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Universelles Rotorinterface mit Atmel-Prozessorein Projekt von OM Martin, DL1DBR |
Bild 1: Der "intelligente" Kern der Schaltungen bildet das CPU-Board des Rotorinterfaces mit zwei Mikroprozessoren. |
Das Interface steuert einen oder zwei Rotoren, die jeweils über ein internes Poti zur Positionsanzeige verfügen müssen. Man kann die Rotoren von vielen PC-Programmen steuern lassen (z. B. Satellitenbetrieb) oder manuell über Tasten steuern. Sehr vielseitige Schaltung.
Das von OM Martin Müller, DL1DBR, entwickelte Rotorinterface ist vielseitig einsetzbar: Es dient sowohl als Ersatz für ein defektes Rotor-Steuergerät als auch als PC-Interface (für Windows XP, 7, 8) zur Steuerung einer oder zweier Rotoren. Die hier beschriebenen Baugruppen sind in der Lage, sowohl einen Azimut-, als auch einen Elevationsrotor zu steuern oder alternativ zwei Azimutrotoren zu kontrollieren. Mit dem PC verbunden, hört es auf die Befehle zahlreicher Windows-Programme, solange sie Rotoren der Marke Yaesu steuern können: SatPC32, Logger32, Ham Radio Deluxe und N1MM-Logger seien nur als Beispiel genannt.
Die Welt der Antennen-Rotoren ist heterogen: Es gibt Exemplare, die mit Wechsel-, andere mit Gleichspannung betrieben werden. Gängige Betriebsspannungen sind 12 oder 24 Volt. Einige Rotoren ermöglichen einen Drehradius von 360 Grad, andere von 400 oder mehr Grad. Es gibt Steuergeräte für Rotoren mit einer Buchse zum Anschluss eines PC, viele bieten diese Möglichkeit nicht. Zur Bestimmung der aktuellen Drehrichtung nutzen viele ein im Rotor integriertes Potentiometer, das einen Spannungswert liefert, andere setzen auf die Erkennung mittels Impulsen. Diese Rotorsteuerung unterstützt alle Rotoren mit integriertem Potentiometer, aber ohne Bremseinrichtung.
Zur Konzeption eines universellen Rotorinterfaces, das sowohl als Steuergerät zur manuellen Steuerung des Rotors über Tasten, als auch zum Anschluss an den PC zur automatischen Kontrolle fähig sein soll, teilt man die nötigen Funktionsblöcke auf mehrere Platinen auf. Vorteil: Der Anwender bestückt lediglich die Platinen, die für seine spezielle Rotorausstattung und der Aufgabe gemäß benötigt werden.
Bild 2: Schaltbild der Hauptplatine. Größere Abb. finden Sie in den Downloads.
Kern der Schaltung ist das CPU-Board mit dem Atmel-Prozessor. Dieser wird über einen externen Quarz mit einem Takt von 15 MHz versorgt. Der ungewöhnliche Wert wurde bewusst gewählt, damit eventuelle Oberwellen nicht in die Amateurfunkbänder fallen. Die CPU-Platine besitzt zwei Anschlüsse für Rotoren, ein Anschluss für das Tastenfeld und eines für eine LCD-Anzeige. Soll das Interface lediglich zur Steuerung via PC dienen, können Tasten- und Displayplatine ohne Programmänderung entfallen.
Zur Kommunikation mit dem PC besitzt das CPU-Board einen USB-Anschluss, der über einen eigenen Atmel-Prozessor ATTiny2313 realisiert wurde. Hier kommt ein 12-MHz-Quarz zum Einsatz, das schreibt die Software so vor. Die Aufgabe des Prozessors ist es, das USB-Signal in ein serielles Signal und zurück zu wandeln. Das funktioniert prima mit 9600 Baud, der Geschwindigkeit, die Yeasu selbst nutzt. So wird der Hauptprozessor von einiger Routinearbeit entlastet und eine einfache Anbindung an USB erreicht.
Die zur Verbindung mit weiteren Baugruppen benutzten Wannenstecker weisen mehr Pins auf, als real benötigt werden - eine Folge der zeitweise mangelhaften Liefersituation, die ein flexibles Ausweichen auf lieferbare Bauteile erforderlich machte. Kurze Flachbandkabel verbinden die Platinen miteinander und ermöglichen eine flexible Verteilung der Baugruppen innerhalb des Gehäuses. Je nach Bedarf werden ein oder zwei Rotorplatinen an die Hauptplatine (CPU-Board) angeschlossen, es stehen zwei anschlussgleiche Pfostenstecker für Gleichspannungs- und Wechselspannungsrotoren zur Verfügung. Zudem gibt eine Adapterplatine, um ein Yeasu-Steuergerät anzuschließen (G-1000DXC u. ä.). Auch dieses belegt einen Rotoranschluss auf der Hauptplatine. Der Rotoranschluss am Platinenrand ist dem Elevationsrotor zugeordnet.
Beim Anschluss von Baugruppen an das CPU-Board ist lediglich darauf zu achten, dass jeweils Pin1 mit Pin1 verbunden werden. Um Verwechslungsgefahr auszuschließen ist Pin1 sowohl im Bestückungsplan jeder Platine als auch auf der Leiterbahnseite an jedem Wannenstecker eindeutig gekennzeichnet.
Bild 3: CPU-Platine mit den Wannen, welche die Verbindungen zu den weiteren Baugruppen herstellen.
Die Spannungsversorgung des Rotors bzw. der Rotoren richtet sich nach den Erfordernissen der darin enthaltenen Motoren (Gleich- oder Wechselspannung). Es sollte zudem eine Gleichspannung von 8 bis 12 Volt zur Verfügung stehen, um CPU-Platine, Rotorplatinen und LCD-Platine zu versorgen. Auf der CPU-Platine ist ein Spannungsregler 7805 bereits vorhanden, der den Prozessor und die angeschlossenen Baugruppen mit Spannung versorgt. Da im Spannunsgeingang eine Diode liegt, kann die Spannunsgversorgung der CPU-Platine alternativ auch mit Wechselspennung erfolgen (max. 12 V).
Die Software wurde mit WinAVR in C geschrieben und liegt für evtl. Änderungen als kompletten Quellcode auf der DVD bei. Hex-Dateien für die Prozessoren sind (für verschiedene Konfigurationen) ebenso vorhanden und werden mit einem kleinen Atmel-Programmieradapter per ISP in den Prozessor übertragen. Dazu eignet sich das Windows-Programm Ponyprog von Claudio Lanconelli [2] sehr gut. Damit steht dem interessierten Funkamateur die Änderung des Quellcodes offen, nicht programmierenden Nutzern werden der Umgang mit WinAVR und eine Kompilierung des Quellcodes erspart. Möchte man die Programmierung der Atmel Prozessoren nicht selbst übernehmen, ist OM Martin [1] gern bei der Beschaffung programmierter und geprüfter Prozessoren behilflich. Das gilt auch für die Herstellung von Platinen. Die Kommunikation zum PC hat OM Martin, DL1DBR, kompatibel zu den gut dokumentierten Yaesu-Rotoren gestaltet. Vorteil: Das Rotor-Interface arbeitet mit jedem Programm zusammen, das in der Lage ist, Yaesu-Rotoren zu bedienen. Das sind praktisch alle, dazu gehören die bereits oben genannten beliebten Programme EME-System von F1EHN, Ham-Radio-Deluxe, Logger32, N1MM-Logger, SatPC32, UCX-Log und viele weitere.
Bild 5: Diese kleine Platine bindet Rotoren ein, die mit Wechselspannung betrieben werden.
Die Rotorplatine zum Anschluss eines Wechselspannungsrotors besteht aus der Spannungsversorgung für das Rotor-Interne Potentiometer (5V) und der Abfrageleitung Sense1, die zum Prozessor führt sowie den beiden Solid State Relais von Sharp (S202S02). Sie schalten die Wechselspannung für den Rotor für den Rechts- und Linkslauf. Weiterhin sorgen sie über eine optische Kopplung dafür, dass der Prozessor keinen elektrischen Kontakt zum Rotor hat. In der Schaltleitung sorgt ein Funkentstörkondensator von 330n für "Ruhe" auf der Wechselspannung. Die beiden Solid State Relais schalten bei Nulldurchgang der Wechselspannung - also leistungslos - um und werden durch zwei Prozessorsignale (Opto1 und Opto2) von Prozessor bedient.
Bild 4: Prinzipschaltbild: Anschluss eines Wechselspannungsrotors.
Dieser richtet sich nach dem Rotor. Es ist eine Spannungsversorgung vorzusehen, dazu kommt der Kondensator, der eine Phasenverschiebung für den Motorrechts- und -linkslauf bewirkt. Sein Wert beträgt meist 68nF, dieser kann aber auch rotorspezifisch abweichen. Es handelt sich um einen bipolaren Elko, dessen Spannungsfestigkeit deutlich über der Betriebsspannung des Rotors liegen muss. In den Katalogen der Versender werden diese meist als Tonfrequenzelkos bezeichnet. Eines der beiden Solid-State-Relais schaltet dann jeweils die Spannung zum Rotor durch.
Bild 6: Diese gut gekühlte Baugruppe bindet Rotoren mit Gleichspannungsmotoren ein. Vier Transistoren schalten den Motor in den Rechts- oder Linkslauf.
Der Motor des Gleichspannungsrotors wird über eine sogenannte H-Brücke in den Rechts- bzw. Linkslauf versetzt. Zwei leitende Transistoren lassen den Motor wahlweise rechts herum oder links herum laufen. Für den Rechtslauf sind z. B. Q1 und Q4 aktiv, für den Linkslauf sind es dann Q2 und Q3. Der Motor wird an Rot-1 und Rot-2 in der Mitte der H-Brücke angeschlossen. Jeder Transistor ist mit einem kräftigen Kühlkörper ausgestattet. Das sichert den störungsfreien Dauerbetrieb. Die vier Dioden zwischen Kollektor und Emitter schützen die Transistoren vor Induktionsströmen des Rotors.
Auch auf dieser Platine sind drei Anschlüsse für das rotorinterne Potentiometer (Pot1…3) vorhanden. Pot-2 führt vom Poti-Schleifer zum AD-Wandler des Prozessors und Pot-3 führt zu GND. Klemme Power1/2 versorgt die Schaltung mit der Betriebsspannung des Rotors.
Über den Wannenstecker wird die Platine mit den Steuersignalen versorgt. Direkt daneben ist das rotorinterne Poti anzuschließen. An die beiden Klemmen auf der gegenüberliegenden Platinenseite werden der Motor und die Spannungsversorgung angeschlossen. Sollte während der ersten Tests die Drehrichtung des Rotors nicht passen, sind entweder die Anschlüsse am Poti prüfen oder evtl. die beiden Kabel zum Motor zu vertauschen.
Bild 7: Steuergeräte wie das G-1000 DXC verfügen über eine Remote-Buchse. Diese Platine sorgt dafür, dass sich der Rotor darüber steuern lässt.
Diese Platine ist für Rotoren mit Remote-Anschluss gedacht, z. B. den Yaesu G-1000DXC oder Kenpro KR1000DXC und ähnliche. Wie bereits oben erwähnt, belegt diese Platine einen Rotoranschluss auf dem CPU-Board. Das Poti dient zur Einstellung der Rotorgeschwindigkeit. Als Verbindungskabel zwischen Steuergerät und Adapterplatine kann man ein handelsübliches PS2 Tastaturkabel mit beidseitigem Mini-DIN 6pol Stecker. Man beachte das Tiefpassfilter zur Unterdrückung von Störungen, das in SMD ausgeführt wurde.
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Bild 9: Der LCD-Adapter ermöglicht es, LC-Displays mit Hintergrundbeleuchtung zu verwenden. |
Bild 10: Die Bedeutung der Tasten zur manuellen Steuerung des Rotors. Wer die Tasten anders anordnen möchte, verdrahtet an der Frontplatte. |
Die LCD-Platine weist - was die Beschaltung betrifft - keine Besonderheiten auf. Neben den üblichen Anschlüssen der Steuersignale ist ein Poti zur Kontrasteinstellung der LCD vorhanden. Die absetzbar gestaltete Platine mit den Drucktastern legt bei Betätigen eines Tasters einen der sechs Prozessoreingänge auf Low-Pegel. Die Platine findet nach der Bestückung und den Tests seinen festen Platz an der Stirnseite des Gehäuses.
Vier Taster dienen zur manuellen Bedienung der Rotoren. Die Tasten "Up" und "Down" steuern den Vertikalrotor, die Tasten "Right" und "Left" den Azimutrotor. Die Taste in der Mitte stoppt alle Rotoren. Die letzte verbleibende Taste dient dazu, aus einem Menü ein Landeskenner auszuwählen, in dessen Richtung dann der Azimutrotor dreht.
Der Aufbau beginnt mit den zahlreichen SMD-Abblockkondensatoren und anderen oberflächenmontierten Bauteilen, die auf der Leiterbahnseite der Platinen zu verlöten sind. Sie sorgen dafür, dass Hochfrequenz im Shack die Steuerung nicht beeinträchtigen kann. Obwohl es sich um SMD-Bauteile handelt, ist das Verlöten dennoch unkritisch: Die Belegung ist nicht zu dicht geraten und es ist genug Platz zum Löten vorhanden. Nachdem alle SMD-Bauelemente ihren Platz gefunden haben und penibel kontrolliert wurden, setzt sich die Bestückung wie üblich mit den niedrigen und später den höheren bedrahteten Bauelementen fort. Für die Prozessoren und alle weiteren IC sind Sockel vorzusehen.
Beim Aufbau des CPU-Boards sind zwischen Rotorwannen (rechts) und CPU (links) unterhalb des Elkos sechs Zenerdioden (5V1) vertikal zu bestücken, sodass deren Ring (Kathode) zur Platine zeigt. Die nach oben stehenden Anschlüsse (Anoden) werden miteinander verlötet und mit Masse verbunden. Sie dienen dazu, eventuelle Überspannungen gegen Masse abzuleiten und die CPU-Platine zu schützen. Im Schaltbild tauchen die Dioden nicht auf, sondern wurden als Steckverbinder gezeichnet. Bitte auch die Drahtbrücken nicht vergessen.
Auf der LCD-Platine gibt es zwei bedrahtete Bauteile zu bestücken: Das Poti wird auf der Leiterbahnseite verlötet, damit man jederzeit den Kontrast einstellen kann. Der Widerstand von 680-Ohm-Widerstand bestimmt bei hintergrundbeleuchteten LC-Displays die Helligkeit und ist laut Datenblatt des verwendeten LCD zu dimensionieren.
Bild 8: So sieht es während des Betriebs auf dem LC-Display aus.
Nach Aufbau der CPU- und LCD-Platine wird ohne eingesetzte IC die Spannungsversorgung angeschlossen. Am Ausgang des 7805 und am Sockel des Prozessors (Pin 20) sollte 5V zu messen sein. Die LED nahe den Spannungseingangsklemmen sollte leuchten. Ist das in Ordnung, wird spannungslos der ATMega 168 in den Sockel gedrückt und das LCD angeschlossen. Nach Einschalten der Spannungsversorgung sollte auf dem LCD Text zu lesen sein. Eventuell ist auf der LCD-Platine mittels Poti der Kontrast einzustellen.
Für die folgenden Tests ist es vorteilhaft, wenn zuvor die Tastenplatine bestückt wurde. Diese ist nun mit der CPU-Platine zu verbinden und ein Rotor anzuschließen. Nach Betätigen einer der Taster sollte sich entweder der Rotor drehen oder sich eine Veränderung auf dem LCD ergeben. Beispielsweise ändert sich die Gradzahl des Azimutrotors auf dem LC-Display.
Bild 11: Der In-System-Programmer wird an eine serielle Schnittstelle angeschlossen, um die Prozessoren zu programmieren.
Im Downloadbereich ist umfangreiches Material vorhanden, das Ihnen den Nachbau der Steuerung sehr erleichtert: Schaltbilder und Platinenlayouts sind als originale Eagle-Dateien und als maßstäblich druckbare PDF-Dateien vorhanden. Bestückungspläne, Stücklisten gibt es im Excel- und HTML-Format, eine Belegung der Steckverbindungen, dazu den kompletten C-Quellcode. Hex-Dateien zum "Brennen" des Prozessors für verschiedene Versionen stehen fertig kompiliert parat. Weiterhin Abbildungen eines kompakten Rotorinterfaces, Bilder zur Konfiguration des Interfaces in verschiedenen Programmen und vieles mehr. Neu in 2013: Ein kleines Programm zum bequememen Steuern des Rotor-Interfaces für Windows XP/7/8 (via COM-Port), benötigt .NET 4.0.
HYGAIN / CDE TR40 HYGAIN / CDE TR44 Yaesu KR400 Yaesu KR500
EMOTATOR 747 Yaesu G-1000 Yaesu G-1000 DXC
Martin Müller, DL1DBR, unterstützt OMs und YLs, die nicht in der Lage sind, Platinen zu ätzen und einen Prozessor zu "brennen" mit dem entsprechenden Material. Die Platinen wurden professionell gefertigt! Für programmierte Prozessoren, Platinen oder Tipps zum Aufbau wenden Sie sich also bitte nur per E-Mail an OM Martin unter dieser Mail-Adresse: dl1dbr (ät) gmx.de.
