Integratie van een CAN bus in een ADPMS

Stijn Wielandt
Communicatie in de ruimtevaart klaar voor de toekomstIn de ruimtevaartsector wordt een breed scala aan ruimtetuigen ontwikkeld, zoals satellieten, ruimteveren, marswagentjes, enz. Al deze ruimtetuigen hebben een gemeenschappelijk kenmerk: ze bezitten een boordcomputer die communiceert met alle elektronische onderdelen van het ruimtetuig, bijvoorbeeld een temperatuursensor of een zuurstofklep. Deze interne communicatie verliep de afgelopen decennia volgens gespecialiseerde militaire protocols.

Integratie van een CAN bus in een ADPMS

Communicatie in de ruimtevaart klaar voor de toekomst

In de ruimtevaartsector wordt een breed scala aan ruimtetuigen ontwikkeld, zoals satellieten, ruimteveren, marswagentjes, enz. Al deze ruimtetuigen hebben een gemeenschappelijk kenmerk: ze bezitten een boordcomputer die communiceert met alle elektronische onderdelen van het ruimtetuig, bijvoorbeeld een temperatuursensor of een zuurstofklep. Deze interne communicatie verliep de afgelopen decennia volgens gespecialiseerde militaire protocols. Deze protocols zorgen voor een zeer robuuste communicatie, maar zijn tegelijkertijd zeer complex en duur in de ontwikkeling. Door de steeds voortdurende commercialisering van de ruimtevaart is er dus veel interesse naar goedkopere technologieën met een vergelijkbare robuustheid. Daarom werd onderzocht of de CAN bus gebruikt kan worden voor on-board communicatie in de ruimte. De CAN bus is een elektronisch communicatiemiddel dat de laatste twee decennia zijn opmars maakte in de automobielindustrie en tegenwoordig in elke personenwagen aanwezig is. Doordat de CAN bus zeer wijdverspreid is, zijn de onderzoeks- en ontwikkelkosten zeer laag bij implementatie. De omstandigheden in de ruimte zijn echter elektronisch zeer ongunstig, daarom werd bestudeerd welke aanpassingen nodig zijn om de nodige robuustheid te waarborgen.

Tot op vandaag is er zeer weinig ervaring met CAN bus systemen in de ruimte. Een onderzoeksgroep van de University of Surrey implementeerde de CAN bus reeds van 1996 tot 2004 in zijn satellieten, net als het Pakistaanse ruimtevaartagentschap. Hiervoor werden commerciële componenten gebruikt. Omdat deze componenten niet stralingsbestendig zijn, konden de satellieten enkel gebruikt worden op 600 km en 1000 km hoogte, waar de bescherming door de atmosfeer nog groot genoeg is. Voor toepassingen in de zogenaamde ‘deep space’ moet men echter rekening houden met de hoog energetische straling die daar aanwezig is. Hiertoe behoort kosmische straling die bestaat uit elektromagnetische straling en deeltjes van atomen. De meest schadelijke deeltjes hiervan hebben bijna dezelfde energie als een vliegende mug, maar wegen een triljard (21 nullen!) keer minder. Een andere vorm van energetische deeltjes die men terugvindt in deep space, zijn de zogenaamde solar particles. Dit zijn deeltjes die door de zon uitgezonden worden bij zonnestormen.

Een inslag van een hoog energetisch deeltje op een kristalrooster kan duizenden elektronen losslaan en zelfs de kristalstructuur veranderen. Dit kan desastreuze effecten hebben op elektronische schakelingen aangezien alle metalen geleiders en chips opgebouwd zijn uit kristalstructuren. Er ontstaat dan storing die in digitale schakelingen aanleiding kan geven tot single-event effects. Dit wil zeggen dat een digitale 0 of 1 onverwachts kan omklappen. In het beste geval leidt dit enkel tot foutieve data, maar in uitzonderlijke omstandigheden kunnen grote elektrische stromen ontstaan die de elektronische schakeling kunnen vernielen.

Deze effecten hebben aanleiding gegeven tot de ontwikkeling van stralingsbestendige elektronische componenten. Ze zijn bestemd voor gebruik in ruimtetuigen, vliegtuigen, deeltjesversnellers, nucleaire reactors en militaire toepassingen. Deze componenten zijn meestal bestand tegen een stralingsdosis van meer dan 100 krad (zo’n 1000 keer hoger dan de hoogste stralingspiek die gemeten werd bij de kernramp in het Japanse Fukushima). Aangezien de ontwikkeling en het testen van dergelijke componenten vrij traag verloopt, duurt het meestal enkele jaren vooraleer stralingsbestendige componenten beschikbaar zijn voor een nieuwe technologie. Om deze reden zijn er geen stralingsbestendige componenten voor CAN bus op de markt.

Het is dus duidelijk dat een klassieke implementatie, zoals men die terugvindt in aardse toepassingen, hier niet mogelijk is. Het probleem kan opgesplitst worden in twee deelproblemen: er moet een stralingsbestendige CAN controller en een stralingsbestendige CAN transceiver ontworpen worden. Dit zijn twee aparte chips die elk een eigen taak vervullen in de communicatie. De CAN controller kan beschouwd worden als het brein van de CAN bus: hij zorgt ervoor dat de boodschap in de correcte taal wordt omgezet, zodat verschillende CAN controllers elkaar kunnen begrijpen. De CAN transceiver is de mond en oren van de CAN bus, hij zorgt ervoor dat een boodschap uitgezonden wordt in de vorm van elektrische signalen en hij luistert tegelijkertijd of andere CAN transceivers aan het spreken zijn.

Om een stralingsbestendige chip te bekomen, heeft men verschillende mogelijkheden. De eenvoudigste optie omvat het gebruik van een commerciële chip, waarrond een afscherming wordt geplaatst, bijvoorbeeld een kooi van lood. Helaas is dit geen haalbare optie, aangezien gewicht en afmetingen beperkende factoren zijn in ruimtevaarttoepassingen. Ook een volledig nieuw stralingsbestendig ontwerp van de chips is niet haalbaar gezien de hoge prijs die bij een dergelijk ontwerp komt kijken. Daarom werd gezocht naar andere technieken.

De ‘mond en oren’ van de CAN bus kunnen best gebouwd worden met de ‘mond en oren’ van een RS-485 bus. De RS-485 bus is een ouder communicatiemiddel, waarvoor nu wel al stralingsbestendige chips op de markt zijn. Als men hierbij nog enkele aanpassingen aanbrengt (vergelijk het met een stemvervorming), kan men de klanken van een CAN bus spreken en horen.

Het ‘brein’ van de CAN bus kan helaas niet op deze manier samengesteld worden. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van commercieel beschikbare code die beschrijft hoe het communicatiegedeelte van het brein moet werken. Nadat men ook de andere functies van het ‘brein’ beschreven heeft, wordt alles samengevoegd. Zo bekomt men dan het volledige brein, beschreven in code. Uiteindelijk kan deze code met behulp van een computer geschreven worden in een speciaal daarvoor bestemde chip, een FPGA. De FPGA is wel beschikbaar als stralingsbestendige chip en daardoor de ideale oplossing om het ‘brein’ van de CAN bus te ontwerpen voor de ruimtevaart.

Om de voorgestelde oplossing te verifiëren, werd het in een eerste fase getest in computersimulaties. Daarvoor werd een computermodel gebouwd van de boordcomputer van een satelliet. Zo kon in eerste instantie het ontwerp geoptimaliseerd worden en vervolgens de correcte werking van het ontwerp nagegaan worden.

In een laatste fase werd een prototype gebouwd dat geïmplementeerd werd in een boordcomputer van een satelliet. In deze testopstelling werd zowel de correcte werking als de performantie van het ontwerp gecontroleerd. Zo kon uiteindelijk bewezen worden dat de uitgewerkte oplossing ideaal is voor implementatie in ruimtevaarttoepassingen.

Er werd dus met succes een oplossing uitgewerkt om een CAN bus te integreren in ruimtevaarttoepassingen. Dit opent niet alleen een hele nieuwe waaier aan toepassingen, maar in de toekomst zal dit ook leiden tot goedkopere, maar even robuuste ruimtetuigen.

Bibliografie

 

“ISO 11898-1:2003 - Road vehicles – Controller area network (CAN) – Part 1: Data link layer and physical signalling,” 2003. 

“BS EN 50325-4: Industrial communication subsystem based on ISO 11898 (CAN) for controller-device interfaces. CANopen,” 2002. 

“MIL-STD-1553b: Aircraft internal time division command/response multiplex data bus,” Sept. 1979. 

“ESA OBDH TTC-B-01: Spacecraft Data Handling Interface Standards,” Sept. 1978. 

F. Tortosa Lopez, C. Plummer, P. Roos, S. L., and B. Storni, “The can bus in spacecraft on board applications,” in Data systems in aerospace, 2004. Proceedings., July 2004. 

Anon.,“Recommendations for CAN bus in spacecraft on board applications, Draft2.1,” tech. rep., ECSS, 2005. 

A. Woodroffe and P. Madle, “Application and experience of can as a low cost obdh bus system,” in Data systems in aerospace, 2004. Proceedings., July 2004. 

M. Khurram and S. Zaidi, “Can as a spacecraft communication bus in leo satellite mission,” in Recent Advances in Space Technologies, 2005. RAST 2005. Proceedings of 2nd International Conference on, pp. 432 – 437, june 2005. 

A. Tai, S. Chau, and L. Alkalai, “Cots-based fault tolerance in deep space: Qualitative and quantitative analyses of a bus network architecture,” in High-Assurance Systems Engineering, 1999. Proceedings. 4th IEEE International Symposium on, pp. 97 –104, 1999. 

J. Yang, T. Zhang, J. Song, H. Sun, G. Shi, and Y. Chen, “Redundant design of a can bus testing and communication system for space robot arm,” in Control, Automation, Robotics and Vision, 2008. ICARCV 2008. 10th International Conference on, pp. 1894 –1898, dec. 2008. 

S.Chau,“Experience of using cots components for deep space missions,” in High-Assurance Systems Engineering, 1999. Proceedings. 4th IEEE International Symposium on, p. 116, 1999. 

A. Dr. Emrich, “CAN application in avionics,” tech. rep., Omnisys Instruments, ESTEC, 2001. 

Anon., “AT7908E: CAN Controller for Space Application,” tech. rep., Atmel, 2004. 

Anon., “CANTRAN, CAN bus transceiver for space applications, irradiation test report do- cument,” tech. rep., Aurelia Microelettronica S.p.A., 2003. 

“ANSI/TIA 485-A1998, Electrical Characteristics of Generators and Receivers for Use in Balanced Digital Multipoint Systems,” Mar. 2003. 

T. Kugelstadt, “RS-485: Passive failsafe for an idle bus,” tech. rep., Texas Instruments, 2009. 

ARM Limited, AMBA Specification v2.0, 1999. 

E. W. Group, “Space product assurance: ASIC and FPGA development,” tech. rep., ESA- ESTEC, 2008. 

R. B. GmbH, “CAN specification Version 2.0,” tech. rep., Bosch, 1991. 

A. Gaisler, GRLIB IP Core User Manual, 2010. 

Anon. Industrial Automation Using the CAN BUS Platform White Paper. Technical report, Texas Instruments, 2003.

Anon. CAN message frames. Technical report, Microchip, 2005. Anon. Controller Area Network. http://www.can-cia.org/, WWW.

S. Corrigan. Controller Area Network Physical Layer Requirements. Technical report, Texas Instruments, 2008.

S. Corrigan. Introduction to the Controller Area Network (CAN). Technical report, Texas Instruments, 2008.

R. De Vos. ADPMS s processor VHDL beh design document. Technical report, QinetiQ Space, 2010.

R. De Vos. IXV OBC MIM FPGA verification plan. Technical report, QinetiQ Space, 2010. 

R. De Vos. IXV OBC MIM FPGA verification report. Technical report, QinetiQ Space, 2010.

ECSS Q ST 60 02 Working Group. Space product assurance: ASIC and FPGA development. Technical report, ESA-ESTEC, 2008.

Klaus Janschek and Annerose Braune. Application of industrial can bus technology for leo- satellites. Acta Astronautica, 46(2-6):313 – 317, 2000. 2nd IAA International Symposium on Small Satellites for Earth Observation.

L. Ottevaere. IXV OBC MIM FPGA development plan. Technical report, QinetiQ Space, 2010. 

C. Plummer, P. Roos, and Stagnaro L. Can bus as a spacecraft onboard bus. In Data systems in aerospace, 2003. Proceedings., pages 51 – 62, June 2003.

P. Richards. A CAN Physical Layer Discussion. Technical report, Microchip, 2002.

J. Scarpulla and A. Yarbrough. What could go wrong? The effects of ionizing radiation on space electronics. http://www.aero.org/publications/crosslink/summer2003/03. html, 2003.

A. Woodroffe and P. Madle. Application and experience of CAN as a low cost OBDH bus system. Technical report, Surrey Sattellite Technologies LTD, University of Surrey, 2004.

 

 

Universiteit of Hogeschool
Master in de industriële wetenschappen, afstudeerrichting Elektronica-ICT, optie Elektronica
Publicatiejaar
2011
Kernwoorden
Share this on: