Игорь Уватенков (R9JD)

Идея создания современного единого автоматизированного блока управления радиолюбительским оборудованием давно занимала мой ум, избавиться от кучи мелких коробушек и массы проводов от них, освободить и окультурить свой шек. Была поставлена цель: чтобы не махать руками и не мотать головой - сосредоточить все в одном месте, в одном блоке. Я разработал контроллер под свои условия и свой набор антенного хозяйства. Блок в который входят множество модулей для управления. Я не призываю один в один повторять конструкцию, хотя она универсальна, но идея такого подхода, я уверен, может пригодится многим!

ЧТО БУДЕМ ИСПОЛЬЗОВАТЬ?

Я давно искал програмируемые модули с дисплеем на борту, в том числе промышленные экземпляры c ЧМИ (человеко-машинный интерфейс - англ. Human-machine interface, HMI). Все оказалось тщетно, прежде всего слишком высокая цена, не устраивали габариты и способ программирования!

Использование простых TFT дисплеев приводило к неудаче, слишком трудоемким оказался процесс, к тому же отнимало значительные ресурсы у микропроцессора. Не устраивала динамика и реакция дисплея на действия оператора, обновление экрана происходило медленно… Использовать маленькие дисплеи — просто глупо, а большие не тянут! 

И вот на радость радиолюбителям, на рынке появился дисплей под названием Nextion. Именно с его помощью я решил мою давнюю мечту.

Цветной TFT дисплей NEXTION от компании ITEAD STUDIO имеет резистивный сенсор касаний с собственным контроллером, у него на борту собственный микропроцессор и память, создает внутри себя шаблоны разных элементов, которые по UART принимают команды и меняют свое состояние. Или наоборот — отправляют команды по UART. Взаимодействие с железом упрощается. Закачать подготовленый в редакторе Nextion проект не составляет труда, для этих целей на плате дисплея имеется слот для micro SD-карты. Очень удобно, хранить, дорабатывать и заливать в память дисплея. Выпускаются дисплеи в широкой линейке диагональных размеров от 2.4» до 7».

Для создания проектов на базе дисплея необходим Nextion Editor. В редакторе имеется всё необходимое для создания красивого интерфейса: простые и радио кнопки, чек-боксы, текстовые и цифровые поля, прогресс-бар и слайдер, поля картинок, поля для вывода графиков. Также есть возможность генерировать шрифты. Кроме того редактор имеет встроенный эмулятор дисплея и обеспечивает программную связь между эмулируемым дисплеем и вашим железом, плодключенным по USB. Таким образом, вы можете не только эмулировать дисплей, но и присоединять его к железу и программировать и то и другое, наблюдая за результатом работы. Кнопка, нарисованная в графическом редакторе, будет существовать не в памяти МК, а в памяти дисплея. Нажатие на эту кнопку (касание дисплея) вызовет передачу в UART некоторого кода, который контролируется и к нему можно привязать реакцию железа (исполнительного механизма). В общем, это полноценный пульт управления!

В качестве посредника используется микропроцессорная платформа под названием Ардуино. Я выбрал Arduino Mega на микроконтроллере ATmega2560 из-за большого количества портов ввода/вывода. Плата имеет 54 цифровых входа/выходов (14 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 16 аналоговых входов, 4 последовательных порта UART, кварцевый генератор 16 МГц, USB коннектор, разъем питания, разъем ICSP и кнопка перезагрузки. Для работы необходимо подключить платформу к компьютеру посредством кабеля USB или подать питание при помощи адаптера AC/DC.

КОНТРОЛЛЕР

Проанализировав предыдущий опыт конструирования устройств для радиолюбительских целей, в этом проекте внедрил проверенные решения. Теперь собираю всё в кучку. Контроллер может работать как автономно, так и управляться с компьютера через СОМ-порт с помощью команд доработанного протокола GS232 от Yaesu. Этот протокол предназначен для управления поворотными устройствами Yaesu. Некоторые производители повороток присоединились к первопроходцам и стали использовать команды протокола при проектировании «своих» железяк и даже добавлять собственные команды. Поскольку протокола для коммутаторов не существует (по крайней мере не нашел) я решил к основным командам добавить команды управления коммутаторами. Если разработчики программ для радиожелезяк поддержите инициативу, то команды станут неким стандартом, буду рад. Смотрим таблицу комманд:

На блок-схеме контроллера я постарался максмиально плотно разместить основные узлы, разукрасил согласно функционалу элементов и портов, чтобы восприятие было более понятным. Как видите на схеме задействовано достаточно много портов микропроцессора. Часть их них принимает данные, часть осуществляет управление исполнительными механизмами через транзисторные ключи. Также я вывел Serial-интерфейсы для взаимодействия с компьютером, дисплеем и другими внешними устройствами (на перспективу).

В состав Контроллера входят:

1. Дисплей Nextion с высоким разрешением экрана 800х480. Я специально выбрал большой монитор, чтобы пальцем не промазать по кнопкам. Это самодостаточный узел, в нем хранится набор функциональных органов интерфейса. Как уже говорил, всё программируется в визуальном редакторе. Запустив режим эмуляции можно посмотреть как ведет себя тот или иной компонент интерфейса, его реакцию и связи с другими элементами. Все очень наглядно и интуитивно понятно. После отладки проекта, нужно загрузить скомпилированный код на дисплей. Для этого существуют два способа: SD-карта и передача через СОМ-порт. В первом случае загрузка происходит значительно быстрее в несколько раз. На мониторе отображается процесс, по окончании загрузки вы увидите финальное сообщение. Теперь выключаем питание дисплея и вынимаем карту. После его включения — ваш проект уже работает, можете тыкать на элементы интерфейса и радоваться поведению, которое вы заложили в алгоритм пульта.

2. Плата Arduino Mega 2560. В микроконтроллер зашивается программа, которая определяет реакцию на команды с компьютера, монитора Nextion, входных данных о диапазоне, об азимуте и состоянии поворотных устройств, согласно заложенного функционального алгоритма. Программа пишется под конкретные условия и занимает на странице много места, поэтому я не публикую ее. Если у кого-то возникнут вопросы, пишите мне на эл.почту. Плата микроконтроллера вставляется в специальный слот с помощью штырьковых разъемов на материнскую плату.

3. Плата коммутационных ключей. Я использовал транзисторные ключи Рис.1, поскольку реле внешних коммутационных блоков запитаны по схеме с общей землей (Рис.3а). Если у вас контакты обмоток реле независимы, то рациональнее использовать сборку ULN2003 (Рис.2 и Рис.3б), где общим проводом будет «плюс» питания. Распиновка микросхемы на Рис.4. Реле в основных блоках коммутации расчитано на напряжение обмотки 24V.

4. Модуль опторазвязки с датчиков перехлеста. Датчики работают на замыкание контактов. В качестве оптопары используется сборка на микросхеме КР3040, четыре оптопары в одном корпусе. Можно использовать любые другие микросхемы, как сборки так и одиночные. На входных линиях стоят быстродействующие двунаправленные TVS-диоды и конденсаторы для защиты входных цепей от наводок и статики. При возникновении «опасного» импульса, превышающего порог срабатывания, диод открывается и импульс уходит на землю, после этих событий диод восстанавливает свои свойства, тем самым разблокируя входную линию. Это простая защита, более сложные варианты предполагают наличие большего количества защитных устройств (TVS,TBU,TISP,GDT) на линии либо их комбинации. Варианты защиты линий на рисунке ниже.

4. Блок реле управления поворотными устройствами. Реле работают по командам с пульта, коммутационные ключи выполнены на микросхеме ULN2003. Используются четыре канала, по два на один ротатор для включения двигателя и его реверса. Реле на напряжение 12v.

5. Блок питания VAC/DC. Обычный сетевой блок питания, импульсный или трансформаторный, преобразует ~220v в стабилизированное 24v, которое используется для питания контроллера и реле основных антенных коммутационных блоков.

6. Блок стабилизаторов напряжения (12v,9v,5v). Это вспомогательные напряжения для питания блоков и модулей платы. 12v — для питания реле блока управления поворотными устройствами. 9v — для питания платы Arduino Mega. 5v — для питания вспомогательных плат логики.

ИСПОЛНИТЕЛИ

Аппаратная часть содержит четыре основных коммутатора на базе транзисторных ключей по восемь каналов, два вспомогательных коммутатора (приоритета) на четыре канала, два четырехканальных для управления двумя поворотными устройствами и приемными антеннами. На функциональной схеме видно назначение приоритетного коммутатора, с его помощью я выбираю один из основных коммутаторов. Для чего это нужно и почему такое решение? Поясняю, в наличии имеются два мультибенда на разных мачтах, QUAD и YAGI, один смотрит на Запад другой на Восток. Набор антенн идентичен, чтобы переключиться между антеннами, сменить направление, нужен вспомогательный коммутатор, в этом и состоит его назначение. При этом основные коммутаторы выбирают диапазонные антенны независимо друг от друга согласно текущего диапазона трансивера. По умолчанию приоритетный коммутатор подключает, например, первый (так заложено в алгоритме условий авторежима), при необходимости в любой момент я могу переключиться на любой другой, выбрав его в интерфейсе.

Аналогично работает коммутатор приоритета и для приемных антенн. Коммутатор приемных антенн выполнен в виде блока реле с переключающими контактами, тем самым имеем два положения: при включеном реле замыкается один контакт (подключена одна антенна), при выключеном реле замыкается другой контакт (подключается другая антенна). Выбирая приемную антенну вручную, соответственно приоритетный коммутатор программно реагирует на это и переключает нужную позицию.

Блоки коммутации я описывал в своей статье «Антенный переключатель своими руками», повторюсь в описании… Блок коммутации выполнен на печатной плате из двустороннего стеклотекстолита, толщиной 2мм, с максимально возможной толщиной фольги, у меня 70 мкм. Реле установлены переключающими контактами максимально близко к объекту переключения. При отключеном питании пульта управления все выходные контакты (антенны) будут заземлены. При включении одного канала, остальные остаются заземлёнными, это нужно для того, чтобы расстроить не работающие антенны и не искажать диаграмму направленности рабочей антенны, а также снять статическое напряжение и различного рода наводки. К тому же при выключеном пульте исключается прямое попадание разряда молнии по кабелю в передатчик или приемник. Многие производители антенных коммутаторов игнорируют практикой проверенные доводы, по крайней мере я не встречал «нормальных» моделей. У них всегда подключена одна антенна, остальные просто висят в воздухе, вне зависимости от того работает пульт или нет. По моему, при форсмажорной ситуации, пусть лучше выйдет из строя блок коммутации нежели трансивер! 

Поэтому я развел платы в SPRINT LAYOUT с учетом сказанного. Восьмиканальные платы общей землей качаем здесь, с общим «плюсом» (для ULN2003A) качаем отсюда. Четырехканальные — с общей землей здесь, с общим плюсом здесь. Размер плат на 4 канала 100х100 мм, на восемь каналов 140х140 мм, на плате разведены места для установки диодов и конденсаторов, либо навесных, либо SMD, ставьте по выбору. Внешне выглядят так:

В конструкции спользованы разъемы UHF с креплением на панель. Реле для блоков коммутации выбраны герметичные RT314024. Работают в диапазоне температур от минус 40 до плюс 85 С, 24 вольта постоянного тока, две контактных группы, расстояние между контактами 2.5 мм, ток коммутации 16 А, время срабатывания 3 миллисекунды, габариты 29х12.7х15.7 мм, стоимость в зависимости от производителя и продавца 70-150 руб за шт. В общем класс!!! Для мощности в киловатт есть запас, это вполне достойный вариант. Есть аналогичные релюхи, высота их чуть больше и время срабатывания до 7-10 миллисекунд, установочные размеры те же: TRA2 D24VDC-S-Z (см.фото).

Еще можно использовать Вакуумные реле П1Д-1В, П1Д-3В, П1Д-4В, ток протекающий через контакты от 3 А (П1Д-1В) до 7.5 А (П1Д-3В, П1Д-4В) по паспорту, рабочее напряжение на частоте 30 Мгц = 1.5 Кв. На том, что я перечислил, свет клином не сошелся, можете поискать в интернете подходящий вариант, главный критерий большой ток коммутации, расстояние между контактов не менее 2 мм, герметичность и рабочее напряжение удобное для пульта управления 12, 24 или 27 вольт. Я выбрал 24 в поскольку имеется готовый блок питания. Любителям QRO можно взять мощные вакуумные (В1В-1В, В1В-1В1, В1В-1Т1, В1В-1Т2), и как следствие изготовить другую плату.

Коммутатор собирается в металлическом (дюралевом) корпусе, можно купить готовый корпус. Сверлятся отверстия под ВЧ разъемы по маске платы, корпуса ВЧ разъемов крепятся болтами к корпусу блока либо непосредственно, либо через распорные втулки вместе с платой (первый вариант надежнее). Далее плата «надевается» на установленые разъемы и центральные жилы припаиваются к плате. Экраны ВЧ разъемов соеденены через корпус коммутатора и подключаются к плате отдельным проводом. Плату крепить отдельно нет необходимости, она прочно удерживается на распаяных разъемах. Выводы для питания релюшек выводятся на боковой разъем, и экранированым проводом спускаются в шек к пульту управления. Для этих целей подходит кабель экранированная «витая пара» для внешней прокладки, его можно приобрести в любом компьютерном магазине.

Для переключения приемных антенн использованы малогабаритные реле IM07GR на напряжение 24V. Разъемы — BNC, обжимные под кабель RG-58 и аналогичные волновым сопротивлением 50 ом. Плату для переключения RX антенн (версия-1, пайка кабеля на плату), размер 63х35, качаем здесь. Вторая версия платы, где установлены разъемы BNC непосредственно на плате, размер 157х48, качаем отсюда. Эта плата устанавливается на заднюю стенку корпуса и удерживается на разъемах.

Надеюсь, я придал вектор для развития идеи автоматизации рабочего места. Уверяю вас, если вы правильно спроектируете контроллер и потратите какое-то время на его изготовление, это сэкономит ваши силы и нервы при эксплуатации. Будете весьма довольны и с иронией вспоминать о куче барахла, на котором приходилось работать. Применение дисплея в связке с микроконтроллером раскрывает огромные возможности для автоматизации. Переходите на современные технологии, почувствуйте себя достойными НАМ-мами на КВ и УКВ диапазонах. Всем удачи в реализации планов!