[논문 리뷰] Mini-EUSO (Extreme Universe Space Observatory) data acquisition and control software

Francesca Capel, А. А. Белов외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 10.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 13인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 광범위한 대기 샤워와 대기 현상을 관측하기 위해 설계된 위성 기반 형광 망원경인 Mini-EUSO를 위한 모듈식이고 오픈소스인 데이터 수집 및 제어 소프트웨어 프레임워크를 제시한다. 객체 지향 C++를 사용한 Xilinx Zynq XC7Z030 FPGA-CPU 시스템 기반으로 구축된 이 프레임워크는 자율 또는 상호작용 방식으로 작동할 수 있으며, 향후 EUSO-TA 및 EUSO-SPB2 임무에 대비해 확장 가능한 설계를 갖추고 있다.

ABSTRACT

We present the data acquisition and control software for the operation of Mini-EUSO, a space-based fluorescence telescope for the observation of extensive air showers and atmospheric phenomena. This framework has been extensively tested alongside the development of Mini-EUSO and is now finalized in anticipation of its launch in mid-August this year. The data acquisition, housekeeping and subsystem control is achieved using custom-designed front-end electronics based on a Xilinx Zynq XC7Z030 chip interfaced with a PCIe/104 CPU module via the integrated Zynq processing system. The instrument control interface is handled using an object-oriented C++ design which can be run both autonomously or interactively as required. Whilst developed for Mini-EUSO, the modular design of both the software and hardware can easily be scaled up to larger instrument designs and adapted to different subsystem and communication requirements. As such, this framework will also be used in the upgrade of the EUSO-TA instrument and potentially for the next EUSO-SPB2 NASA Balloon flight. The software and firmware presented herein are open source and released with detailed and integrated documentation.

연구 동기 및 목표

• 위성 기반 형광 망원경인 Mini-EUSO를 위한 신뢰성 있고 실시간 데이터 수집 및 제어 시스템을 개발한다.
• 탄력적이고 객체 지향적인 소프트웨어 아키텍처를 통해 기구의 자율적 및 상호작용식 작동을 가능하게 한다.
• 더 큰 기구 및 향후 우주 또는 고고도 기상 방류 기반 임무에 적합한 확장성과 적응성을 갖춘 프레임워크를 구축한다.
• 통합된 프론트엔드 전자기기 및 펌웨어를 통해 견고한 하우스키핑 및 서브시스템 제어를 보장한다.
• 커뮤니티가 사용하고 확장할 수 있도록 소프트웨어 및 펌웨어를 오픈소스로 공개하고 철저한 문서화를 제공한다.

제안 방법

• 시스템은 실시간 데이터 처리 및 제어를 위해 ARM 프로세서와 FPGA 패브릭을 통합한 Xilinx Zynq XC7Z030 칩을 사용한다.
• PCIe/104 CPU 모듈이 Zynq 처리 시스템과 인터페이스를 통해 고수준 제어 및 데이터 처리 작업을 수행한다.
• 객체 지향 C++ 소프트웨어 설계를 통해 모듈식이고 재사용 가능한 코드를 구현하여 자율 및 상호작용 작동 모드를 모두 지원한다.
• 프레임워크는 임베디드 Zynq 플랫폼에서 실행되는 단일 통합 시스템 내에서 데이터 수집, 하우스키핑, 서브시스템 제어를 통합한다.
• 소프트웨어는 확장성을 고려해 설계되어 다양한 센서 유형, 통신 프로토콜, 기구 규모에 적응할 수 있도록 한다.
• 펌웨어 및 소프트웨어는 상세한 문서화와 함께 오픈소스로 공개되어 향후 프로젝트의 재사용 및 통합을 지원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고도의 신뢰성과 낮은 지연 시간을 갖춘 위성 기반 형광 망원경에 대해 실시간 임베디드 데이터 수집 및 제어 시스템을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 어떤 소프트웨어 아키텍처가 지상 간섭 최소화 조건에서 기구의 자율 작동과 상호작용 제어를 동시에 가능하게 하는가?
• RQ3 소프트웨어 및 하드웨어 프레임워크가 더 큰 기구나 다른 임무 프로파일에 대해 얼마나 확장되고 적응 가능한가?
• RQ4 오픈소스 개발과 철저한 문서화가 우주 기구 소프트웨어의 재사용성과 유지보수성에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 FPGA 기반 데이터 수집과 CPU 기반 제어 논리 간의 통신 및 조율을 보장하는 통합 패턴은 무엇인가?

주요 결과

• 소프트웨어 프레임워크는 Mini-EUSO 개발과 병행하여 완전히 테스트되고 최종화되어 발사 준비가 되어 있다.
• 시스템은 단일 통합 소프트웨어 환경 내에서 데이터 수집, 하우스키핑, 서브시스템 제어를 성공적으로 통합하였다.
• 객체 지향 C++ 설계 덕분에 자율 및 상호작용 작동 모드를 모두 지원하여 임무 운영의 유연성을 확보하였다.
• 모듈식 하드웨어 및 소프트웨어 아키텍처는 확장성과 적응성을 갖추고 있으며, 향후 EUSO-TA 업그레이드 및 EUSO-SPB2 고도 비행기 임무에서 계획된 사용이 이루어지고 있다.
• 세부 문서화와 함께 오픈소스로 공개된 펌웨어 및 소프트웨어는 커뮤니티 개발과 장기적인 유지보수를 지원한다.
• Zynq XC7Z030 플랫폼을 사용하여 실시간 데이터 스트림과 제어 신호를 처리하는 데 있어 프레임워크의 견고한 성능이 입증되었다.