Комплекс технических средств

4.1 Приёмопередатчик CC1125

Передачи данных полёта по радиоканалу осуществляется на частоте 433 МГц на значительное расстояние – до 2 км. При этом данные с датчиков приходят не так часто, так что можно говорить о низкоскоростном канале.

Для решения задачи был выбран популярныйтрансивер CC1125. Ему были заданы следующие настройки, ориентированные на достижение скорее большей дальности радиопередачи, чем пропускной способности:

Частота: 433 МГц;

Тип модуляции: частотная (2–FSK);

Мощность передачи: +15 дБм;

Скорость радиопередачи: 150байт/с.

Выбранный тип модуляции в совокупности с максимально возможной мощностью позволяет добиться максимальной дальности.

Регистры трансивера находятся в адресном пространстве, которое поделенона несколько секций согласно рисунку ниже.

Рисунок 12 – Отображение адресов

Способы доступа к адресному пространству представлены в таблице А1.

Сопряжение с трансивером производится с помощью интерфейса SPI согласно рисунку Рисунок13.

Рисунок 13 – Временная диаграмма приёмопередач SPI

4.2 Антенна

В качестве антенны для передающей части была выбрана штыревая антенна, обеспечивающая небольшие размеры, малую массу, простоту изготовления и обслуживания, а также имеющую оптимальную диаграмму направленности для подвижного объекта – ракеты.Длина волны 433 МГц–0,7 м, тогда длина четвертьволновой (штыревой) антенны составит 17,25 см. Коэффициент усиления – порядка 5 дБи.

Расчёт дальности связи невозможен без учёта данных приёмника. В нашей приёмной станции предполагается использование такжеCC1125, с настройкой чувствительности на -123 дБм;спиральной антенны с поперечным излучением, коэффициент усиления–1,9дБи [13]. Расчёт с использованием уравнения Фрииса [14] показал нереалистичную цифру в 24545 м, поэтому, в соответствии с рекомендациями производителя [15], был скорректирован с учётом интерференции, высотности, и в конечном итоге расчётная дальность радиосвязи составила 2231 м, что достаточно для полёта на высоту 2000 м и ниже.

4.3 Модуль навигацииML8088sE

ГЛОНАСС, GPS модуль ML8088sE обеспечивает уверенный приём за счёт использования всех действующих систем спутниковой навигации. Низкое энергопотребление позволяет применять его для поиска ракеты в течении длительного времени.Модуль обладает достаточной механической прочностью, работает в необходимом диапазоне температур. Имеет следующие погрешности определения координат по уровню60% –1,5 м в плане и 3 м по высоте.Для работы модуля ускорение не должно превышать 3g, скорость изменения ускорения – не более 1 g/с.На рисунке 7 изображён расчётный график высоты ракеты относительно времени, крестиком обозначена каждая целая секунда. Таким образом, данные модуля станут достоверны, начиная с высоты 1300 м (где ускорение менее 3g) и будут оставаться таковыми на протяжении всего полёта с парашютом. Модуль может использоваться для определения скоростиполёта (на той же рабочей траектории).

Подключается ML8088sE к микроконтроллеру по UART. Следующие настройки используются в качестве настроекпоумолчанию.

Порт ML8088sE: UART1– вывод потока сообщений NMEA и ввод команд и данных в приемник(«порт NMEA»)

115200 бит/с;

0 битов чётности;

1 стоповый бит;

8 бит данных;

порт USB не активирован.

Питание 3,3 В.

4.4 Датчик давления MPX5100DP

Скорость полёта может быть вычислена различными путями. При небольших ускорениях можно получать её из модуля GPS. Однако ввиду больших ускорений (до 20g) предпочтительнее вычислять скорость по разности давлений, создаваемой набегающим потоком и статическим давлением.Разность эта измеряется с помощью датчика дифференциального давления. Между собой датчики отличаются используемыми физическими принципами, что находит отражение на их параметрах: диапазоне, погрешности, стоимости и других [16].На основе анализа требований был выбран MPX5100DP. Предварительный расчёт показал, что предельная скорость ракеты, измеряемая с его помощью, составит 420 м/с, в то время как расчётная предельная скорость ракеты 270 м/с. Легко видеть, что запас составил 150 м/с.Датчик MPX5100DPаналоговый, подключается к АЦП. Особенность использования этого датчика в том, что номинальное напряжение питания составляетне 3,3 В, а 5 В. В цепи питания MPX5100DP используется DC-DC преобразователь из 3,3В в 5В.Так как выходной сигнал в таком случае тоже будет 5В, требуется согласование уровня. Принимая во внимание максимальный ток линии 0,1 мA,однонаправленность,встроенные защитные диоды МК на ток порядка 1 мА [17], в качестве такого согласователя подойдёт резистор сопротивлением не менее1,1КОм.

В проекте применяется 10-битный АЦП, вход которого соединён с портом PF0. АЦП Mega128, как и любому другому АЦП, нужно опорное напряжение для целей сравнения со входным. Битов REFS1, REFS0 регистра ADMUX были сброшены, таким образом в проекте используется опорное напряжение , подаваемое на ножку AREF (на схеме Proteusзакорочены). Данное решение обеспечивает простоту реализации, но высокий уровень помех. Также интересен режим REFS1=0, REFS0=1, позволяющий сильнее снизить влияние помех, но требующий подбора дополнительной элементной базы.

4.5 Карта памяти

Для резервирования принятых данных используется SD карта памяти в режиме SPI.Питание 3,3 В.Объём карты памяти определяется размером пакета для передачи и частотой его записи на карту, эти данные приведены в таблицеТаблица 1. Также необходимо учитывать, что процесс записи будет происходит только в режиме «полёт». Таким образом карты памяти объёмом более 1 Мбайт более чем достаточно. Из той же таблицы можно судить о минимальной скорости записи карты.

4.6 Исполнительные механизмы

Главной движущей силой механизмов выброса зондов, парашютов, расстыковки ступеней являются сервомашинки.Они обеспечивают значительный крутящий момент и способны удерживать заданное положение.Это позволяет обеспечить работу электромеханических замков в условиях ударных нагрузок. Опытным путём было установлено, что момента 9.6 кг/см достаточно для открывания любого из замков. На представленной ниже иллюстрации видны исполнительные механизмы ракеты TSR 1.1: сервомашинка (чёрная) управляет блокировкой дверцы; видны две пружины (их управляющие сервомашинки закреплены сзади).

Для унификации во все системы могут были закуплены одинаковые аналоговые сервомашинки Turnigy TGY-AN10.

Рисунок 14 – Исполнительные механизмы TSR 1.1

4.8 Модуль ориентации MPU–9250

В качестве датчика ориентации может выступать MPU–9250 [18]. Это позволяет расширить функциональность контроллера, в его состав войдут следующие технические средства.

Акселерометр. Линейные ускорения: до 16g по каждой оси, точностью не менее 0,5g.

Гироскоп. Угловая скорость: до 2000 градус/с по каждой оси с точностью не менее 5 градус/с;

Магнетометр. Магнитная индукция до ±4800µT по каждой оси, точностью не менее 100 µT.

Наличие данных технических средств позволит реализовать следующие функции, заложенные на этапе постановки задач. В случае неисправной чеки аппаратура всё равно сможет перейти в состояние «полёт» на основе анализа ускорения. Станет возможенконтроль параметров траектории с помощью инерциально–измерительной системы.

MPU–9250 взаимодействует с МК посредством SPI или I2C. Питание 3,3 В.

4.9 Микроконтроллер

Выбор МК выполнялся на основе структурной схемы и алгоритмического обеспечения. Для реализации требуются блоки ADC, I2C, SPI, USART, GPIO, аппаратные счётчики-таймеры, контроллер прерываний. Микроконтроллер должен успевать опрашивать все датчики, вовремя выдавать управляющие воздействия и выдавать информацию в канал приёмопередатчика. Дополнительные ресурсы требует ОСРВ.Особенностью МК является повышенное требование к объему памяти программ и памяти данных, так как использование FreeRTOSдаже для переключения состояния порта требует 6238 байт памяти программ и 1668 байт памяти данных. Конкретные значения памяти программ и данных будут уточнены при отладке. На основании этих соображений был выбранМК ATmega128.Были задействованы аппаратные таймеры: 16 битный TIMER1 для FreeRTOS, 8 битный TIMER2 для модуля FatFs (работа с SD картой) и для вызова функции опроса кнопок, 16 битный TIMER3 для генерации ШИМ сервомашинок.

Выбор тактовой частоты связан с задачей снижения энергопотребления. Это актуальный вопрос в системе с батарейным питанием. Снижение частоты ограничивают: используемая скорость USART, необходимая частота АЦП и другие блоки, а также необходимая производительность системы на базе МК (особенно при использовании арифметики с плавающей запятой).

Однако при дальнейшем развитии системымощности этого МК может не хватить и предполагается переход на контроллеры с 32-х разрядной архитектурой:ARM, MIPS. Для сохранения привычной среды разработки, средств программирования и отладки, в качестве оптимального вариантом может считаться применение в дальнейшем платформы Atmel SAM, например, ATSAME70J19A.

4.10 Блок питания

Для питания используется разделение на цифровую и на силовую части.К силовой части относится цепь питания сервомашинок, которые при своей работе создают помехи в цепи, это может вызвать сброс микроконтроллера, неправильные измерения. К тому же им требуется повышенное по сравнению с цифровой частью питание: от 5 В. Поэтому при разработке печатной платы рекомендуется применить гальваническую развязку. Неочевидное следствие этого приёма – инверсия управляющих сигналов сервомашинок, что должно быть учтено при программировании.Для обеспечения безотказной работы в условиях ударных нагрузок контакты аккумуляторов могут были припаяны, но это снизит универсальность. В качестве альтернативы может использоваться подпружиненный разъём, но возможен дребезг контакта; в качестве контрмеры предлагается подключить конденсатор параллельно питанию[19].

Под цифровой частью будем понимать цепи компонентов, приведённых в таблице 2. Питание цифровой части осуществляется от аккумулятора цифровой части. Расчёт показывает, что при ёмкости аккумулятора 1,1 А·ч цифровая часть сможет работать более пять часов.

Таблица 2– Потребление цифровой части

В проекте используется батарейное питание во всех режимах, кроме режима «зарядка». Оно должно обеспечить требуемое время работы, соответствие габаритам и предельно допустимой массе ракеты.Бортовая электроника спроектирована таким образом, чтобы позволить эксплуатировать разные типы аккумуляторов: LiFePo4, Li–po и другие. Это обеспечивает универсальность и удобство. Необходимо отметить, что встроенное в бортовую систему зарядное устройство поддерживает только LiFePo4, Li–po, таким образом, эксплуатация других типов аккумуляторов возможна при использовании внешнего зарядного устройства. Наиболее перспективными нам видятся LiFePo4 аккумуляторы. Они имеют напряжение до 3,5 В, хорошо сохраняют его при разряде, а также имеют самое большое количество циклов перезарядки.

В качестве стабилизатора напряжения для сервомашинок может быть выбран dc–dc преобразователь TPS54620. Он обеспечивает большой ток (до 6А) и стабилизацию 4,5 – 17 В. TPS54620 стабилизирует напряжение с двух последовательноподключённых аккумуляторов во все режимах, кроме режима «зарядка», то есть от 6 до 8,4 В.В режиме«зарядка» стабилизируется внешнее питание от 5 до 17 В.TPS54620 имеет вывод Power Good (PWRGD). Сигнал на нём зависит от состояния вывода VSENSE.На PWRGDуровень «0», когдаVSENSEниже 91% или выше 109%, чем номинальный внутренний опорный источник.TPS54620 использует выход с открытым стоком на выводе PWRGD.На рисунке ниже изображена схема подключения TPS54620.

Рисунок 15 – Схема подключения TPS54620