TEVA - Telemetrie Variometer |
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Da wir Modellflieger nicht wie die "echten" Piloten im Flugzeug sitzen und den Zustand des Fliegers und der Umgebung von den Instrumenten ablesen oder selbst fühlen können, ist es sinnvoll, eine Verbindung zwischen dem Modell in der Luft und dem Piloten am Boden herzustellen. Von einer Telemtrieverbindung profitiert nicht nur der Profi, der sein Modell optimieren möchte - auch für Anfänger kann z.B. eine genaue Anzeige des Ladezustandes des Antriebakkus manch Außenlandung mit Beschädigung verhindern. Eine Temperaturmessung des Motors kann Auskunft geben, ob Kühlluftschlitze in die Rumpfnase müssen. Für Seglerpiloten ist vor allem die genaue Flughöhe des Modells und Änderungen in Geschwindigkeit und Höhe wichtig, um Thermik zu finden und auszunutzen. Und für jeden Piloten ist der Zustand Empfängerstromversorgung von großer Bedeutung.
Bei der Auslegung des TEVA wird vor allem auf einfachen Aufbau und geringe Kosten Wert gelegt. Es kann nicht ganz mit den über 300 € teuren Boardcomputern und Variometern konkurrieren - ist aber günstiger. Außerdem nutzt es die wertvolle Verbindung zwischen Modell und Pilot nicht nur zum "piepsen" wie die meisten Varios sondern zur Übertragung verschiedenster Messgrößen. Obwohl der Aufbau recht leicht ist, sollte man etwas Erfahrung im Elektrobasteln haben und zumindest wissen, wo beim Lötkolben das heiße Ende ist.
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Inhalt
Sensoren
Hardware
Programmierung
Verhalten des Systems im Einsatz
Genereller Aufbau
Das Herzstück des TEVA ist der AVR ATtiny15 Mikroprozessor von ATMEL. Er ist recht günstig und ohne aufwändiges Programmiergerät selbst beschreibbar. An ihn können 4 analoge Sensoren angeschlossen werden. Die Messungen der Sensoren wird mit einer Genauigkeit von 10Bit (=1024 Schritte) weiterverarbeitet. Zusätzlich steht ein Digitaleingang zur Verfügung. Die Messwerte der Sensoren werden im Controller von der Software sender.asm verarbeitet und an den Funksender weitergegeben. Zum Empfang kann kein normales Handfunkgerät (LPB) verwendet werden, sondern die spezielle Empfängerschaltung. Somit werden die Telemetriedaten durch den Empfangscontroller grafisch auf der LCD-Anzeige und das Variosignal akustisch auf dem Lautsprecher dargestellt. Alternativ lassen sich die Messdaten auch auf einem Notebook ausgeben. Das komplette System ist modular aufgebaut, d.h. es können einfach Sensoren und Komponenten angesteckt oder weggelassen werden. Außerdem sind fast alle Teile bei dem Elektronik-Versand Conrad.de erhältlich. |
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Sensoren
Der Höhensensor:
Bauteile für Aufbau auf Lochrasterplatine
Die große Messgenauigkeit des insgesamt teuersten Sensors mit < 10cm bei einem Messbereich > 10000m kann leider mit TEVA nicht voll genutzt werden. Bei dieser Beschaltung liegt der Messbereich bei ca. 400m in 20 cm Schritten. Durch das Vergrößern von R1 kann die Auflösung verringert und der Messbereich vergrößert werden. Am besten werden anfangs Potis anstatt der Widerstände eingebaut. Da der OP 2 Kanäle besitzt, kann der andere Kanal zur Verstärkung eines anderen Sensors genutzt werden.
Kosten: ca 30 EUR
Der Höhensensor wird an ACD3 angeschlossen.
Der Spannungssensor:
Bauteile für Aufbau auf Lochrasterplatine
7 mV Schritte bei einem Messbereich von 0V bis 7 V. Der Spannungssensor eignet sich besonders für die Überwachung der Empfängerstromversorgung mit 4/5 Zellen.
Kosten: ca 1 EUR
Der Spannungssensor wird an ADC2 angeschlossen.
Der Geschwindigkeitssensor:noch nicht einsetzbar
Bauteile
Bei diesem Sensor wird ein mini Elektroantrieb mit verkürztem Propeller als Geschwindigkeitssensor missbraucht. Der Geschwindigkeitssensor kann die Variofunktion nicht um TEK (Totalenergiekompensation) erweitern, da der Elektromotor die Geschwindigkeit nicht proportional in Spannung umwandelt und die Tragflügelpolare unterschiedlicher Modelle nicht bekannt sind. Bei einer Geschwindigkeit von 50km/h sollte der Sensor 2,5 V liefern und 5 V nicht überschreiten, um richtig durch die Empfangsschaltung ausgewertet zu werden.
Kosten: ca 1 EUR
Der Speedsensor wird alternativ zum Stromsensor an ADC? angeschlossen.
Der Temperatursensor:
Bauteile für Aufbau auf Lochrasterplatine
Der Informationen des analogen Sensors werden mit einer Genauigkeit von ca 0,5K und einem Messbereich von -20°C bis 50°C weiterverarbeitet.
Kosten: ca 1 EUR
Der Temperatursensor wird an ADC1 angeschlossen.
Hardware
Beispiel für die Sender-Schaltung
folgende Schaltung in smd-Bauweise enthält den Höhensensor, Rx-Spannungssensor und Temperatursensor
Bauteile für Aufbau mit smd
Zur Gewichts- und Größeneinsparung wird die Platine am besten in smd-Bauweise hergestellt. Um die Platine leichter anzufertigen und zu bestücken, wurde ein 1-seitiges Layout gewählt; ein 2-seitiges Layout wäre zwar viel kompakter, aber wegen der Durchkontaktierungen schwerer nachzubauen. Wer eine normale Lochrasterplatine verwenden möchte, muss die sich die Bauteile nicht in smd SO8- und 1208-Gehäusen sondern in entsprechenden DIL-Gehäusen wie in den Plänen weiter oben besorgen.
Fertig geätzte smd-Platinen können auch von mir bezogen werden:
zuzüglich Versandkosten. Email an: r_kretsc@informatik.uni-kl.de
Kurzinfo über PlatinenherstellungDas Minimum an Ausrüstung:
Nach meiner Erfahrung eignen sich SENO 4007 Universalentwickler und SENO 3207 Feinätzkristall am besten, da sie farblos und geruchsneutral sind und während des Vorgangs auch bleiben, so dass das Entwickeln und Ätzen gut beobachtet werden kann. Vor dem ersten Belichten einer Platine mit einer Schaltung sollte unbedingt eine Testreihe ausgeführt werden, um die richtige Druckmethode, den Abstand zwischen Lampe und Platine, die Belichtungszeit, die Entwicklungszeit und die Ätzzeit herauszufinden, die alle zusätzlich von dem jeweilig verwendeten Basismaterial abhängen:
Nun enthält die Platine 8 Flächen, die jeweils 30s, 60s, .., 240s lang direkt belichtet wurden. Nach der Entwicklung und dem Ätzen, die nicht so kritisch wie der Belichtungsvorgang sind, erkennt man, welche Teile des Platinenstreifens richtig geätzt wurden und an welchen Stellen die Belichtungszeit zu kurz war. Bei dem späteren Belichten soll die Dauer auch nicht zu groß gewählt werden, da das Licht teilweise auch durch die bedruckten Flächen der Folie durchdringen kann. Meine Ergebnisse: Platine: Conrad noname; Lampe: Conrad Nitraphot S25 Drucker HP, Folie: noname, Ausdruck: höchste Qualität, höchste Tintenmenge Abstand Lampe - Platine: 19cm Belichtungszeit: 3 - 3,5 min, ohne Lampe vorher aufzuwärmen Entwicklungszeit mit frischem SENO 4007, ca 20°C: 2-3 min Ätzzeit mit frischem SENO 3207, ca. 40°C: 12 min Diese Zahlen sind keinesfalls allgemeingültig.
Links über die eigene Herstellung von smd-Platinen:
Einführung in Microcontroller - wwwiti.cs.uni-magdeburg.de/~buchmann/privat/aetzen_belichten.htm
Platinentips - www.sprut.de/electronic/platinen
Beispiel für die Empfänger-Schaltung
An der Empfängerschaltung wird am besten ein Festspannungsregler und Kabel zum Anschluss an die Senderladebuchse/ Schülerbuchse angebracht, um die Schaltung durch den Senderakku zu betreiben.
Ausgabeelemente
Für die Anzeige der erfassten Messwerte ist das LC-Display verantwortlich. Es ist mit 2x16 Zeichen genügend groß, um mehrere Messgrößen gleichzeitig darzustellen.
In der aktuellen Senderschaltung können nicht alle darstellbaren Messgrößen gleichzeitig erfasst und übertragen werden, da die Schaltung zu wenig Eingänge besitzt. Eine Erfassung aller Messgrößen auf einmal wird vielleicht später realisiert.
Da man oft keine Gelegenheit hat, vom Modell nach unten auf die Anzeige zu blicken, gibt es neben der grafischen Anzeige der Messwerte auch die Möglichkeit, einen Kopfhörer mit der Empfangsschaltung zu verbinden. Am besten eigenen sich Ohrhörer mit eingebautem Lautstärkenregler (einfaches Poti). Auf dem Kopfhörer wird Sinken oder Steigen durch einem Varioton wiedergegeben. Die Tonhöhe hängt dabei von der Höhenänderung / s ab. Durch ein zusätzliches Soundmodul wird eine Sprachansage der anderen Werte wie z.B. absolute Höhe, Empfängerspannung, .. vielleicht später möglich sein.
Funkübertragung
Funkempfänger (links), Funksender (rechts) Bauteile
Der Funksender wird an die Tx-Schnittstelle des µControllers der Senderschaltung angeschlossen, der Funkempfänger an Rx der Empfangsschaltung oder an das PC-Kabel. Da der Sender störanfällig ist, sollte er nicht in direkter Nähe abstrahlender Geräte betrieben werden und außen am Modell angebracht sein. Die vom Hersteller angegebene Reichweite von 200m vergrößert sich auf dem unbebauten Flugfeld auf über 300m. Zum Testen können Empfänger-/ Senderschaltung auch direkt miteinander verbunden werden (s. Kabelbelegungen).
Kosten ca. 15 EUR
Ausgabe auf dem PC/ Notebook
Bauteile
Über dieses PC-Kabel kann das TEVA an die serielle Schnittstelle eines PCs oder Notebook angeschlossen werden. Der 9-polige Stecker des Kabels wird mit der RS232-Schnittstelle des Rechners (COM1-Port) verbunden, das andere Ende wird entweder direkt an die Teva-Senderschaltung anstelle des Funksenders oder direkt an den Ausgang des Funkempfängers angeschlossen.
Obwohl die serielle Schnittstelle des PCs mit Signalen mit -12 und +12V arbeitet, ist bei kurzen Datenleitungen die direkte Kommunikation auch ohne zusätzliche Treiber/ Signalwandler möglich.
Programmierung
Fertig programmierte Controller
Damit die Mikrocontroller ihre individuellen Aufgaben erledigen können, müssen sie programmiert werden. Dies geschieht in der AVR-Assembler-Srache.
Fertig programmierte Prozessoren gibt es bei mir zu haben:
zuzüglich Versandkosten. Email an: r_kretsc@informatik.uni-kl.de
Die Controller werden vor dem Versand getestet. Die empfindlichen ICs können durch Falschpolung und Kurzschlüsse zerstört werden. Deshalb werden versendete, defekte Controller nicht wieder zurück genommen. Falls die Software auf dem Controller, die sich in ständiger Weiterentwicklung befindet, Fehler aufweist, kann ich den IC mit der alten Software gegen einen geringen Unkostenbeitrag auf den neusten Stand bringen. Ich bin auf die Fehlerberichte angewiesen, um das System fortwährend zu verbessern.
Eigene Entwicklung der Software:
Für diejenigen, die die Software für die Controller selbst entwickeln und die TEVA-Schaltungen als Hardwareplattform nutzen möchten, gebe ich noch ein paar Tipps. Hier sind besonders die Einsteiger in die Mikrocontrolleranwendung angesprochen.
Eigene Entwicklung: Softwareentwicklung
Bei der Programmierung der Mikrocontroller wird sehr maschinennah gearbeitet. Deshalb ist die typische Programmiersprache Assembler. Eine ausgereifte Assemblerentwicklungsumgebung als Freeware kommt vom Hersteller der Controller: ATMEL Studio 3.55. Sie bietet neben der umfassenden Hilfe auch einen Simulator und Debugger, die fast alle Eigenschaften des Prozessors realistisch nachbilden können. Für größere Projekte stehen diverse Entwicklungsumgebungen hoher Programmiersprachen zur Verfügung, die Assembler-Code erzeugen und in ATMEL Studio getestet werden können.
Links:
ATMEL Corporation - www.atmel.com Der Hersteller des AVR Prozessors; Datenblätter und die Entwicklungsumgebung zur Assemblerprogrammierung gibt es als Freeware
AVR-Tutorial - www.avr-asm-tutorial.net/avr_de/index.html Einführung in die Hard-, Software und Assemblerprogrammierung der AVR Mikrokontroller. Diese Seite zusammen mit dem Datenblatt vermitteln ein großes Basiswissen.
Infos zur ATMEL AVR Prozessor Familie - www.lug-kiel.de/links/details/f_avr.html gute Linkssammlung rund um AVR
Omega V's AVR Resource List - www.omegav.ntnu.no/avr/resources.php3 weitere umfassende Linkssammlung
AVR Embedded Microcontroller Resources - www.ipass.net/~hammill/newavr.htm Links, Anleitungen und Projekte
AVR Freaks - www.avrfreaks.net Forum
Imagecraft C Compiler - www.imagecraft.com/software Demo eines C-Compilers (Beschränkung: voll funktionsfähige 30 Tage Testversion), einige Bibliotheken, etwas unkomfortabler als Codevision
Codevision AVR - www.hpinfotech.ro Demo eines C-Compilers (Beschränkung: Hex-Code max 1,5 kB, einige Bibliotheken fehlen), viele Bibliotheken, einfaches Modellieren
Eigene Entwicklung: Programmier-Software
Der nächste Schritt zum funktionierenden Controller ist die Übertragung der Software in den Speicher des ICs. Die meisten Entwicklungsumgebungen haben zwar eine eingebaute Übertragungsfunktion, aber keine ist wirklich zufriedenstellend. Entweder muss ein teures Programmiergerät angeschafft werden oder es fehlen einige wichtige Funktionen. Die besten Erfahrungen in Programmiersoftware habe ich mit der Freeware PonyProg2000 gemacht. Es kann mit einer großen Palette an AVRs, PICs und EEPROMs arbeiten und läuft auch unter WinXP problemlos, wo andere Programme mit dem direkten Parallelportzugriff nicht klar kommen. Gleiches gilt wohl auch für WinNT und Win2000. Für WinXP und WinNT muss zusätzlich die parallel Port API DriverLINX Port I/O installiert werden: www.sstnet.com In PonyProg2000 muss zuerst unter Setup | Bus-Timing kalibrieren ausgeführt werden und unter Hardware-Setup das verwendete Programmiergerät ausgewählt werden. Für das weiter unten beschriebene Programmierkabel wählt man AVR ISP I/O. Es ist noch zu beachten, dass vor jedem Schreibvorgang der Speicher des Controllers zuerst gelöscht wird, um Fehlermeldungen beim Verifizieren zu vermeiden.
Links:
PonyProg2000 - www.lancos.com/prog.html Freeware, geeignet auch für neue AVR Prozessoren und seriell programmierbare ICs anderer Hersteller, lauffähig auf Win32, auch WinXP, deutschsprachiger Patch
AT-Prog - jaichi.virtualave.net Demoversion (beschränkt auf 1kB Hex-Code), geeignet für alle AVRs, lauffähig unter Win32 inkl. WinXP
Jaap - www.yampp.com Freeware, im Entwicklungsstadium, geeignet für meisten AVRs, kein Auslesen des Kalibrierungsbytes, Takt, .. möglich, lauffähig unter Win32, aber nicht WinXP
ISP Tool - www.mikrocontroller.com Freeware, nicht geeignet für neue ATmega Serie, kein Auslesen des Kalibrierungsbytes, Takt, .. möglich, lauffähig unter DOS, Win, aber nicht WinXP
Eigene Entwicklung: Das Programmierkabel für die parallele PC-Schnittstelle (Druckeranschluss)
Bauteile
Dieses Kabel wird zur Programmierung der Controller benötigt. Es verbindet den PC mit der Programmierschnittstelle der Experimentier-/ Sende-/ Empfangsplatine. Es ist pinkompatibel mit dem kommerziellen STK200 Programmiergerät. Die LEDs dienen zur Kontrolle und können weggelassen werden. Bei Rechnern mit passenden Port-Spannungen (ULOW < 0,5V, UHIGH > 4,5V) kann auch auf den Treiber-IC verzichtet werden und der Pfostenstecker direkt mit dem SUBD-Stecker verbunden werden. Wenn sich externe Schaltungen am Programmierport des µControllers befinden, können diese den Programmiervorgang stören. Dementsprechend müssen die Schaltungen vom ISP-Port getrennt werden oder die PullUp-Widerstände R2, R4, R6 angepasst werden.
Das Kabel eignet sich für die Programmiersoftware PonyProg2000. Korrekte Einstellung: AVR ISP I/O Da sich die verschiedenen Parallelport-Programmiergeräte hauptsächlich in der Pinbelegung unterscheiden, kann nach entsprechendem Vertauschen der Kabel im SUBD-Stecker das Programmierkabel auch für andere Programmiersoftware genutzt werden.
Links:
ELM - AVR Programmer - elm-chan.org/works/avrx/report_e.html diverse Programmierer
Testprogramme
Zum Testen der aufgebauten Schaltungen können folgende zwei Win-Programme für den PC benutzt werden, die mir bei der Entwicklung sehr hilfreich waren. Sie simulieren jeweils den Empfänger oder den Sender. Sie funktionieren nur mit fertig programmierten Controllern von mir, da hier das selbe Übertragungsprotokoll für Sender, Empfänger und Simulatoren benutzt wird.
Das Programm TevaRx im Abschnitt Ausgabe auf dem PC/ Notebook kann ebenfalls zu Testzwecken benutzt werden. Es wird wie oben beschrieben mit der Senderschaltung verbunden und zeigt die ermittelten Messwerte auf dem PC an. |
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Verhalten des Systems im Einsatz
Beim Einbau der Senderschaltung in das Modell sollten einige Hinweise beachtet werden: Da der Funksender recht schwach und leicht störbar ist, sollte er am besten durch lange Zuleitungen außerhalb des Rumpfes angebracht werden. Dies gilt vor allem bei Carbon Rümpfen, bei denen auch die Antenne des RC-Empfängers unbedingt außerhalb des Rumpfes verlegt werden muss.
Test auf dem Flugfeld steht noch bevor...
Die Entwicklung des TEVA ist noch lange nicht abgeschlossen. In der nächsten Version sind folgende Verbesserungen das Ziel:
Links zu diesem Thema
Eigenbau-Datenlogger - www.rconline.net/magazin-2000/daten-logger/daten-logger.shtml Artikel bei rconline.net; ein Datenlogger mit Hilfe eines PIC Prozessors realisiert
Datenlogger - home.arcor.de/d_meissner/d_logger.htm Die aktuellste Version des Datenloggers von rconline.net
Telemtrie-Rakete - vulcain.fb12.tu-berlin.de/ILR/Aquarius/Telemetrie/inhaltsverzeichnis.html#inhaltsverzeichnis
Ein Großteil der Schaltungen und die komplette Software kommen aus meiner eigenen Entwicklung. Das System nicht perfekt und ich bin deshalb auf Berichte über Fehler und Probleme angewiesen, um Teva zu verbessern.
Wer sich für meine Konstruktion interessiert und Fragen hat, sich an der Weiterentwicklung beteiligen möchte oder weitere Links kennt, kann sich bei r_kretsc@informatik.uni-kl.de melden.
Entwicklung, Aufbau und Software © Ralf Kretschmann Nachbau und Weitergabe nur für nicht kommerzielle Zwecke erlaubt!
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Start des Projekts: 9.2002 Stand: |
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