SISTEMA DE MONITOREO Y ALMACENAMIENTO DE DATOS PARA LA CARGA ÚTIL LIGERA DE GLOBOS ESTRATOSFÉRICOS

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1 SISTEMA DE MONITOREO Y ALMACENAMIENTO DE DATOS PARA LA CARGA ÚTIL LIGERA DE GLOBOS ESTRATOSFÉRICOS Lauro Santiago Cruz 1, Juan Carlos Sánchez Balanzar 1, Gustavo Adolfo Medina Tanco 2 1 Instituto de Ingeniería (II), Coordinación de Instrumentación 2 Instituto de Ciencias Nucleares (ICN), Departamento de Altas Energías Universidad Nacional Autónoma de México Ciudad Universitaria, Coyoacán, Distrito Federal, México lsc@pumas.iingen.unam.mx RESUMEN En este trabajo se describen los sistemas electrónicos denominados Unidad Central de Procesamiento (CPU) y SIREN. Ambos sistemas fueron integrados en las instalaciones del Instituto de Ingeniería y el Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM y son parte de la carga útil ligera de globos estratosféricos. CPU es un sistema encargado de gestionar las tareas que debe realizar el sistema electrónico denominado HouseKeeping versión 2 (HKv2) y monitorear la operación del sistema HKv3 dentro de la plataforma de globos estratosféricos. Esto lo hace mediante comunicación serial diferencial, para lo cual se envía una cadena de comandos específicos para diversas tareas, como: encendido y apagado de cada subsistema de la plataforma, petición de lecturas de voltaje y corriente, así como configuración de umbrales, activación y desactivación de alarmas dentro de HKv2. SIREN es un sistema que permite la visualización del correcto funcionamiento de HKv2 y el registro de datos en un archivo de texto. La validación de los sistemas CPU y SIREN se desarrolló en laboratorio, mediante pruebas en cámara de vacío y análisis de compatibilidad electromagnética. Y posteriormente se comprobó su correcta operación en un vuelo del globo estratosférico auspiciado por la NASA. PALABRAS CLAVE: CPU, Control y registro de datos, PIXQUI y NASA. 1 INTRODUCCIÓN El desarrollo de tecnología aeroespacial de origen mexicano permitirá al país irse posicionando en el mapa mundial en esta área y con ello sentar las bases para la generación de recursos humanos y conocimientos para futuras aplicaciones y proyectos. Es así que la plataforma suborbital Pixqui (guardián o cuidador en lengua náhuatl) busca ser un proyecto de bajo costo, el cual permita apoyar el desarrollo de tecnología espacial. Pixqui es esencialmente un contenedor metálico que puede soportar hasta 15 veces la aceleración de la gravedad. Dicha estructura será elevada cerca de 40 kilómetros de altura mediante globos estratosféricos. En su interior existen sistemas electrónicos cuya operación 1

2 puede ser monitoreada y registrada; voltajes, corrientes, aceleración, temperaturas, ejecución de comando, alarmas, etcétera. Ante la necesidad de contar con un sistema autónomo, que sea capaz de proporcionar los comandos necesarios para el encendido de las fuentes de alimentación de energía de baja potencia (LVPS, Low Voltage Power Supply), la lectura de los diversos parámetros dentro del sistema de HKv2 y la toma de decisiones ante la presencia de una alarma en este último sistema, se ha diseñado la CPU (Central Processing Unit). Mientras que el contar con una herramienta que permita la depuración y visualización del funcionamiento de HKv2 dio origen al sistema SIREN. 2 especificaciones DE LA CPU-SIREN El sistema CPU se compone de dos interfaces, las cuales son empleadas para el control y comunicación con los sistemas HKv2 y HKv3, como se pude apreciar en la figura 1. En ella se observa, también, que el sistema SIREN cuenta con dos interfaces, destinadas para conectarse mediante puerto serial con HKv2 y mediante Ethernet a una computadora portátil (Laptop). Figura 1.- Diagrama de conexiones del sistema CPU. Para la prueba de vuelo de la plataforma Pixqui, CPU se conectará con dos sistemas a bordo: uno es HKv2, el cual será el encargado de monitorear las temperaturas de los subsistemas de la plataforma y el monitoreo y control de los bancos de prueba; y el segundo sistema, HKv3 (HouseKeeping versión 3), el cual es un sistema basado en un FPGA y que enviará las lecturas de un sensor de temperatura a bordo de dicho sistema. Cabe señalar que el sistema HKv3 se validará en condiciones estratosféricas para su futuro uso dentro de proyectos espaciales. 3. FILOSOFIA DE OPERACIÓN DE CPU-SIREN Las funciones principales de las interfaces del sistema CPU son: a. Interfaz CPU-HKv2 2

3 Envió de comandos de CPU a HKv2 mediante el estándar RS-422, los cuales se encargan de: i. Indicar a HKv2 que LVPS se ha de encender o apagar. ii. Petición a HKv2 de las lecturas de parámetros que se monitorean en las LVPS (voltajes, corrientes, temperaturas). iii. Configuración de los umbrales superiores de los parámetros antes mencionados, para el forzado de alarmas de HKv2. Generación de un reporte de alarmas detectadas en un archivo de texto. Almacenamiento periódico de las lecturas obtenidas de cada LVPS en archivo de texto. b. Interfaz CPU-HKv3 Recepción de la lectura del sensor de temperatura del sistema HKv3. Almacenamiento de los datos recibidos en un archivo de texto. Por su parte el sistema SIREN tiene las siguientes funciones: a. Interfaz SIREN-HKv2 Permite la depuración del funcionamiento del sistema HKv2. b. Interfaz SIREN-Laptop Comprobación de la correcta ejecución de los programas encargados de la comunicación con HKv2 y HKv3. Comprobación de la creación de los archivos de texto antes mencionados. Rutina de reinicio del sistema de CPU. Cabe comentar que las posibles condiciones de operación del sistema CPU-SIREN serán en temperaturas del orden de -40 C a 70 C y una presión atmosférica cercana a los 3mbares. 4. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN El sistema CPU-SIREN está basado en una computadora de una sola tarjeta (SBC, Single Board Computer), la cual posee un procesador ARM, en dicha tarjeta es posible ejecutar el sistema operativo Linux. Con base en este sistema operativo se han diseñado programas de auto inicio, en los cuales se tiene la rutina que ha de ejecutar CPU para la interacción con los demás sistemas. Entre las principales características con las que cuenta dicha tarjeta están: Arquitectura RISC de 32 bits Frecuencia de operación de 700MHz Memoria SDRAM de 512MB Puertos USB Almacenamiento de datos en SDCard Conectividad de red mediante 10/100 Ethernet Módulos SPI e I2C 1 Módulo USART 8 Terminales de GPIO Fuente de alimentación de 5V 3

4 4.1 IMPLEMENTACIÓN EN TARJETAS DE CIRCUITO IMPRESO En el diseño del hardware del sistema CPU una de las consideraciones importantes es el aislamiento entre sistemas, implementada en HKv2, es decir, las conexiones que se realicen con HKv2 no comparten tierra, de tal forma que la comunicación se lleva a cabo mediante el estándar RS-422. Es por ello que la SBC tendrá que contar con un módulo encargado de hacer la conversión de comunicación serial a RS-422, realizada con base en un circuito integrado. Lo anterior es únicamente enfocado a la función de CPU; sin embargo, para la función de SIREN se ha tenido que hacer uso de varios convertidores, es decir, primero se ha hecho la adaptación de RS422 a Serial, para después hacer la conversión Serial-RS232 y finalmente poder utilizar un convertidor RS232 a USB. En el caso de la conexión con HKv3, en un principio existe la opción de conectar ambos sistemas ya sea mediante I 2 C, SPI o bien mediante un puerto USB; siendo esta última la interfaz que se ha de emplear. Para ello se ha hecho uso de un cable comercial, el cual es un convertidor Serial-USB. En las figuras 2 y 3 se presenta la nueva tarjeta auxiliar con las nuevas características. Figura 2- Vista superior del sistema CPU. Figura 3.- Vista inferior de tarjeta de interfaces de CPU. 4

5 4.2 IMPLEMENTACIÓN DE SOFTWARE Para la implementación del software utilizado en la comunicación CPU-HKv2 se utilizó la lógica presentada en la figura 4. Mientras que la lógica Figura de funcionamiento 4.- Lógica de funcionamiento CPU-HKv3 se basa de la únicamente CPU-HKv2. en la lectura y almacenamiento de los datos, figura 5. Figura 5.- Lógica de funcionamiento de la CPU-HKv EVALUACIÓN DEL PROTOTIPO DE CPU E INTEGRACIÓN CON HKv2 Y HKv3 En la figura 6 se observa la integración de CPU- HKv2 y un banco de pruebas de este último. HKv2 5

6 Banco de pruebas CPU Figura 6.- Prueba de comunicación de los sistemas CPU-HKv2 y el banco de pruebas. En la figura 7 se presenta la conexión de CPU-HkV3. CPU HKv3 LVPS Figura 7.- Prueba de comunicación de los sistemas CPU, HKv3 y LVPS. En la figura 8 se muestra la integración de todos los sistemas que componen la plataforma Pixqui, así como el sistema sometido a validación. Figura 8.- Conexión de los sistemas de la plataforma Pixqui. 6

7 4.4 PRUEBA DE VUELO EN NASA El 19 de agosto de 2013 se realizó en Fort Sumner, Nuevo México, el primero vuelo de la plataforma Pixqui. El sistema fue colocado en una góndola de la NASA y fue llevado por un globo estratosférico hasta una altura de 32 kilómetros, figura 9. Figura 9.- Góndola donde fue colocado Pixqui. De los archivos generados por CPU durante el vuelo se pudieron rescatar las medidas de diversos dispositivos a los que se sometió a prueba durante el vuelo, entre los que se puede mencionar el FPGA, cuyo reporte de temperaturas es el mostrado en la figura 10. 7

8 Figura 10.- Temperaturas registradas por el sensor de temperatura del HKV3. 5. RESULTADOS OBTENIDOS 1. Previo al vuelo con NASA, se comprobó el funcionamiento de CPU-SIREN en pruebas de laboratorio que incluyeron evaluaciones de toda la electrónica involucrada en la plataforma Pixqui. Dichas pruebas fueron desarrolladas en las cámaras de vacío, del Instituto de Ciencias Nucleares, y en la semi-anecoica, de la Facultad de Ciencias, en un rango de temperaturas de -20 C a +80 C, a una presión de 3mbares. 2. Se realizó con éxito el vuelo efectuado en las instalaciones de la NASA en Fort Sumner y con ello se validó el sistema CPU-SIREN en condiciones de vuelo. 6. CONCLUSIONES En este trabajo se presentan únicamente dos partes importantes del total del proyecto, CPU y SIREN, que nos permiten monitorear y almacenar datos provenientes de los sistemas HKv2 y HKv3, estos últimos sistemas ya fueron motivo de otro trabajo. Dentro de la problemática encontrada en el desarrollo e integración de este tipo de sistemas están: la carencia del conocimiento, mano de obra calificada, y de los laboratorios especializados útiles en el área de la ingeniería espacial. Algunos de estos aspectos fueron resueltos mediante la interacción con científicos e ingenieros de países desarrollados de Europa y Asia, y utilizando infraestructura existente en la UNAM, como son la cámara de vacío del Instituto de Ciencias Nucleares y la Cámara Semi-anecoica de la Facultad de Ciencias. Como resultado del desarrollo de este trabajo, la UNAM ha sentado la base para diseñar y construir tecnología para poder validar sistemas electrónicos en condiciones de estratósfera. Esto además de generar recursos humanos en el área aeroespacial. Esto posiciona al país en el camino de generar tecnología espacial. Con ello la UNAM reafirma su compromiso con el país, y en particular con la Agencia Espacial Mexicana, para el progreso y beneficio de la sociedad. 8

9 7. REFERENCIAS [1] Getting Started with Raspberry Pi, RICHARDSON Matt & WALLACE Shawn, Diciembre [2] Applicacion notes SLLD009, Texas Instruments LVDS Application and Data Handbook Noviembre