Stavba RMDS02 – Rádiové meteorické detekční stanice

Rozhodl jsem se postavit automatickou rádiovou stranici RMDS02 pro pozorování odrazů meteorů v atmosféře. Pár lidí mě od toho projektu zrazovalo s tím, že existují lepší varianty. Já o žádné konkrétní nevím, a navíc to beru jako velký sebevzdělávací projekt.

Poslední aktualizace: 3. ledna 2021
Článek je ve výstavbě, popisuje aktuální stav mého „projektu“; je možné, že ho budu v průběhu času přepisovat, doplňovat a rozšiřovat, jak budu přicházet na nové věci a postupovat v práci.

Motivace

Mým cílem, nebo spíše v tuto chvíli tajným snem, je postavit větší množství automatických stanic pro získávání vědecky hodnotných dat amatérsky dostupnými prostředky.

Konkrétně u meteorů stanice pro sledování jednak metodou rádiového odrazu, jednak video pozorování. Následně chci hledat v datech vícestaniční záznamy jednoho meteoru a určovat trajektorii původního tělesa v prostoru. Jestli se mi to podaří, je ve hvězdách (pun intended). Spíš ne, ale i tak to může být zábava.

Historie projektu

Začínám úplně od nuly. Před rokem jsem se začal zajímat o Arduino, ještě na jaře jsem nevěděl, jak se vyrábí plošný spoj a z jakých částí se skládá. Neuměl jsem pájet. Nevěděl jsem, že existují různé standardy velikostí součástek nebo různé způsoby montáže (THT, SMD). První páječku, nejlevnější tehdy z Alzy, jsem zničil během jedné hodiny.

První základy jsem pochytil díky knihám Martina Malého (Hradla, Volty, Jednočipy) a videím z Youtube. Naučil jsem se v KiCadu. Navrhl si (spíš obkreslil ze schématu) první obvod, vytiskl na pauzák, vyleptal, vyvrtal, vytvrdil nepájivou masku. Baví mě to, na první pokus to dopadlo i docela dobře (a kde ne, tam vím, kde jsem udělal chybu pro příště). Ale když vidím ty ceny online PCB výroben, kde se dá vše naklikat a navolit a hned vidím, kde mám v podkladech jaký problém, říkám si, že pro finální výrobek zkusím spíš tuhle cestu.

Naopak jsem vzdal snahy pochopit, proč je na tomhle místě v obvodě právě tento prvek a ne nějaký jiný. Na to mé aktuální znalosti zdaleka nestačí a navíc to pro úspěch není potřeba.

Na jaře jsem objevil Bolidozor/MLAB. Bolidozor je projekt pro sledování radiových odrazů od meteorů, aktuálně má cca 10 stanic v ČR. MLAB je český projekt otevřeného hardware, který stanice pro Bolidozor navrhl a postavil. Asi právě prochází nějakou vnitřní katarzí, protože mnoho odkazů na jejich webech nefunguje.

Něco je v SVN, něco na Githubu. Je velmi těžké se v těch podkladech vyznat, obzvláště pro začátečníka. Autoři předpokládají, že na druhé straně je člověk se značnými zkušenostmi, který vše buď zná nebo je schopen si to dohledat.

Ale je tam všechno, co potřebuju (a mnohem víc). Mají hodně velké zaměření právě na astronomické aplikace, což se málokdy vidí. A musí za tím být ohromný kus práce několika nadšenců.

Mohl bych si od nich objednat hotovou stanici. Cenu 1 kusu bych zkousl, ale nebylo by to škálovatelné (nemohl bych takhle udělat třeba 10 stanic). A nic bych se nenaučil.

I rozhodl jsem se jít tou těžší cestou a pokusím se ji zbastlit vše z veřejně dostupných informací.

Pochopil jsem, že autoři jsou teď s časem dost na štíru, takže je nechci nijak otravovat, ale nakonec možná budu na ně muset pár dotazů vypálit – až je sesbírám všechny a nepodaří se mi je vyřešit jiným způsobem.

Co stavím?

Tohle je nákres finální sestavy. RMDS02E (nadpis na obrázku je špatně). Dalo mi hodně práce to rozšifrovat.

Každý obdélníček je 1 modul z tvorby MLAB. S výjimkou „Sound CODEC“ se jedná o fyzický hardware, který má vlastní adresář v aktuálním repozitáři na GitHubu.

Čáry mezi obdélníčky jsou dráty propojení, ale těmi jsem se zatím moc nezabýval.

Názvy modulů jsou pro mě strašně nepřehledné, tak jsem si je přečísloval zdola proti směru hodinových ručiček:

01. LNA01A
02. SDRX01B
03. AT32TQ14401A (verzi B jsem veřejně nenašel)
04. ODROID U3
05. I2CHUB02A
06. GPS01A (existuje ještě verze 01B a pak i 02A dělaná již v KiCadu, ale nevím, jestli je kompatibilní a použitelná v RMDS)
07. CLKDIV01A
08. PC16F877 (asi ve verzi TQ4401B)
09. TTLPECL01A
10. SHT25V01A
11. CLKGEN01B (existuje i verze 02A, ale opět nevím, je-li použitelná)

V GitHub repozitáři se nachází každý modul někde úplně jinde, takže jsem neustále překlikával a hledal a hrozně mě to štvalo. Nakonec jsem si vytvořil složku RMDS02E a každému modulu udělal symlinky (zástupce)

Takhle se mi s tím pracuje mnohem lépe.

Každý modul má jednotnou strukturu adresářů, což se mi líbí.

V /doc je obvykle PDF vygenerované z LaTex dokumentace (kromě 09, kde jsem si ji musel vygenerovat sám) s nějakými základními údaji. Jsou tam instrukce pro sestavení, výrobu, většinou i seznam součástek (BOM), byť ve velice osekané formě.

Pak je složka /hw, která obsahuje podklady pro výrobu PCB. Většinou jsou tam podsložky /ama, kde je PDF připravené pro amatérský tisk přes pauzáky nebo fólie. A složka /profi, která obsahuje podklady ve formátu Gerber (ideální pro výrobu přes online pcb služby, jako je třeba JLCPCB).

Profi podklady jsou ale použitelné jen u 6 modulů (02, 03, 04, 06, 10, 11), u zbytku má online konfigurátor nějaký blíže nedefinovaný problém. Zkoušel jsem několik různých služeb, takže problém asi bude přímo v podkladech.

Podklady jsou generované ze zdrojových souborů, které jsou v různých programech. Šest modulů (01, 02, 07, 08, 09, 11) je dělaných v programu Pads, což je nějaký ukrutně drahý program (100 000 Kč za licenci a výš) bez možnosti získat aspoň nějaký free reader (je nutná registrace a vyplnění osobních údajů, což se mi nechce).

Tři moduly jsou dělané v Eagle (05, 06, 10), který je pro amatérskou tvorbu s omezením dostupný a mohl bych se v něm naučit. Dva moduly jsou dělané v KiCad (03, 04), s nímž umím nejvíce a je zdarma.

V modulech nechci aktuálně dělat žádné úpravy (ale možná budu muset, viz dále), ale potřebuji umět otevřít zdrojové soubory, abych vygeneroval Gerber podklady použitelné v současných online pcb službách (některé moduly zvládnu udělat doma, ale jiné jsou pro domácí výrobu hodně těžké).

BOM – Seznam součástek

U zahraničních open hardware projektů jsem často narazil na BOM, kde byly přesné odkazy s objednacími čísly konkrétních součástek. Takhle třeba vypadá BOM pro HackRf One:

Když zadám Part Number do eshopu, který se specializuje na prodej součástek (třeba Mouser nebo Farnell), hned mi to najde tu konkrétní, kterou potřebuji.

U projektů MLAB je často součástka identifikovaná jen zkratkami a pouzdrem (což je označení pro nějakou standardizovanou velikost a tvar součástek):

To je asi plně postačující, pokud máte 10 let zkušeností a dílnu plnou součástek. Ale pro člověka jako já (bez zkušeností a s potřebou každou jednotlivou součástku objednat v nějakém eshopu – ideálně všechny v jednom) – už moc ne.

Značení navíc není jednotné. Někdy je pouzdro uvedené jako 0805, někdy 805, někdy R0805 a jako začátečník si nemůžu být jistý, že je to to samé a musím to vždy ověřovat.

Aktuálně jsem v procesu dešifrování těchto seznamů, protože musím udělat objednávku v eshopu musí být na konkrétní součástku.

Třeba modul 06 má v dokumentaci uvedenou součástku BC817 s pouzdrem SOT23. Ta se už nevyrábí (ale existovala). Nyní je k dispozici BC817 s pouzdrem SOT-23-3. Je to to samé nebo budu muset upravovat desku plošného spoje? Na intuici se spolehnout nelze, často podobně vypadající označení značí něco úplně jiného (třeba DO-214AA a DO-214AB).

A naopak úplně odlišná označení značí tu samou věc (třeba SMA a DO-214-AC). Někdo píše označení se dvěma pomlčkami (DO-214-AC), někdo s jednou (DO-214AC), někdo úplně bez (DO214AC).

Je potřeba najít a otevřít datasheet a porovnat.

Pokud existuje…

Některá pouzdra, zdá se, neexistují. Nebo se mi je nepodařilo najít. Několik součástek má uvedená pouzdra C-ELYT nebo B-ELYT. Nic takového ale internet nezná. Pár českých e-shopů zná Elyt-C, ale neuvádí žádné datasheety. Zdá se, že je to nějaké české specifikum.

Pak nezbývá, než se podívat na obrázek v dokumentaci. Z toho vidím, že je to placaté obdélníkové, o něco větší než 0805. V eshopech jsou Elyt-C kondenzátory většinou kulaté. Takže zase nic.

Rád bych se vyhnul předělávání PCB, protože bych se musel naučit ve 3 různých programech (z toho v jednom, který je extrémně drahý). A taky nevím, jestli tahle speciální velikost má nějakou roli pro funkci.

Použili autoři C-ELYT proto, že jim toho prostě v dílně zbyly mraky a mohu to s klidem nahradit něčím standardním? Nebo to má nějaký skrytý účel a vyměnit ho nemohu?

Na některé otázky odpovědi nemám, musím je přeskočit a řešit to, co zrovna řešit umím.

Vytvořil jsem si Excel s BOM pro všech 11 modulů. Prošel jsem po jednom dokumentaci ke každému modulu a přepsal – co řádek, to jedna součástka:

Celkem 178 řádků. Pak jsem se pokusil odstranit duplicity (totéž značené trochu jinak) a udělal si soupis unikátních součástek. Ten procházím řádek po řádku a snažím se ho spárovat s konkrétní součástkou z eshopů jako Mouser, případně GME (který rozhodně nemá vše, ale některé věci značí více v souladu s materiály MLABu)

Je to pomalý a náročný proces, ale s každou identifikovanou součástkou je vidět, že se zlepšuji.

Modul 1: LNA01A

GitHub | Průvodní slovo

Začal jsem s tímto modulem, protože ho mám označený jedničkou. Zároveň vypadá jednoduše. Ale jen na první pohled. Modul je předělávka výtvoru nějakého maďarského radioamatéra.

Původní konstrukce je zde: http://www.ha8et.hu/ext.htm

MLAB udělal nějaké změny, podařilo se mi část obvodu ztotožnit s původním návrhem (díky čemuž jsem získal odkazy na konkrétní součástky s přesnými katalogovými čísly, protože původní návrh je uvádí).

Rozdíly ale nejsou kosmetické, cívky mají jinou indukčnost a některé jsou dělané jinak (namotaný drát místo spirály přímo na ploše desky). Je vyměněn jeden integrovaný obvod za jiný, některé části jsou vypuštěné a některé (zejména „spodní“ z obrázku výše) úplně předělané. Důvody úprav nechápu, ale pro další práci to teď snad není důležité. Možná později.

Velký problém je se součástkou ATF-53189, což je tranzistor, který se před pár lety přestal vyrábět. Bez náhrady. Dá se sehnat jako second hand v eshopech, co se specializují na prodej součástek z vyřazených desek. Dá se koupit na ebay z USA za 100 Kč/ks a prodejce tvrdí, že se jedná o originál. Dá se koupit z Číny za asi 20 Kč/ks, ale asi nemám skill na to poznat, jestli se chová přesně tak, jak by měl.

Další problém je s kondenzátorem C1, který má mít pouzdro „C-ELYT“, které ale oficiálně neexistuje. Nepodařilo se mi ho s ničím ztotožnit. Hledal jsem na Mouser elektrolytické kondenzátory, bez ohledu na pouzdro, a zarazilo mě, že mají uváděnou životnost 2000 h. Když si připlatím, tak 8000 h, ale ani to není žádná hitparáda. To není ani 1 rok nonstop provozu. Nějak mě neláká představa objíždět X stanic a neustále jim vyměňovat kondenzátor.

O to víc je to nemilé, že v původní konstrukci od HA8ET elektrolytický kondenzátor vůbec není. Tady mi asi nezbyde nic jiného, než se dotázat autorů, proč tam vůbec je a jestli se nedá nahradit něčím výdržnějším.

Některé součástky uvedené v seznamu součástek nejsou potřeba (C10).

Dokumentace říká „Kondenzátory C1 a C2 jsou 8,2 pF“, což je matoucí, protože jako C1 a C2 byly značeny v původní konstrukci. V MLAB schématu jsou označeny jako C6 a C7 (a v seznamu součástek je u jednoho 5,6pF; v rozporu s textem).

Pak se tam mluví o trimmeru, který ale ve schématu není a je nahrazen 3 rezistory. Jelikož plošný spoj si zjevně dělali sami v programu PADS, nepochopil jsem úplně, proč tam ten trimmer zůstal a neudělaly se plošky přímo pro tyto rezistory.

Podklady k tomuto modelu ve formátu Gerber nejsou použitelné – žádný online pcb konfigurátor mi to neschroustal. Opravit to nezvládnu, protože PADS je drahý program s možností free readeru jen po registraci s mnoha osobními údaji. Do toho se mi nechce.

V podkladech také chybí nepájivá maska.

Po čase zírání do pokladů jsem si všiml, že v desce LNA je spousta náhodně rozesetých malých dírek. Podobné dírky jsou i v původní předloze (i když na jiných místech). Zatím jsem to studoval jen letmo, ale vypadá to, že mají nějakou funkci. Otázka, kterou zbývá vyřešit: záleží nějak na jejich poloze, velikosti, počtu? Nebo jsou rozesety opravdu náhodně?

Začal jsem více studovat původní předlohu a zjistil, že autor HA8ET vytvořil nový LNA s označením VLNA-144: http://www.ha8et.hu/VLNA-144/index.htm

Má mít mnohem lepší parametry: větší zesílení (až +24 dB) a menší šum (<0,2 dB). Také operuje s menším proudem, takže by se nemusel tolik přehřívat. Autor uvádí přesný seznam součástek, včetně katalogových čísel a schéma obvodu. Desku spoje ovšem jen jako obrázek. Ale dokázal bych ho překreslit v KiCadu.

Dostávám se k tomu, že by se mi hodilo znát důvody úprav původního návrhu MLABem. Je totiž možné, že jsou dělané kvůli nějaké kompatibilitě s používaným SDR (modul č. 02 v mém číslování).

Taky jsou v tomto novém návrhu některé obtížněji sehnatelné komponenty (variabilní induktory od TOKO), ale s tím bych si asi poradil. A rád bych použil konektory SMA a nevím, jestli to neznamená předělat nějakou část obvodu.

Zatím se tedy zdá, že jsem si s prvním modulem kousnul do velmi kyselého jablka.

Aktuální plán je takový, že se pokusím překreslit verzi MLABu do KiCadu, opravit některé problémy (chybějící maska, nestandardní velikosti součástek), zkusím vyrobit a (nějak) změřit parametry výstupu. Je podle mě lepší pokusit se sestavit celou observatoř podle původního plánu.

Až v dalším kroku bych se pokusil vytvořit KiCad návrh pro nový model VLNA-144, abych dokázal lépe posoudit vliv nového designu na výstup celé sestavy.

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *