Présentation

La carte FEN est la premiére carte de vol spatiale réalisée par l'APC.

Développée par Benoit Vercruysen (2010-2013) et par Alexis Noury (2013-2015), cette carte présente plusieurs interfaçages analogique/numérique controlés par un FPGA (RadHard Actel). L'ensemble du code VHDL a été conçu et dévellopé en suivant les bonnes pratiques de codage référencée par le CNES, ce code a passé avec succés la revue de validation finale sous l'égide de la société ALTRAN et du CNES.

Trois cartes FEN modèle de vol ont été réalisées et validées pour integration finale dans les senseurs XGRE.

 

Ses Fonctions

 

La carte FEN (pour Front End Numerical) est l’interface numérique du senseur XGRE. Cette carte située en sortie du senseur, derrière les cartes analogiques FEA et UD-PMT,  permet la communication entre ce dernier et son analyseur associée (XG-A).

La carte FEN doit assurer quatre fonctions :

·      La numérisation de la mesure scientifique et son envoi vers XG-A

·      Le paramétrage du senseur par XG-A

·      Assurer la protection du senseur

·      Fournir les données de fonctionnement du senseur à XG-A

Voici la représentation de la carte FEN en schéma bloc :

 

 

La carte FEN est dotée d’un FPGA (Field-Programmable Gate Array) programmé en VHDL (VHSIC Hardware Description Language). Ce composant entièrement numérique est considéré comme le « cerveau » du senseur XGRE.

Voici l’architecture de ce dernier, appelé FPGA XG :

 

Ses fonctions

Numérisation de la donnée scientifique

La carte reçoit la donnée scientifique de la carte FEA après traitement analogique. La donnée se divise en 6 signaux :

·      3 impulsions correspondant à la mesure d’un des étages de l’unité de détection (scintillateur bas, milieu et haut).

·      3 signaux de détection correspondant aux 3 impulsions ci-dessus

La carte FEN doit pouvoir numériser les 3 mesures dès une détection d’évènement, et cela, toutes les 300ns au maximum.

Pour ce faire, la carte FEN doit contrôler la carte FEA pour assurer  ce réarmement de 300ns et aussi pour choisir le seuil de détection voulu.

Après la capture de la donnée correspondant à la particule capturer par le senseur, la carte FEN s’occupe de l’envoi de celle-ci vers l’analyseur pour traitement.

 

Paramétrage du senseur

A chaque demi-orbite de TARANIS, le senseur doit se configurer selon la volonté du scientifique. La carte FEN permet donc d’offrir différente option et mode de fonctionnement du senseur.

La configuration voulue sera envoyée du sol, et l’analyseur XG-A s’assurera d’enregistrer les différents paramètres dans la mémoire du senseur (présente sur la carte FEN).

On pourra donc positionner l’instrument dans à un mode de test ou un mode normal de mesure. On pourra également choisir une tension de sortie aux hautes tensions (gain de mesure) et une tension de seuil (sensibilité de détection).

 

Protection du senseur

Dans l’espace, un instrument subit de nombreuse agression, comme un passage d’un ion lourd, la radiation ou encore l’anomalie Sud-Atlantique (qui est sur la trajectoire de Taranis).

Les composants utilisés sont conçus pour supporter ce genre d’agression, mais on n’est pas à l’abri d’un disfonctionnement pouvant détruire l’instrument. Ainsi la carte FEN doit pouvoir prémunir le plus possible le senseur d’un problème pouvant entrainer sa destruction.

Pour ce faire, la carte FEN permet, en interne, d’assurer la coupure des hautes tensions en cas d’éblouissement du détecteur (qui entraine une surconsommation), ainsi que la protection de la carte FEA en cas de « latch up ».

 D’autres protections sont gérées par l’analyseur en fonction des données de fonctionnement que lui fournies la carte FEN sur le senseur (température, état des hautes-tensions, anomalie de fonctionnement …).

Données de fonctionnement

Un instrument dans l’espace à une principale contrainte : il n’est plus accessible physiquement. Il faut donc prévoir, dès sa conception, des moyens d’indiquer ses données de fonctionnement afin de communiquer, voir de prémunir d’un disfonctionnement de l’instrument.

C’est le cas du senseur XGRE, et c’est la carte FEN qui permet de gérer la chose. Ainsi, on peut connaître différent paramètre de fonctionnement du senseur comme sa température interne, sa consommation électrique, son état et l’état de ses hautes tensions à partir du sol.

Le senseur comporte également deux modes de test permettant de localiser une éventuelle panne. L’un est de nature analogique et indique une panne sur la carte FEA, l’autre est numérique et indique une panne située sur la carte FEN.

Un mode de calibration permet également, en stimulant des LEDs sur chaque unité de détection du senseur,  d’assurer une référence de mesure disponible sur les spectres reçus au sol.

Ses versions

La vie d’un développement de carte électronique passe forcément par plusieurs étapes.  Il y a donc une évolution de la carte qui, au départ, n’est qu’une ébauche dans la tête de l’ingénieur et qui, à la fin, devient le modèle final présent sur le satellite dans l’espace.

Voici donc l’historique de la carte FEN tout au long de son développement :

 

Bread Board

C’est la première carte FEN produite par l’APC. Cette carte a servi à valider la philosophie de conversion de la donnée scientifique, notamment les temps de conversion et autre protocole de communication utilisé.

Cette carte n’a aucune contrainte mécanique, thermique et radiative.

De même, elle ne sert qu’à des tests en interne avec aucun couplage particulier avec d’autre composante du senseur.

 

 

Engineer Model

 

Le modèle ingénieur sert avant tout à la validation fonctionnelle de la carte. Les composants utilisés sont d’une famille similaire aux composants finaux sans pour autant être les mêmes (pour des raisons de coût et surtout de délais).

Cette carte est de même dimension que le modèle de vol qui sera présent sur le satellite.

Le FPGA utilisé par ce modèle est un FPGA reprogrammable, nous permettant de tester plusieurs versions du code VHDL du senseur sans modifier physiquement la carte.

 

 

Engineer Model v2

 

La vie d’un projet est souvent menée d’embuche, il n’est donc pas rare de ne pas arriver à un résultat optimal dès le premier essai. C’est la raison la présence de ce second modèle ingénieur de FEN.

La différente entre cette version et la précédente se situe dans le positionnement du connecteur d’interface entre FEN et FEA, d’un design plus élaboré pour diminuer le bruit électronique parasite et d’autre légère correction de fonctionnement.

Cette version dispose également d’un support FPGA lui permettant de tester plusieurs FPGA non-flash. L’utilisation de FPGA non-flash réside dans la volonté de se rapprocher le plus possible de la configuration attendue sur le modèle final, le FPGA étant de même famille que le modèle de vol.

 

 

SM Model

 

Pour reboucler avec la partie mécanique, des tests en vibrations et en chocs doivent avoir lieu pour la validation du senseur.

Ce modèle, dépourvu de tout composant, permet d’avoir un modèle de carte FEN de dimension et de connectique totalement identique avec le modèle de vol.

 

 

Flight Model

 

C’est le modèle final de la carte, celle qui sera produite en 4 exemplaires (une pour chaque senseur du satellite + une en stockage).

Cette carte est actuellement en cours de conception.

Carte UD_PMT

La carte électronique UD_PMT a pour rôle de pouvoir transmettre les trois haute-tensions issues de la carte FEA et polariser à partir de ces trois tenions les deux photomultiplicateurs qui convertiront et amplifieront la lumière issue de l'interaction des particules avec les scinitllateurs (plastiques et LaBr3).

Un photomultiplicateur permet (selon le principe de la figure ci-dessous) de convertir des photons en électrons et ampliifer le nombre d'électrons issus de cette conversion et obtenir donc un courant électrique mesurable par la carte analogique FEA.

Principe d'amplification d'un photomultiplicateur	PMT utilisé sur TARANIS

La carte UD_PMT permet donc de polariser l'ensemble de ces deux photomultiplicateur ainsi que la sommation et transmission du signal électrique amplifier vers la carte FEA.

Les photos ci-après permettent de voir le différentes phases de montage des deux photomultiplicateurs sur cette carte électronique particulière puisqu'elle est composée de trois parties rigides relièes par des kaptons semi-rigides incorporant les fils des signaux et des fils de polarisations haute-tension.

Circuit imprimé nu	Montage PMT N°1	Montage bloc Alu PMT N°1	Repliement carte UD_PMT

L'ensemble des deux photomultiplicateurs et sa carte électronique de polarisation cablée sont représentées sur les figures ci-dessous, cet ensemble étant totalement autonome et permet d'être assemblée sur les scintillateurs pour former l'unité de détction finale du senseur XGRE.

Carte UD_PMT montée vue de dessus	Carte UD_PMT montée vue arrière