KC316X设计连载【1】功能规划和器件选型

历史

大家还记得业余火箭专用的姿态测量设备KC316a吗? kc316a-brief.png kc316a-kit.jpg https://www.kechuang.org/t/57745 https://www.kechuang.org/t/62698

在2014年1月的火箭活动中,有一位朋友的火箭没了航电。为了帮助他及时发射,航天局赶制了第一代kc316x样机。

x表示eXtended(功能扩展)。kc316a仅有姿态记录功能,这对于探空火箭是不够的。那时候,我们利用手中的材料,制作了第一套kc316x样机:它是个75mm的圆柱体塑料罐子,内部有一只316a和辅助电路。添加了气压计,GPS,远距离测控(距离20km以上),点火和开伞控制器(通过kc301实现)。

kc316x-first-cal.jpg

图中是KC316X的第一代样机。为了在冬季进行发射(当地温度0 ~ -10°),正在对传感器进行低温校准。

我们完全重写了内部的程序代码,以支持这些额外扩充的传感器和通信设备。配套的KCSA任务控制中心软件用于显示、存储和分析这些数据。

功能规划

现在,我们开始设计kc316x正式版产品,为业余火箭提供集成一体化的电子系统方案,包括:制导导航与控制(GNC)、飞行数据记录(FDR)、遥测和遥控(TTC)、火工品驱动器(DRV)

KC316X主要功能

  • GNC: 板载三轴陀螺仪,三轴加速度计,三轴磁罗盘,气压计,外置GPS接口。可实现完整的惯性导航功能。
  • TTC: 外置数传接口。可连接数传电台实现测控功能
  • DRV: 2路点火驱动输出,4路舵机驱动输出。方便驱动各种执行器
  • FDR: 内置16M存储器,可记录飞行全程数据
  • 极小的尺寸,允许安装在直径25mm的火箭之内
  • 配套软件: KCSA任务控制中心

功能规划和接口规划

  • 使用GY-86模块实现陀螺仪,加速度计,磁罗盘和气压计功能。通过i2c总线,可以获得各传感器的读数。 GY-86.jpg
  • GPS和数传电台通过串口连接到KC316X,电源由主板提供。
  • 点火驱动输出使用与kc316a相同的设计,两个MOS管下拉驱动点火头。 kc314b-wiring.jpg
  • 舵机驱动采用标准的2.54间距3针接口,增加一个额外的3针接口用于输入舵机电源。配套一只外置BEC模块用于解决供电问题。
  • 飞行数据记录部分与kc316a相同,记录芯片改用16MB容量的W25Q128
  • 预留z轴高量程加速度传感器接口,预留空速管接口。
  • PCB尺寸固定为50*25mm,提供用于固定数传模块和GPS的塑料安装支架。
  • 添加usb接口。可以直接通过usb配置工作参数,下载FDR数据,或者更新固件。
  • 1路PPM输入,用于接收遥控器信号。
  • 1路FSEL接口(1个IO口引出),2路外部模拟量接口
  • 1路额外的串口引出,1路额外的SPI引出。
  • 预留出厂bootldr烧录接口,2.54间距3x2pin插针

芯片选型

从上面来开,功能较kc316a增加了很多,几乎已经到了塞不下的程度。kc316a使用的是mega328,使用arduino编程环境。kc316x测试版本的程序也是针对328开发的。

  • 如果需要增加usb接口,为了达到使用方便的目的(最好能免去驱动程序),需要使用usbhid通信方式。这就必须使用带usb控制器的单片机,kc314b采用的usb转串口方式不适用于316x。
  • 大量已有的代码采用arduino环境编写,移植到avr之外的单片机很困难,费事费力。现在工程师极为昂贵,好的软件工程师要15k-20k/mo,节约软件开发的工时是很有意义的。
  • 增加的其他接口太多,mega328同系列的atmega32u4(arduino micro 主控)不能胜任。事实上任何一款megaAVR都不能解决316x的需求(3串口,1usb)

所以,我们决定使用AVR xMega来制作kc316x

因为xMega兼容AVR的代码,arduino开发环境打补丁之后可以使用xMega。xMega有USB接口,同时有很多串口,SPI,I2C……可以完全满足kc316x的需求 xmega-intro.png

待续

我现在出门钓鱼(狭义的),晚上回来继续写

[修改于 5 年前 - 2016-07-24 13:42:11]

来自:航天航空 / 航天技术
 
1
warmonkey 作者
5年3个月前 修改于 5年3个月前
1楼

做了一些修改

  • 传感器换为MPU9250(集成9DOF)
  • 板载120g高量程加速度计(SPI接口数字读出)
  • 增加了一个LED
  • 增加了5-17V宽电压输入
  • 信号连接器改为2.54插针
  • usb使用了一体化保护ic
  • 增加了KCSA通用总线接口
  • 外扩SP去除,增加一路i2c
  • 增加了传感器恒温槽
  • 增加了模拟量输出功能(200mA驱动能力,非常给力)
  • 点火驱动部分增加了自检功能
  • 数传增加了休眠和唤醒功能
  • 模拟量/IO增加到3路
  • 各设备电源分区控制

大约需要48个IO口,于是我选择了ATxmega128A3U-MH,QFN封装尺寸小,有利于缩小整机尺寸。

原理图先睹为快 kc316x-v2.jpg

PCB正在布局。初步决定使用4层盲埋孔工艺,将体积压缩到最小。板子的尺寸是50x26mm,两边各有1组10x3排针,可以插入标准的舵机或杜邦线 kc316x-routing.png

还有几个器件的封装没确认过,晶振和二极管应该都得换。现在到了这一步,可以交给专业工程师们解决了。硬件工程师负责器件封装和布线,采购负责拿到物料。

两周之后,航天局的工程师就可以把图纸都弄好,三周之后我们就能见到焊接好的样板啦。设计的过程中,我会不断的更新帖子的。

关于专用ESD芯片,这里有个有趣的资料,为什么要把esd部分分离开。 esd-area.png

回复
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
warmonkey作者
5年3个月前 修改于 5年3个月前
2楼

PCB继续修改

  • 去除了ADC反向钳位二极管
  • PMOS换为SOT23-6双mos
  • Flash加大到32MB,换为WSON封装
  • 晶振换为小尺寸贴片封装
回复
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
虎哥
5年3个月前 修改于 5年3个月前
3楼
我记得316A是断线开始记录(或者接通触点开始记录),新的设备建议提高方便程度(如果配支持双向通信的数传机的话,可以考虑无线解决)。预留一些外挂执行器的控制接口,然后越来越像火箭ECU就好了,具体动作的执行可以再外挂执行控制器。
回复
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
warmonkey作者
5年3个月前 修改于 5年3个月前
4楼
引用 虎哥:
我记得316A是断线开始记录(或者接通触点开始记录),新的设备建议提高方便程度(如果配支持双向通信的数传机的话,可以考虑无线解决)。预留一些外挂执行器的控制接口,然后越来越像火箭ECU就好了,具体动作……
无线数传可以双向通信,可以长时间待机(>1个月)。
开机为手动操作,数据记录启动为遥控,录制时间至少20分钟
回复
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
3.1
5年3个月前
5楼
KC316什么时候到啊
回复
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
TLY
4年10个月前
6楼
能够买到吗?
回复
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
zzw
3年9个月前
7楼
什么时候能够买到啊
回复
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论
BSP
1年5个月前
8楼

跳票了?有续作吗?

回复
评论
加载评论中,请稍候...
200字以内,仅用于支线交流,主线讨论请采用回复功能。
折叠评论

想参与大家的讨论?现在就 登录 或者 注册

所属专业
上级专业
同级专业
warmonkey
学者 机友
文章
333
回复
6725
学术分
16
2008/10/11注册,2 小时前活动

Cubesat

%7B%22isDisplay%22%3Atrue%7D
视频暂不能访问,请登录试试
仅供内部学术交流或培训使用,请先保存到本地。本内容不代表科创观点,未经原作者同意,请勿转载。
音频暂不能访问,请登录试试
插入资源
全部
图片
视频
音频
附件
全部
未使用
已使用
正在上传
空空如也~
上传中..{{f.progress}}%
处理中..
上传失败,点击重试
等待中...
{{f.name}}
空空如也~
(视频){{r.oname}}
{{selectedResourcesId.indexOf(r.rid) + 1}}
处理中..
处理失败
插入表情
我的表情
共享表情
Emoji
上传
注意事项
最大尺寸100px,超过会被压缩。为保证效果,建议上传前自行处理。
建议上传自己DIY的表情,严禁上传侵权内容。
点击重试等待上传{{s.progress}}%处理中...已上传
空空如也~
草稿箱
加载中...
此处只插入正文,如果要使用草稿中的其余内容,请点击继续创作。
{{fromNow(d.toc)}}
{{getDraftInfo(d)}}
标题:{{d.t}}
内容:{{d.c}}
继续创作
删除插入插入
{{forum.displayName}}
{{forum.countThreads}}
篇文章,
{{forum.countPosts}}
条回复
{{forum.description || "暂无简介"}}
ID: {{user.uid}}
学术分隐藏
投诉或举报
加载中...
{{tip}}
请选择违规类型:
{{reason.type}}

空空如也

支持的图片格式:jpg, jpeg, png
插入公式
分享回复:{{shareId}}
加载中...
评论控制
加载中...
文号:{{pid}}
投诉或举报
加载中...
{{tip}}
请选择违规类型:
{{reason.type}}

空空如也

加载中...
详情
详情
推送到专栏从专栏移除
设为匿名取消匿名
查看作者
回复
只看作者
加入收藏取消收藏
加入关注取消关注
折叠回复
置顶取消置顶
评学术分
鼓励
设为精选取消精选
建议修改
编辑
通过审核
评论控制
退修或删除
历史版本
违规记录
投诉或举报
加入黑名单移除黑名单
查看IP
{{format('YYYY/MM/DD HH:mm:ss', toc)}}
投诉或举报
加载中...
{{tip}}
请选择违规类型:
{{reason.type}}

空空如也

下载资料
{{fileName}}
大小:{{size}}
下载当前附件将花费 {{costMessage}}
{{description}}
你当前剩余 {{holdMessage}}
{{fileName}}
大小:{{size}}
当前附件免费。
你已购买过此附件,下载当前附件不需要花费积分。
加载中...
{{errorInfo}}
附件已丢失
当前账号的附件下载数量限制如下:
时段 个数
{{f.startingTime}}点 - {{f.endTime}}点 {{f.fileCount}}