Dokumentation zur Projektarbeit. Thema: FUNKBOT der Funkroboter

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1 Dokumentation zur Projektarbeit Thema: FUNKBOT der Funkroboter

2 10. Januar 2009 INHALTSVERZEICHNIS... I 1.1 Technologieschema Hardware PC Interface Schaltplan Layout / Bestückungsplan Schaltungsbeschreibung Mainboard Schaltplan Layout / Bestückungsplan Schaltungsbeschreibung Mechanischer Aufbau Technologieschema Das Projektkonzept ist in der folgenden Abbildung schematisch dargestellt. Das PC Interface wird über einen USB Anschluss mit dem PC verbunden. Das PC Interface und die Modellfahrzeugelektronik kommunizieren über eine 433MHz Funkverbindung. Um Bilder vom Fahrzeug zum PC übertragen zu können, wird eine W-LAN Kamera eingesetzt. Das W-LAN Netz ist als Ad-Hoc Verbindung eingerichtet. Die Steuerung der Kamera erfolgt ebenso wie die Steuerung des Modellfahrzeugs durch eine PC-Anwendersoftware. Die Kameraverbindung ist lediglich optional, alle -- 2 / 15 --

3 Fahrzeugfunktionen (Senden / Empfangen im 433MHz Netz) sind auch ohne Kameraanbindung möglich / 15 --

4 2 Hardware 2.1 PC Interface Das PC Interface ist die Schnittstelle zwischen dem PC und der Fahrzeugsteuerplatine, dem Mainboard (siehe Abbildung). Die über einen virtuellen Com Port (VCP) gesendeten Daten werden vom FTDI USB-Seriell-Wandler an die serielle Schnittstelle des Mikrocontrollers übergeben. Die Controllersoftware stellt diese Daten dann über die SPI Schnittstelle des Controllers für das 433MHz Funkmodul zur Verfügung. Die Verbindung ist bidirektional, d.h. neben dem soeben beschriebenen Sendemodus können Daten auch empfangen werden. Hier erfolgt die Schnittstellenwandlung des Mikrocontrollers dann von der SPI Schnittstelle des Funkmoduls zur seriellen Schnittstelle des USB-Seriell-Wandlers. Im Folgenden wird nun auf Details, wie dem Schaltplan und die Leiterplatte eingegangen. Eine Stückliste inklusive Preise und Lieferanten ist dem Anhang dieser Dokumentation beigefügt. Datenübertragung PC Interface -- 4 / 15 --

5 2.1.1 Schaltplan -- 5 / 15 --

6 2.1.2 Layout / Bestückungsplan Abbildung in Originalgröße Das Design kommt, abgesehen von IC3, ohne SMD Bauteile aus. Die Leiterplatte ist mit 75 x 60mm relativ kompakt. Der Ansicht ist lediglich die Bestückung und die Leiterbahnen des Bottom Layers zu entnehmen. Zudem ist auf dem Top Layer eine gemeinsame Massefläche und weitere Leiterbahnen vorhanden. Bei der Platine handelt es sich um Industriequalität mit Lötstopplack. Die Firma Leiton 1 hat diese Projektarbeit mit 50% Rabatt und verkürzter Produktionszeit gesponsert Schaltungsbeschreibung Der Schaltplan fällt übersichtlich aus, da die Funktionen in der Software des ATmega48 realisiert wurden. Für die Verbindung vom PC zu dem PC Interface ist die USB Typ B Buchse K1 vorgesehen. Hierüber wird die Schaltung mit Spannung versorgt. Zur Entstörung der Versorgung dient die Ferrit Perle L1 und ausreichend große Kapazitäten. Die grüne LED D1 leuchtet, wenn die 5V Versorgung anliegt. Wurden Daten gesendet, blinkt LED D2 kurz auf. Beide Leuchtdioden sind low-current Typen mit einer Stromaufnahme von nur 2mA / 15 --

7 Um einen Reset des Mikrocontrollers auszuführen, muss S1 betätigt werden. Gerade in der Entwicklungsphase der Software wird diese Funktion oft benötigt. S2 ist als optionale Benutzereingabe vorgesehen und wird in der Software nicht ausgewertet. Da die Platinen aus Kostengründen nicht mit einem Bestückungsdruck versehen wurden, sind die Taster zur Unterscheidung in unterschiedlichen Bauhöhen eingesetzt. Der Taster mit dem kurzen Betätigungsmechanismus ist der Reset Taster S1, der Taster mit langen Betätigungsmechanismus ist S2. Damit der Mikrocontroller IC1 auch in der Schaltung programmiert werden kann, ist die ISP Schnittstelle auf K2 heraus geführt. Die Beschaltung des USB-Seriell-Wandlers entspricht der Standard Applikation aus dem Datenblatt des Herstellers. Um das Handling der SMD Bauform zu erleichtern, ist auf der Leiterplatte ein DIL Footprint für einen SMD/DIL Adapter vorgesehen. Die seriellen Schnittstellen von IC1 und IC2 sind zum Datenaustausch miteinander verbunden. Die Mikrocontrollersoftware arbeitet als Seriell <-> SPI Schnittstellenumsetzer, um eine Verbindung zwischen IC2 und Funkmodul IC3 zu realisieren. Neben der Verbindung der SPI Schnittstelle des Funkmoduls zum Mikrocontroller sind alle vorhandenen Anschlusspins von IC3 mit IC1 verbunden, auch wenn diese Funktionen nicht genutzt werden. Dies hat den einfachen Hintergrund, dass sich erst später in der Entwicklungsphase herausgestellt hat, welche Zusatzfunktionen des Funkmoduls genutzt werden müssen, um die geforderten Aufgaben zu erfüllen. Bei dem Funkmodul handelt es sich um ein 433MHz Transceiver- Modul, das kostengünstig nur als SMD Ausführung zu beschaffen ist. Als Antennenbuchse dient K3. Hierbei handelt es sich um eine SMB Buchse für Hochfrequenzanwendungen. Die Antennenlänge ist nach der Funkfrequenz bemessen. Alle im Projekt verwendeten Antennen sind Eigenanfertigungen aus SMB Steckern, Schweißdraht und Schrumpfschlauch / 15 --

8 2.2 Mainboard Das Mainboard ist die Steuerplatine für das Kettenfahrzeug (siehe Abbildung) und empfängt bzw. sendet Daten zu dem, in Kapitel 4.1 vorgestelltem PC Interface. Neben der eigentlichen Steuerung beider Motoren werden Aktoren wie Summer und LEDs angesteuert, die Batteriespannung gemessen und Tastereingaben abgefragt. Zudem besteht, wie im Lastenheft gefordert, die Möglichkeit der Schaltungserweiterung. Wie im Kapitel zu dem PC Interface, wird nun auf Details, wie dem Schaltplan und der Leiterplatte eingegangen. Eine Stückliste inklusive Preise und Lieferanten ist, auch für das Mainboard, dem Anhang dieser Dokumentation beigefügt / 15 --

9 2.2.1 Schaltplan -- 9 / 15 --

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12 2.2.2 Layout / Bestückungsplan Abbildung in Originalgröße Die Leiterplatte ist im Standard Europakartenformat 160 x 100mm, mit Lötstopplack versehen, doppelseitig und durchkontaktiert. Die Bestückung und die Leiterbahnen des Bottom Layers können der Abbildung entnommen werden. Im Platinenentwurf ist auf dem Top Layer eine gemeinsame Massefläche, sowie weitere Leiterbahnen vorhanden. Auch diese Platine wurde ebenso wie die Platine für das PC Interface von der Firma Leiton produziert und im Preis subventioniert Schaltungsbeschreibung In der Schaltung übernimmt der Mikrocontroller IC2 alle Steuerungsaufgaben. Hierbei handelt es sich um einen ATmega32 der Firma Atmel. Dieser Typ verfügt über ausreichende Kapazitäten für den geplanten Steuerungsumfang und eventuellen Erweiterungen. Die Kommunikation mit dem PC Interface / 15 --

13 erfolgt durch das Funkmodul IC3. IC3 verfügt über eine SPI Schnittstelle die den Datenaustausch zum Mikrocontroller ermöglicht. Da das Modellfahrzeug von einem Akkumulator versorgt wird, kommt ein Schaltregler für die Erzeugung der 5V Versorgung zum Einsatz. Schaltregler haben, im Gegensatz zu Längsreglern, den entscheidenden Vorteil, einen höheren Wirkungsgrad zu besitzen. Der nötige Kühlkörper kann hierdurch bedeutend kompakter ausfallen. Zudem wird die Akkulaufzeit erhöht. Um den hohen Anforderungen hinsichtlich der Bauteile in Schaltreglerapplikationen gerecht zu werden, sind in der Schaltung nur Low-ESR Elektrolytkondensatoren vorgesehen. Die Speicherdrossel L1 und die Diode D1 werden vom Schaltreglerhersteller empfohlen. Das Layout wurde gemäß den Datenblattempfehlungen des Schaltreglers entworfen. Nach Anlegen der Eingangsspannung signalisiert LED1 den Betriebszustand der Reglerschaltung. Da neben der Schaltung auch eine W-Lan Kamera mit 5V Spannung versorgt werden soll, wurde die Spannungsversorgung ausreichend groß dimensioniert. Die Kameraversorgung erfolgt wahlweise durch Anschluss am Hohlstecker K3 oder den Schraubklemmen K2. Beide Anschlüsse liegen parallel und werden durch den N-Kanal MosFet Q1 von der Mikrocontroller Software geschaltet. Um Schäden durch Überstrom an K2 bzw. K3 zu vermeiden, ist eine gesockelte Miniatursicherung (F1, 2AT) vorgesehen. Die Referenzspannungserzeugung zur A/D Wandlung übernimmt D2. Hierbei handelt es sich um eine Präzisionsspannungsquelle, die sich über ihren Korrektureingang, mit P1 auf die gewünschte Z-Spannung einstellen lässt. Zur Kontrolle der eingestellten Spannung ist auf der Leiterplatte ein Messpunkt vorhanden. Das LC-Glied (L2, C6) dient der Entkopplung des A/D Wandlers. Zur Messung der Versorgungsspannung liegt die Akkuspannung über einen Spannungsteiler, bestehend aus R4 und R5, am ADC0 Eingang des Mikrocontrollers. Das Messsignal wird durch C5 beruhigt. C5 ist ein keramischer Typ mit einem hohen Serienwiderstand, um das Spannungsteilerverhältnis nicht zu beeinflussen. Bei den / 15 --

14 Spannungsteilerwiderständen handelt es sich um Präzisionstypen mit 0,1% Toleranz. Das Teilerverhältnis wurde so gewählt, dass die Messspannung 1/6 der Versorgungsspannung entspricht. Ein Reset des Mikrocontrollers wird mit S2 ausgeführt. S1 ist für optionale Benutzereingaben vorgesehen. Wie auch beim PC Interface, wurden zur Unterscheidung beider Taster unterschiedliche Bauhöhen eingesetzt. Der Taster mit niedriger Bauhöhe ist der Resettaster S2. Mit den LEDs LED2 LED4 und dem Summer H1 können Betriebszustände der Steuerung signalisiert werden. Um den Stromverbrauch der Schaltung möglichst gering zu halten, sind alle LEDs low-current Typen mit nur 2mA Stromaufnahme. Damit die Programmierung des Mikrocontrollers auch in der Schaltung möglich ist, ist die SPI Schnittstelle von IC2 auf K5 nach außen geführt. Eine Schaltungserweiterung ist über die Schnittstelle K4 möglich. Schon am Anfang der Schaltungsplanung wurden eventuelle Erweiterungen berücksichtigt. Neben 5V Versorgungsspannung, A/D Wandler Eingängen und weiteren Portpins liegen die serielle sowie I 2 C Schnittstelle des Mikrocontrollers auf dem Wannenstecker. Auch hier ist ein Überstromschutz durch eine Miniatursicherung (F2) gewährleistet. Die integrierten Schaltungen IC4 und IC5 übernehmen die Motorenansteuerung. In den IC s sind jeweils zwei H-Brücken enthalten, jede H-Brücke kann mit 2,8A Spitzenstrom belastet werden. Um den maximalen Ausgangsstrom zu erhöhen und die Verlustleitung auf zwei Gehäuse zu verteilen, sind die H-Brücken parallel geschaltet. Es kommt also ein IC pro Motor zum Einsatz. Die Einstellung der Motordrehzahl erfolgt durch ein PWM Signal vom Mikrocontroller am Enable Eingang des Motortreibers. Die Drehrichtungsvorwahl der Motoren wird mit jeweils zwei weiteren Portpins vorgenommen. Die Motorenentstörung ist im Schaltplan dargestellt, allerdings nicht im Leiterplattendesign enthalten. Von daher erfolgt diese Maßnahme direkt an den Motoren / 15 --

15 2.3 Mechanischer Aufbau Das Funkbot-Chassis basiert auf einem R/C Modellpanzer im Maßstab 1:16. Für die Projektarbeit hat das Team die Bodenwanne inklusive aller benötigten Antriebskomponenten vom Vertrieb der Panzermodelle erhalten. Das Chassis ist 22cm breit, 41cm lang und 10cm hoch. Die Motoren beschleunigen das Fahrzeug auf eine ausreichend hohe Geschwindigkeit. Um die Montage der Steuerelektronik sowie der W-Lan Kamera zu realisieren, wurde ein 2mm Aluminiumblech angefertigt und nach der mechanischen Bearbeitung pulverbeschichtet. Das Blech deckt die komplette Chassis- Oberseite ab. Die Kamerabefestigung erfolgt über 10mm hohe Abstandsleisten und wird durch einen selbstklebenden Klettverschluss fixiert. Diese Fixierung ermöglicht eine einfache Montage bzw. Demontage der Kamera. Neben den M3 Befestigungsbolzen für das Mainboard sind weitere Befestigungsbolzen für eventuelle Erweiterungen vorgesehen. Der Akkumulator sitzt in der Bodenwanne des Fahrzeugs und kann durch die, im Deckblech vorgesehene Buchse geladen werden. Hinter dem Mainboard ist ein Hauptschalter und ein Sicherungshalter montiert. Mit dem Schalter wird die Spannungsversorgung der Steuerelektronik ein- bzw. ausgeschaltet. Die Sicherung dient dem Schutz des Akkumulators gegen Überstrom / 15 --