Ανάπτυξη Ψηφιακών Ηλεκτρονικών Χαμηλής Ισχύος, Σε Ολοκληρωμένα Κυκλώματα Μικτού Σήματος Για Διαστημικές Εφαρμογές

Abstract

Ο βασικός στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη και πιστοποίηση μιας μεθοδολογίας σχεδιασμού ψηφιακών κυκλωμάτων για διαστημικές εφαρμογές. Κινηθήκαμε ερευνητικά σε τρεις αλληλένδετες κατευθύνσεις: (α) σχεδιασμός με έμφαση στην χαμηλή κατανάλωση ισχύος, (β) σχεδιασμός για αντοχή στις επιδράσεις συσσωρευμένης ιονίζουσας ακτινοβολίας (TID) και μονού σωματιδίου (SEE) της διαστημικής ακτινοβολίας και γενικότερα στις επιδράσεις του διαστημικού περιβάλλοντος στα ολοκληρωμένα κυκλώματα, και (γ) ανάπτυξη μεθοδολογίας ενσωμάτωσης ψηφιακών και αναλογικών κυκλωμάτων για την δημιουργία κυκλωμάτων μικτού σήματος. Προβάλλονται ως λύσεις τεχνικές πλήρως εξειδικευμένου (full custom) σχεδιασμού σε συνδυασμό με την χρήση αυτοματοποιημένων εργαλείων σε συγκεκριμένα βήματα για τη μείωση του χρόνου ανάπτυξης.Ως μελέτη περίπτωσης επιλέχθηκε ένα ψηφιακό πρωτόκολλο επικοινωνίας για διαστημικές εφαρμογές. Οι λόγοι αυτής της επιλογής είχαν να κάνουν με την ευρεία χρήση του. Κάθε σύστημα χρειάζεται κάποιον τρόπο επικοινωνίας με άλλα συστήματα, με τον κεντρικό επεξεργαστή του δορυφόρου ή με την κατερχόμενη ζεύξη (down link) προς τον επίγειο σταθμό, τόσο για τη μεταφορά δεδομένων, όσο και για την μεταφορά σημάτων και εντολών ελέγχου. Επιλέχθηκε ένα πολύπλοκο πρωτόκολλο, το CAN, το οποίο ωστόσο χρησιμοποιείται εκτενώς στο διάστημα, και στο οποία τα οφέλη της προσέγγισής μας είναι πιο εμφανή και απαραίτητα λόγω της πολυπλοκότητάς τους. Η υλοποίηση αυτή ενσωματώθηκε σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα τηλεμετρίας μικτού σήματος.Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται αρχικά τα προβλήματα που αποτέλεσαν το πεδίο έρευνά μας. Στη συνέχεια παρουσιάζεται η μεθοδολογία και η εφαρμογή της στις εκάστοτε περιπτώσεις που μελετήθηκαν. Παράλληλα, δίνονται αποτελέσματα προσομοιώσεων, αλλά και δοκιμών σε πραγματικό κύκλωμα, που πιστοποιούν την ορθότητα της προσέγγισης. Το πρωτόκολλο CAN αναπτύχθηκε και ενσωματώθηκε στο ολοκληρωμένο κύκλωμα ΕΤΜ, ένα ASIC ανάκτησης δεδομένων βασικής τηλεμετρίας σε τεχνολογία CMOS 250 nm, ως μέρος ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος της ESA. Αναπτύχθηκαν επίσης διατάξεις δοκιμών, καθώς και εργαλεία λογισμικού για το σχεδιασμό, την προσομοίωση και την πιστοποίηση κυκλωμάτων.Μέσα από την έρευνά μας υποστηρίζουμε και αποδεικνύουμε ότι ένας συνδυασμός full-custom σχεδιασμού, με αυτοματοποιημένα εργαλεία σχεδιασμού μπορεί να αποδώσει, στοχεύοντας με τον καθένα από τους δύο τρόπους σχεδιασμού στα κατάλληλα υπό-συστήματα, με βάση μια ανάλυση των προδιαγραφών, της λειτουργίας και των δυνατών ωφελειών. Ως κύρια κριτήρια αξιολόγησης της μεθοδολογίας τίθενται η χαμηλή κατανάλωση ισχύος και η αντοχή στις επιδράσεις ακτινοβολίας. Παράλληλα, καταδεικνύεται η σημασία περαιτέρω ερευνητικής εργασίας για την ανάπτυξη εργαλείων που θα επιταχύνουν αυτή τη διαδικασία, μειώνοντας τον όγκο της μη αυτοματοποιημένης εργασίας, χωρίς να επιβαρύνουν την επίδοση του τελικού αποτελέσματος.