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 4 年前 - 2016-07-24 13:42:11]

来自:航天航空 / 空间技术
 
1
2016-7-25 0:27:18
warmonkey(作者)
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

[修改于 4 年前 - 2016-07-25 00:31:47]

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2016-7-25 13:13:54
warmonkey(作者)
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

[修改于 4 年前 - 2016-07-25 13:14:11]

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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。

[修改于 4 年前 - 2016-07-25 18:30:17]

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2016-07-26 14:35:47
warmonkey(作者)
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

[修改于 4 年前 - 2016-07-26 14:36:08]

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2016-07-29 21:56:57
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5楼
KC316什么时候到啊
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2017-01-15 23:39:56
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6楼
能够买到吗?
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2018-01-24 19:32:48
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7楼
什么时候能够买到啊
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2020-05-18 22:29:09
2020-5-18 22:29:09
8楼

跳票了?有续作吗?

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