I nte rna t io na l J o urna l o f   Rec o nfig ura ble a nd   E m be dd e d Sy s t e m s   ( I J R E S)   Vo l.   9 ,   No .   2 J u l y   20 20 ,   p p .   1 0 2 ~ 1 0 8   I SS N : 2 0 8 9 - 4864 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /i j r es . v 9 .i 2 . p p 102 - 1 0 8          102       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij r es.ia esco r e. co m   ha rdw a re sy stem  w ith  ARM - ba sed da ta pro cess in g  f o   na no   sa tellit es         Adri á n St a cul 1 ,   Da niel P a s t a g lia 2 ,   Arie l D a lm a s   Di  G io v a nn i 3 ,   M a r t í M o ra les 4 ,   Ser g io   Sa luzzi 5 ,   G er a rdo   G a rc í a 6 ,   Ag us t í G a dea 7 ,   Ra m iro   P ug a 8     1, 2, 3, 4 , 5, 6 Dig it a T e c h n i q u e s L a b o ra to ry In stit u te  o f   S c ien ti f ic an d   T e c h n ica Re se a rc h   f o De f e n se   (CI T EDEF ) ,   A rg e n ti n a   7, 8 El e c tro n ics   d e p a rtm e n t ,   Na ti o n a T e c h n o lo g ica U n iv e rsity   (U TN) ,   A rg e n ti n a       Art icle  I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   No v   2 5 ,   2 0 1 9   R ev i s ed   Feb   1 2 ,   2 0 2 0   A cc ep ted   Ma r   0 1 ,   2 0 2 0       T h e   In stit u te  o f   S c ien ti c   a n d   T e c h n ica Re se a rc h   f o De f e n se   in   A r g e n ti n a   (In stit u t o   d e   In v e stig a c io n e Cien t í c a y   T é c n ica p a ra   la  De fe n sa   -   CIT EDEF )   is  d e v e lo p in g   a   p ro c e ss in g   h a rd w a re   m o d u le   b a se d   on   a   A RM   Co rtex   M4   p r o c e ss o r   f ro m   S T M i c ro e lec tro n ics .   T h e   m icro c o n tro l l e (M CU)  h a s th e   c a p a c it y   to   ru n   a t   a   m a x i m u m   c lo c k   f r e q u e n c y   o f   1 8 0   M H z ,   in teg ra tes   a   F lo a ti n g   P o in U n it   (F P U) .   A n   8 M S DRA M   w a in c lu d e d   f o d y n a m ic  d a ta   a ll o c a ti o n .   T h is  h a rd w a re   w il h o st  a n d   p ro c e ss   th e   a lg o rit h m to   c a lcu late   a n d   d e term in e   th e   n a n o sa telli te’s   a tt it u d e .   T h e   m o d u le   is  i n ten d e d   to   b e   Cu b e sa c o m p a ti b le,  p o ss e ss   a   e x ib le d e sig n ,   h a n d les   v a rio u s   in e rti a l   se n so rs an d   c a n   ma n a g e   b a c k u p s o n   m icro S D m e m o r y   c a rd s w it h   siz e s u p   to   3 2 G B.     K ey w o r d s :   C o r tex   P r o ce s s o r s     C u b eSat   N an o s atell ites     P r o ce s s in g   H ar d w ar     T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   A d r ián   Stacu l   Dig it a T e c h n iq u e L a b o ra to ry ,   In stit u te  o f   S c ien ti f ic an d   T e c h n ica Re se a rc h   f o De f e n se   (CI T ED EF ) ,   B u en o s   A ir es,  Di s tr ito   Fed er al,   A r g e n ti n a .   E m ail:  as tacu l @ cited e f . g o b . ar       1.   I NT RO D UCT I O N     T h I n   th L ab o r ato r y   o f   Dig it al  T ec h n iq u e s   o f   th I n s ti tu te  o f   Scien ti f ic  an d   T ec h n ical  R e s ea r ch   f o r   Def e n s ( C I T E DE F),   a   p r o ce s s i n g   m o d u le  is   b ein g   d ev elo p ed   to   b e   ap p lied   to   n an o - s at ellite  p latf o r m s .   T h e   d esig n   p r in cip le  is   b ased   o n   c o m p l y i n g   w it h   th r eq u ir e m e n o f   b ein g   ab le  to   in ter co n n ec t   w it h   s o lar   s en s o r   ( cu r r en tl y   u n d er   d ev elo p m e n t)   an d   b a b le  to   p r o ce s s   d if f er en t y p es  o f   n av i g atio n   alg o r ith m s   ( cu r r en tl y   u n d er   d ev elo p m en t) .   T h is   p r o ce s s in g   h ar d w ar is   n ec es s ar y   f o r ,   in   t h f u t u r e,   to   b ab le  to   in co r p o r a te  an   A ttit u d e   Dete r m i n atio n   a n d   C o n tr o S y s te m   ( A D C S).   I n   ad d itio n ,   th is   m o d u le  h a s   m i n i m u m   o f   t w o   as y n c h r o n o u s   s er ial  p o r ts ,   o n to   b ab le  to   c o n n ec UHF  co m m u n icatio n s   s y s te m   a n d   t h o th er   to   h a v s y s te m   d eb u g g i n g   f u n ctio n alit y .   T h h ar d w ar h as  f le x ib le  d esig n   a n d   is   co m p atib le  w it h   o th er   s u b - s y s te m s .     T h co r o f   th p r o ce s s in g   s y s te m   is   m icr o co n tr o ller   ( MCU)   w it h   AR ar ch itect u r e.   T h is   s y s te m   w a s   d esi g n ed   b ased   o n   it s   p e r f o r m an ce   an d   f ea t u r es.  Fo r   t h eir   s elec tio n ,   a s p ec ts   o f   s p e ed ,   ef f ic ien c y   a n d   r eliab ilit y   ar co n s id er ed .   Sin ce   th is   h ar d w ar m o d u le  w ill  al s o   b p a r o f   th A DC S,  th p r o ce s s o r   u s ed   m u s t   b p o w er f u e n o u g h   to   p er f o r m   co m p le x   ca lc u latio n s   ( f o r   e x a m p le,   Kal m a n   f ilter )   u s in g   f lo atin g   p o in d ata.   Si m u lta n eo u s l y ,   t h i s   s y s te m   ca n   h a n d le  lar g v o lu m o f   d at a,   in clu d i n g   r ea l - ti m tele m etr y   d ata  a n d   h ar d w ar e   s tatu s .   T o   i m p r o v e m e n e f f icie n c y   ( an d   s in ce   th e   b u s   o f   th e n tire   s y s te m   h a s   li m i ted   p o w er ,   s ig n al s   a n d   s p ac e)   th f ir m w ar is   co n f ig u r ed   s o   th at  th MC o p er ates  al w a y s   in   l o w   p o w er   m o d e.   Stab iliz atio n   ac tu ato r s   an d   o th er   s u b s y s te m s   o f   th n a n o s atelital  p latf o r m ,   s u c h   as:  th UHF  tr an s m itter   an d   th el ec tr ic  p o w er   s y s te m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t   I SS N:  2089 - 4864       h a r d w a r s ystem  w i th   A R M - b a s ed   d a t a   p r o ce s s in g   fo r   n a n o - s a tellites   ( A d r n   S ta cu l )   103   ( E P S)  m u s t   h a v t h ab ilit y   to   o p er ate  in   lo w   p o w er   m o d wh en   n ec e s s ar y .   T o   m ee al t h r eq u ir e m en ts   o f   t h e   p r o j ec t,  it  w a s   n ec e s s ar y   to   d esig n ,   d ev elo p   a n d   i m p le m e n t   t w o   in i tial  p r o to t y p es,  a n d   af ter   s ev er al  te s t s   w e   m an u f ac t u r ed   th f in al  p r in ted   cir cu it b o ar d   ( P C B ) .     T h is   d esig n   a n d   d ev elo p m en ar in ten d ed   to   b c o m p atib le  w it h   t h C u b eSa s tan d ar d   f o ll o w i n g   t h e   g u id eli n e s   o f   th C u b eSat  d esi g n   s p ec if icat io n s   m a n u a l [ 1 ] .   T h e   in itial d esi g n   i s   s h o w n   i n   Fig u r e   1.           Fig u r 1 .   C o n ce p tu al  s y s te m   d esig n       2.   M CU  I M P L E M E NT AT I O N   C u r r en tl y ,   t h elec tr o n ic  d ev i ce   m ar k et  o f f er s   v er y   w id r an g o f   8 - b its   m icr o co n tr o ller s   ( w h er co n s u m p tio n   is   cr itical)   u p   to   3 2 - b its .   I n   th i s   ca s e,   th p r o j e ct  r eq u ir es  p er f o r m in g   m a th e m atica ca lc u latio n s ,   an d   esp ec iall y   h a n d lin g   h ig h - p r ec is io n   d ata  t y p es,  s u c h   as  " d o u b les"   an d   " o ats" .   Fo r   th is   p r o j ec it  w as  c h o s e n   to   u s 3 2 - b its   MCU  s in ce   t h ese  ca n   h a n d le  th m at h e m a tic s   ca lcu latio n s   d u to   th lar g s ize  o f   its   r eg i s ter s   an d   b u s   w id t h .   T h ch allen g o f   th r m w ar is   to   m i n i m ize   th p o w er   co n s u m p tio n   an d   a v o id   h av i n g   to   u s e   h ig h - p er f o r m a n ce   R I SC   ar ch it e ctu r m icr o co n tr o ller s .   T h C o r tex - M4   co r f ea tu r e s   f lo ati n g   p o in u n it  ( FP U)   th at  s u p p o r ts   all  in s tr u ctio n s   a n d   s ev er al  t y p es  o f   p r o ce s s in g   d ata.   I also   im p le m e n t s   co m p lete  s et  o f   DSP   in s tr u ctio n s   an d   m e m o r y   p r o tectio n   u n it  ( MP U)   th at  i m p r o v es  ap p l icatio n   s ec u r it y .   T h ese   d ev ices  in co r p o r ate  h ig h - s p ee d   in te g r ated   m e m o r i es  ( Flas h   m e m o r y   o f   u p   to   2   Mb y tes  an d   SR AM   o f   u p   to   2 5 6   Kb y tes),   u p   to   4   Kb y tes  o f   b ac k u p   SR AM ,   an d   w id r a n g o f   i n p u t/o u tp u p o r ts   an d   p er ip h er als  co n n ec ted   to   t w o   b u s es  A P B ,   t w o   A HB   b u s es  an d   3 2 - b its   m u lti - A HB   b u s   ar r ay .   I n   ad d itio n ,   it  h as  th r ee   1 2 - b its   A D C   p o r ts ,   tw o   D A C s ,   lo w - p o w er   R T C ,   t w el v 1 6 - b i g en er al  p u r p o s ti m er s   t h at  i n clu d t w o   P W ch an n els  ( wh ich   ca n   b u s ed   to   co n tr o th m a g n eto r q u er   p lace d   o n   n av ig atio n   b o ar d ) .   o n   an d   co n tr o l) ,   tw o   o th er   3 2 - b it  ti m er s   co m m o n l y   u s ed   f o r   ti m i n g   a n d   m a in   s y n c.   Fo r   th m icr o SD  ca r d   in ter f ac th p r o ce s s o r   u s es  p o r w it h   s er ia d ig ita l   in p u t - o u tp u t ( SDI O)   p in s .   Fo r   g r ea ter   r o b u s tn e s s ,   a n   i n teg r ated   i n d ep en d en t   w atc h d o g   ( I W DG)   w as  i m p le m e n ted   in   t h h ar d w ar e.   T h I W DG  is   b ased   o n   1 2 - b it  d o w n - co u n ter   an d   an   8 - b it  p r escaler .   W h en   t h p r o ce s s o r   s to p s   w o r k i n g   d u to   s o m e x ter n al  er r o r   o r   f au lt y   s e n s o r ,   t h w a tch d o g   r estar t s   an d   r eset s   t h MCU.  T h is   i s   u s ef u l   w h e n   f ail u r es a r c au s ed   b y   ev en t s   ca lled   Si n g le - E v e n t - Up s et  ( SEU)   o r   Sin g le - E v e n t - L atc h u p   ( SE L ) .   T h is   m o d u le  allo w s   th s elec ti o n   o f   th p o w er   s u p p l y   th a en er g izes  t h MCU.  T h p o w er   s u p p l y   ca n   b p r o v id ed   b y   an   e x ter n al  s o u r ce   ( w h ic h   i s   r eg u lated   u p   to   3 . 3 V) ,   th r o u g h   US B   ca b le  o r   p r o v id ed   b y   th e   E P S m o d u le.         Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   20 89 - 4864   I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t ,   Vo l.  9 ,   No .   2 J u ly   2 0 2 0   :   102     1 0 8   104   3.   G E NE R AL   D E SCR I P T I O N   AND  SYS T E M   DE SI G   T h s y s te m   w as  d esi g n ed   to   h av th f o llo w i n g   ch ar ac te r is tics   an d   in ter co n n ec tio n   ca p ab ilit ies illu s tr ated   in   Fi g u r e   2.   An   i n t er co n n ec tio n   o f   t h s u b s y s te m s   th o r u g h   ce n tr al   d ata  b u s .   T h is   b u s   in ter ac ts   d ir ec tl y   w it h a n   E P f o r   p o w er   s u p p l y   a n d   s u p er v i s io n ,   UHF  tr an s ce i v er   to   s e n d   d ata  f r a m e s   to   g r o u n d   s tatio n ,   n a v i g atio n   an d   co n tr o b o ar d   w it h   r ea ctio n   w h ee an d   m ag n eto r q u er s   ( MT Q)   a n d   ad d itio n al  p o r ts   f o r   u s er   ap p l icatio n s   a n d   f u t u r ex p an s io n s .           Fig u r 2 .   P ar t o f   th s y s te m   s c h e m a tic       A   U AR T   p o r f o r   s y s te m   d eb u g g i n g .   T h is   s er ial  p o r o f   th M C is   co n n ec ted   th r o u g h   U AR T   b r id g e   in ter f ac t h at  co n v er ts   s er ial  d ata  to   USB   ( u s in g   t h FT DI   ch i FT 2 3 2 R L   [ 2 ] )   s en d in g   r ea l - ti m in f o r m at io n   o n   th g e n er al  s tate  o f   th s y s te m   an d   all  in ter n al  s e n s o r   d ata.   A   n u m b er   o f   s en s o r s   in te g r at ed   in   d ed icate d   SP I   ch an n e l .   A n   I MU   f o r   m ea s u r i n g   9 - ax is   in er tial   p ar am eter s   ( I n v e n s e n s MP U - 9 2 5 0   [ 3 ] )   in   Q FN e n ca p s u lat ed   u n it t h at  e n ca p s u lates a   3 - a x is   g y r o s co p e,   3 - ax is   ac ce ler o m e ter   an d   m a g n eto m eter   3 - ax i s .   A   te m p er at u r s en s o r   co m p atib le  w it h   SP I   ( T ex as I n s tr u m e n ts   T M P 1 2 2   [ 4 ] )   th at  m ea s u r es  t e m p er atu r es  w it h   2 ° C   ac cu r a c y   i n   te m p er atu r r a n g f r o m   - 5 5 °C   to   1 2 5 °C ,     an d   ca n   o p er ate  u p   to   1 5 0 °C .   A   h ig h - p er f o r m a n ce ,   u ltra - lo w - p o w er   3 - a x i s   li n ea r   ac ce ler o m eter   ( ST Mic r o elec tr o n ics  A I S3 2 8 DQ  [ 5 ] )   w it h   u s er - s elec tab le   d y n a m ic  s ca le  o f   ± 2 g   ± 4 g   ± 8 g   an d   ca p ab le  o f   m ea s u r in g   ac ce ler atio n s   w it h   m ea s u r e m e n f r eq u en c y   0 . 5 Hz  to   1 k Hz.   Fo r   s to r ag o f   d ata,   th er is   a   m icr o SD  m e m o r y   t h at  ca p tu r es in   r ea l ti m all  h ar d w ar d ata  th r o u g h   a   SDI in ter f ac e ,   as  p r esen ted   in   Fig u r 3 .   A th s a m ti m th er is   SDR A m e m o r y   o f   6 4 Mb   ( I SS I   I S4 2 S1 6 4 0 0 J   [ 6 ] )   o r g an ized   in   1 , 0 4 8 , 5 7 6   b its   x   1 6   b its   x   4   b an k s   f o r   g et  i m p r o v ed   p er f o r m an ce   a n d   ac h iev e   h ig h   s p ee d   d ata  tr an s f er .   T h is   is   n ec ec esar y   f o r   f u t u r m p lem en tatio n   o f   r ea l - ti m o p er atin g   s y s te m   ( R T SO) .           Fig u r 3 .   P o r t c o n n ec tio n   f o r   SD  m e m o r y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t   I SS N:  2089 - 4864       h a r d w a r s ystem  w i th   A R M - b a s ed   d a t a   p r o ce s s in g   fo r   n a n o - s a tellites   ( A d r n   S ta cu l )   105   3 . 1 .   F ir m w a re   d esig n   T h s o f t w ar t h at  r u n s   w it h i n   th M C w a s   d esi g n ed   w it h   t h p u r p o s o f   ac cu r atel y   h a v e   th s tat u s   o f   all  h ar d w ar in   r ea ti m e.   T h ac q u is itio n   o f   all  in ter n al  s e n s o r s   an d   h ar d w ar s tatu s   it  is   d o n in   s lo ti m e,   an d   an o th er   ti m s lo f o r   th u s er   to   im p le m e n th n ec e s s ar y   n a v ig a tio n   an d   co n tr o alg o r ith m s   is   le f f r ee .   I w a s   n ec es s ar y   to   ca r r y   o u s tu d y   o n   r ed u ci n g   th ac q u is i tio n   ti m e s   o f   th s e n s o r s   an d   th r ea d in g - w r iti n g   ti m e s   o f   t h m e m o r y   i n   o r d er   to   allo w   lo n g er   f r ee   ti m i n te r v al  f o r   ca lc u latio n s   o f   attit u d d eter m in at io n   a n d   s tab ilizatio n   o f   t h n a n o s atel it al  p latf o r m   [ 7 8 ] .   T h d ata  is   u p d ated   ev er y   1 0 0 m s   t h r o u g h   th i m p le m e n tat io n   o f   m ai n   ti m er   ( h ea r tb ea t) ,   o f   w h ic h   o n l y   1 0   m s   i s   u s ed   to   ac q u ir all  i n ter n al  s e n s o r s   an d   m e m o r y   r ea d   an d   w r i te  o p er atio n s .   A   ti m o f   9 0 m s   i s   f r ee   f o r   o th er   ca lcu latio n s ,   as sh o w n   i n   Fi g u r e   4.             Fig u r 3 .   T im in ter v al  d esi g n       I n   ad d itio n ,   th s o f t w ar m u s t   m o n ito r   s e v er al  p er ip h er al  c h a n n el s   A D C ,   I 2 C ,   U AR T   an d   SP I   an d   th ce n tr al  b u s ,   an d   is   r esp o n s ib le  f o r   all  d ata  o p er atio n s   o n   it.  D u th co m m u n icat io n   p er ip h er als  r eq u ir es  s tab le  clo ck   s o u r ce   o n   b o th   th r ec eiv er   an d   th tr an s m i tter   s id e,   w p lace   an   ex ter n al  8 MH o s cillato r .   A   s ec o n d   3 2 . 7 6 8   k Hz  o s cillato r   is   r esp o n s ib le  f o r   lo w   f r eq u e n c y   p er ip h er als,  in c lu d i n g   r ea ti m cl o ck   ( R T C ) .   T h is   is   i m p o r tan f o r   s y n ch r o n iza tio n   o f   d ata  an d   s u b s y s te m s ,   a n d   f o r   s o m ADC alg o r ith m s   th at  h av e   p r o b le m s   w i th   ab s o lu te  ti m [ 9 ] .   Fo r   ex ter n al  s u p er v i s io n ,   t h MCU  h as  a n   I W DG  w h ic h   tak e s   its   ti m e   b ase  f r o m   th L SI   o s cillato r ,   in   o r d er   t o   g ain   in d ep en d en ce   f r o m   t h MCU.  T h in ter n al  ti m er   o f   th I W DG  m u s b r eset  ev er y   4   s ec o n d s ,   i f   t h w aiti n g   ti m i s   r ea ch ed ,   t h I W DG  will  r estar t h MCU   an d   t h s tatu s   p r o b le m   w i ll     b r ec o v er ed .     An   ad d itio n al  3 2 GB   m icr o SD c ar d   w as i n s tal led   as a   r e d u n d an t sto r ag s y s te m ,   ac ce s s ed   th r o u g h   th e   SDI in ter f ac o f   t h MCU a s   s h o w n   i n   t h s c h e m atic  d iag r a m   o f   Fi g u r e   3.     T h s o f t w ar is   o r g an ized   w ith   d if f er e n clas s es,  o n p er   d ev i ce   o r   s en s o r ,   th is   i s   i m p o r tan t o   m a in tai n   p o r tab ilit y ,   u p d ate  an d   co m p at ib ilit y   w it h   tr ad e m ar k s .     3 . 2 .   Su bs y s t e m   i nte rc o nn ec t io n   T h h ar d w ar m o d u le  is   li n k e d   to   o th er   s u b s y s te m s   th r o u g h   s tan d ar d   P C 1 0 4   co n n ec to r   [ 1 0 ] ,   ea ch   p air   o f   r o w s   s u b d iv id ed   i n to   tw o   co n n ec to r s   ca lled   H1   an d   H2 ,   s h o w n   i n   F ig u r 5 .   T h H1   an d   H2   co n n ec to r s   ( Sa m tec  E SQ - 126 - 39 - GD  [ 1 1 ] )   ar r esp o n s ib le  f o r   m ai n tai n in g   m ec h a n ical  co m p at ib ilit y   a n d   s ig n al   in ter co n n ec tio n s   w it h   al s u b s y s te m s   co n n ec ted   to   t h ce n tr al  b u s ,   allo w i n g   ac ce s s   to   t h E P an d   to   t h e   n av i g atio n   an d   co n tr o b o ar d   co n tain i n g   th MT co n tr o a n d   to   th UHF  tele m etr y   tr a n s ce iv er   f o r   s en d i n g   d ata  an d   r ec eiv in g   co m m an d s .   T h is   m o d u le  w as  d esi g n ed   to   co n te m p late  t w o   t y p e s   o f   b u s ,   o n f o r   lab o r ato r y   test s   a n d   an o th er   co m p atib le  w it h   s o m co m m er cial  tr ad e m ar k s .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   20 89 - 4864   I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t ,   Vo l.  9 ,   No .   2 J u ly   2 0 2 0   :   102     1 0 8   106       Fig u r 4 .   Sig n als o n   t h H1   an d   H2   co n n ec to r s   o f   th d ata  b u s   f o r   lab o r ato r y   test s       3 . 3 .   Po w e r   s up p ly   T h m o d u le  h a s   ac ce s s   to   th r eg u la ted   3 . 3   o f   th E P p o w er   s u p p l y   t h r o u g h   t h ce n tr al  b u s ,   t h r o u g h   an   in d ep en d e n t   3 . 3   r eg u lat o r   p lace d   o n   th b o ar d ,   o r   f r o m   U SB .   T h ese  o p tio n s   ca n   b co n fig u r ed   w it h   j u m p er s .   T h d etails i s   s h o w n   in   th s ch e m at ic  o f   Fi g u r e   6.           Fig u r 5 .   Sch e m atic  s h o w in g   t h s elec tio n   o f   t h p o w er   s u p p l y .   Fo r   ex ter n al  p o w er   ( o r   USB ) ,   y o u   m u s co n n ec t 1   w it h   2 .   Fo r   E P S a cc ess ,   y o u   m u s t c o n n ec t 5   w it h   6 .       3 . 4 .   F ina l i m ple m ent a t io n   T h b o ar d   w as  s u cc es s f u l l y   d esig n ed   u s i n g   t h A l tiu m   De s ig n er   P C B   d esi g n   to o l.  T o   s im p li f y   t h e   d esig n   an d   a v o id   m an u f ac t u r in g   p r o b lem s ,   t h P C B   w as   d e v elo p ed   u s i n g   o n l y   t w o   la y er s .   T h f ir s p r o to t y p e   ( u s i n g   t h ST M3 2 F4 2 9   ev alu atio n   b o ar d )   is   s h o w n   i n   Fi g u r e   7   an d   th f i n al  P C B   d esig n   is   s h o w n   in   F ig u r e   8.           Fig u r 6 First p r o to ty p e:  I was u s ed   f o r   th ch ar ac ter izatio n   o f   i n ter n al  s e n s o r s   an d   f o r   th d ev elo p m en t o f   t h f ir s v er s io n   o f   r m w ar e       Fig u r 7 T h r ee - d im e n s io n al  v ie w   o f   th P C B   f i n al  d esig n   s h o w in g   t h p r o ce s s in g   h ar d w ar e,   th i m p l e m en ta tio n   o f   t h M C a n d   th s e n s o r s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t   I SS N:  2089 - 4864       h a r d w a r s ystem  w i th   A R M - b a s ed   d a t a   p r o ce s s in g   fo r   n a n o - s a tellites   ( A d r n   S ta cu l )   107   4.   RE SU L T S   T h m ai n   f ea tu r e s   o f   t h d ev el o p ed   h ar d w ar h a v b ee n   m ea s u r ed ,   an d   w o b tain ed   th f o llo w i n g   r esu lt s :     4 . 1 .   Di m en s io ns   a nd   w eig ht :   a.   Di m e n s io n s C o m p atib le  w it h   th C u b eSat  s ta n d ar d   an d   co m p atib le  w it h   P C 1 0 4   f o r m   f ac to r .   b.   W eig h t: 4 5   ± 0 . 1   g .     4 . 2 .   Curre nt  co ns u m ptio n   a.   Sleep   m o d ( p er ip h er als r em a i n   in   s tan d b y ) : I   av er a g 2 5 m ( w it h o u t M icr o SD  m e m o r y   in s er ted )   |   I   av er a g 2 5 . 2 m ( w it h   Mic r o SD  m e m o r y   i n s er ted ) .     b.   A cq u is it io n   o f   i n ter n a l sen s o r s   ( th m icr o co n tr o ller   s h o w s   th s en s o r s   w i th   1 0 0 m s   p er io d ) I av er ag 3 4 . 3 m A .     c.   No r m a l O p er atio n   ( r ec o r d in g   d ata  in   Mic r o SD  m e m o r y ) : I a v er ag 4 5 m A .     d.   P ea k   cu r r en t c o n s u m p tio n   d u r in g   Mic r o SD  m e m o r y   f o r m a t: I p k   7 7 . 8 m A .   No te:  all  m ea s u r e m en t s   w er p er f o r m ed   b y   GW   I n s tek   G DM - 398   m u lti m eter   [ 1 2 ] .   A cc u r ac y   o f : ±   ( 1 . 0 % r d g   2   d ig its ) .     4 . 3 .   T i m i ng s   a.   A cq u is it io n   o f   s e n s o r s : Sa m p l in g   o f   all  i n ter n al  s en s o r s   tak e s   ti m o f   1 . 5 1   m s   ( 2 2 . 8   Kb y t es /  s   @   SP I   clo ck : 1 8 5 k Hz) .     b.   UART   co m m u n icatio n s en d i n g   d eb u g   d ata  to   P C   th r o u g h   s er ial  in ter f ac e,   ta k i n g   ti m o f   8 m s   @   2 3 0 4 0 0 b p s .     c.   W r itin g   to   Mic r o SD  m e m o r y : •   Mic r o SD  m e m o r y   u s ed : K in g s to n   Mic r o SDHC   C las s   1 0   UHS - SDC 1 0 G2   / 1 6 GB .     Dev ice  u s ed : ST M3 2 F4 2 7 I I   SDI p er i p h er al  s et  at  1 MH z.     So f t w ar e:  SD  C ar d   Fo r m a tter   5 . 0 . 0   T u x er I n c.   ( r ec o m m e n d ed   b y   t h SD  Ass o ciatio n   [ 1 3 ] ) .     a.   Data   s ize  5 1 2   b y tes:   Av er ag 7 m s   |   T m ax   1 4 m s   ( d u r in g   s ec to r   ch an g e) .   W ith   th is   co n     g u r atio n   s ig n i f ica n laten cie s   ca n   o cc u r   w h en   t h Mic r o SD  m e m o r y   e m p tie s   its   in ter n al  b u f f er   an d   ch a n g es   s ec to r s .     b.   Data   s ize  4 0 9 6   b y tes:   Av er ag 1 8 m s   |   T m a x   2 4 m s   ( d u r in g   s ec to r   ch a n g e) .   No te:  A ll t i m m ea s u r e m en ts   w er m ad u s i n g   th T ek tr o n i x   T B S1 2 0 2 B   d ig ital o s cillo s c o p [ 1 4 ] .   T im b ase  ac cu r ac y : 5 0   p p m .   I n   s u m m ar y ,   t h ti m av a ila b le  f o r   o th er   p u r p o s es  ( ca lcu latio n   o f   atti tu d d eter m i n ati o n ,   co n tr o l   s y s te m   i m p le m en tatio n s ,   ex te r n al  s en s o r   m an a g e m en t,  etc. )   is   ap p r o x i m atel y   9 0   m s   an d   7 0   m s   d u r i n g   th e   w r iti n g   p er io d s   o f   m icr o SD  m e m o r y .   I s h o u ld   b n o ted   t h at   th n u m b er   o f   w r ite  p er io d s   p er   s ec o n d   d ep en d s   o n   th s ize  o f   t h d ata  b lo ck .   F o r   ex a m p le:  in   t h ca s t h at  t h s ize  o f   th d ata  b lo ck   i s   5 1 2   b y te s ,   3   f r a m e s   ar e   r eq u ir ed   to   f ill  th tr a n s m is s i o n   b u f f er ,   w h ic h   m ea n s   t h at  a   w r ite  o p er atio n   is   p er f o r m ed   in   t h SD  m e m o r y   ev er y   3 0 0   m s   ( o r   3   s a m p lin g   p er io d s ) ,   w h ile  th s i ze   o f   t h e   4   k B   d ata   b lo ck   is   s et  to   2 4   p er io d s .   T h is   m ea n s   th at  ea ch   w r i tin g   p er io d   o cc u r s   ev er y   2 . 4   s .   T h m ain   v al u es   ar s h o w n   i n   T ab le  I .       T ab le  1 .   Har d w ar m ea s u r e m e n ts   P a r a me t e r   mi n   t y p   max   U n i t s   V o l t a j e   4 . 4   5   2 0   a   V   C u r r e n t   25   45   7 7 . 8   mA   C l o c k       1 8 0   M H z   T e mp e r a t u r e   - 40     1 0 5   °C   A c c e l e r o me t e r   ±2     ± 8   b   g   G y r o sco p e   ± 2 5 0     ± 2 0 0 0   c   ° / s   M a g n e t o me t e r     4 8 0 0     µT   ODR     10     Hz   S P I   C l o c k     1 8 5   d   1 0 0 0   k H z   S D I O   S p e e d     1   4 8   e   M H z   U A R T   S p e e d       2 3 4 0 0   B p s   S D R A M   S i z e       8   MB   a   C o r r e c t   o p e r a t i o n   i s   n o t   g u a r a n t e e d .   b   C o n g u r a b l e   in   ± 2 g ,   ± 4 g   a n d   ± 8 g   ( 1 6 b i t s ).   c   C o n g u r a b l e   in   ± 2 5 0 ° / s,  ± 5 0 0 ° / s,  ± 1 0 0 0 ° / s y   ± 2 0 0 0 ° / s ( 1 6   b i t s) .   d   I t   d e p e n d s o n   t h e   p r o c e sso r   c l o c k   e   C o r r e c t   o p e r a t i o n   i s   n o t   g u a r a n t e e d .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   20 89 - 4864   I n t J   R ec o n f i g u r ab le  &   E m b ed d ed   Sy s t ,   Vo l.  9 ,   No .   2 J u ly   2 0 2 0   :   102     1 0 8   108   5.   CO NCLU SI O N   T h is   ar ticle  p r esen ted   th d esi g n ,   d ev elo p m e n t a n d   i m p le m e n tatio n   o f   h i g h   p er f o r m a n ce   p r o ce s s in g   h ar d w ar s y s te m   to   b ap p lied   to   n an o s atelital  p latf o r m s .   T h m o d u le  u s e s   p r o ce s s o r   w it h   AR C o r te x   M4   ar ch itect u r w it h   a n   o p er atin g   s p ee d   ca p ac it y   o f   u p   to   1 8 0 MH z.   An   ad d itio n al  v i s u al   test   s o f t w ar w a d ev elo p ed   to   m o n ito r   an d   d etec f ail u r es  o f   t h MCU  o r   s o m in ter n al  s e n s o r .   T h co n ce p o f   m o d u lar izatio n   an d   th av ailab ilit y   o f   s e v er al  d if f er en p er ip h er als  h a v m a d it  p o s s ib le  to   r eu s an d   u p d ate  th d esig n   in   a   s i m p le  w a y .   T h h ar d w ar w as  d ev elo p ed   in   tw o   in itial  p r o to ty p es  u s i n g   ev al u atio n   k i ts   b ef o r th f in a l   i m p le m en ta tio n   o f   t h s y s te m .       ACK NO WL E D G E M E NT S   T h au th o r s   w o u ld   lik to   th a n k   E n g .   E d g ar d o   C o m a s   f o r   th in s tit u tio n al  co llab o r atio n   h h as  g i v en   to   th is   in itia tiv e.   Fi n all y ,   th C I T E DE au th o r ities   ar th an k ed   f o r   th lo g is tical  s u p p o r an d   th Min i s tr y   o f   Def e n s o f   A r g e n ti n ( MI NDE F)  th a m ak th i s   t y p o f   p r o j ec p o s s ib le  th r o u g h   s u b s id ies  a n d     f i n an cia l su p p o r t.       RE F E R E NC E S     [1 ]   Cu b e S a t,   C u b e S a De sig n   S p e c ifi c a ti o n ,   2 0 1 2 .   [ On li n e ]   A v a il a b le:  ww w . c u b e sa t. o rg /res o u rc e s/    [2 ]   F u tu re   T e c h n o l o g y   D e v ic e In tern a ti o n a -   F T DI  Ch ip ,   F T 2 3 2 U S UA R T   IC  D a tas h e e t,   2018.   [ O n li n e ]   A v a il a b le:   ww w . f td ich ip . c o m /S u p p o rt/ D o c u m e n ts/Da taSh e e ts/ICs/DS   F T 2 3 2 R. p d f     [3 ]   In v e n S e n se   In c ,   M P U - 9 2 5 0   P r o d u c S p e c ifi c a ti o n ,   2 0 1 6 .   [ On li n e ]   A v a il a b le:  ww w . in v e n se n se . c o m / w p - c o n ten t/ u p lo a d s/ 2 0 1 5 / 0 2 / P S - M P U9 2 5 0 A - 01 - v 1 . 1 . p d f     [4 ]   T e x a In s tru m e n ts,   T M P 1 2 2   -   1 . 5 Ac c u ra te  p ro g ra m m a b le  d ig it a tem p e ra tu re   se n so re w it h   S P i n b terf a c e ,   2008.   [ On li n e ]   A v a il a b le:  ww w . st.co m / re so u rc e /en /d a tas h e e t/ a is3 2 8 d q . p d f     [5 ]   S T M icro e le c tro n ics ,   A IS 3 2 8 DQ   -   Hig h - p e rf o rm a n c e   u lt ra   lo w - p o w e 3 - a x is  a c c e lero m e ter  w it h   d i g it a o u t p u f o r   a u to m o ti v e   a p p li c a ti o n s,   2 0 1 2 .   [ O n li n e ]   A v a il a b le:  ww w . st.co m /res o u rc e /en /d a tas h e e t/ a is3 2 8 d q . p d f     [6 ]   T e x a In stru m e n ts,   IS 4 2 S 1 6 4 0 0 -   1   M e g   Bit x   1 6   Bit x   4   Ba n k (6 4 - M BIT sy n c h ro n o u d y n a m i c   RA M ,   2 0 1 4 .   [ On li n e ]   A v a il a b le:  ww w . issi.co m / WW /p d f /4 2 - 4 5 S 1 6 4 0 0 J. p d f     [7 ]   G .   M a y e r,   De sig n   a n d   g lo b a l   a n a l y sis o f   sp a c e c ra f a tt it u d e   c o n tro l   s y ste m s.  Na ti o n a A e ro n a u ti c s a n d   S p a c e   A d m in i s tratio n   -   NA S A ,   1 9 7 1 .   [On li n e ]   A v a il a b le:   h tt p s:/ /n trs. n a sa . g o v /arc h iv e /n a sa / c a si.n trs. n a sa . g o v /1 9 7 1 0 0 0 9 0 1 6 . p d f     [8 ]   P .   Cro u c h ,   " S p a c e c ra f a tt it u d e   c o n tr o a n d   sta b il iza ti o n A p p l ica ti o n o f   g e o m e tri c   c o n tr o th e o ry   to   rig id   b o d y   m o d e ls,"   IEE T ra n sa c ti o n s   o n   A u to ma ti c   Co n tro l ,   v o l.   2 9 ,   n o .   4 ,   p p .   3 2 1 - 3 3 1 ,   A p r   1 9 8 4 .     [9 ]   B.   M e n g e s,  C.   G u a d iam o s,  a n d   H.  P e rn ick a ,   " D y n a m ic  m o d e li n g   o f   m ic ro - sa telli tes p a rtn ik ’sa tt it u d e , "   Ame ric a n   In stit u te  o Aer o n a u ti c a n d   Astro n a u ti c s ,   1 9 9 7 .     [1 0 ]   P C/ 1 0 4   C o n so r ti u m ,   Ha rd w a re   S p e c ifi c a ti o n s,   2 0 1 8 .   [ On l in e ]   A v a i lab le:  p c 1 0 4 . o rg /h a rd w a re - sp e c ifi c a ti o n s/p c 1 0 4   [1 1 ]   S a m te c ,   ES Q - 126 - 39 - G - . 1 0 0 P C/1 0 4   El e v a ted   S o c k e S tri p ,   2 0 1 8 .   [ O n li n e ]   A v a il a b le:  ww w . s a m tec . c o m /p ro d u c ts/es q - 1 2 6 - 39 - g - d     [1 2 ]   GW In ste k ,   G DM - 300,   2 0 1 8 .   [ On li n e ]   A v a il a b le:  ww w . g w in ste k . c o m /en - g lo b a l/ p ro d u c ts/d e tail/ G DM - 4 0 0   G DM - 300     [1 3 ]   S A s so c iatio n ,   S M e m o ry   C a r d   F o rm a tt e r,   2 0 1 8 .   [ On l in e]   A v a il a b le:  ww w . sd c a rd . o rg /d o w n lo a d s/ f o r m a tt e 4 /eu la  w in d o w s/in d e x . h tm   [1 4 ]   T e k tro n ix   In c ,   T BS 1 0 0 0 B - EDU  S e ries   Da tas h e e t,   2 0 1 7 .   [ O n li n e ]   A v a il a b le:  ww w . te k . c o m /d a tas h e e t/ d ig it a l - sto ra g e - o sc il lo sc o p e - 0     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.