FPGAs para aplicaciones espaciales
Centro de Desarrollo Aeroespacial – IPN
10 Marzo 2014
Dr. Miguel Arias Estrada
ariasmo@...
Contenido
1. Satélites pequeños
2. Tecnología FPGA y Cómputo Reconfigurable
3. Investigación con FPGAs
4. FPGAs para aplic...
1. Satélites Pequeños
Micro-satélites
10-100 kgs
Nano- satélites:
1-10 kgs
Pico-satélites
100 grs – 1 Kgs
Femto-satélites
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By 2010:
© Europlan UK Ltd 3
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010)
nius, Nov. 16th-18th, 2011
Estándar CubeSat
Propuesto por Dr. R. Twiggs
(Stanford, 1999)
10 x 10 x 10 cm
Ventajas de Nanosatélites
 Tamaño y peso reducido
 Costo bajo y uso de componentes
comerciales
 Bajo costo de lanzamien...
Satellite on a Chip
2. Tecnología FPGA
FPGA – Field Programable Gate Array
 Circuito integrado digital donde los recursos (funciones digitale...
 FPGA = Field Programmable Gate Array
 Arreglo de bloques digitales básicos con
interconexiones programables
 Configura...
FPGA vs DSP
 Los FPGAs son de 10 a 1000 veces mas rápidos que un DSP
1k
10k
100k
1M
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100M
1G
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Diseño con FPGAs
Los FPGAs se usan para diseño digital de sistemas
complejos y sistemas empotrados (embedded
systems)
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 HDL: VHDL, Verilog, Handel-C
 Similar a diseño software (pero pensando en limitaciones
de hardware)
Cómputo Reconfigura...
3. Investigación con FPGA
Oportunidades interesantes
- Combinar ventajas de FPGAs con algún
área que se beneficie
- Integr...
Laboratorio de Cómputo
Reconfigurable
INAOE
 El laboratorio es parte del
departamento de Ciencias
Computacionales
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Investigación con FPGA
1. Arquitecturas FPGA
2. Visión por computadora
• Acelerar algoritmos usando FPGAs
• Resolver cosas...
Metodología INAOE
 Desarrollo usando tarjetas FPGA
comerciales
 La arquitectura final se puede
migrar a un sistema dedic...
Target processor FPGA implementation
REGISDTRO
(HEADER)
VENTANA
PATRÓN
VENTANADE
BÚSQUEDA PROCESADOR
DE
CORRELACIÓN
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Cámara FPGA
Otros productos con FPGA
Cámara USB 3.0
5 Megapixeles
FPGA para control de
sensor de imágen
Procesamiento en FPGA
Demostración RC200
Embedded computing with FPGA
Control de un robot movil con FPGA
Mexbox - Plataforma FPGA
ReConFig 2014
International Conference on
Reconfigurable Logic
8-10 Diciembre 2014
Cancún, México
www.reconfig.org
4. FPGAs para aplicaciones
espaciales
1. Integración en un solo chip de sistemas
complejos
2. Aceleración de algoritmos de...
Ventaja FPGAs
 SoC (System on a Chip)
 Reconfigurabilidad digital
 Programación accesible
 RTOS / Linux
 Pequeño y li...
FPGAs
 Sinergias para tener una plataforma
muy compacta y completa
 Espacio y peso muy reducido
 Potencia de cómputo y ...
5. Plataforma FPGA para
aplicaciones espaciales
1. Integración en un solo chip de sistemas
complejos
2. Aceleración de alg...
Propuesta
 Uso de SoC (System on a Chip)
 FPGA + ARM processor
 Xilinx Zynq7000 + electrónica de
soporte
 Reconfigurab...
Software
Plataforma FPGA
 MicroZed Board
 USB 2.0
 Gbit Ethernet
 1 Gbyte SRAM DDR3
 128 Mb Flash
 Micro SD card
 100 I/O
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Plataforma FPGA :: MicroZed
 Xilinx XC7Z010
 USB 2.0
 Gbit Ethernet
 1 Gbyte SRAM DDR3
 128 Mb Flash
 Micro SD card
...
Plataforma FPGA avanzada
 5x4 cm
 Xilinx Zynq industrial
 ARM dual-core Cortex-A9
MPCore @ up to 866 MHz
 USB 2 / Gbit...
6. Ecosistema
 Crear un ecosistema nacional de
instituciones trabajando con FPGAs
 Lograr masa crítica para intercambio ...
Aplicaciones
Estabilización y
apuntado
(Control del satélite)
Procesamiento de
imagen y sensores
(Observación
terrestre o ...
Validación de plataforma FPGA
 Vehículos autopilotados
UAV
 Globo aerostático
 Satélite
7. Red Mexicana de FPGAs
para aplicaciones espaciales
Red coordinada por:
 INAOE (Ciencias Computacionales)
 Dr. Miguel ...
7. Red Mexicana de FPGAs
para aplicaciones espaciales
 Lanzamiento: 7 Abril
 Reuniones webmeeting 1 vez / mes
 1.30 hor...
Algunas actividades
 Uso de FPGA Zynq7000 / Linux + FPGA
 Star-tracker
 Estabilización y apuntado
 Workshop de 1 a 2 d...
Startracker (INAOE)
 Cámara + FPGA
 Seguimiento de
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 Mejora estabilidad
de apuntado de
satelite
 Ap...
Plataforma de estabilización y
apuntado (CDA)
 Control y estabilizado
con FPGA
 Simulación de
apuntado a estrella /
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Telescopio espacial PHASES
Dr. Carlos del Burgo
 Proyecto INAOE
 Espectrofotometría
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Arquitectura telescopio PHASES
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Computer
FPGA
Spectrograph
Telescope /
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 Informes:
Miguel Arias – Ciencias Computacionales
ariasmo@inaoep.mx
Laboratorio de Cómputo
Reconfigurable y de Alto
Dese...
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Presentación sobre actividades usando FPGAs en el INAOE y plataforma FPGA sugerida para actividades espaciales en México.
Presentación dada en el Centro de Desarrollo Aeroespacial del IPN, Ciudad de México. 10 marzo 2014

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FPGAs aplicaciones espaciales - Presentación INAOE - CDA-IPN

  1. 1. FPGAs para aplicaciones espaciales Centro de Desarrollo Aeroespacial – IPN 10 Marzo 2014 Dr. Miguel Arias Estrada ariasmo@inaoep.mx Laboratorio de Cómputo Reconfigurable y de Alto Desempeño
  2. 2. Contenido 1. Satélites pequeños 2. Tecnología FPGA y Cómputo Reconfigurable 3. Investigación con FPGAs 4. FPGAs para aplicaciones espaciales 5. Plataforma FPGA propuesta 6. Ecosistema: SUA, globos, satélites 7. Red mexicana de FPGAs para el espacio
  3. 3. 1. Satélites Pequeños Micro-satélites 10-100 kgs Nano- satélites: 1-10 kgs Pico-satélites 100 grs – 1 Kgs Femto-satélites 100 gramos o menos
  4. 4. Satellite Market is Growing Ac Nu sa inc 50 By 2010:
  5. 5. © Europlan UK Ltd 3 es ers 010) nius, Nov. 16th-18th, 2011
  6. 6. Estándar CubeSat Propuesto por Dr. R. Twiggs (Stanford, 1999) 10 x 10 x 10 cm
  7. 7. Ventajas de Nanosatélites  Tamaño y peso reducido  Costo bajo y uso de componentes comerciales  Bajo costo de lanzamiento  Tecnología accesible sin grandes inversiones  Educación, experimentos, misiones reales
  8. 8. Satellite on a Chip
  9. 9. 2. Tecnología FPGA FPGA – Field Programable Gate Array  Circuito integrado digital donde los recursos (funciones digitales básicas) pueden ser configuradas e interconectadas mediante un archivo de configuración Cómputo Reconfigurable = Posibilidad de modificar el hardware mediante “programación”
  10. 10.  FPGA = Field Programmable Gate Array  Arreglo de bloques digitales básicos con interconexiones programables  Configuración de alto nivel basado en lenguajes de descripción de hardware (HDL) FPGA Slice IOB
  11. 11. FPGA vs DSP  Los FPGAs son de 10 a 1000 veces mas rápidos que un DSP 1k 10k 100k 1M 10M 100M 1G Less Complex More ComplexAlgorithm Complexity D a t a R a t e S a m p l e s p e r s e c o n d MPU/MCU Single-Chip DSP FPGA-Based DSP ASIC Multiple DSP Cores or Chips
  12. 12. Diseño con FPGAs Los FPGAs se usan para diseño digital de sistemas complejos y sistemas empotrados (embedded systems) Siguiendo técnicas tradicionales no es eficiente  Diseñador tradicional requiere 50 años para ocupar toda la capacidad de un FPGA de 1 millón de compuertas Se usan metodologías similares al diseño software  Uso de lenguajes de descripción de hardware  Encapsulación y reuso de módulos
  13. 13.  HDL: VHDL, Verilog, Handel-C  Similar a diseño software (pero pensando en limitaciones de hardware) Cómputo Reconfigurable: adaptar la arquitectura al algoritmo y no el algoritmo a la arquitectura
  14. 14. 3. Investigación con FPGA Oportunidades interesantes - Combinar ventajas de FPGAs con algún área que se beneficie - Integración de un solo chip de sistemas complejos - Posibilidad de crear arquitecturas a la medida: aceleración de algoritmos
  15. 15. Laboratorio de Cómputo Reconfigurable INAOE  El laboratorio es parte del departamento de Ciencias Computacionales  4 investigadores  10 estudiantes de Maestria  5 estudiantes de Doctorado  Desde 1998  Investigación y desarrollo en:  Visión por computadora en tiempo real  Criptografía y codificación  Procesamiento Hardware de Señal
  16. 16. Investigación con FPGA 1. Arquitecturas FPGA 2. Visión por computadora • Acelerar algoritmos usando FPGAs • Resolver cosas que otros no hacen • Tener ventaja competitiva internacional
  17. 17. Metodología INAOE  Desarrollo usando tarjetas FPGA comerciales  La arquitectura final se puede migrar a un sistema dedicado  Meta: lograr procesamiento de video en tiempo real (30 fps, 640x480 pixeles)
  18. 18. Target processor FPGA implementation REGISDTRO (HEADER) VENTANA PATRÓN VENTANADE BÚSQUEDA PROCESADOR DE CORRELACIÓN Arquitectura de seguimiento de blancos
  19. 19. Cámara FPGA
  20. 20. Otros productos con FPGA Cámara USB 3.0 5 Megapixeles FPGA para control de sensor de imágen Procesamiento en FPGA
  21. 21. Demostración RC200
  22. 22. Embedded computing with FPGA
  23. 23. Control de un robot movil con FPGA
  24. 24. Mexbox - Plataforma FPGA
  25. 25. ReConFig 2014 International Conference on Reconfigurable Logic 8-10 Diciembre 2014 Cancún, México www.reconfig.org
  26. 26. 4. FPGAs para aplicaciones espaciales 1. Integración en un solo chip de sistemas complejos 2. Aceleración de algoritmos de 10 a 100 veces con respecto a una computadora PC 3. Reducción de tamaño, peso, consumo de potencia -> sistemas móviles 4. Protección de IP (FPGA es muy dificil de copiar)
  27. 27. Ventaja FPGAs  SoC (System on a Chip)  Reconfigurabilidad digital  Programación accesible  RTOS / Linux  Pequeño y ligero  Costo accesible  Características requeridas para espacio
  28. 28. FPGAs  Sinergias para tener una plataforma muy compacta y completa  Espacio y peso muy reducido  Potencia de cómputo y flexibilidad para interfazarse a todo tipo de sensores y actuadores
  29. 29. 5. Plataforma FPGA para aplicaciones espaciales 1. Integración en un solo chip de sistemas complejos 2. Aceleración de algoritmos de 10 a 100 veces con respecto a una computadora PC 3. Reducción de tamaño, peso, consumo de potencia 4. Programabilidad y reconfigurabilidad: SOFTWARE DEFINED SATELLITE
  30. 30. Propuesta  Uso de SoC (System on a Chip)  FPGA + ARM processor  Xilinx Zynq7000 + electrónica de soporte  Reconfigurabilidad + I/O flexible
  31. 31. Software
  32. 32. Plataforma FPGA  MicroZed Board  USB 2.0  Gbit Ethernet  1 Gbyte SRAM DDR3  128 Mb Flash  Micro SD card  100 I/O  Embedded Linux
  33. 33. Plataforma FPGA :: MicroZed  Xilinx XC7Z010  USB 2.0  Gbit Ethernet  1 Gbyte SRAM DDR3  128 Mb Flash  Micro SD card  100 I/O  Embedded Linux
  34. 34. Plataforma FPGA avanzada  5x4 cm  Xilinx Zynq industrial  ARM dual-core Cortex-A9 MPCore @ up to 866 MHz  USB 2 / Gbit Ethernet  1 GByte DDR3 SRAM  150 I/O  3 Axis accelerometer / 3 axis magnetometer  www.trenz-electronic.de
  35. 35. 6. Ecosistema  Crear un ecosistema nacional de instituciones trabajando con FPGAs  Lograr masa crítica para intercambio de ideas, personas y módulos reutilizables  Red de investigación de FPGAs para aplicaciones espaciales
  36. 36. Aplicaciones Estabilización y apuntado (Control del satélite) Procesamiento de imagen y sensores (Observación terrestre o estelar) Telemetría y telecomunicaciones (Comunicación con tierra) Computadora de a bordo (OBC)
  37. 37. Validación de plataforma FPGA  Vehículos autopilotados UAV  Globo aerostático  Satélite
  38. 38. 7. Red Mexicana de FPGAs para aplicaciones espaciales Red coordinada por:  INAOE (Ciencias Computacionales)  Dr. Miguel Arias  CDA (C de Fomento al desarrollo de la Industria-Empresa Nacional)  Dr. Mario Mendoza
  39. 39. 7. Red Mexicana de FPGAs para aplicaciones espaciales  Lanzamiento: 7 Abril  Reuniones webmeeting 1 vez / mes  1.30 horas  Formato: presentación, novedades, 1 a 2 charlas invitadas  Invitación directa fpgaespacial.wordpress.com
  40. 40. Algunas actividades  Uso de FPGA Zynq7000 / Linux + FPGA  Star-tracker  Estabilización y apuntado  Workshop de 1 a 2 días en verano 2014  Reunión anual presencial en ReConFig
  41. 41. Startracker (INAOE)  Cámara + FPGA  Seguimiento de estrella de interés  Mejora estabilidad de apuntado de satelite  Aplicaciones en Astrofísica
  42. 42. Plataforma de estabilización y apuntado (CDA)  Control y estabilizado con FPGA  Simulación de apuntado a estrella / objetivo  Medición de estabilidad  Simulación física de posicionamiento de satélite
  43. 43. Telescopio espacial PHASES Dr. Carlos del Burgo  Proyecto INAOE  Espectrofotometría estelar  Búsqueda de exo- planetas tipo tierra  Minisatélite  50x50x50 cm  60 Kgs Auxiliary Star Sensor Star Sensor Spectrograph
  44. 44. Arquitectura telescopio PHASES Instrument On-board Computer FPGA Spectrograph Telescope / Main Star Sensor Auxiliary Star Sensor Sun Sensor Actuator Linear CCD Thermal Stablz CMOSThermal Stablz CMOS Thermal Stablz DC-DC Convertion 5V 12V Satellite Power Source Satellite Main Computer
  45. 45.  Informes: Miguel Arias – Ciencias Computacionales ariasmo@inaoep.mx Laboratorio de Cómputo Reconfigurable y de Alto Desempeño

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