Projeto de placas de circuito impresso com FPGAs para uso em ambiente espacial

Abstract

Este trabalho apresenta um texto introdutório à teoria que fundamenta projetos de placas de circuito impresso (PCI), especialmente projetos com sinais de alta velocidade. Para além disto, relata o processo de concepção e leiaute em PCI de uma arquitetura de hardware voltada para satélites e, portanto, o ambiente espacial. Esta arquitetura possibilita: a atualização remota do código de regravação de um FPGA; o monitoramento em tempo real dos níveis de radiação incidindo sobre a placa; o reset do sistema toda vez que ocorrer um latchup; entre outras funcionalidades. O projeto desta placa, nomeada ?Payload X?, incluiu técnicas de mitigação dos efeitos de radiação eletromagnética, bem como componentes tolerantes a radiação ionizante - como o microcontrolador (MCU) (MSP430FR6989) com memória de programa ferroelétrica e o FPGA resistente a radiação (NX1H35S-BG625PR). Ademais, as regras de projeto para PCIs de aplicação espacial estabelecidas pela Agência Espacial Europeia, foram seguidas. Projetada para ser carga útil do satélite FloripaSat-I, permitirá a primeira validação em órbita do FPGA que embarca. Este trabalho também descreve o projeto e leiaute em PCI de uma segunda arquitetura de hardware, otimizada para embarcar um processador completo dentro do FPGA, e, que para isso, faz uso de uma DDR2 e memória não volátil FLASH.<br>

Abstract : This work presents an introductory text to printed circuit boards (PCB) design fundamentals, especially high-speed signals layout. In addition, the design and layout process of a satellite-oriented hardware architecture is reported. The proposed architecture enables: changing the hardware configuration of the FPGA through remote uplink of its bitstream; real-time monitoring of radiation levels hitting the board; system reset every time a latchup occurs; among other features. The printed circuit board (PCB) was designed following the European Space Agency (ESA) space product standards. It has a layered structure that mitigates the effects of radiation and electromagnetic interference on the components signals. In addition, all components were selected to tolerate wide temperature variation and some even tolerate radiation ? as the microcontroller (MCU) (MSP430FR6989) with ferroelectric program memory and the rad-hard FPGA (NX1H35S-BG625PR). This platform, named 'Payload X', was designed to be a payload of the FloripaSat-I satellite, and it will allow the first in-orbit validation of the FPGA. This work also describes the design and layout of a second hardware architecture, optimized to support a complete processor inside the FPGA, and for that, makes use of a DDR2 and non-volatile FLASH memory.