adaptativos en función de la lectura de los sensores de temperatura. 3.3.2.4. Microcontrolador: PIC. El PIC es el cerebro de la tarjeta y de todo el FEE. La tarjeta DSPIC board + DIO ha sido diseñada para trabajar con un procesador especı́fico; en este caso el dsPIC33EP512MU814 de 16 bits o cualquiera de esta familia de DSPs con compatibilidad de pines. Este procesador cuenta con una arquitectura modificada para trabajar con un compilador C optimizado. Cuenta con 15 canales hardware DMA, 116 fuentes de interrupción diferentes, 7 salidas PWM, 60 salidas digitales independientes, 9 temporizadores de 16 bits, comunicación USB On-The-Go, 4 módulos SPI e I2C, y 8 módulos ADC de 12 bits para el muestreo de señales analógicas de hasta 3,3 V. Este procesador es capaz de cubrir las necesidades actuales del equipo, pero serı́a posible realizar un cambio de procesador en caso de requerirse.. Figure 21: Microprocesador dsPic33EP512MU814, Microchip Las conexiones realizadas entre el microprocesador y la tarjeta se resumen en el Anexo B2. Si la comparamos con la figura anterior observamos que las 7 salidas PWM están en uso, 22.

(39) ası́ como la gran mayorı́a de las señales digitales. Los pines PWM 1-4 son utilizados en este proyecto para realizar el control de los motores del mecanismo. Cada una de ellas puede ser dirigida a dos pines diferentes, con ciclos de trabajo diferentes. De esta forma, obtenemos las 8 señales PWM necesarias para controlar los 2 puentes en H localizados en la tarjeta PWM, como se explica en el apartado 3.2.2.2 3.3.2.5. Conversión PWM: Single-ended a diferencial.. Hasta ahora hemos cubierto las partes más importantes de la tarjeta de control. El procesador, los módulos PWM, los puertos digitales y todas sus funciones, los circuitos del control térmico, y las formas de controlarlos, conectores, etc. Todas estas señales son recibidas y enviadas por el backplane hasta las tarjetas y actuadores. Sin embargo, las señales PWM siguen un procedimiento diferente, ya que deben ser convertidas a diferencial antes de ser enviadas por el backplane. Para esto se utilizan unos componentes electrónicos relativamente simples (transceptores), que realizan esta conversión. De esta forma, cada señal PWM es transmitida por dos cables diferentes (P y N), y transformada de nuevo al entrar en las diferentes tarjetas.. 4 4.1. Diseño del sistema: Software Propósito general. El desarrollo de este apartado del documento trata de explicar, primero de forma general, y más adelante entrando en más detalle, el diseño del software de control que llevará a cabo las tareas del EGSE. Este código ha sido pensado especı́ficamente para este equipo, teniendo en cuenta tanto las restricciones de hardware como las especificaciones técnicas del mecanismo del Rover. Enfocando el problema desde una perspectiva general, podemos dividir las funciones principales del EGSE en tres grandes grupos: Software de control, que tratar· de gestionar la actividad entre sensores y actuadores, comunicación, entendiendo esto como el punto de unión entre el exterior y el interior del FEE, y la obtención de datos procedentes de los sensores. Tanto las vı́as de comunicación como los interfaces utilizados para cada uno de estos procesos han sido definidos anteriormente en el apartado de hardware. Como veremos más adelante, todo el conjunto software ha sido diseñado alrededor de los distintos tiempos de ejecución. Al encontrarnos en frente de un sistema de pruebas en tiempo real, es necesario distribuir las distintas tareas del equipo, en función de la frecuencia de ejecución de cada una de ellas. Por ejemplo, la velocidad de obtención de datos de los sensores se realizará a 100 Hz en el caso de los potenciómetros, y a 1 Hz en el caso de los sensores de temperatura; el intercambio de telemetrı́a entre el PC principal y el Pic, se realizar· a 10 Hz, y actividades como la actualización de la pantalla del MMI a 2 Hz. Las diferencias en las velocidades de cada uno de los diferentes procesos, obliga a establecer cuidadósamente una lista de prioridades a la hora de realizar las tareas del EGSE, de tal forma que tanto las acciones como los datos no se pierdan, o no se ejecuten durante el tiempo de ejecucióin del programa. 23.

(40) 4.2. Especificaciones técnicas. Para poder diseñar el software de un equipo de este estilo, es de vital importancia conocer en profundidad las especificaciones técnicas tanto del hardware electrónico como del Rover. Todos estos aspectos técnicos vienen recogidos en el documento EXM-RM-SPC-SEN-20005 ”SAM EGSE Requirements Specification”. Como muchos de ellos se consideran de alta importancia para el desarrollo del software, se realizará aquı́ una pequeña explicación de las mas importantes con respecto al desarrollo del software. 4.2.1. Especificaciones funcionales. El SAM EGSE deberá desarrollar las siguientes funciones: 1. Control del SAA 2. Control del mecanismo principal 3. Control térmico de las bisagras y motores. 4. Activación de dispositivos HDRM mediante control de actuadores térmicos 5. Monitorización de actividades y señales 6. Gestión de tiempo y sincronización del EGSE 7. Interfaz de usuario 8. Configuración del sistema 9. Almacenamiento de telemetrı́a o logging 4.2.2. Modos del EGSE. • El EGSE contará con cuatro modos o estados de operación: • EGSE OFF: El EGSE estará alimentado, pero la aplicación estará apagada, ası́ como todos los actuadores. • EGSE ON - stop: El EGSE estará alimentado, y la aplicación encendida. Ninguna acción del software estar· siendo ejecutada. • EGSE ON - ready: EGSE alimentado y aplicación encendida. La siguiente acción del software ha sido correctamente configurada. El sistema está listo para comenzar la ejecución del software. • EGSE ON - running: EGSE alimentado y aplicación encendida. La acción configurada está siendo ejecutada por el software. 24.

(41) Figure 22: Diagrama de estados, EGSE El cambio de estado del EGSE ser· gestionado mediante comandos desde el MMI por un operario. En caso de existir algún error, fallo detectado o emergencia, el sistema pasará al estado EGSE ON - STOP. 4.2.3. Elementos de control. Durante la ejecución de los diferentes bucles de control, el sistema deberá incluir las siguientes variables, relativas a los distintos elementos del Rover. • ANGLE (grados): Ángulo final de despliegue. Será la referencia de posición para el bucle de control de los motores. Su rango será de 0 a -180o . Cuando el mecanismo alcance este ángulo (mas menos una pequeña tolerancia), los motores se detendrán. • Vn (Voltios): Tensión nominal de operación. Es el voltage de alimentación de los motores durante el movimiento de los paneles solares; A mayor tensión nominal, mayor velocidad de giro. En principio es un parámetro fijo del sistema, pero podrá ser configurado por el operario desde el propio MMI. • Iln (Amperios): Lı́mite de corriente. En caso de bloqueo de los paneles durante su despliegue, estos pueden ser bloqueados tanto por agentes externos al propio Rover, como por el propio Rover al final del rango de movimiento. En caso de bloqueo, se producirá en los motores una sobrecorriente que deberá ser medida y comparada con 25.