CanSat - Ghid pentru începători: 6 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:45

Obiectivul principal al acestor instructabile este împărtășirea procesului de dezvoltare a unui CanSat, pas cu pas. Dar, înainte de a începe, să clarificăm cu adevărat ce este un CanSat și care sunt funcționalitățile sale principale, profitând și de ocazie, vom prezenta echipa noastră. Acest proiect a început ca un proiect de extindere în universitatea noastră, Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), campusul Cornélio Procópio. Îndrumați de consilierul nostru, am dezvoltat un plan de acțiune cu intenția de a intra în CanSats, ceea ce însemna studierea tuturor aspectelor și caracteristicilor sale, pentru a putea înțelege cum funcționează, ceea ce ar duce la construirea un CanSat și dezvoltarea acestui ghid. Un CanSat este clasificat ca picosatelit, ceea ce înseamnă că greutatea sa este limitată la 1 kg, dar în mod normal CanSats cântărește aproximativ 350 g, iar structura sa se bazează într-o cutie de sodă, un cilindru de 6, 1 cm diametru, 11, 65 cm înălțime. Acest model a fost prezentat cu intenția de a simplifica procesul de dezvoltare a unui satelit, pentru a permite accesul universităților la aceste tehnologii, atingând popularitate datorită competițiilor care au adoptat acest tipar. În general, CanSats se bazează pe 4 structuri, adică sistemul de alimentare, sistemul de detectare, sistemul de telemetrie și sistemul principal. Deci, să aruncăm o privire mai atentă asupra fiecărui sistem: - Sistem de alimentare: acest sistem este responsabil pentru furnizarea energiei electrice celorlalți, în funcție de nevoile sale. Cu alte cuvinte, ar trebui să furnizeze sistemelor tensiunea și curentul necesar, respectând limitele sale. De asemenea, poate prezenta componente de protecție, pentru a garanta siguranța și comportamentul corect al celorlalte sisteme. În mod obișnuit se bazează pe o baterie și un circuit de reglare a tensiunii, dar se pot adăuga multe alte caracteristici, cum ar fi tehnicile de gestionare a energiei și mai multe tipuri de protecții. - Sistem de detectare: acest sistem este compus din toți senzorii și dispozitivele care sunt responsabile pentru colectarea datelor necesare. poate fi conectat la sistemul principal în mai multe moduri, protocoale seriale, protocoale paralele printre altele, de aceea este foarte important să stăpânești toate aceste tehnici, pentru a putea determina cea mai convenabilă. În general, protocolul serial este cel care este adesea ales, datorită numărului mai mic de conexiuni și versatilitate, de departe cele mai populare sunt protocoalele SPI, I2C și UART. - Sistem de telemetrie: acest sistem este responsabil pentru stabilirea comunicației fără fir între CanSat și stația de control la sol, care include protocolul și hardware-ul de comunicații fără fir. - Sistem principal: acest sistem este responsabil pentru interconectarea tuturor celorlalte sisteme, într-un mod în care controlează și sincronizează, de asemenea, succesiunea lor de funcționare ca organism.

Pasul 1: Sistemul principal

Din multe motive, am ales un microcontroler bazat pe ARM® Cortex®-M4F, este un MCU de putere redusă, care oferă o putere de procesare mult mai mare, plus câteva caracteristici care nu sunt frecvent întâlnite în microcontrolerele RISK, cum ar fi funcțiile DSP. Aceste caracteristici sunt interesante deoarece permit creșterea complexității caracteristicilor aplicațiilor CanSat, fără a fi nevoie să schimbați microcontrolerul (desigur, respectându-i și limitele).

Atâta timp cât proiectul avea mai multe limitări financiare, microcontrolerul ales ar fi trebuit, de asemenea, să fie accesibil, așa că, urmând specificațiile, am ajuns să alegem ARM® Cortex®-M4F Bazat pe MCU TM4C123G LaunchPad, este un launchpad care tocmai s-a potrivit proiectului nostru. De asemenea, documentația (fișele tehnice și documentația caracteristicilor furnizate de fabricant) și IDE-ul MCU au fost profesioniști care ar trebui cu adevărat luați în considerare, atâta timp cât au ajutat foarte mult procesul de dezvoltare.

În acest Cansat, am decis să îl simplificăm și să-l dezvoltăm doar folosind launchpad-ul, dar, desigur, în proiectele viitoare, aceasta nu va fi o opțiune, având în vedere că mai multe caracteristici incluse în launchpad nu sunt de fapt necesare pentru proiectul nostru, plus formatul său a limitat foarte mult proiectul structurii CanSat-ului nostru, atâta timp cât dimensiunile unui CanSat sunt minime.

Deci, după alegerea „creierului” adecvat pentru acest sistem, următorul pas a fost dezvoltarea software-ului său, de asemenea, pentru a-l simplifica, am decis să folosim pur și simplu un program secvențial, care face următoarea secvență la o frecvență de 1Hz:

Citirea senzorilor> stocarea datelor> transmiterea datelor

Partea senzorilor va fi explicată mai târziu în sistemul de detectare, precum și transmiterea datelor va fi explicată în sistemul de telemetrie. În cele din urmă, a fost să învățăm cum să programăm microcontrolerul, în cazul nostru, trebuia să învățăm următoarele funcții ale MCU, GPIO-urilor, modulului I2C, modulului UART și modulului SPI.

GPIO-urile, sau pur și simplu de intrare și ieșire cu scop general, sunt porturi care pot fi utilizate pentru a îndeplini mai multe funcții, atâta timp cât sunt setate corect. Având în vedere că nu folosim nicio bibliotecă C pentru GPIO-uri, nici măcar pentru celelalte module, trebuia să configurăm toate registrele necesare. Din acest motiv, am scris un ghid de bază care conține exemple și descrieri legate de registrele modulelor pe care le folosim, care sunt disponibile mai jos.

De asemenea, pentru a simplifica și organiza codul, au fost create mai multe biblioteci. Deci, bibliotecile au fost create pentru următoarele scopuri:

- protocol SPI

- Protocol I2C

- Protocol UART

- NRF24L01 + - transceptor

Aceste biblioteci sunt disponibile și mai jos, dar nu uitați că am folosit Keil uvision 5 IDE, astfel încât aceste biblioteci nu vor funcționa pentru compozitorul de coduri. În cele din urmă, după crearea tuturor bibliotecilor și învățarea tuturor lucrurilor necesare, codul final a fost pus împreună și, după cum v-ați putea imagina, este disponibil și mai jos.

Pasul 2: Sistemul de detectare

Acest sistem este compus din toți senzorii și dispozitivele care sunt responsabile pentru colectarea informațiilor despre condițiile de funcționare ale CanSat. În cazul nostru am ales următorii senzori:

- un accelerometru digital pe 3 axe - MPU6050

- un giroscop digital cu 3 axe - MPU6050

- un magnetometru digital pe 3 axe - HMC5883L

- un barometru digital - BMP280

- și un GPS - Tyco A1035D

Alegerile s-au bazat în principal pe accesibilitate, ceea ce a însemnat că atâta timp cât caracteristicile mecanice și electrice (protocolul de comunicație, sursa de alimentare etc.) sunt compatibile cu proiectul nostru, nu au fost impuși alți parametri alegerilor, deoarece și pentru unii senzori disponibilitatea de opțiuni a fost limitat. După achiziționarea senzorilor, a venit momentul să le punem la treabă.

Deci, primul explorat a fost accelerometrul digital cu 3 axe și giroscopul, numit MPU6050 (poate fi găsit cu ușurință oriunde, atâta timp cât este utilizat pe scară largă în proiectele ARDUINO), comunicarea sa se bazează pe protocolul I2C, protocol în care fiecare sclav deține o adresă, permițând conectarea mai multor dispozitive în paralel, având în vedere că adresa are o lungime de 7 biți, aproximativ 127 de dispozitive pot fi conectate la aceeași magistrală serială. Acest protocol de comunicare funcționează pe două autobuze, o magistrală de date și o magistrală de ceas, astfel încât, pentru a face schimb de informații, masterul trebuie să trimită 8 cicluri de ceas (de altfel informațiile trebuie să se potrivească unui octet, atâta timp cât aceste comunicări sunt bazate pe pe dimensiunea octeților) fie într-o operație de recepție, fie într-o operație de transmisie. Adresa MPU6050 este 0b110100X, iar X este folosit pentru a apela (indică) o operație de citire sau de scriere (0 indică o operație de scriere și 1 indică o operație de citire), deci ori de câte ori doriți să citiți senzorul, folosiți adresa acestuia ca 0xD1 și ori de câte ori doriți să scrieți, folosiți adresa acestuia ca 0xD0.

După explorarea protocolului I2C, MPU6050 a fost de fapt studiat, cu alte cuvinte fișa sa tehnică a fost citită, pentru a obține informațiile necesare pentru ao pune în funcțiune, pentru acest senzor fiind necesare doar trei registre pentru a fi configurate, gestionarea energiei 1 registru - adresa 0x6B (pentru a garanta că senzorul nu este în modul repaus), registrul de configurare a giroscopului - adresa 0x1B (pentru a configura gama completă a scalei pentru giroscop) și, în final, registrul de configurare a accelerometrului - adresa 0x1C (în pentru a configura gama completă a scalei pentru accelerometru). Există mai multe alte registre care pot fi configurate, permițând optimizarea performanței senzorului, dar pentru acest proiect aceste configurații sunt suficiente.

Deci, după ce ați configurat corect senzorul, acum îl puteți citi. Informațiile dorite au loc între registrul 0x3B și registrul 0x48, fiecare valoare a axei este compusă din doi octeți care sunt codificați în modul complementar al 2, ceea ce înseamnă că datele citite trebuie convertite pentru a fi semnificative (aceste lucruri vor fi discutat mai târziu).

După ce ați terminat cu MPU6050, a fost timpul să studiați magnetometrul digital pe 3 axe, numit HMC5883L (poate fi găsit cu ușurință oriunde, atâta timp cât este utilizat pe scară largă în proiectele ARDUINO), iar protocolul său de comunicare este protocolul serial I2C. Adresa sa este 0b0011110X, iar X este folosit pentru a apela (indică) o operație de citire sau de scriere (0 indică o operație de scriere și 1 indică o operație de citire), deci ori de câte ori doriți să citiți senzorul, folosiți adresa acestuia ca 0x3D și ori de câte ori vrei să scrii, doar folosește adresa acestuia ca 0x3C.

În acest caz, pentru a obține inițializarea HMC5883L, trebuiau configurate trei registre, registrul de configurare A - adresa 0x00 (pentru a configura rata de ieșire a datelor și modul de măsurare), registrul de configurare B - adresa 0x01 (pentru a configura câștigul senzorului) și nu în ultimul rând registrul de moduri - adresa 0x02 (pentru a configura modul de funcționare al dispozitivului).

Deci, după ce ați configurat corect HMC5883L, acum este posibil să-l citiți. Informațiile dorite au loc între registrul 0x03 și registrul 0x08, fiecare valoare a axei este compusă din doi octeți care sunt codificați în modul complementar al 2, ceea ce înseamnă că datele citite trebuie convertite pentru a fi semnificative (aceste lucruri vor fi discutat mai târziu). În special, pentru acest senzor ar trebui să citiți toate informațiile simultan, altfel s-ar putea să nu funcționeze așa cum s-a propus, atâta timp cât datele de ieșire sunt scrise în aceste registre numai când au fost scrise toate registrele. deci asigurați-vă că le citiți pe toate.

În cele din urmă, a fost studiat barometrul digital, un alt senzor de protocol I2C, numit și BMP280 (poate fi găsit cu ușurință oriunde, atâta timp cât este utilizat pe scară largă în proiectele ARDUINO). Adresa sa este b01110110X, de asemenea, X este utilizat pentru a apela (indică) o operație de citire sau de scriere (0 indică o operație de scriere și 1 indică o operație de citire), deci ori de câte ori doriți să citiți senzorul, folosiți adresa acestuia ca 0XEA și ori de câte ori doriți să scrieți, folosiți adresa acestuia ca 0XEB. Dar, în cazul acestui senzor, adresa I2C poate fi modificată prin schimbarea nivelului de tensiune pe pinul SDO, deci dacă aplicați GND la acest pin, adresa va fi b01110110X și dacă aplicați VCC la acest pin, adresa va merge pentru a fi b01110111X, de asemenea, pentru a activa modulul I2C în acest senzor, trebuie să aplicați un nivel VCC pe pinul CSB al senzorului, altfel nu va funcționa corect.

Pentru BMP280 ar fi trebuit să fie configurate doar două registre pentru ca acesta să funcționeze, registrul ctrl_meas - adresa 0XF4 (pentru a seta opțiunile de achiziție a datelor) și registrul de configurare - adresa 0XF5 (pentru a seta rata, filtrul și opțiunile de interfață pentru senzor).

După ce ați terminat cu lucrurile de configurare, este timpul pentru ceea ce contează cu adevărat, datele în sine, în acest caz informațiile dorite au loc între registrele 0XF7 și 0XFC. Atât temperatura, cât și valoarea presiunii sunt compuse din trei octeți care sunt codificați în modul complementar al celor 2, ceea ce înseamnă că datele citite trebuie convertite pentru a fi semnificative (aceste lucruri vor fi discutate mai târziu). De asemenea, pentru acest senzor, pentru a obține o precizie mai mare, există mai mulți coeficienți de corecție care pot fi utilizați la conversia datelor, aceștia sunt situați între registrele 0X88 și 0XA1, da, există 26 de octeți de coeficienți de corecție, deci dacă precizia este nu atât de important, uită-le, altfel nu există altă cale.

Și nu în ultimul rând GPS - Tyco A1035D, acesta se bazează pe protocolul serial UART, în mod specific la viteza de 4800 kbps, fără biți de paritate, 8 biți de date și 1 bit de oprire. este un protocol serial în care sincronizarea informațiilor se face prin intermediul software-ului, de aceea este un protocol asincron, de asemenea datorită acestei caracteristici, rata în care informațiile sunt transmise și primite este mult mai mică. În mod specific pentru acest protocol, pachetele trebuie să înceapă cu un bit de pornire, dar bitul de oprire este opțional, iar dimensiunea pachetelor are o lungime de 8 biți.

În cazul GPS - Tyco A1035D, au fost necesare două configurații, care erau setDGPSport (comanda 102) și Query / RateControl (comanda 103), toate aceste informații, plus mai multe opțiuni sunt disponibile în manualul de referință NMEA, protocolul utilizat în majoritatea modulelor GPS. Comanda 102 este utilizată pentru a seta rata de transmisie, cantitatea de biți de date și existența sau nu a biților de paritate și a biților de oprire. Comanda 103 este utilizată pentru a controla ieșirea mesajelor standard NMEA GGA, GLL, GSA, GSV, RMC și VTG, acestea sunt descrise cu detalii în manualul de referință, dar în cazul nostru, cel ales a fost GGA care reprezintă Global Date fixe ale sistemului de poziționare.

Odată ce GPS - TycoA1035D este configurat corect, acum este necesar doar să citiți portul serial și să filtrați șirul primit în funcție de parametrii aleși, pentru a permite prelucrarea informațiilor.

După ce am învățat toate informațiile necesare despre toți senzorii, a fost nevoie doar de un efort suplimentar pentru a pune totul împreună în același program, folosind și bibliotecile de comunicații seriale.

Pasul 3: Sistemul de telemetrie

Acest sistem este responsabil pentru stabilirea comunicației între controlul la sol și CanSat, pe lângă parametrii proiectului, a fost restricționat și în alte moduri, atât timp cât transmisia RF este permisă numai în anumite benzi de frecvență, care nu sunt ocupate din cauza alte servicii RF, cum ar fi serviciile mobile. Aceste restricții sunt diferite și se pot schimba de la o țară la alta, deci este important să verificați întotdeauna benzile de frecvență permise pentru utilizare obișnuită.

Există multe opțiuni de radio disponibile pe piață la prețuri accesibile, toate aceste sisteme oferă moduri diferite de modulare la frecvențe diverse, pentru acest sistem alegerea noastră a constat într-un transceiver RF de 2,4 GHz, NRF24L01 +, datorită faptului că a avut deja un protocol de comunicare bine stabilit, atâta timp cât sistemele de verificare precum recunoașterea automată și sistemele de retransmisie automată. Mai mult, viteza sa de transmisie ar putea atinge viteze de până la 2 Mbps la un consum rezonabil de energie.

Deci, înainte de a lucra la acest transceiver, să aflăm un pic mai multe despre NRF24L01 +. După cum sa menționat anterior, este un radio bazat pe 2,4 GHz, care poate fi configurat ca receptor sau emițător. Pentru a stabili comunicarea, fiecare transceiver are o adresă, care poate fi configurată de utilizator, adresa poate avea o lungime de 24 până la 40 de biți în funcție de nevoile dumneavoastră. Tranzacțiile de date pot avea loc într-un mod unic sau continuu, dimensiunea datelor este limitată la 1 octet și fiecare tranzacție poate sau nu să genereze o condiție de confirmare în conformitate cu configurațiile transceiverului.

Sunt posibile și alte câteva configurații, cum ar fi câștigul către ieșirea semnalului RF, existența sau nu a unei rutine de retransmisie automată (în caz afirmativ, poate fi aleasă cantitatea de încercări, printre alte caracteristici) și alte câteva caracteristici care nu sunt neapărat utile pentru acest proiect, dar oricum sunt disponibile în foaia tehnică a componentei, în cazul în care există vreun interes cu privire la acestea.

NRF24L01 + „vorbește” limbajul SPI atunci când vine vorba de comunicarea serială, deci ori de câte ori doriți să citiți sau să scrieți acest transceiver, pur și simplu mergeți mai departe și utilizați protocolul SPI pentru acesta. SPI este un protocol serial așa cum s-a menționat anterior, în care selecția sclavilor se face printr-un pin CHIPSELECT (CS), care împreună cu full duplex (atât masterul, cât și slave-ul pot transmite și primi în mod paralel) caracteristică din acest protocol permite viteze mult mai mari de tranzacționare a datelor.

Fișa tehnică a NRF24L01 + oferă un set de comenzi pentru citirea sau scrierea acestei componente, există diferite comenzi pentru a accesa registrele interne, sarcina utilă RX și TX printre alte operații, deci, în funcție de operația dorită, ar putea fi necesară o comandă specifică pentru efectuați-o. De aceea, ar fi interesant să aruncăm o privire la foaia tehnică, în care există o listă care conține și explică toate acțiunile posibile asupra transceiverului (nu le vom lista chiar aici, deoarece acesta nu este punctul principal al acestor instructabile).

Pe lângă transceiver, o altă componentă importantă a acestui sistem este protocolul prin care toate datele dorite sunt trimise și primite, atâta timp cât sistemul ar trebui să funcționeze simultan cu mai mulți octeți de informații, este important să cunoaștem semnificația fiecărui octet, pentru asta funcționează protocolul, permite sistemului să identifice în mod organizat toate datele primite și transmise.

Pentru a menține lucrurile simple, protocolul utilizat (pentru emițător) a constat dintr-un antet format din 3 octeți urmat de datele senzorului, atâta timp cât toate datele senzorilor au fost formate din doi octeți, fiecărui senzor i s-a dat un număr de identificare începând cu de la 0x01 și urmând într-o ordine semilună, deci la fiecare doi octeți există un octet de identificare, astfel secvența antetului nu a putut fi repetată întâmplător în funcție de citirile senzorului. Receptorul a ajuns să fie la fel de simplu ca și transmițătorul, protocolul avea nevoie doar pentru a recunoaște antetul trimis de transmițător și după ce a stocat doar octeții primiți, în acest caz am decis să folosim un vector pentru a le stoca.

Deci, după ce ați realizat toate cunoștințele necesare despre transceiver și ați stabilit protocolul de comunicație, este timpul să puneți totul împreună în aceeași bucată de cod și, în cele din urmă, să finalizați firmware-ul CanSat.

Pasul 4: Sistemul de alimentare

Acest sistem este responsabil pentru furnizarea celorlalte sisteme de energia necesară pentru a funcționa corect, în acest caz am decis să folosim pur și simplu o baterie și un regulator de tensiune. Deci, pentru dimensionarea bateriei, au fost analizați câțiva parametri de funcționare ai CanSat, acești parametri ar ajuta la definirea modelului și a puterii necesare pentru alimentarea întregului sistem.

Având în vedere că CanSat ar trebui să poată dura câteva ore pornit, cel mai potrivit lucru de făcut a fost să ia în considerare cele mai extreme situații de consum de energie, în care fiecare modul și sistem atașat la CanSat ar consuma cel mai mare curent posibil. Cu toate acestea, este, de asemenea, important să fiți rezonabili în acest moment să nu depășiți dimensiunea bateriei, ceea ce nu este, de asemenea, interesant din cauza limitărilor de greutate ale CanSat.

După consultarea tuturor fișelor tehnice ale componentelor tuturor sistemelor, curentul total consumat de sistem a fost aproximativ 160mAh aproximativ, având în vedere o autonomie de 10 ore, o baterie de 1600mAh a fost suficientă pentru a garanta sistemului condițiile de lucru corespunzătoare.

După ce cunoașteți încărcarea necesară a bateriei, există alte aspecte de luat în considerare în ciuda autonomiei, precum dimensiunea, greutatea, temperatura de funcționare (atâta timp cât CanSat este păstrat în interiorul unei rachete), tensiunile și forțele de la care se supune același lucru, printre altele.

Pasul 5: Structura

Structura este cu adevărat importantă pentru siguranța CanSat, deși a fost puțin neglijată în acest proiect (de fapt, nu a existat un interes prea mare în dezvoltarea părții mecanice a CanSat, datorită faptului că toți membrii cursuri a fost legat de electronică). Atâta timp cât proiectul se bazează pe un model existent, modelul CanSat, fără să se gândească prea mult la cum va arăta, era necesar, deci ar trebui să fie modelat într-un format cilindru, cu aproximativ 6, 1 cm diametru și aproximativ 11, 65 cm înălțime (aceleași măsuri ca o cutie de sodă).

După ce ați terminat cu structura exterioară, atenția s-a concentrat pe sistemul de atașare, responsabil cu menținerea tuturor plăcilor în interiorul structurii cilindrice, permițând, de asemenea, absorbția accelerațiilor la care ar fi supus CanSat, după o discuție despre aceasta, s-a decis atașarea ambelor structuri prin turnarea spumei de înaltă densitate, la formele dorite.

Structura exterioară a fost construită folosind țevi din PVC, cu diametrul dorit, pentru a închide structura au fost folosite niște capace de țevi din PVC

Pasul 6: Concluzii și gânduri viitoare

CanSat trebuie încă testat în acțiune, de fapt aplicăm pentru o competiție de rachete (care urmează să se întâmple în decembrie), de asemenea, după ce am trecut prin toată clădirea (cam, de fapt, mai trebuie să terminăm câteva lucruri) și dezvoltare proces, s-au observat câteva perspective și note pe care am considerat că ar fi interesant să le împărtășim tuturor, în principal despre lupte, sfaturi și chiar experiențe bune, așa că iată:

- Începutul proiectului a devenit cea mai prolifică perioadă de dezvoltare a întregului proiect, din păcate, grupul a devenit cam dezinteresat de proiect până la termenul limită, poate din cauza lipsei de rezultate imediate, sau poate doar a lipsei comunicării, oricum mai multe lucruri bune au ieșit din proiect

- A fost nevoie de mult efort pentru ca funcționarea transceiverului să funcționeze, deoarece toate bibliotecile au fost dezvoltate de la zero, de asemenea, pentru că este nevoie de două programe și setări diferite pentru a testa astfel de lucruri

- În cazul nostru, nu a fost cea mai bună dintre idei să lucrăm pe microcontrolere bazate pe configurații de registre, nu toți membrii au reușit să țină pasul cu restul grupului, ceea ce a dus la unele probleme, cum ar fi divizarea sarcinilor. Există o mulțime de biblioteci C decente pentru microcontrolerul pe care îl foloseam, așa că ar fi fost o idee mult mai bună să folosim acele resurse, există și un IDE numit Code Composer, care oferă, de asemenea, tone de resurse pentru aceste microcontrolere

- CanSat are încă nevoie de multe îmbunătățiri, această experiență s-a bazat pe tehnici și abilități de bază, de asemenea, mai multe probleme nu au fost luate în considerare, așa că, în viitor, sperăm că o versiune de top a acestui CanSat ar putea deveni realitate cu mai mult efort și muncă grea..