Sistema de Comunicaciones Ópticas No Guiadas para Aplicaciones Espaciales

Author(s):
Francisco J. López Hernández - Universidad Politécnica de Madrid. Grupo de Fotónica Aplicada y CEDINT
Enrique Poves Valdés - Universidad Politécnica de Madrid. Grupo de Fotónica Aplicada y CEDINT

Industry:
University/Education

Products:
Development System

The Challenge:
Implementación en un satélite una red de datos para telecontrol/telemedida (TC/TM) con tecnología óptica no guiada a una tasa binaria de 4 Mbps.

The Solution:
La solución se plantea por medio de tres nodos de red autónomos capaces de intercambiar información a través de unos interfaces ópticos a la tasa binaria requerida. Los nodos se implementan por medio de tres unidades CompactRIO dotadas de un módulo DIO de alta velocidad.

El diseño se realiza en tres niveles en función de la velocidad de proceso frente a su complejidad. Así, la generación/detección de señales y gestión del interfaz óptico se realiza en el módulo FPGA a través del módulo DIO. La generación y proceso de los datos transmitidos queda a cargo del procesador CompactRIO. Por último la creación de tests y su análisis, así como la supervisión de la red se realiza desde un ordenador portátil. La ejecución de los test se realiza de forma autónoma por los CompactRIO, queconstituyen los nodos de la red. El ordenador portátil no participa en el funcionamiento de la red, teniendo únicamente un papel de recolector de los parámetros de funcionamiento del sistema para su análisis.

La comunicación entre los tres niveles se adecúa a las prestaciones requeridas, así como a las capacidades de los distintos elementos de proceso. Así, la comunicación en tiempo real entre el C-RIO y la FPGA se realiza mediante dos FIFOs, una para transmisión y otra para los datos recibidos, junto con controles/indicadores en los VI de la FPGA para la señalización y control.

La comunicación entre el portátil y el C-RIO se realiza mediante el servicio WEB del C-RIO. Se ha preferido esta solución para enfatizar la no participación del ordenador portátil en los mensajes de la red implementada. Además, este sistema permite la supervisión remota de la red desde un sistema que no precise el software de desarrollo de LabView.

Aplicaciones desarrolladas

Se han realizado dos aplicaciones en el sistema:

•         Aplicación para la medida de prestaciones del sistema

•         Demostración de una red TC/TM con un sistema de mensajes sencillo

En la primera, se define un test en el ordenador portátil. El test consta de una serie de mensajes a transmitir en determinados instantes desde uno de los terminales. Estos mensajes pueden dirigirse a otro terminal o a todos (broadcast). La definición del test consiste en una tabla de eventos cuyas filas incluyen los siguientes elementos:

•         Instante en que se debe transmitir el mensaje

•         Dirección del terminal que realiza la transmisión

•         Dirección de destino

•         Datos a transmitir

Esta tabla se carga en los terminales desde el portátil y se envía una orden de comienzo del test. En este momento el ordenador queda a la espera del resultado del test sin otra participación.

Una vez cargado el test en los terminales C-RIO, se espera un mensaje Broadcast de cada uno de ellos indicando en que el test puede comenzar. Transcurrido un tiempo aleatorio, el terminal origen del primer mensaje realiza su transmisión. A partir de este momento se van ejecutando cada una de las filas de la tabla de eventos por los terminales correspondientes. Cuando un terminal recibe un mensaje dirigido a él, lo guarda en un fichero de registro indicando el origen, tiempo de recepción y contenido. Este fichero será enviado al ordenador al finalizar el test para su análisis.

Entre los eventos programados puede indicarse la transmisión simultánea de dos terminales. El sistema es capaz de detectar la ocupación del canal óptico y realizar la transmisión cuando quede libre.

El análisis de los registros nos permite obtener los siguientes parámetros:

•         Nº de paquetes enviados/recibidos

•         Nº de reintentos requeridos

•         Rendimiento (throughput) de l a red

•         Tasa de error

•         Incidencias

En cuanto a la aplicación de demostración, se ha implementado unos paneles de registros en los C-RIO, accesibles por el servicio WEB desde el portátil, y un sistema simplificado de mensajes para la lectura y escritura de estos registros. Los registros representan variable de los sistemas de sensores/actuadores asociados a los nodos y abarcan desde variables lógicas (encendido/apagado), medidas simples o arrays de valores.

De forma interactiva, desde el ordenador portátil se puede ordenar a cada uno de los terminales que envíe un mensaje, observando el resultado en los paneles correspondientes.

Formato de señales

Los datos a transmitir utilizan como unidad una Word de 32 bit (U32). El paquete de datos incluye un encabezamiento con las direcciones origen y destino, longitud del mensaje un checksum del encabezado, a continuación siguen los datos y otro checksum de los datos.

El paquete de datos se genera en el C-RIO y se coloca en la FIFO de transmisión para su proceso en la FPGA. Ésta extrae las palabras y las serializa agrupando los bits de dos en dos. Por cada par de bits, se genera un impulso cuya duración se corresponde con el par según la siguiente tabla:

Par	Duración (ns)
00	100
01	175
10	250
11	315

Se envía un impulso cada 500 ns. Como puede observarse, todos los tiempos son múltiplos del ciclo del reloj de la FPGA (25 ns), lo que permite la utilización de un time-loop  de alta precisión. El tiempo necesario para enviar una palabra es 8 μs. Este procedimiento nos asegura la tasa binaria requerida. La señal generada se envía al interfaz óptico a través del DIO utilizando el canal 4.

En el receptor, la señal del interfaz se aplica al canal 0 del DIO y se lee en la FPGA. EN ésta se mide la duración de los impulsos y se les asocia el par de bits correspondiente. A continuación se construyen las palabras de 32 bits y se envían al C-RIO por medio de otra FIFO. Gran parte del proceso de la FPGA se dedica a comprobar la duración de los impulsos y el alineamiento y sincronización de los bits recibidos para la formación de las palabras. También se realiza la detección de la falta de transmisión (silencio) para la gestión del proceso de transmisión.

 

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Francisco J. López Hernández
Universidad Politécnica de Madrid. Grupo de Fotónica Aplicada y CEDINT

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