Техническое задание на разработку «Блока фоторегистрации» (БФ)
НАИМЕНОВАНИЕ, ШИФР И ОСНОВАНИЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАЗРАБОТКИ
1.1. Наименование — Блок фоторегистрации;
1.2. Шифр БФ;
1.3. Основание на выполнение работы — Государственный контракт № П774 от 20 мая 2010 г. (ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013гг.)
2 ЦЕЛЬ ВЫПОЛНЕНИЯ РАЗРАБОТКИ, НАЗНАЧЕНИЕ ИЗДЕЛИЯ
2.1. Целью выполнения разработки является создание системы сбора, обработки и регистрации фото-информации для использования в составе студенческого малого космическо аппарата (в дальнейшем тексте — МКА).
2.2. Система сбора, обработки и регистрации фото-информации «БФ» предназначена для штатного размещения на борту МКА с целью регистрации фото-информации и для обеспечения решения следующих задач:
— регистрации фотоизображений Земли на энергонезависимый модуль памяти;
— формирование фотографий по запросу с целью передачи на наземный пункт наблюдения;
— получение данных освещенности теневой поверхности Земли;
2.3 Наземный прием и обработка регистрируемой фото-информации должны осуществляться при использовании приемника любительского диапазона частот, в формате SSTV, декодируемого с помощью IBM — совместимых ПЭВМ.
3 ТАКТИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К ИЗДЕЛИЮ
3.1 Состав изделия
Система БФ (в дальнейшем тексте — БФ) должна состоять из:
— собственно блока сбора, обработки и регистрации фото-информации — БФ;
— специального программного обеспечения ( необходимого для работы системы);
— комплекта эксплуатационной документации.
Примечание — состав комплекта эксплуатационной документации, согласовавается с разработчиками МКА, подписавшими данное техническое задание.
3.2 Требования назначения
3.2.1 БФ предназначен для решения следующих задач:
— сбора, преобразования фото-информации в цифровом виде поступающей от встроенных ПЗС сенсоров;
— бортовой обработки поступающей информации от смежных устройств в реальном масштабе времени и реагирование согласно протоколу информационного взаимодействия;
— регистрации обработанной фото-информации в модуле памяти.
Примечание — объем регистрируемой информации, согласовавается с разработчиками МКА, подписавшими данное техническое задание.
3.2.2 БФ должен обеспечивать:
— регистрацию фото-информации последовательно с двух фотокамер (количество фотокамер уточняется на этапе проектирования) со светотехническими параметрами, приведенными в таблице 1.;
— прием и передачу информации от взаимодействующих систем по последовательному интерфейсу SPI согласно протоколу информационного взаимодействия;
— формирование и выдачу через аудиоинтерфейс данных в формате SSTV по запросу;
— сохранение зарегистрированной фото-информации при отсутствии электропитания не менее 1 часа;
— выдачу зарегистрированной фото-информации по запросу от взаимодействуйщих систем в формате JPEG через интерфейс SPI (формат кадра передачи уточняется на этапе проектирования)
Таблица 1. Светотехнические параметры фотокамер
Наименование параметра Значение
Разрешающая способность, RGB полноцветных пикселей* 640 х 480
Количество дефектных пикселей 0
Количество регистрируемых цветов, не менее* 16772200
Примечание к таблице 1: * — допускается использование монохномных B/W фотокамер, при этом количество регистрируемых градаций серего изображениия, не менее — 256
3.2.3 Потери фото-информации тракта «записи — чтения» в память не должны превышать 5% в нормальных условиях. Потеря записываемой информации вследствии отключения питания допускается.
3.2.4 Время готовности БФ к работе должно быть не более 2 сек. после подачи электропитания.
3.2.5 Порядок взаимодействия БФ по линиям связи с системами МКА, определяется протоколами информационного взаимодействия.
3.2.6 БФ должен иметь перепрограммируемую энергонезависимую память для обеспечения изменений программного обеспечения, в т.ч. и ввод новых версий ПО на этапах проведения испытаний.
3.3. Требования к электропитанию БФ.
3.3.1 Электропитание БФ должно осуществляться от бортовой системы энергообеспечения постоянным током напряжением +3.3В.
3.3.2 Потребляемая БФ мощность не должна превышать 2 Вт (уточняется на этапе проектирования).
3.4. Трепования по спецстойкости.
3.4.1 Трепования по спецстойкости не предъявляются.
3.5. Требования по обеспечению температурного режима.
3.5.1 При пониженных температурах окружающей среды, температурный режим фотокамер БФ должен обеспечиваться встроенными нагревательными элементами.
4 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
4.1 На этапе рабочего проектирования должна быть проведена оценка стоимости опытного образца.
5 ТРЕБОВАНИЯ К ВИДАМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
5.1 Требования к математическому, программному и информационному обеспечению
5.1.1 Требования по составу и этапам разработки программного обеспечения (ПО) согласно ЕСПД не предъявляются.
5.1.2 Структура программного обеспечения не оговаривается. Программное обеспечение БФ должно быть работоспособным в соответствии с требованиями настоящего ТЗ на протяжении всего срока эксплуатации без дополнительных регулировок.
6 ТРЕБОВАНИЯ КОНТРОЛЕПРИГОДНОСТИ
6.1 Оценка работоспособности на всех видах подготовки и обслуживания должна обеспечиваться встроенными средствами контроля.
7 ТРЕБОВАНИЯ К СЫРЬЮ, МАТЕРИАЛАМ И КОМПЛЕКТУЮЩИМ ИЗДЕЛИЯМ
7.1 Разработка БФ должна проводиться на безопасной для жизнедеятельности космонавтов элементной базе. Допускается использование элементов и покупных изделий иностранного производства.
8 ТРЕБОВАНИЯ К КОНСЕРВАЦИИ, УПАКОВКЕ И МАРКИРОВКЕ
8.1. Требования к консервации, упаковке и маркировке не предъявляются
9 ТРЕБОВАНИЯ К УЧЕБНО-ТРЕНИРОВОЧНЫМ СРЕДСТВАМ
9.1 Требования к учебно-тренировочным средствам не предъявляются
10 СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
10.1 Специальные требования не предъявляются.
11 ТРЕБОВАНИЯ ЗАЩИТЫ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ТАЙНЫ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ОКР
11.1 Требования по обеспечению режима секретности не предъявляются.
12 ЭТАПЫ ВЫПОЛНЕНИЯ РАЗРАБОТКИ
12.1 Этапы выполнения разработки, порядок испытаний и окончания работ определяются совместным календарным планом по разработке системы МКА.
13 ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ И ПРИЕМКИ ЭТАПОВ РАЗРАБОТКИ
13.1 Работы производятся в соответствии с имеющимися в распоражении разработчика производственно-временными ресурсами по индивидуальному плану.
13.2 Работы заканчиваются корректировкой КД по результатам испытаний системы.
Настоящее ТЗ может уточняться и дополняться в процессе разработки и испытаний изделия по согласованию между заинтересованными сторонами.
Обзор литературно-информационных источников по теме
Рассмотрим реализацию аналогичных блоков на двух студенческих спутниках: SuitSat-2 (США/Россия) и Chasqui (Перу).
Требования к модулю фотокамеры предъявляемые создателями SuitSat-2 [1]:
Низкая стоимость;
Хорошее разрешение( достаточное для формата SSTV );
Низкая потребляемая мощность;
Широкий динамический диапазон уровня освещенности;
Быстрый запуск;
Цветная;
Отсутствие опасных стекол.
В результате выбран модуль фирмы Hunt Electronic HTC-2N3. Основные параметры представлены в таблице 1.
Таблица 1. Основные параметры Hunt Electronic HTC-2N3
Параметр Значение
Сенсор ¼ дюйма ССD
Разрешение картинки NTSC:512H х 492V,
PAL:512H х 582 V
Чувствительность 1 Люкс на F=1.4
Видео выход 1 Vpp,75 Ом Композитный
Баланс белого Автоматически
Отношение Сигнал/Шум Более 46Дб
Применение аналогового модуля приводит к использованию микросхемы АЦП. В микросхеме ПЛИС происходит программное сжатие изображений. Такое построение повышает стоимость разработки в связи с увеличением сложности ПО.
На рисунке 1 показан внешний вид камеры Hunt Electronic HTC-2N3
Рис.1 Камера Hunt Electronic HTC-2N3
В разработанном Перуанском университете спутнике Chasqui применяются цифровые модули фотокамер СOMedia C328 [2]. Основные параметры которых представлены в таблице 2.
Таблица 2. Основные параметры СOMedia C328
Параметр Значение
Сенсор 3.6 x 2.7мм
Разрешение картинки VGA (640х480) возможность преобразования
в VGA/CIF/SIF/QCIF с разрешением
160×128 или 80×64 пикселей
Видео выход UART-интерфейс: 7200, 9600, 14400,
19200, 28800, 38400, 57600 и 115.2Kbps
Напряжение питания 3.0V…3.6V
Макс. Ток потребления
(в режиме ожидания)
60mA (100uA)
На рисунке 2 показан внешний вид камеры СOMedia C328
Рис.2 Камера СOMedia C328R
Информация по модулю С328:
Программа C328Ap.exe для подключения к PC
В ходе обзора элементной базы выяснено, что данный модуль является популярным из широкодоступных малогабаритных цифровых (с цифровым выходом) модулей. Аналогичные модули (связка компрессора OV528 и сенсора OV7640) производят фирмы: ITM-C-328, ITC-M-328 фирмы Intertec Components , CAM-VGA100 фирмы Round Solutions.
Модуль производится несколько лет и хорошо зарекомендовал себя в робототехнике как надежное и недорогое решение.
При реализации блока фотосъемки на этом модуле отпадает необходимость программного кодирования JPEG. Т.к. эта операция происходит аппаратно (микросхема OV528).
Австралийская фирма 4dsystems выпускает видеомодуль аналогичный популярному C-328 (хорошо зарекомендовавший себя, но снят с производства). На фото показан внешний вид:
Основные параметры:
Малый размер, низкая стоимость и низкое питание модуля камеры для встраиваемых приложений визуализации.
3,3 В постоянного напряжения @ 62mA.
EEPROM память обеспечивает интерфейс для внешнего устройства управления через TTL последовательный интерфейс.(RS232)
UART: до 115.2Kbps для передачи в формате JPEG фотографии или изображения RAW для предварительного просмотра 160×128 с 0.75fps.
Сенсор OmniVision OV7640 / 8 VGA JPEG CODEC для различных разрешений.
Встроенный контроллер сжатия и масштабирования для VGA, QVGA, 160×120 или 80×60 разрешения.
Возможностьл преобразования цветов для 2-битного ЧБ изображения, 4-битный серый, 8-битные серые, 12-бит RGB, 16-бит RGB или стандартные JPEG изображения предварительного просмотра.
Не требуется внешнего DRAM для работы.
Ссылки:
http://www.4dsystems.com.au/prod.php?id=75
http://www.4dsystems.com.au/downloads/micro-CAM/Docs/uCAM-DS-rev4.pdf
Структурно-функциональная схема БФ
На рисунке показана структурная схема блока фотосъемки. Основой модуля служит микроконтроллер uC выполняющий функции обмена информацией между модулями фотокамеры и картой памяти микро SD; формирование и генерацию по требованию SSTV изображения. Формирование изображения JPG для выдачи пакетом по требованию ведущего устройства.
Про разъем SD карты
Приехал разъемчик SD карты. Хлипенький до ужаса. Незнаю почему американцы в ARISSat-1 выбрали аналогичную SD карту для хранения изображений. На вид качество сооединения карты и разъема может нарушится из-за вибрации, коррозии. И еще нужно ухитрится его впаять. В летном образце нужно действительно использовать микросхему памяти, впаянную в плату.
Общая информация (анализ задачи)
Одной из задач МКА является получение изображения земли в форме SSTV сигнала передающегося на Землю. Для этой цели в состав спутника входит блок фоторегистрации. Блок будет осуществлять исследования освещенности на теневой стороне атмосферы планеты. Спектральные длины волн, поглощенные или испускаемые атмосферой, указывают на присутствие в воздухе определенных химикатов и газов. Также можно узнать, как освещенность связана с температурой или распространением радиоволн.
Сформулируем требования предъявляемые к разрабатываемому блоку фоторегистрации:
Низкая стоимость;
Малое энергопотребление;
Возможность вести фотосъемку последовательно с 3-х точек;
Формирование сигнала SSTV как из сделанных на орбите фотографий так и из находящихся в памяти (записанных на Земле);
Возможность формировать jpeg файл для передачи пакетом.
Теперь, когда есть принципиальная схема и перечень элементов, прикинем температурный режим работы изделия БФ. Распишем рабочие температуры компонентов устройства (указанные в документации производителей):
Карта памяти фирмы Kingston microSD (SDC/2GB)
Рабочая температура -25 º C до +85 º С
Температура хранения -40 º C до +85 º С
Разъемы:
SCHA1A0101 (Фирма ALPS)
Рабочая температура -20 º C до +70 º С
WF-4 и WF-6
Рабочая температура -25º C до +90 °С
Микросхемы:
ATxmega32A4 -40°C до +85°C
LVM321 -40°C до +85°C
Кварц geyer kx-12b -20°C до +70°C
Индуктивность BLM21BB600SN1D -55 °C до +125 °C
Танталовые конденсаторы SMD A для поверхностного монтажа (типовые значения)
-55°C до +85°C (до +125°C с понижением номин. напряж.)
Керамические конденсаторы 0805 из набора auris.ru. Находятся конденсаторы двух типов диэлектриков NPO, X7R
Диэлектрик NP0(COG) обладает низкой диэлектрической проницаемостью, но хорошей температурной стабильностью (ТКЕ близок к нулю). SMD конденсаторы больших номиналов, изготовленные с применением этого диэлектрика наиболее дорогостоящие. Диэлектрик X7R имеет более высокую диэлектрическую проницаемость, но меньшую температурную стабильность.
В худшем случае (конденсатор X7R) — обладает точностью ±15% в диапазоне температур от -55 до +125°C.
Резисторы 0805 из набора auris.ru. Имеют точность 5 %. (диапазон температор не указан) Типовое значение -55 to +125 °C
Фотомодуль C328-7221 Температура окружающей среды: от 0 до +25 °C
Самым критичным к перепаду температур будут фотомодули (3 шт.), т.к. объектив должен располагаться на поверхности спутника, где от попадания прямых солнечных лучей поверхность будет нагреваться и в тени охлаждаться (вследствии электромагнитного излучения). При схожей орбите спутника с МКС, процессы нагревания и охлаждения в тени будут повторяться 16 раз в сутки. Для разработки кожуха фотомодуля, необходимы данные о температуре на поверхности спутника.
Монтаж компонентов БФ
Итак, монтаж печатной платы. Паялось пастой в печи, в специализированном цехе (Спасибо брату, RA3WJ !). Паста на micro-SD разъем наносилось точечно, на каждую контактную площадку. Т.к. в случае залипания дорожек, их сложно «распаять» из-за затрудненного доступа. На фото видна конструкция разъема. С микроконтроллером Atmel xmega32A4 получилось проще. Паста была нанесена сплошной линеей по всем контактным площадкам на плате, затем поставлена сама микросхема. В 8-ми зонной печи весь процесс занял не более 5-ти минут.
На фото видно что после промывки, в некоторых местах остались загрязнения от пасты. Поэтому нужна повторная промывка.
Платку заказывал в компании Резонит
Приехали, заказанные в ООО «Политэкс» г. Курск, модули фотокамер C328 вместе с широкоугольными объективами. На фотографиях видно , насколько миниатюрны эти модули. Для сравнения рядом лежит 50-копеечная монетка.
Электрическая принципиальная схема БФ. Перечень элементов
Основой блока служит микроконтроллер DD1 (ATxmega32A4) выполняющий функции обмена информацией между модулями фотокамеры и картой памяти микроSD, подключенной через разъем ХР2; обработку команд в режиме взаимодействия с центральным устройством; формирование и генерацию по требованию SSTV изображения.
Для того чтобы можно было работать с блоком автономно, собран блок питания по следующей схемке. Напряжение +12 В от маленького китайского адаптера (~220/+12В).
Таблица 1. Стоимость компонентов блока БФ
Наименование Цена, руб.
BLM21PG600SN1D MUR 2.59
LMV 321M5/NOPB National 20.47
ATxmega32 A4 167.72
KX-12B QSMD 6.0×3.5×1.2 GEYER 56.58
Kingston microSD 2GB ~400
Разъем microSD SCHA1A0101 ~100
HU-4 вилка 15
HU-6 вилка 15
KP-2012MGC 24
Печатная плата ~2000
KF33BD-TR ST (so8) 13.27
Модуль фотокамеры C328-7221 ~2000
В таблице 1 указана цена основных используемых компонентов (не учитывалась стоимость конденсаторов и резисторов) Суммарная стоимость компонентов для изготовления 1 экземпляра блока БФ с 3 камерами составляет ~9000 р. (~300$).
Алгоритм работы
Упрощенный алгоритм работы блока представлен на рисунке:
После подачи питания происходит конфигурирование микроконтроллера: установка режимов работы, конфигурирование выводов, активизация периферийных устройств, установка частоты тактового генератора, расстановка приоритетов прерываний, установка указателя стека и пр. Далее происходит операция самотестирования: запись в память псевдослучайной последовательности, считывание и сверка. Проверка состояния модулей фотокамер. Если все прошло успешно, то выставляется состояние блока как ОК и разрешаются прерывание периферийного модуля I2C, тем самым блок становится управляемым от ведущего устройства. Если получена команда от ведущего устройства. Происходит ее выполнение и выставление статуса устройства в случае успешного выполнения — ОК, иначе — ERROR.
Программное обеспечение БФ
Приступаю к написанию программы для блока фоторегистрации. Подключаю ATMEL JTAGICE MKll через PDI адаптер. Пытаюсь прочитать устройство — выдает ошибку. Пытаюсь зашить — аналогично. Проверил правильность подключения программатора, все правильно. Проверил может отсутствует питающее напряжение, тоже все ок. Пришлось потратить некоторое время в интернете, чтобы выяснить что же не так. Ответ нашелся в документации AVR 1012: XMEGA A Schematic Checklist. Оказалось что дело в цепи Reset. Т.к. интерфейс PDI достаточно скоростной, a вывод Reset используется в PDI как тактирующий (PDI_CLK) то емкость естественно заваливает фронты тактирующих импульсов и идет рассинхронизация с линией данных.
В документации на этот счет написано:
..Any reset capacitors should be removed if PDI programming and debugging is used. Other external reset
sources should be disconnected..
Проблема решилась удалением конденсатора (С12) из цепочки сброса.
Печатная плата
Печатная плата разрабатывалась в САПРе «Altium Designer». Это удобная система сквозного проектирования: от создания принципиальной схемы до разводки платы и подготовки документации.
Более крупным планом. Показано место где дорожка проходит между выводами разъема:
Проект платы для Altium Designer выложен в файле sstv_camera_unit_AD_proj.zip. Также в PDF файле sstv_camera_unit_02_10_2010.pdf показана принципиальная схема, печатная плата (послойно) и перечень элементов.
Ссылки по теме БФ
Hardware
ArisSat-1 Cameras
Chasqui Cameras
AVR1012: XMEGA A Schematic Checklist
ATxmega32A4
SDcard
SD Simplified Specifications
Use an SD or MMC card on your next AVR project
MMC/SD/SDHC card library
MMC/SD Card and FAT Tutorial
Petit FAT File System Module
Распиновка microSD
SD/SDHC Card Interfacing with ATmega8 /32 (FAT32 implementation)
software
Application Notes Xmega
AVR Libc — C library for AVR
Procyon AVRlib
xmega-qrp — A low power (QRP) HF Telemetry system based around the Atmel AT-XMega Microprocessor
BASCOM AVR-DOS File System