Вестник Военного инновационного технополиса «ЭРА», 2023, T. 4, № 2, стр. 159-165

Разработка схемы электрической принципиальной на основе микросхемы приемопередатчика ADF7021 с использованием диапазона частот 868.7–869.2 МГц

А. А. Парамонов 1, С. А. Чмаев 1*, Е. О. Чащин 1, Д. Грэждиеру 1, А. С. Федотов 1, В. Д. Радченко 1

1 Военный инновационный технополис “ЭРА”
Анапа, Россия

* E-mail: era_1@mil.ru

Поступила в редакцию 06.07.2023
После доработки 06.07.2023
Принята к публикации 05.10.2023

Полный текст (PDF)

Аннотация

Проведена разработка обобщенной структурной схемы приемопередающего модуля и схемы электрической принципиальной приемопередающего устройства для беспилотного летательного аппарата. Для создания работающей схемы электрической принципиальной на основе микросхемы приемопередатчика ADF7021 использовали диапазон частот 868.7–869.2 Мгц. Представлена схема электрическая принципиальная.

ВВЕДЕНИЕ

Разработка радиоуправляемых летательных аппаратов (ЛА) началась в ХХ веке, и если сначала они использовались преимущественно для решения военных задач, то сейчас беспилотные летательные аппараты (БПЛА) обрели повсеместную популярность. Сегодня радиоуправляемые БПЛА решают широкий спектр задач. Как правило, их целевое применение – сбор данных. В гражданской сфере они используются для инспекции промышленных объектов и объектов энергетической инфраструктуры, картографирования, мониторинга и сбора данных о лесных хозяйствах, поддержки поисково-спасательных операций. В военной сфере интерес к БПЛА по-прежнему очень высок, причем не только к самим ЛА, но и к вопросу противодействия БПЛА.

Одним из главных требований к выполнению полетов является безопасность при управлении летательным аппаратом как в воздухе, так и на земле. Это достигается путем обеспечения эффективной, защищенной и безопасной системы связи между приемопередающими модулями самого ЛА и приемопередающими модулями наземного комплекса управления (НКУ).

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве входных данных для разработки макетов задана микросхема приемопередатчика ADF7021 с использованием диапазона частот 868.7–869.2 МГц. Рассмотрим параметры этой микросхемы. ADF7021BCPZ – высококачественный узкополосный радиотрансивер с малым энергопотреблением. Структурная схема приведена на рис. 1.

Рис. 1.

Структурная схема ADF7021-VDB1Z.

Поскольку заданный диапазон частот от 868.7 до 869.2 Мгц достаточно узкий – 0.5 МГц, и скорость приемопередающего модуля составляет ~30 кбит/с, будем рассматривать радиолинию, построенную с использованием приемопередатчика с данными входными параметрами как командную линию управления с возможностью передачи небольшого объема данных полезной нагрузки.

Составив структурную схему разрабатываемого устройства (рис. 2), необходимо выбрать ключевые радиоэлементы основных узлов.

Рис. 2.

Обобщенная структурная схема.

Микроконтроллер (МК) – это устройство на интегральной микросхеме, используемое для управления другими частями электронной системы обычно через микропроцессорное устройство, память и несколько периферийных устройств. Эти устройства оптимизированы для встраиваемых приложений, которые требуют как возможностей обработки, так и гибкого, быстрого взаимодействия с цифровыми, аналоговыми или электромеханическими компонентами [2].

Существует много компаний-производителей МК. Наиболее популярны такие бренды, как M-icrochip Technology, STMicroelectronics, Atmel, Analog Devices, NXP Semiconductors, Silicon Laboratories, Texas Instruments, Altera и др. Сами МК различаются по архитектуре, разрядности, электрическим параметрам, корпусам и т.д.

Остановим выбор на МК STM32 ввиду их высокой производительности, удобства отладки. STM32L152RDT6 имеет хорошие показатели производительности, достаточно большой объем оперативной памяти, интерфейс для SD-карты, общие характеристики выше, чему у конкурентов, поэтому выберем именно его. Энергонезависимая память – запоминающие устройства, которые способны хранить информацию в отсутствие электрического питания. К таким устройствам относятся типы памяти [3]:

Flash – энергонезависимая память с постраничным доступом к памяти;

EEPROM – электрически стираемое перепрограммируемое постоянно запоминающее устройство, позволяет записывать и стирать отдельные байты;

SSD- и SD-карты – энергонезависимая память с использованием архитектуры NAND Flash.

Заложим в изделие разъем для установки карт памяти Micro-SD. Это широко используемая, относительно недорогая память с небольшими габаритами, объем которой с развитием технологий увеличивается.

Система электроснабжения – в БПЛА могут использоваться источники питания с разными параметрами. Для приемопередающего модуля необходимо закладывать запас в характеристики электроснабжения для возможности использования в различных системах.

В качестве преобразователя посеянного напряжения будем использовать продукт фирмы Traco Power TSR 1-2450. Этот преобразователь выгодно отличается от конкурентов высоким значением коэффициента полезного действия.

Следующим этапом служат разработка схемы электрической принципиальной и выбор элементной базы.

На основе выбранных элементов создали схему электрическую принципиальную (рис. 3).

Рис. 3.

Процесс проектирования схемы электрической принципиальной. Фрагмент схемы.

Рассмотрим функциональные блоки схемы.

Блок приемопередатчика (рис. 4) состоит из:

Рис. 4.

Блок приемопередатчика.

1. Микросхемы приемопередатчика ADF7021BCPZ фирмы Analog Devices;

2. Микросхемы малошумящего усилителя BGU8051 фирмы NXP;

3. Полосового фильтра FS-869B2 фирмы Бутис;

4. Микросхемы электронного переключателя ADG918 фирмы Analog Devices;

5. Коаксиального разъема WR-SMA 60314202124525 фирмы HUBER SUHNER.

Передача сигнала происходит по микрополосковой линии с волновым сопротивлением. Начинается линия от контакта 4 микросхемы приемопередатчика, мощность выходного сигнала программно регулируется в диапазоне значений от –16 до 13 дБм. Далее сигнал усиливается микросхемой малошумящего усилителя BGU8051 со значением усиления, равным 18 дБ, и через переключатель ADG918 поступает на контакт коаксиального разъема (п. 5), к которому должна быть подключена антенна. Микросхема электронного ключа была рекомендована в технической документации на приемопередатчик (п. 1).

Прием сигнала осуществляется антенной, подключенной к коаксиальному разъему (п. 5), сигнал идет по микрополосковой линии с волновым сопротивлением. Проходит через ключ (п. 4), попадает на полосовой фильтр (п. 3) и принимается контактом 6 микросхемы приемопередатчика.

Блок микроконтроллера.

Связь микроконтроллера STM32L152RDT6 и приемопередатчика ADF7021BCPZ осуществляется с помощью последовательного интерфейса обмена данными SPI (рис. 5).

Рис. 5.

Интерфейс SPI.

Для программирования МК и отладки установлен разъем BH-06_(DS1013-06S) (рис. 6).

Рис. 6.

Блок программатора.

Для связи разрабатываемого приемопередающего модуля с другими модулями БПЛА/НКУ используется интегральная схема “MAX3490ESA+” интерфейса RS-485 (рис. 7).

Рис. 7.

Подключение микросхемы MAX3490ESA+.

Интерфейс RS-485 – один из наиболее популярных промышленных стандартов связи физического уровня. Передача информации происходит по витой паре с помощью дифференциальных сигналов, благодаря чему достигается высокая помехоустойчивость, обеспечивается большая дальность связи и возможно многоточечное соединение (рис. 8) [4].

Рис. 8.

Интерфейс RS-485.

В качестве разъема XP3 рассматривали серию СНЦ-разъемов. Они имеют отличные электрические и эксплуатационные характеристики, при этом очень высокую стоимость. В качестве разъема выбрали распространенный разъем DB-9М. В варианте исполнения для НКУ дополнительно установлен USB-разъем. Это сделано для удобства эксплуатации, чтобы была возможность подключить разрабатываемый модуль к компьютеру через USB-порт. Для установки Micro-SD-карты памяти используется гнездо DM3AT-SF-PEJM5. Карта памяти подключена по интерфейсу SDIO (рис. 9).

Рис. 9.

Подключение карты памяти по интерфейсу SDIO.

Блок системы электроснабжения модуля (рис. 10):

Рис. 10.

Система электроснабжения модуля.

1. Разъем XT60PW-M фирмы AMASS;

2. Преобразователь постоянного напряжения TSR 1-2450 фирмы Traco Power;

3. Микросхемы стабилизаторов напряжения MIC52193.3YM5-TR.

Разрабатываемый модуль питается от внешнего источника питания, диапазон входного напряжения модуля от +7 до +36 В. Входное напряжение понижается преобразователем (п. 2) до значения +5 В и передается на стабилизаторы (п. 3), которые понижают значения напряжения до 3.5 В. Для выполнения условия магнитной совместимости и уменьшения взаимных помех потенциальные слои разделены. К блоку приемопередатчика относятся цепи “3V3R” и “RGND”, блоку МК цепи “3V3” и “GND”. В цепи питания включены ферритовые бусины, связь полигонов земли соединена бусиной L15 (рис. 11).

Рис. 11.

Разделение потенциальных слоев на схеме.

Выбор компонентной базы осуществлялся на основе их электрических параметров, технологичности их использования, доступности и цены. Конденсаторы и индуктивности выбрали от фирмы Murata, электролитические конденсаторы – Epcos, резисторы – Yageo, так как эти компании зарекомендовали себя хорошим качеством продукции. Класс диэлектриков конденсаторов выбирали не ниже 2 класса X7R (рис. 12).

Рис. 12.

Зависимость относительной диэлектрической проницаемости диэлектрика от температуры.

Для компонентов цепей с высокочастотным сигналом контролировали значение частоты собственного резонанса. Использовали компоненты специальных серий для высокочастотных цепей, например конденсаторы серии GJM (рис. 13).

Рис. 13.

Серия GJM фирмы Murata.

Корпусы чип-элементов выбирали с точки зрения технологичности их установки, предпочтение отдавали типоразмерам корпусов “0603”, для высокочастотных цепей, чтобы отклонения в ширине микрополосковой линии были минимальны, выбирали корпусы меньшего типоразмера – “0402”.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На основании поставленных задач с использованием заданных входных параметров спроектирована работающая схема электрическая принципиальная на основе микросхемы приемопередатчика ADF7021 с использованием диапазона частот 86.7–869.2 МГц. Рассмотрены основные узлы и выбраны для них подходящие компоненты при заданных параметрах, такие как блок приемопередатчика, интерфейс SPI, блок программатора, микросхемы MAX3490ESA+, интерфейс RS-485, карта памяти по интерфейсу SDIO, система электроснабжения модуля.

ВЫВОДЫ

Проведено исследование и разработаны обобщенная структурная схема приемопередающего модуля и схема электрическая принципиальная приемопередающего устройства для БПЛА. Эксклюзивность данной схемы заключается в работе на определенном диапазоне частот (868.7–869.2 МГц).

Список литературы

  1. ADF7021 Лист данных. https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/347580/AD/EVAL-ADF7021VDB1Z.html

  2. Что такое микроконтроллер? Определение характеристик и архитектуры. https://radioprog.ru/post/689

  3. Сравнение основных видов памяти. https://ekb.terraelectronica.ru/news/6226

  4. TSR 1-2450 Лист данных. https://ru.mouser.com/datasheet/2/687/tsr1-537631.pdf

  5. X7R, X5R, C0G: краткое руководство по типам керамических конденсаторов. https://radioprog.ru/post/426

Дополнительные материалы отсутствуют.