Design and Development of a CubeSat Hardware Architecture with COTS MPSoC using Radiation Mitigation Techniques

CubeSat missions needs components that are tolerant against the radiation in space. The hardware components must be reliable, and it must not compromise the functionality on-board during the mission. At the same time, the cost of hardware and its development should not be high. Hence, this thesis discusses the design and development of a CubeSat architecture using a Commercial Off-The- Shelf (COTS) Multi-Processor System on Chip (MPSoC). The architecture employs an affordable Rad-Hard Micro-Controller Unit as a Supervisor for the MPSoC. Also, it uses several radiation mitigation techniques such as the Latch-up protection circuit to protect it against Single-Event Latch-ups (SELs), Readback scrubbing for Non- Volatile Memories (NVMs) such as NOR Flash and Configuration scrubbing for the FPGA present in the MPSoC to protect it against Single-Event Upset (SEU)s, reliable communication using Cyclic Redundancy Check (CRC) and Space packet protocol. Apart from such functionalities, the Supervisor executes tasks such as Watchdog that monitors the liveliness of the applications running in the MPSoC, data logging, performing Over-The-Air Software/Firmware update. The thesis work implements functionalities such as Communication, Readback memory scrubbing, Configuration scrubbing using SEM-IP, Watchdog, and Software/Firmware update. The execution times of the functionalities are presented for the application done in the Supervisor. As for the Configuration scrubbing that was implemented in Programmable Logic (PL)/FPGA, results of area and latency are reported.CubeSat-uppdrag behöver komponenter som är toleranta mot strålningen i rymden. Maskinvarukomponenterna måste vara pålitliga och funktionaliteten ombord får inte äventyras under uppdraget. Samtidigt bör kostnaden för hårdvara och dess utveckling inte vara hög. Därför diskuterar denna avhandling design och utveckling av en CubeSatarkitektur med hjälp av COTS (eng. Custom-off-The-Shelf) MPSoC (eng. Multi Processor System-on-Chip). Arkitekturen använder en prisvärd strålningshärdad (eng. Rad-Hard) Micro-Controller Unit(MCU) som Övervakare för MPSoC:en och använder också flera tekniker för att begränsa strålningens effekter såsom kretser för att skydda kretsen från s.k. Single Event Latch-Ups (SELs), återläsningsskrubbning för icke-volatila minnen (eng. Non-Volatile Memories) NVMs som NOR Flash och skrubbning av konfigurationsminnet skrubbning för FPGA:er i MPSoC:en för att skydda dem mot Single-Event Upsets (SEUs), och tillhandahålla pålitlig kommunikation mha CRC och Space Packet Protocol. Bortsett från sådana funktioner utför Övervakaren uppgifter som Watchdog för att övervaka att applikationerna som körs i MPSoC:en fortfarande är vid liv, dataloggning, och Over- the-Air-uppdateringar av programvaran/Firmware. Examensarbetet implementerar funktioner såsom kommunikation, återläsningsskrubbning av minnet, konfigurationsminnesskrubbning mha SEM- IP, Watchdog och uppdatering av programvara/firmware. Exekveringstiderna för utförandet av funktionerna presenteras för den applikationen som körs i Övervakaren. När det gäller konfigurationsminnesskrubbningen som implementerats i den programmerbara logiken i FPGA:n, rapporteras area och latens