Sistema radiotelemetrico con protocollo AMSAT

di Paolo Pitacco - IW3QBN
Il sistema installato nella capsula payload di Stratosfera "zero"


Introduzione

Lo scorso anno, alla Fiera di Pordenone, ho rivisto l’amico Eugenio, IW3RBO, che presentava il suo progetto di razzo amatoriale “Stratosfera”.
Già qualche tempo prima ci eravamo trovati assieme ad altri amici appassionati, a discutere di com’era fatto questo oggetto e mi era stato chiesto se si poteva imbarcare un trasmettitore video di piccole dimensioni (il microtx);
la discussione si era spostata poi sui sistemi di acquisizione dati per conoscere e studiare il profilo di volo del razzo.

Eugenio mi spiegò che i dati dai sensori venivano memorizzati su una memoria EEPROM e letti a terra dopo il recupero della parte elettronica (il payload).
Ovviamente fui sorpreso che venisse usato questo metodo “cieco” e sollevai l’osservazione che in caso di crash catastrofico, tutto il lavoro sarebbe andato perduto irrimediabilmente!
Fu così che feci a Eugenio la proposta di realizzare un sistema autonomo di acquisizione e trasmissione dei dati telemetrici sul tipo utilizzato sui MICROSAT e sul Transponder AMSAT-Italia.
Il risultato qui descritto potrebbe essere utile a molti degli appassionati di missilistica amatoriale, più o meno attivi in Italia.


Descrizione generale del progetto

La mia idea, da buon “satellitare” si basa sulla trasmissione dei dati in tempo reale allo stesso modo che usano tutti i satelliti amatoriali (e non), e per non dover reinventare la ruota, ho deciso di utilizzare il formato “Microsat” con qualche variante, ma soltanto hardware.
Ecco la proposta del sistema di trasmissione BPSK [rif. 1], a cui ho aggiunto la trasmissione video a 1256MHz ed approfittato del canale audio di quest’ultima per inviare una copia della telemetria in AFSK a 1200Bd nel classico sistema utilizzato per il packet.
Per a prima volta il razzo avrebbe avuto un sistema di trasmissione ridondante.
Avendo già a disposizione l’esperienza di progetto del Transponder AMSAT Italia, ho deciso di utilizzare un computer su cui potessi rapidamente riadattare parte di quel software, cioè la scheda GENCPU (GENeral CPU) [rif. 2], riportata nella figura 1.
A questa ho aggiunto un’estensione per i dispositivi di acquisizione dei dati e per la trasmissione degli stessi, come visibile in figura 2.
Al microtx [rif. 3] ho aggiunto un circuito per la generazione della sottoportante audio FM a 6.5MHz ed un piccolo stadio amplificatore (in grado di erogare 250mW a soli 8V di alimentazione), come visibile in figura 3.
Per alimentare il tutto ho realizzato un piccolo piastrino con due alimentatori switching [rif. 4] che mi permettono di essere “indipendente” dalla tensione del pacco batterie che Eugenio impiega (NiCd), ed avere un migliore rendimento di conversione DC-DC; in ogni caso, il progetto considera “normale” un’alimentazione che sia almeno uguale o superiore a 8V (io uso un un pacco di NiMH da 9,6V nominali).
Il tutto è stato alloggiato nella parte terminale del razzo (la zona “payload”) situata appena sotto l’ogiva, sfruttando il supporto meccanico che Eugenio aveva già realizzato, e che fa da base anche al sistema d’antenna (vedi figura 4).



Descrizione del circuito del computer di bordo (On Board Computer, OBC)

Come già scritto, il circuito si basa sull’impiego della scheda GENCPU, che ha un processore 80C188 con clock a 14.756MHz. Per questa applicazione bastano 32K di EPROM e 32K di RAM.
La frequenza di clock è stata scelta per avere una base unica per il sistema di acquisizione dati (Analog Digital Converter, ADC) e quello della trasmissione (Serial Communication Controller, SCC), da essa infatti si ricavano agevolmente e con poche parti aggiunte, i valori richiesti dai vari dispositivi.
Sul bus del processore ho sistemato due ADC a 8 bit di risoluzione, ognuno con multiplexer interno a 8 canali, ed un SCC per la trasmissione dei dati secondo il protocollo AX25. Gli ADC sono dei National ADC0808 [rif. 5], mentre l’SCC è un AM8530 (versione AMD del noto Z8530 della Zilog) [rif. 6].
Sfruttando la presenza di un circuito Parallel Peripheral Interface, PPI, ho reso disponibile il monitoraggio di 16 segnali digitali (status), molto utili in fase di svilupppo e test del software, per simulare le fasi di lancio, volo e rientro del sistema completo.
Meccanicamente, la parte di circuito aggiunto alla GENCPU si trova su una piastrina millefori che ha le stesse dimensioni e quindi ho potuto sovrapporle realizzando un “sandwitch” posto in posizione centrale nella struttura, come visibile in figura 5.
Poichè la scheda GENCPU è già stata descritta [rif. 2], ne riporto soltanto lo schema elettrico (schema #) e passo invece a descrivere la parte aggiunta.


Descrizione del circuito di acquisizione e trasmissione dati

Il circuito utilizza due ADC0808 che condividono gli stessi segnali di selezione del multiplexer d’ingresso, ma si trovano su due diversi indirizzi di I/O del processore; in questo modo è possibile far acquisire i dati di due canali, uno del primo e uno dell’altro ADC, risparmiando il tempo di attesa di una conversione.
Potrebbe sembrarvi strano, ma solo così è possibile trasmettere un frame telemetrico di 16 canali ogni secondo.
Lo schema del circuito è riportato nello schema #2.
I dati sono trasmessi in formato AX25 secondo lo schema di telemetria “MICROSAT” e quindi decodificabili facilmente con software già gisponibili (TLMDC.EXE); le operazioni di trasmissione sono affidate allo SCC AM8530, di cui uso il canale A.
Questo componente è molto veloce e permette di liberare il programmatore dalle incombenze di calcolo del CRC, di bit-stuffing e di frame assembling [per la descrizione del protocollo AX.25 vedi rif.7].
Sul canale B dello stesso, arrivano i dati NMEA da un ricevitore GPS che vengono inviati a terra dal trasmettitore telemetrico durante la fase di rientro (inseguimento visivo con APRS).
Quando ho deciso di usare il canale audio del microtx, mi sono trovato di fronte alla necessità di produrre il segnale AFSK da trasmettere; la ricerca di un modulatore “single-chip” è stata vana ed alla fine, non potendo montare un “vecchio” AM7910 sulla piastra che avevo ormai riempito, ho pensato di far produrre i segnali AFSK ad un microcontrollore, un AT90S2313 della ATMEL (il componente “sopra” al quadrato che è l’AM8530 in figura 2). Ovviamente i segnali prodotti erano onde quadre, per cui ho sistemato un piccolo filtro passa-basso per rimettere a posto le cose.
Il software di questo micro si basa sull’impiego dei temporizzatori interni (timer) ed è molto semplice! Per la programmazione si utilizza il sistema ISP (In System Programming) ed il software disponibile (gratis) direttamente dalla ATMEL, non ci sono eprom da cancellare in caso d’errore!


Generatore sottoportante audio per microtx

Il trasmettitore video che Eugenio voleva usare [rif. 3], non era dotato di sottoportante per l’audio e quindi gli ho dovuto aggiungere una piccola piastrina “in prolunga”.
Il circuito è semplice e prevede la possibilità di regolare il livello della sottoportante (almeno 18dB “sotto” a quella video), quello del video (telecamera) e la centratura del livello dei varicap per la modulazione audio. Il segnale video viene fatto passare attraverso un filtro “classico” di preenfasi per migliorare la resa spettrale. Lo schema elettrico è riportato nello schema #3.
La sintonia si fa regolando il nucleo della bobina L1 per avere in uscita 6.5MHz (se volete un’altra frequenza, potete arrivare fino a 7.5MHz con i valori indicati nello schema, ma il valore standard è 6.5).
Meccanicamente ho trovato una soluzione bilanciata, visto che lo spazio nella zona payload era già stato abbondantemente riempito dal computer, montando il circuito sul lato posteriore della struttura.
Allo stesso modo ho sistemato dalla parte opposta (saldandolo) il circuito dell’amplificatore finale, ottenendo un “insieme” abbastanza pittoresco e multicolore (che però svolge il suo dovere) visibile in figura 6.


Sistema d’antenna UHF (435MHz)

Su questa non sono intervenuto se non per verificarne il funzionamento; il lavoro fatto da Eugenio, IW3RBO, era sufficiente. Si tratta di un semplice dipolo aperto che occupa la parte finale del razzo, l’ogiva, subito sopra il pacco batterie che segna (come posizione) l’inizio del vano payload.


Sistema d’antenna SHF (1256MHz)

Avete mai pensato a “mettere” un’antenna dentro uno spazio ristretto?
E se doveste farla funzionare “verso il basso” ?
Sono solo due delle tante domande che mi sono posto anch’io prima di trovare una soluzione di compromesso.
Un razzo ha spazi ristretti e zone “off limits”, nel caso del progetto di Eugenio lo spazio si limita all’ogiva, che è in fibra di vetro, mentre già il segmento del payload è realizzato con un compound si carbonio e kevlar che si comporta come schermo per l’emissione.

L’ogiva è la parte alta del razzo, e lo stesso vola verso il cielo, quindi l’antenna doveva avere un fascio di radiazione il più possibile rivolto verso il basso: ho dovuto scartare le patch perchè la struttura era già realizzata e non si poteva “attaccarle” all’esterno con la certezza che avrebbero retto allo sforzo aerodinamico.
La scelta è finita su un’elica quadrifilare backfire, sistemata su un supporto plastico posto nelle vicinanze del dipolo delle UHF [rif. 8].
Per essere certo della sua funzionalità, ho fatto un test con un trasmettitore da 20mW direttamente collegato ad essa, ed il segnale del mio generatore video è stato ricevuto a 5Km di distanza “puntando” l’antenna verso il corrispondente.
Nel montaggio l’elica è fissata su un connettore SMA che “guarda” verso il vano payload e la terra (vedi figura 7).
I montanti ed il supporto stesso sono in plastica per non aumentare il peso della struttura.


Software

Il programma di gestione è stato fatto “ad hoc” partendo da funzioni già collaudate sul Transponder AMSAT Italia [rif. 9].
A differenza di questo però, la telemetria è stata spinta sia come numero di canali che nella velocità di acquisizione e trasmissione [la simulazione e collaudo sono stati fatti seguendo la filosofia descritta nel rif. 7, pag. 189].
Benchè sia sufficiente un millisecondo per avere un’acquisizione completa dei dati dai sensori, dopo alcuni esperimenti sono stato costretto a fissare il tempo di trasmissione ad intervalli di un secondo, in quanto i TNC2 che avevo a disposizione non riuscivano a decodificare correttamente tutti i pacchetti.
Ad ogni buon conto, questo tempo è sicuramente più che sufficiente per le misure che Eugenio e gli altri amici “missilisti” dovevano fare sul profilo di volo.
I sensori analogici leggono correnti e tensioni del circuito OBC e di quello ausiliario, accelerazione e pressione, per un totale di 16 canali che possono essere “espansi” se ce ne fosse bisogno; quelli digitali, sempre 16, per ora leggono soltanto i dati relativi ai meccanismi di apertura del paracadute.
Ho aggiunto anche una modifica al tempo di trasmissione che considera le fasi del volo stesso:

- lancio massima velocità di ripetizione telemetria
- apogeo rallentamento dati telemetrici, inizi trasmissione dati di posizione e messaggi beacon
- rientro trasmissione dati di posizione più veloce di quelli di telemetria ed invio di messaggi beacon

Ovviamente ho usato una programmazione parametrizzata per cui ogni fase può essere modificata in base ad esigenze diverse.
Descrivere questa parte porterebbe via troppo spazio e la riservo eventualmente per un’altra occasione.
Allo stato dell’arte sarebbe stato possibile realizzare tutto il sistema con dimensioni ancora più contenute e con componentistica evoluta, ma difficilmente trovabile nello shack di ogni radioamatore.
In ogni caso, lo scopo principale è stato raggiunto, quello cioè di poter consentire alla stazione base (IW3RB, Eugenio) di “vedere” in tempo reale le condizioni operative del veicolo, visto che (per il momento non e' previsto un controllo aerodinamico nè un controllo sul motore a propellente solido.

E’ stata un’esperienza interessante che mi ha permesso di mettere a disposizione di altri le mie esperienze in campo spaziale.
Se qualche altro appassionato di spazio e di missilista volesse scambiare esperienze ed informazioni, resto sempre disponibile (tempo permettendo).





Bibliografia

[1] - Generare segnali BPSK - AMSAT-I news Vo. 12 N.4, p.5
[2] - Una radio modulare - IW3QBN - ***connected to #88 e 89, febbraio e aprile 1998
[3] - Microtx - IW3QBN - AMSAT-I news Vol. 10 N4, p.7 e Microwave transmitter for L-band - IW3QBN - MCIROWAVE PROJECTS ed. A. Barter for RSGB
[4] - Alimentatore a 5V - IW3QBN - AMSAT-I news Vol. 12 N2, p.12
[5] - National Semiconductor - ADC0808-09 Data Sheet
[6] - AMD - AM85H30 Programming Manual
[7] - Manuale delle comunicazioni digitali - P. Pitacco, ediz. C&C Faenza
[8] - Elica quadrifilare per GPS - IW3QBN - AMSAT-I news Vol. 11 N1, p.9 - Elica quadrifilare per ricezione GPS - IW3QBN - RadioKit N3, marzo 2003
[9] - AMSAT Italy tutorial - IW3QBN - AMSAT Journal Vol.20 N2



Foto Gallery

Il vano payload con la finestra per la microcamera

Installazione della piattaforma payload nella capsula

Verifica dopo l'installazione

Il vano payload che contiene l'hardware

La piattaforma di supporto dell'hardware

La piastra dei sensori barometrico e accelerometrico

La parte posteriore della piastra

L'antenna backfire quadrifilare

L'antenna backfire quadrifilare

La main board del sistema telemetrico

Il trasmettitore video, ilmodulatore audio e l'alimentatore switching

Gli schemi elettrici e il protocollo di comunicazione



Questo articolo e' stato riprodotto dal numero 5 - volume 12 di
Amsat Italia News
su autorizzazione della redazione.