ridici jednotka

Řídicí jednotka rotátoru pro magnetická čidla
Autor:
Datum:
Ing.Tomáš Pavera / OK2TPQ
8.7.2009
Úvod
Popisovaná jednotka slouží hned k několika účelům. Jednotka získává z magnetických
čidel údaje o poloze antén, zobrazuje data na displeji, spíná pohony dvou možných rotátorů,
zprostředkovává jak ruční ovládaní, tak ovládaní z počítače.
Jednotka umožňuje pracovat i s programem KJTlog od Robina OK2UWQ.
Popis funkce
Výchozím úkolem pro správnou funkci jednotky je získání korektních dat
z jednotlivých magnetických čidel pomocí sběrnice RS-485. Čidel může být na sběrnici
připojených celá řada, firmware je však optimalizován pro práci s dvěmi čidly – pro azimut a
elevaci, přičemž je možné používat obě osy i samostatně. Při všech datových přenosech se
data opatřují kontrolním součtem a tedy riziko chybného údaje je minimální.
Údaje přečtené z čidel se zpracovávají a zobrazují na LCD displeji. Jednotka obsahuje relé
pro spínání pohonu obou možných rotátorů. Každý směr rotace má k dispozici jeden přepínací
kontakt relé.
Zpracované údaje je možné načítat rovněž do počítače přes sběrnici RS-232. Připojený
počítač má kromě zobrazování a ovládání svou funkci i při nastavování komunikace s čidly,
definování mechanických vlastností obou rotátorů či aktualizací firmware jednotky nebo
připojených čidel.
Popis zapojení
Na schématu, které je zobrazeno dále, je vidět, že zapojení není nijak komplikované.
Veškerá elektronika je napájena napětím 5 V, které je získáváno přes osazený lineární
stabilizátor 7805. Konektor sběrnice RS-485 pro magnetická čidla obsahuje rovněž dva piny
napájení, které není tímto stabilizátorem upravováno a je pouze průchozí. Doporučené napětí
magnetických čidel je asi 12 V, proto i napájení řídicí jednotky by mělo být 12 V. Proudové
odběry jednotky se pohybují řadově kolem 500 mA v závislosti na vytížení sběrnice RS-485,
podsvícení displeje a množství sepnutých relé. Z uvedeného vyplývá, že je nutné na
stabilizátor připevnit středně velký chladič, aby nedocházelo k přehřívání stabilizátoru.
Centrem celé jednotky je mikrokontrolér ATMega128. Ten byl volen hlavně
s ohledem na dostupnost, cenu a zabudovaný dvojitý UART. Je taktován krystalem o
kmitočtu 11,0592 MHz.
K mikrokontroléru je připojen převodník sběrnice RS-485 75176 s ochrannými
diodami pro připojení magnetických čidel, převodník sběrnice RS-232 ST232 pro připojení
počítače.
Pro zobrazování slouží znakový displej 2x16 nebo 2x20 znaků s řadičem
kompatibilním s čipem HD44780.
Výstupy jsou ovládány pomocí tranzistorů v zapojení s otevřeným kolektorem, které
spínají relé s cívkou 5V. Místo relé je možné osadit propojky a spínat jiné prvky – například
optočleny, které jsem použil při úpravě továrního rotátoru Yaesu G-450.
K ručnímu ovládání může sloužit konektor CON13. K němu se připojují spínače pro
jednotlivé směry otáčení.
Další variantou ručního poloautomatického ovládání je inkrementační mechanický kodér PRE30S, který se připojuje ke konektoru CON12. Otáčením kodéru vpravo nebo vlevo se
přednastavuje zvolená poloha antén. Stiskem kodéru se volí, zda-li chceme nastavovat azimut
nebo elevaci.
Schéma zapojení
Na schématu je znázorněno připojení LCD displej pomocí konektorů. Číslování pinů
konektorů a displeje se záměrně kříží, neboť se tím kompenzuje křížení při použití konektorů
PFL-16 i na zadní straně displeje.
Konektor CON14 je považován za rezervní a osazuje se pouze propojkami mezi piny
1-2 a piny 3-4. Místo těchto pinů se můžou připojit vypínače.
Propojení pinů 1-2 má již svůj význam. Rozpojením těchto pinů zakážeme povely pro
natáčení rotátoru z počítače. To je užitečné, chceme-li například jednoduše zablokovat pozici
antén při trasování drah družic.
Programové vybavení
Funkce řídicí jednotky jsou z největší části definované programem v mikrokontroléru.
Během sbírání mých zkušeností s programováním se mi osvědčilo použití bootloaderu pro
aktualizaci firmwaru. Pro laiky pouze uvádím, že bootloader je program, který zajistí nahrání
aplikačního programu prostřednictvím použitých periférií zařízení.
Aplikační program se pak stará o hlavní činnost zařízení. V tomto případě je tedy možné
kdykoliv prostřednictvím sběrnice RS-232 aktualizovat firmware podle potřeb. Například
bude-li třeba doplnit další funkci nebo odstranit chybu.
Na rozdíl od magnetických čidlem se v tomto případě používá k prvnímu
naprogramování rozhraní JTAG, které je vyvedeno na desce plošných spojů jako konektor
CON2. Někomu možná přijde divné, že u čidel se k tomuto účelu používá rozhraní SPI a
v této konstrukci rozhraní JTAG. Koneckonců každý si sám může zvolit jaké rozhraní bude
využívat. Já jsem to provedl takhle s ohledem na návrh desky plošných spojů a to hlavně
protože piny rozhraní SPI pro programování a piny sériového rozhraní pro sběrnici RS-485 se
funkčně překrývají.
Prostřednictvím JTAG konektoru se tedy bootloader poprvé nahraje. Vše ostatní, co se týče
programování, se pak už děje jen prostřednictvím rozhraní RS-232.
Postup programování
Program dávám k dispozici veřejnosti, nesmí být však využíván ke komerčním
účelům. Na mých webových stránkách v sekci "Ke stažení - Firmware" lze stáhnout kód
bootloaderu. Důležité je správně nastavit pojistky mikrokontroléru. Hlavně zvolíme, ať
mikrokontrolér využívá externí krystalový oscilátor, dále povolíme funkci watchdogu, bit
BOOTRST pro spuštění bootloaderu a velikost bootloaderu 4096 slov (tedy adresu vektoru
bootloaderu 0xf000).
Na obrázku uvádím přiklad nastavení pojistek v AVR Studiu.
Obrázek 2 – Nastavení pojistek
Po úspěšném naprogramování začne v krátkém intervalu blikat LED osazená přímo na
plošném spoji. To znamená, že se zařízení nachází v režimu bootloader. Pokud ten nalezne
platný aplikační program, dojde k jeho spuštění. LED v aplikačním režim má již jiný význam.
Naprogramování aplikačního programu je pak nutné provést prostřednictvím sběrnice RS232. Je k němu třeba utilita "rs-flash.exe", kterou jsem vytvořil k tomuto účelu a je rovněž ke
stažení na stejném místě jako kód bootloaderu.
Po spuštění utility zvolíme komunikační port. Dále zapíšeme ID zařízení, se kterým se
bude komunikovat. ID jednotky se nikdy nemění a po nahrání bootloaderu je 1. Stisknutím
tlačítka "Connect" dojde k připojení k jednotce. Pokud je úspěšné, program rozezná o jaký
hardware se jedná a je možné stáhnout prostřednictvím internetu aktuální verzi firmware. To
se provede stiskem tlačítka "Download from Internet". Po stažení je již možné zapsat
firmware tlačítkem "Flash device". Jakmile je zápis úspěšně ukončen, tlačítkem "Disconnect"
se ukončí komunikace s bootloaderem a proběhlo-li doposud vše v pořádku, po pár sekundách
dojde k spuštění aplikačního firmware.
Kromě programování jednotky samotné je možné i jejím prostřednictvím stejných
způsobem programovat čidla polohy připojená na sběrnici RS-485. Stačí pouze vyplnit ID
čidla místo ID jednotky. Na displeji se při adresování jiného zařízení objeví nápis s informací,
že se zařízení nachází v tzv. „bypass režimu“. V tomto režimu jednotka propojuje kanály mezi
sběrnicemi RS-232 a RS-485. Zrušit tento režim lze libovolným ovládacím tlačítkem směru.
„Režim bypass“ je možný pouze v aplikačním firmwaru jednotky. Není tedy možné
programovat „skrze jednotku“ v době, kdy zařízení „bootuje“.
Popis nastavení
Dalo by se říci, že každý anténní systém je unikátní a má různé mechanické vlastnosti.
V řídicí jednotce lze proto nastavit některé parametry tak, aby vyhovoval konkrétní situaci.
K nastavení je potřeba mít k jednotce připojený počítač s programem „rot_control.exe“.
Obrázek 3 – Nastavení jednotky
Po spuštění programu zvolíme v menu „Nastavení - Port“ komunikační port. Na
obrázku 3 je vidět okno, které vyvoláme v menu „Nastavení – Zařízení“. V tomto případě
nejsou vyplněné všechny údaje a nejsou povolena tlačítka pro zápis. To je z důvodu, že jsem
v daný moment neměl k počítači připojenou jednotku.
V první části okna se nacházejí kolonky pro vyplnění ID jednotlivých čidel. Čísla ID
jsou potřeba pro rozlišení jednotlivých čidel na společné sběrnici RS-485. Volí se v rozsahu
od 2 do 254, přitom nikdy nemůžou mít dvě různá zařízení stejné ID.
Výchozí ID hodnoty jsou pro azimut ID = 2 a pro elevaci ID = 3. Magnetická čidla mají po
naprogramování bootloaderu výchozí hodnotu ID = 254. Pomocí programu „rs_flash.exe“ lze
ID čidel měnit a tedy vše nastavit podle potřeby.
Zápisem ID = 0 pro azimut nebo elevaci určíme, který rotátor se nebude používat.
V druhé části okna se nacházejí charakteristické konstanty pro definování vlastností
rotátoru azimutu.
„Citlivost automatiky“ udává minimální rozdíl mezi žádanou a skutečnou hodnotou azimutu,
při kterém dojde k rozběhu motoru. Citlivost musí být vždy menší (číselně vetší) než
setrvačnost, aby nedošlo ke kmitání automatiky.
„Setrvačnost systému [°]“ udává, o kolik stupňů se rotátoru ještě samovolně otočí při vypnutí
motoru. Jinak to také znamená, o kolik stupňů dříve se má motor vypnout, aby došlo
k přesnějšímu zaměření.
„Setrvačnost systému [s]” udává, jak dlouho se bude ještě rotátor samovolně otáčet po
vypnutí motoru. Tento údaj definuje, za jak dlouho je možné spustit motor v opačném směru.
Zamezuje se tím nadměrnému mechanickému namáhání anténního systému a rotátoru.
„Umístění koncového spínače“ udává azimut koncového spínače. Je to hodnota, která nebude
a nesmí být nikdy překročena z jakékoliv strany. Pro optimální provoz jednotky je vhodné mít
rotátor s koncovými spínači, který má rozsah větší než 360 stupňů a mít azimut koncového
spínače nastaven v místě, kde se dráhy jednotlivých směrů rotátoru překrývají.
Obrázek 4 – Optimální rotátor
Obrázek 4 znázorňuje popisovanou situaci, kdy je vhodné mít koncový spínač umístěn
v blízkosti severu. Jednotka omezuje pohyb rotátoru na 360 stupňů. To protože není možné
spolehlivě zabezpečit detekci přetočení magnetických čidel při zapínání a vypínání napájení.
Jakmile dojde k přetočení rotátoru mimo pracovní rozsah a zároveň i k vypnutí a zapnutí
napájení, není již jednotka schopná určit skutečnou polohu rotátoru.
V další části okna se nachází nastavení parametrů pro elevaci. Význam údajů je stejný
jako u azimutu. Rozdíl je v tom, že se nedefinuje poloha koncového spínače, ale maximální
pracovní elevace rotátoru.
V poslední části okna si můžeme zvolit, jakou má displej připojený k jednotce
zobrazovací schopnost.
Na obrázku 5 je vidět okno, které vyvoláme v menu „Nastavení – Čidla“.
Obrázek 5 – Kalibrace čidel
Okno slouží ke kalibraci čidel. Tu je možné provádět plně programově, což velmi
zjednodušuje práci při mechanické montáži.
Při programové kalibraci lze čidla nulovat, invertovat nebo zapsat konkrétní hodnotu.
V praxi tedy stačí si zjistit kam antény směřují a tuto hodnotu zapsat do čidla.
Inverze čidla je funkce, která mění smysl otáčení čidel. Nemusíme tedy při montáži brát ohled
na to, jak máme čidlo k rotátoru mechanicky připojeno, pouze musíme zachovat převodový
poměr 1:1.
Osazovací plán – strana součástek a strana spojů
Seznam součástek
R0_1, R0_2, R0_3,R0_4
R0_5, R0_6
R1,R2,R4,R7,R8,R9,R10
R11,R12,R13,R14,R15,R16
R3
R5,R17,R18
R6,R20,R21
R19
C1,C4,C5,C11,12,13
C2,C3
C6,C7,C8,C9
C10
D1
D2,D3,D4,D5
D6,D7,D8
LED1
Q1
T1,T2,T3,T4
IC1
IC3
IC4
IC6
CH1
CON1
CON2
CON3
CON4
CON6
CON7,CON8,CON9,CON10
CON12,CON13,CON14
K1,K2,K3,K4
0R SMD 1206
0R SMD 1206
4k7 SMD 1206
4k7 SMD 1206
trimr ležatý 5k RM5/5
10R SMD 1206
470R SMD 1206
270R SMD 1206
100nF SMD 1206
27pF SMD 1206
4,7uF/16V SMD tantal
47uF/16V
1N4007
1N4148
ZD 5,6V SMD
LED 3mm green
krystal 11,0592 MHz
BC547
ATMega128-16AU
ST232 SMD
7805
75176 SMD
V7477
ARK210/2
MLW10G
PSH02-04PG
MLW16G
PSH02-03PG
ARK210/3
lámací lišta
M15E05CN
Závěrem
Konstrukcí magnetických čidel a řídicí jednotky jsem se snažil zpřístupnit všem
radioamatérům spolehlivé řízení rotátorů. Využití magnetického snímání polohy přineslo
skutečně spolehlivé a časově stále řešení.