(Objevi-li se chyby v diakritice textu, zvolte v menu IE > Zobrazit > Kodovani > Stredoevropske jazyky Win)

 

Systém ovládání antén EME
 Lucien SERRANO, F1TE
 
 

ÚVOD

V srpnu 2006 jsem navštívil OM Mirka OK1YK v jižních Čechách. Z naší výměny technických informací je zřejmé, že pro řízení a nastavování antén EME používáme stejná zařízení. Mira se zajímal o můj systém sledování a sdělil mi, že více stanic OK používá konfiguraci s motorem AlfaSpid v azimutu. Dlouholetý přítel JAN OK1VJG se vyjádřil, že moje řešení ovládání antén EME může posloužit OK amatérům jako inspirace a navrhl, že popis přeloží do češtiny, za což mu děkuji. 73 F1TE.
 

Společně s OM F6BKI jsme se rozhodli, že každý postavíme stanici EME pro 2 metry. Zavázal jsem se vyvinout pro tento projekt - mezi jiným -  ovladač motorů pro azimut (AZ) a výšku (EL), který bude zajišovat manuální ovládání antén, ale též automatické sledování Měsíce, nebo jakéhokoliv nebeského objektu, pomocí povelů přijatých po sériovém kanálu COMx z PC standardním protokolem RS232.

 

Jedná-li se o větší antény, v našem případě jde o typ 4 x 3 WL o délce 6,50 m a vzájemných vzdálenostech 4 m, při řízení antén v AZ vyvstává problém ve výkonu motoru AZ. Komerční výrobky v přijatelné cenové úrovni nedávají uspokojivé výsledky.

 

Rozhodli jsme se pro elevaci EL použit zdvihák získaný z běžné parabolické satelitní antény o průměru 18“. Tento typ zdviháku se v angličtině nazývá „actuator“ a je k dispozici ve výhodné cenové relaci na úrovni 50 EUR.

 

Na dvou fotografiích je můj kompletní anténní systém. Ve dvou vertikálních trubkách PVC viditelných po stranách naklápěné základny, jsou umístěny předzesilovače, systém sdružovače a přepínač polarizace antén.

 

 

 

Pro ovládání v AZ jsme použili motor typu RAK AlfaSpid který je k dispozici ve Francii u prodejce RF-HAM (http://www.rfham.com/)

Jakmile bylo rozhodnuto o mechanickém řešení a toto bylo realizováno, zbývalo vyřešit ovládání motorů a zpětnou vazbu polohy.

 

Pro ovládání výkonových obvodů nutno vzít do úvahy, že oba motory jsou stejnosměrné, napájené nízkým napětím a smysl jejich otáčení se mění změnou polarity napájecího napětí. Funkční rozsah napájecího napětí je dostatečně velký, motor zdviháku má mít napájecí napětí 36 V, ale v našem případě jeho rozběhový moment byl ještě dostatečný při 15 V.    

 

 

Motor AZ funguje s napájecím napětím mezi 12 V a 24 V. Pro oba motory lze tudíž použít stejný zdroj napájecího napětí.

Pro snímání polohy anténního sytému a zajištění zpětné vazby řídícího systému se nabízí několik řešení:

* Snímání polohy potenciometrem mechanicky svázaným s osou otáčení systému,

* Kyvadlový systém s potenciometrem pro osu EL,

* Absolutní nebo relativní rotační inkrementální optické snímače (např. produkce USDigital)

* atd..

Systémy využívající potenciometrické snímání polohy osy otáčení vyžadují převodník A/D pro zajištění zpětné vazby.

 

Snímače polohy vyžadují precizní a více-méně složitý mechanický převod, který by měl být  být bezporuchový a spolehlivý. Proto musí být pečlivě konstruován a chráněn proti nepříznivým povětrnostním vlivům. Právě táto část zařízení bývá zdrojem problémů.

 

V našem případě, kdy pro anténu 144 MHz je přesnost 1° více než dostačující, jsem zvolil systém mnohem jednodušší, používající impulzy generované těmito dvěma motory.

Zvedák, jakož i motor AlfaSpid jsou vybaveny magnetickým snímačem typu ILS (Interrupteur à Lame Souple = spínač s pružnou lamelou).

 

Poznámka:
Názvy "zvedák", "zdvihák" nahrazují správný, ale zdlouhavý spisovný výraz "táhlový motor", který asi nemá ve FR ekvivalent.

 

Motor Spid generuje 1 impulz / 1° , tj. 360 impulzů na otáčku.

 

Zvedák 18 palců generuje cca 1500 impulzů na celkovou zvedací délku cca 50 cm 

Zatímco v případě rotoru AZ existuje proporcionalita mezi počtem generovaných impulzů a polohou – u zvedáku tomu tak není z důvodu převodu lineárního pohybu na pohyb rotační vloženým táhlem.

 

Bude tudíž zapotřebí provést angulární (úhlovou) korekci v průběhu načítání impulzů generovaných zvedákem.

Za těchto podmínek, kdy snímače polohy jsou integrovány v motorech, dlouhodobá spolehlivost a opakovatelnost orientace anténního systému mohou být vynikající.

 

Ale načítání a odečítání  impulzů ze snímačů představuje řadu problémů při jejich zpracování, má-li se vyloučit nesouhlas mezi skutečnou polohou antény a zobrazeným údajem o poloze antény. Z tohoto důvodu je nutná inicializační procedura řízená programem v MCU pro nastavení systému.
 

 
 

Schéma mikrokontroléru

V zařízení je použit mikrokontroler (MCU) produkce Microchip typu PIC16F877A, který zajišuje:

- funkci zobrazovače LCD 2x20 znaků a sériového kanálu přenosu dat RS232 pro automatický provoz systému,

- čtení stavu tlačítek pro ruční řízení a

- řízení výkonových stupňů motorů.
 

Přední panel ovladače antén EME
Poznámka: Spínač „LNA ON /OFF“ a LED „RX/TX“ nepatří do systému řízení antény – je to zapnutí /vypnutí nízkošumového předzesilovače umístěného u antény.  

 

 

Specifika schématu

Port E (JP3) k portu se připojují tři tlačítka mající dvojí funkci:

Zajišují konfiguraci a cejchování ovladače a povelují v paměti uložené nastavení antény jako např. návrat na pozici nula stupňů, nebo na parkovací pozici. Tyto akce jsou provedeny pomocí třech tlačítek podle toho, které z nich je momentálně sepnuto na JP3.

Port D je určen k řízení funkce zobrazovače LCD.

Port C řídí sériovou komunikaci kanálem RS232 svými bity C6 a C7. Příjímá informace od tlačítek ručního ovládání motorů přes piny C0, C3, C4 et C5. Výstup C2 dovoluje ovládat rychlost motoru azimutu AZ přes tranzistor Q7 ovládající příslušné relé K5.

Relé K5 zkratuje odpor 6,8 ohm kontaktem NC (Normaly Closed) zapojeným v sérii s napájením motoru azimutu AZ. Mikroprogram počítá úhel chyby, zavře relé v momentě, kdy chyba překročí hodnotu 8 stupňů a zapojí do funkce odpor. Tímto způsobem rozběh a zastavení otáčení se provádí sníženou rychlostí s vyloučením mechanických rázů motorů a antén.

Port B je použit pro programování „in situ“ (ISP) a rovněž pro odlaďování programů (RB3, 6 a 7).

Bity 4 et 5 přijímají (eventuálně) impulzy vyjadřující polohu antény v azimutu. Tyto impulzy jsou ještě předtím filtrovány a tvarovány ve dvou KO Schmitt 74LS14.

Bit 0 je použit pro detekci výpadku napájecího napětí a zálohování (ochranu) dat o pozici antén. Kondenzátor 100 MF (0,1 F) poskytuje MCU čas nutný pro zálohování dat v případě přerušení napájecího napětí.  

Port A je určen pro povely řídící výkon motorů pomocí tranzistorů a relé.

Integrovaný obvod 74HCT14 je Schmitt trigger umožňující tvarování impulzů přicházejících od motorů. Zobrazovač LCD je typ kompatibilní s typem Hitachi HD44780 majícím dva řádky po 20-ti znacích v konektoru 14 pinů v řádku.

 

Kondenzátor C14 má kapacitu 0,1 Farad nutnou pro prodloužení funkce MCU o několik sekund po výpadku napájení.

 

Přerušení napájení MCU je detekováno přerušením (RB0, POWER_FAIL) pro uskutečnění zálohovacích procedur uložení pozice v paměti flash a zastaveni programu.

Přerušení funkce MCU je zahájeno jakmile vstupní napětí stabilizátoru U1 klesne pod 9 V. 
 

Ovladač - výkonové obvody

Schéma ovladače a výkonových obvodů nepotřebuje zvláštní výklad.

Relé mohou být typu Ť RM 94P - 12ť

Napájení motorů musí poskytovat dvě napětí: přibližně plus (+) a mínus (-) 18 V. Velikost těchto napětí není kritická, jednocestné usměrnění postačí. Lze použít transformátor 2x 15 V pro 45 VA.

Program

Program je napsán v jazyce C pro MCU PIC na vývojové platformě PCW.

.H

.HEX


Princip funkce

Znalost smyslu otáčení motoru je nutná proto, abychom určili, zda impulzy přijímané od motoru nutno v čítači impulzů přičíst nebo odečíst. MCU vyšle k motoru příkaz smyslu otáčení.

MCU otevře časově limitovanou možnost pro načítání resp. odečítání impulzů podle platnosti příkazu pro otáčení motorů. Toto „časové okno“ je otevřeno několik okamžiků před startem motorů a je zavřeno až několik okamžiků po zastavení motorů. Setrvačností antén by totiž mohlo dojít k vyslání impulzů, které nebudou evidovány čítačem.    

 

Impulzy přijaté na vstupech B4 a B5 spustí zpracování podprogramem přerušení. Jelikož motory se mohou zastavit i uprostřed impulzu, MCU načte nebo odečte každý přechod vzestupný, nebo sestupný.

 

Výpadek napájecího napětí vyvolá rovněž prioritní přerušení, které zastaví motory (pokud se točí) a uloží do paměti EEPROM hodnoty čítačů impulzů elevace - výšky - a azimutu tak,  aby správná pozice antény se zobrazila při příštím zapnutí ovladače. 

 

Příjem znaků sériovou linkou RS232 je rovněž zpracován rutinou přerušení. Jestli se motory právě točí, příkazy pro tracking přicházející kanálem RS232 nejsou zpracovávány, aby nedošlo k přerušení počítání impulzů.

 

V aktuální verzi SW ovladač reaguje na příkaz přicházející kanálem RS232 pouze tehdy, je-li rozdíl úhlu větší než 2 stupně. Pokud kanálem RS232 byly přijaty příkazy pro ovládání antén, nutno čekat 5 vteřin kdy jsou příkazy pro ruční ovládání zadrženy a zablokovány. Po uplynutí 5 vteřin lze ruční ovládání opět použít.

 

Hodnoty čítačů impulzů umožňují určit polohu antén. Pro azimut je to snadné, nebo motor generuje 360 impulzů na otáčku, tj. 720 přechodů (nebo-li náběžných a sestupných hran impulzů). Pro získání polohy antény stačí údaj čítače dělit dvěma.

 

 

Tabulka elevace - výšky

 

Pro určení skutečné elevace - výšky antény (ELevace – ALTitude) musíme porovnávat hodnotu čítače impulzů s předem připravenou kalibrační (cejchovací) tabulkou, která má 19 bodů po 5°-ti stupních v rozmezí 0° až 90°. Ke každé z těchto pozic je v paměti zapsána odpovídající hodnota čítače impulzů. Body nacházející se mezi tabulkovými hodnotami  program vypočte interpolací.

 

Tabulkové hodnoty jsou případ od případu různé a podstatně závisí na mechanické montáži zvedáku. Tudíž kalibraci výšky nutno provést až po definitivní montáži pohonu výšky. Máme-li možnost, lze ke kalibraci použít i Ť digital spirit level ť  digitální měřič sklonu - inklinoměr.

 

Pokud nᚠmechanizmus nepokrývá celých 90°, do posledních pozic zapíšeme stejné hodnoty.

Ve výběru máme možnost znovu číst a kontrolovat 19 bodů tabulky. Můžeme sledovat nárůst v průběh křivky čítače a eventuálně opravit /upravit zjištěné skokové nepravidelnosti křivky.  

 

Nepravidelnosti mohou být způsobeny malými chybami řádu několika impulzů při ustavení některých pozic.

 

Procedúru kalibrace opakujeme s využitím přesných hodnot teoretické (korigované) kalibrační křivky. Pro většinové použití tohoto systému na EME byl použit doraz NORD – SEVER jako výchozí nastavení azimutu.

 

Použití

Po zapnutí na displeji LCD je zobrazeno:

F1TE ROTOR   Req AZ 123° EL  16° * Pos

 

První řádek Ť Request ť zobrazuje žádosti o nastavení antén do určené polohy.

Druhý řádek Ť Position ť zobrazuje skutečnou polohu motorů.

 

Slovo ROTOR v prvním řádku nutno chápat nako „motor“ (pro AZ nebo EL).

Hvězda před Pos indikuje, že MCU je připravena přijmout kanálem RS232 žádosti o nastavení do polohy. Hvězda zmizí pokud jsou motory v činnosti.

 

Žádosti o nastavení mohou přicházet ze třech míst.

Jsou to:

* Spínače ručního ovládání (spínače E-W, N-S jsou umístěny pod LCD).

* Tlačítka v paměti uloženého přednastavení Zero a Park.

* Sériový komunikační kanál RS232 (9600 bd) nebo Tracking (sledování)

 

Podle toho, odkud přichází žádost o nastavení, na prvním řádku LCD před Req jsou zobrazeny znaky:

M(anual), Z(ero), P(ark) nebo T(rack).

 
Ruční nastavení

Spínače ručního ovládání dovolují zobrazit na prvním řádku LCD očekávanou pozici antény v azimutu AZ a v elevaci - výšce – EL. Jakmile je cílová (požadovaná) poloha správně zobrazena na prvním řádku, motor (nebo motory) se zapínají se zpožděním 1 sekundy. Zpoždění umožňuje dodatečně provést korekci v zápisu souřadnic.

 

Rotaci anténního systému lze zastavit stlačením příslušného tlačítka (spínače E-W, N-S). Odpovídající motor se zastaví okamžitě, pozice antény je přepočtena a zobrazena na LCD. Po dobu manipulace se spínačem ručního ovládání jednoho motoru je zastaven i chod druhého motoru. 

Nastavení - uložené do paměti

K tomu příslušná tři tlačítka se nazývají
Zéro,
Park,
Memo
a odpovídají třem bitům MCU  RE0, RE2 a RE1.

 

Tlačítko Ť Zéro ť dovoluje nastavení anténního systému na pozici „0“ stupňů v AZ i EL.

 

Tlačítkor Ť Park ť dovoluje nastavení anténního systému na libovolnou pozici „parkování – parking“.

Aby do paměti mohla být zapsána pozice antény definovaná jako „parking“  nutno současně stlačit tlačítka Ť Memo ť a Ť Park ť.

Tímto způsobem je momentální pozice antény definována jako parkovací „parking“.

 

 

Sledování

Povely pro nastavení jsou získány přes sériový komunikační kanál la RS232 ve formátu Nova, EasyCom nebo GS232.

Většina příkazů GS232 není v našem systému zavedena.  Využity jsou pouze Ť Waaa eee ť a Ť Maaa ť. Mikroprogram analyzuje přijatý řetězec znaků a z nich získává hodnoty souřadnic azimutu a elevace. Motory jsou spouštěny pouze v případech, kdy odchylka nové pozice od původní je větší než 2 stupně. Je nutno se vyhnout přerušení napájeni za chodu motorů – může dojít k výpadku synchronizace čítačů.

 

Konfigurace

Každé ze třech tlačítek pro přednastavení může být stlačeno současně se zapnutím napájecího zdroje a tím umožnit vstup do jedné z třech fází konfigurace:

Tlačítko Ť Zéro ť  odpovídá bitu RE2 v MCU.

Dovoluje nastavení motorů AZ a EL na jejich referenční pozice. Například pro případ, kdy anténa může být zaměřena na známý navigační topografický bod.

Pro azimut je požadován referenční hodnota

REF AZIMUT     0 THEN PUSH ‘PARK'

 

Hodnota „0“ (zero) je systémem navrhována jako přednastavená, standardní (default), ale může být změněna spínačem ručního nastavení AZ. Jakmile je nastavena zvolená referenční hodnota v azimutu AZ, nutno stlačit tlačítko Ť Park ť uprostřed.

 

Pak obdržme zprávu žádající nastavení azimutu AZ na právě zvolenou referenční hodnotu. 

 

SET AZIMUT TO     0 THEN PUSH ‘PARK'

 

Spinačem ručního ovládání azimutu AZ nastavíme motor AZ do referenční pozice.

Tlačítkem Park  potvrdíme nastavení a tím orivedeme synchronizaci v azimutu AZ.

Následující zpráva žádá nastavení elevace EL do pozine „0“ stupňů.

 

SET ELEV. TO ZERO THEN PUSH ‘PARK'

 

Žádané nastavení se provede pomocí spinače ručního ovládání elevace EL a potvrdí se tlačítkem  Park.

Tímto způsobem jsou motory nastaveny do jejich referenčních pozic. Referenční pozice v azimutu se může lišit od mechanických dorazů motoru AZ.

 

Provedený úkon zajišuje synchronizaci zobrazení souřadnic na LCD se skutečnou pozicí antény. Jestli v provozu dojde ke skluzu a k výpadku z této synchronizace, lze kdykoliv synchronizaci obnovit.

Tlačítko Ť Park ť

Odpovídá bitu RE0.

Po zapnutí napájení dovoluje čtení kalibrační tabulky pro elevaci EL. Tabulka zobrazuje 19 pozic od 0° do  90° po krocích 5° stupňů. Tlačítko Ť Zéro ť umožňuje prohlídku (defilé) všech 19 hodnot.

V paměti MCU jsou uloženy počty impulzů odpovídajíci těmto 19 pozicím v elevaci EL. Pro pozici polohy uvnitř kroku 5° je v MCU vypočtena interpolace.

 

Tlačítko Ť Memo ť

Odpovídá bitu RE1.

Po jeho stlačení a současném zapnutí napájení, lze zahájit proceduru stanovení kalibrační křivky v tabulce elevace EL.  

.

CONFIG ELEVATION  Push ‘PARK' when Ok

 

Následující zpráva žádá postupně nastavovat zvedák elevace EL v rozmezí 0° až 90°stupňů.

Push ‘Park' when Ok EL TO   0  IMP  100

 

Každou pozici elevace nutno nastavit pomocí spínače ručního ovládání elevace EL a kontrolovat (tj. porovnávat pomocí měřiče sklonu) se skutečnou pozicí antény. Shodnost zobrazené souřadnice se skutečnou pozicí antény se potvrzuje tlačítkem Ť Park ť
 

Hodnota čítače impulzů je zobrazena pro každou pozici. Čítač impulzů zobrazuje hodnotu 100 odpovídající počáteční pozici  0° stupňů v EL.

Mechanizmus EL je úplně zkalibrován až po zapsáni všech 19-ti hodnot EL do paměti MCU.

 

 Realizace

 

Systém je konstruován na dvou vzájemně propojených deskách plošných spojů o rozměrech 125 x 91 mm.
 

 

Deska mikrokontroléru

Je tvořena deskou dvoustranného plošného spoje (DPS - PCB)  přičemž z důvodu úspory místa některé součástky jsou v pouzdrech pro plošnou montហSMD.

Byly použity odpory a kondenzátory série 1206 umožňující svými rozměry snadnou montáž. Některé součástky svými vývody propojují plošné spoje na dvou stranách desky, musí být tudíž pájeny z obou stran – pokud ovšem nepoužíváme DPS s prokovenými otvory. Z důvodů pájení vývodů z obou stran nutno pro MCU použit patici precizní  RM 2,54  ( typ DIL40PZ v GME).

Průměry pájecích plošek DPS jsou dostatečně velké a umožňují použít i  domácí technologii výroby plošných spojů.

Velikost otvorů v DPS je standardní 0,8 mm (až na výjimky). Na obraze rozmístění součástek na DPS je 17 kruhových plošek zelené barvy se dvěma malými čtverečky v diagonále. Jsou to průchozí otvory VIA, které nejsou osazeny součástkami.  

 

Rozměry DPS pro měřítko 1:1 jsou 125,1 x 91,4 mm

 

Deska DPS pro mikrokontrolér

 

MIKROKONTROLER - CONTROL TRACKING – F1TE 200 250 - Rozpiska součástek    1. září 2006 Strana 1
Item	množství	označení ve schematu	Hodnota
1	1	C1	470_ľF/35_V radial 5,08_mm
2	1	C2	10_ľF/16_V radial 5,08_mm
3	1	C3	0,1_ľF/35_V radial 2,54_mm
4	7	C4,C5,C8, C9,C10,C11,C12	0,1_ľF SMD 1206
5	2	C13,C15	0,1_ľF radial 5,08_mm
6	2	C6,C7	18_pF SMD 1206
7	1	C14	0,1_F Memory backup capacitor
8	1	D1	Zener 9,1_V/ 0,5 W
9	1	D2	Zener 4,7_V/ 0,5_W
10	6	D5,D3,D9,D10,D11,D12	1N4148
11	1	JP3	Konektorové kolíky lámací  jednořadé 2,54 mm – Typ: S1G20                                                                   /CALIBATE/MEMO
12	1	J1	Konektor - vidlice rovná 10 pólů – Typ:  ASS02029Z /Propojení dvou DPS : JP2
13	1	J2	Konektorové kolíky lámací  jednořadé 2,54 mm – Typ:  S1G20        /RESET
14	1	J3	Svorkovnice – ARK RM palcová rozteč 5x 3,81 mm  – Typ: ARKZ 950/5                                                                   MANUAL CONTROL
15	1	J4	Konektorové kolíky lámací  jednořadé 2,54 mm – Typ: S1G20 PROG/DEBUG
16	1	J5	Svorkovnice – ARK RM palcová rozteč 5x  3,81mm  – Typ: ARKZ 950/5                                                                      /COMx RS232
17	1	LCD1	LCD HITACHI 2X20
18	5<