Progetto e Realizzazione del Satellite PICPOT: Scheda di Acquisizione Immagini

Il progetto PICPOT, PICosatellite del POlitecnico di Torino, è nato nel Gennaio 2004 con lo scopo di costruire nell’arco di un anno un picosatellite universitario, di massa minore di 1 kg ??, con finalità educative e di ricerca; PICPOT è inserito in un progetto più ampio, costituito da una costellazione di satelliti universitari italiani, attualmente in via di definizione. Il progetto del satellite si è basato su diversi requisiti, quali forma cubica con lato di 13 cm, massa inferiore ad 2 kg, potenza non superiore a 1.5 W, almeno 90 giorni di vita, orbita LEO (Low Earth Orbit) e compatibile con il lanciatore POD (Pico Orbital Deployer).
PICPOT ha come obiettivi quelli di verificare il funzionamento di componenti COTS (Components Off The Shelf) nello spazio, trasmettere dati telemetrici (temperature, tensioni, correnti, etc…) alla stazione di Terra e scattare delle fotografie dallo spazio. La sua struttura esterna definitiva è un cubo di sei facce quadrate ed ortogonali tra loro, ricoperto di cinque pannelli solari, dotato esternamente di due antenne (2.4 GHz, 435 MHz), tre fotocamere, due kill-switch ed un connettore di test.
La parte elettronica del satellite è formata da 6 schede che sovraintendono alle varie funzioni previste; nel seguito viene data una breve descrizione di ciascuna scheda:
 PowerSupply: mantiene cariche le batterie ricaribili del satellite e controlla lo stato elettrico e termico dei pannelli, dei caricabatteria e delle batterie stesse.
 PowerSwitch: alimenta le altre schede generando le tensioni necessarie a partire dalle tensioni delle batterie.
 Tx/Rx: trasmette e riceve i segnali tra il satellite PICPOT e la stazione di Terra, alle frequenze di 435 MHz e 2.4 GHz nella banda dedicata alle comunicazioni satellitari amatoriali.
 ProcA e ProcB: elaborano i dati ricevuti da Terra e trasmettono le fotografie e la telemetria del satellite, alle due diverse frequenze. Le due schede, ognuna dotata di un microprocessore, hanno funzioni simili duplicate per ridondanza.
 Payload: acquisisce le immagini dalle tre fotocamere, le comprime in formato JPEG e le trasmette su richiesta ad uno dei due microprocessori di bordo.
Il lavoro svolto in questa tesi riguarda in particolare il progetto hardware e software, la realizzazione e il collaudo della scheda Payload. Nella sua versione definitiva essa adotta un Digital Signal Processor (DSP) a 16 bit prodotto da Analog Devices, chiamato Blackfin, che può raggiungere la massima frequenza di clock di 400 MHz. Il sottosistema di memorizzazione include
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una memoria SDRAM da 8 Mbyte, una memoria SRAM da 2 Mbyte e una memoria FLASH non volatile da 2Mbyte. Inoltre per l’acquisizione delle foto, il processore è interfacciato, mediante una porta parallela a 8 bit dedicata, ad un decoder video, il quale converte in digitale il segnale analogico PAL proveniente dalle videocamere e lo codifica in un formato standard chiamato ITU-R BT.656-4. Il collegamento con i due processori di controllo delle schede ProcA e ProcB avviene tramite porte seriali, rispettivamente asincrona (UART) e sincrona (SPI). Per la programmazione e il debug è presente un’interfaccia JTAG.
Il progetto della scheda è iniziato da un’attenta fase di analisi delle specifiche richieste, riportate sul documento di descrizione del sistema, cercando di capire quali tipi di componenti fossero necessari, in relazione soprattutto ai vincoli ambientali previsti e all’interazione dei componenti con raggi cosmici o ioni pesanti presenti alla quota del satellite. Per esempio, una delle decisioni prese in questa fase riguarda la selezione della memoria che contiene il programma da eseguire sul DSP, in cui uno dei requisiti fondamentali è la robustezza rispetto a errori e/o modifiche accidentali su singoli bit, per garantire il buon funzionamento del sistema. Dopo attente ricerche, è stata quindi selezionata una memoria FLASH a gate NOR.
Il passo successivo è stato quello di cercare sul mercato dei componenti commerciali in grado di rispondere alle esigenze di progetto principali, nell’ottica del sistema in cui dovrà funzionare e delle condizioni ambientali interne; l’aspetto del consumo di potenza assume un ruolo di fondamentale importanza, sia perché l’intero sistema è alimentato esclusivamente da batterie con limitato contenuto energetico, sia a causa della ridotta capacità di dissipazione della potenza sotto forma di calore data l’assenza di atmosfera a 600 km dalla superficie terrestre. Altri requisiti ricavati dalle specifiche per il processore riguardano la presenza di una porta video compatibile con quella implementata sul decoder adottato, un DMA controller per l’acquisizione dell’immagine e una struttura ottimizzata per le operazioni più complesse e lunghe che avrebbe dovuto eseguire, cioè la compressine JPEG. Per questo ultimo motivo ci si è indirizzati verso l’adozione di un DSP. La scelta dei componenti è anche condizionata dalla loro disponibilità e reperebilità presso i distributori utilizzati dal progetto PICPOT, quali DigiKey, RS Components e Farnell.
Definita l’architettura di sistema e scelti i componenti da adottare, la fase successiva è consistita nel progetto schematico e nel disegno del circuito stampato (PCB) della scheda, utilizzando il pacchetto software CAE (Computer Aided Design) di Mentor Graphics. Ogni componente inserito nel database è caratterizzato da due viste distinte: un simbolo logico e una cella fisica. La prima viene utilizzata a livello schematico, mentre la seconda, che definisce le dimensioni del package e la sua occupazione di area sulla scheda (footprint) viene usata per creare il PCB.
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Dopo aver ordinato i componenti, coordinandoli con quelli utilizzati dalle altre schede, e aver mandato a fabbricare il PCB attraverso i files gerber, si è passati alla fase di montaggio e saldatura dei componenti sulla scheda. Questa operazione è stata molto delicata data la compattezza dei package adottati, tutti di tipo SMD, con distanza minima tra i piedini in certi casi pari a 0.5mm. La scheda montata è stata quindi collaudata mediante piccoli programmi di test appositamente sviluppati.
Lo sviluppo del software si è avvalso inizialmente di una scheda di valutazione dimostrativa prodotta da Analog Devices, ma ha poi avuto un forte impulso una volta resasi disponibile la prima scheda prototipo, in quanto alcuni dei componenti periferici utilizzati erano diversi. Allo scopo di ottenere un sistema perfettamente funzionante, nella prima stesura del software ci si è concentrati soprattutto sulla corretta inizializzazione dei registri di configurazione del core e delle diverse periferiche del processore, quali PLL, DMA, interrupt, UART e controller per memorie sincrone e asincrone.
Non essendo possibile la comunicazione con le schede ProcA e ProcB, perché non ancora disponibili, si è creato un canale di comunicazione tra la scheda e il PC, alternativo alla porta JTAG. Si è infatti implementato un driver per la porta UART per la comunicazione serial RS-232 e per il trasferimento bidirezionale PC – Payload di file o stream di dati utilizzando il protocollo Xmodem. Ciò ha permesso in parte di emulare la presenza delle altre schede del sistema satellite.
Si è testata quindi tutta la catena d’acquisizione video. Le immagini acquisite dalle videocamere vengono inizialmente immagazzinate in memoria nel loro formato originale, costitutio da due field interlacciati aventi un campione di luminanza per ogni pixel e due campioni di crominanza per ogni quadretto 2×2 di pixel (formato YCrCb 4:2:0). Il software esegue perciò le seguenti funzioni: 1) deinterlacciamento; 2) up-sampling della risoluzione della crominanza; 3) compressione in formato JPEG. Per quest’ultimo passo si è sfruttata una libreria liberamente disponibile di funzioni per la manipolazione e la trasformazione di immagini JPEG, opportunamente sfrondata da quanto non necessario e ottimizzata per l’esecuzione sul DSP.
Tutte le operazioni sopra elencate vengono eseguite, per ragioni di prestazioni, in memoria RAM. Il risultato dell’elaborazione, cioè l’immagine JPEG, deve però essere memorizzata in modo permanente in attesa della sua successiva trasmissione. Si è quindi sviluppato un driver per la memoria FLASH adottata, partendo da un codice sorgente fornito dalla ST Microelectronics. Anche questo codice è stato modificato e adattato alle esigenze della scheda Payload, per poi poter salvare sulla memoria FLASH sia le immagini JPEG che il programma da eseguire.
Il progetto della parte hardware è concluso e completamente testato mediante la simulazione delle diverse fasi di funzionamento che richiedevano l’utilizzo di tutti i componenti presenti sulla scheda,
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mentre per quanto riguarda la parte software, è stata sviluppata la parte utile ad acquisire,