Master's Thesis

Design and Implementation of Hardware and Firmware for a CubeSat Payload Controller

Final Thesis 28.1 MB Appendix 17.21 MB

Author of thesis: Bc. Marek Coufal

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Tomáš Götthans, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jakub Götthans

Abstract:

This master’s thesis deals with the development of control electronics for scientific experiments on board the BRNOsat nanosatellite. The thesis describes the entire process from requirements analysis through design to the implementation of a device intended for operation in LEO conditions. Attention is paid to functionality and robustness, as well as ensuring measurement and data acquisition. Within the thesis, the engineering model of the device was assembled and verified, and subsequent tests were performed and evaluated in a thermal vacuum chamber and on a vibration shaker. Based on the acquired results, recommendations for the final flight model hardware revision are formulated.

Keywords:

CubeSat, OBC, payload, nanosatellite, orbit, vacuum, TVAC, outgassing, reliability, MCU, STM32U5, MRAM, FRAM, ECC, CSP, RS-485, CAN, laser, HAL, firmware, verification

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentuje výsledky a postupy řešení závěrečné práce. Následně odpovídá na dotazy vedoucího a oponenta práce a na dotazy členů zkušební komise. Doc. Povalač se spojené piny na desce, další dotaz je na misi a poslední dotaz je na vakuovou komoru. Student odpovídá.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií

Department

Department of Radio Electronics

Study programme

Electronics and Communication Technologies (MPC-EKT)

Composition of Committee

doc. Ing. Jaroslav Láčík, Ph.D. (předseda)
Ing. Dr. Techn. Vojtěch Derbek (místopředseda)
doc. Ing. Aleš Povalač, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Juraj Machaj, Ph.D. (člen)
Ing. Kamil Pítra, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Tomáš Götthans, Ph.D.

Zadání bylo splněno v plném rozsahu. Práce obsahuje rešerši platformy a prostředí LEO, požadavky na HW/FW včetně SpaceManic, EVAP a MHS, návrh architektury s blokovým schématem i popis EM, MWE firmwaru, ADC/DAC, akčních členů a laboratorní validace.

Vlastní část práce tvoří více než polovinu rozsahu, značení je konzistentní a rovnice, obrázky i tabulky jsou řádně číslovány a odkazovány.

Za hlavní přínos považuji důkladné ověření výsledků pomocí nezávislých měření a simulací, kvantifikovaný odhad chyby teplot pod stanoveným limitem a popsanou metodiku měření RTD. Oceňuji také otevřenou analýzu zjištěných poruch, zejména chybu latch při zkratu 6,5V větve a nezapojený pin VREF, které jsou zařazeny mezi doporučení pro revizi.

Práci doporučuji k obhajobě. Hodnocení: A, 100 b. Points proposed by supervisor: 100

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jakub Götthans

Práce obsahuje architekturu a požadavky STM32, analýzu HW/FW včetně CAN, RS-485 a OBC SpaceManic, blokové schéma a integraci systému, realizovaný engineering model i MWE firmware.

Reálné oživení doloženo: TVAC do 10^-7 mbar po 5 h (obr. 3.5, s. 39), vibrační zkouška s inspekcí pod mikroskopem bez nalezených trhlin (s. 40),  funkční testy v TVAC před i po vibracích.

Oceňuji zejména reálné oživení zařízení, funkční testy před i po vibracích a inspekci pod mikroskopem bez zjištěných trhlin. Za velmi přínosnou považuji také poctivě zdokumentovanou návrhovou chybu v pull-upu FLT/PGOOD, kterou student sám identifikoval, dočasně ošetřil a zařadil do letové revize. Firmware je dobře provázán s hardwarem, použité konstanty i rovnice odpovídají a měření proudů fotodiod vykazuje velmi dobrou přesnost. Topics for thesis defence:
  1. Topný element EVAP dává 1,79 W proti 2 W (rov. 2.6) – stačí to na teplotní profil odpařování, nebo počítáte v letové revizi se změnou rezistorů?
  2. Jaké konkrétní rozdíly mezi STM32U5 a H7 [19] (paměťová architektura, ECC) mohou extrapolaci radiační odolnosti zneplatnit a jak byste ji ověřil před letem?
Points proposed by reviewer: 96

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová