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MIQ5 2011-2012 STRUB Guillaume Mécatronique 5e année Projet Drone Semestre 9 –

MIQ5 2011-2012 STRUB Guillaume Mécatronique 5e année Projet Drone Semestre 9 – Partie électronique Carte mère Projet Drone – partie électronique : Carte mère STRUB Guillaume MIQ5 2011 – 2012 Page 2 sur 34 Introduction Le présent rapport se consacre à la description de la carte mère du projet Drone et au travail effectué sur celle-ci au cours du semestre. Il est composé de deux parties relativement indépendantes. La première partie est écrite de façon à servir de manuel de référence pour les générations futures d’étudiants qui seront amenés à travailler sur la carte mère. L’architecture matérielle et logicielle y sera détaillée, ainsi que les différents brochages et réglages nécessaires. La seconde partie présente le travail effectué au cours du semestre sur la carte mère. Elle présente plus en détail la conception de la nouvelle carte mère et les différents problèmes qui ont pu être rencontrés avant, pendant et après cette conception. Sommaire Introduction ............................................................................................................................................. 2 Sommaire ................................................................................................................................................ 2 Partie I : Notice d’utilisation de la carte mère version 2011-2012 ......................................................... 4 Architecture matérielle ....................................................................................................................... 5 Implantation des composants principaux ........................................................................................... 6 Attribution des broches et brochage des connecteurs ....................................................................... 8 Connecteurs PPM (servos et variateurs) : J1, J2, J3 ........................................................................ 8 Connecteur IMU (Centrale inertielle MicroStrain 3DM-GX2) : J4 ................................................... 9 Connecteur GPS (EM-406) : J5 ....................................................................................................... 10 Connecteur ICSP (Programmation in-situ) : J6 .............................................................................. 11 Connecteur BATT. CM (Alimentation par batterie) : J7 ................................................................. 11 Connecteur CAPTEURS (Carte capteurs) : J8 ................................................................................. 12 Connecteur XBee : J9, U4 .............................................................................................................. 13 Connecteur DEBUG : J10 ............................................................................................................... 14 Bus SPI maître : U2, J11 ................................................................................................................ 15 Connecteur I2C : J12 ...................................................................................................................... 16 Connecteur de mesure de tension batterie : J14 .......................................................................... 16 Configuration de l’alimentation ........................................................................................................ 17 Architecture logicielle ........................................................................................................................ 18 Fichier trames.h ............................................................................................................................. 19 Fonctions de réception .................................................................................................................. 19 Fonctions « générales » ................................................................................................................. 22 Fonctions spécifiques à chaque modèle de drone ........................................................................ 22 Mise en route .................................................................................................................................... 23 Projet Drone – partie électronique : Carte mère STRUB Guillaume MIQ5 2011 – 2012 Page 3 sur 34 Partie II : reconception de la carte mère ............................................................................................... 24 Cahier des charges............................................................................................................................. 24 Choix des composants ....................................................................................................................... 24 Microcontrôleur ............................................................................................................................ 24 Alimentation .................................................................................................................................. 25 Connecteurs .................................................................................................................................. 26 Conception de la carte ...................................................................................................................... 26 Schéma .......................................................................................................................................... 26 Routage ......................................................................................................................................... 26 Premiers tests et problèmes rencontrés ........................................................................................... 27 Mise à niveau du programme ........................................................................................................... 28 Problèmes logiciels ............................................................................................................................ 29 Conclusion ......................................................................................................................................... 29 Table des figures .................................................................................................................................... 30 Table des tableaux ................................................................................................................................. 30 Annexe 1 : schéma électrique de la carte mère .................................................................................... 32 Annexe 2 : routage de la carte mère ..................................................................................................... 34 Face supérieure ................................................................................................................................. 34 Face inférieure ................................................................................................................................... 34 Projet Drone – partie électronique : Carte mère STRUB Guillaume MIQ5 2011 – 2012 Page 4 sur 34 Partie I : Notice d’utilisation de la carte mère version 2011-2012 La carte mère est l’élément principal de l’électronique embarquée du projet drone. Elle reçoit les ordres de la télécommande, traite les informations des capteurs, effectue les calculs d’asservissement et pilote les moteurs et gouvernes. Elle assure également la liaison avec la station au sol. Ces informations sont résumées sur le schéma synoptique suivant : Electronique embarquée Carte mère Capteurs Actionneurs Télécommande Station au sol Figure 1 : Schéma synoptique de l'électronique embarquée et de la communication Figure 2: carte mère version 2011-2012 vue de dessus Projet Drone – partie électronique : Carte mère STRUB Guillaume MIQ5 2011 – 2012 Page 5 sur 34 Architecture matérielle La présente carte mère est construite autour d’un dsPIC33EP256MU806 de Microchip. Il s’agit d’un microcontrôleur 16 bits possédant des fonctions additionnelles de traitement des signaux (DSP). Il a été choisi pour sa puissance de calcul, son espace mémoire important et le nombre de sorties PWM disponibles (16 dont 12 utilisées), ce qui permet de contrôler de multiples actionneurs. Ce dsPIC est alimenté en 3,3V et est cadencé à 117,9648 MHz, grâce à un quartz de 7,3728MHz et un coefficient multiplicateur x16 obtenu par PLL. De ce fait, on obtient une puissance de calcul proche de 60 MIPS (Millions d’Instructions Par Seconde), soit une instruction tous les deux coups d’horloge. On rappelle les caractéristiques principales de ce microcontrôleur dans le tableau suivant : Tableau 1: caractéristiques principales du dsPIC33EP256MU806 Mémoire programme 280Ko soit 48K instructions Mémoire SRAM 28Ko Timers 9 timers de 16 bits Sorties PWM 16 Ports série asynchrone (UART) 4 Ports série synchrone (SPI) 4 Ports série synchrone (I2C) 2 Convertisseurs analogique/numérique 2 convertisseurs (10 et 12bits), 24 canaux Boîtier boîtier CMS TQFP64 La figure suivante présente l’architecture matérielle générale de la carte mère du drone. Les blocs colorés en rose correspondent à des périphériques alimentés sous 5V tandis que les blocs en bleu correspondent à des éléments alimentés en 3,3V. Les ports de communication utilisés sont précisés sur la flèche représentant la liaison. dsPIC33EP256M U806 Module XBee vers station sol et télécommande Centrale inertielle MicroStrain 3DM-GX2 GPS EM-406 Port UART supplémentaire Carte capteurs Carte MicroSD Port SPI supplémentaire Port I²C supplémentaire Servomoteurs et variateurs (12 lignes) Alimentation 5V et 3.3V Connecteur de programmation Batterie principale Batterie carte mère UART1 UART2 UART3 UART4 SPI1 SPI2 I²C OC1 à OC12 PGEC3, PGED3 AN27 AN25 Figure 3 : architecture matérielle de la carte mère Projet Drone – partie électronique : Carte mère STRUB Guillaume MIQ5 2011 – 2012 Page 6 sur 34 Implantation des composants principaux Les deux figures et le tableau ci-après décrivent l’implantation et la fonction des composants principaux de la carte mère. Figure 4 : implantation des composants sur la face supérieure de la carte mère Figure 5 : implantation des composants sur la face inférieure de la carte mère Projet Drone – partie électronique : Carte mère STRUB Guillaume MIQ5 2011 – 2012 Page 7 sur 34 Tableau 2 : repérage et référence des principaux composants de la carte mère Repère Référence Désignation J1 Connecteur servos / ligne « signaux » J2 Connecteur servos / ligne 5V J3 Connecteur servos / ligne 0V J4 IMU Connecteur centrale inertielle MicroStrain 3DM-GX2 J5 GPS Connecteur GPS EM-406 J6 ICSP Connecteur de programmation in-situ J7 BATT. CM Alimentation de la carte mère par batterie dédiée J8 CAPTEURS Connecteur carte capteurs via câble d’adaptation J9 XBEE Connecteur UART XBEE (dérivation) J10 DEBUG Connecteur UART supplémentaire J11 SPI Connecteur SPI supplémentaire (partagé avec le support SD) J12 I2C Connecteur I²C supplémentaire J13 Cavalier de choix de la source d’alimentation J14 BATT. Connecteur de mesure de la tension de la batterie principale U1 dsPIC33EP256MU806 Microcontrôleur U2 MicroSD Connecteur pour carte mémoire MicroSD U3 MAX3232 Convertisseur de niveaux RS232  TTL 3.3V U4 XBee Connecteur XBee U5 MC33269-3.3 Régulateur LDO 3,3V U7 L4941BDT-TR Régulateur LDO 5V SW1 RESET Redémarrage de la carte (broche MCLR) D6 LED_ROUGE Indicateur LED rouge (broche RB6) D5 LED_ROUGE Indicateur LED rouge (broche RB7) D4 LED_VERT Indicateur LED vert (broche RB8) D3 LED_VERT Indicateur LED vert (broche RB9) Projet Drone – partie électronique : Carte mère STRUB Guillaume MIQ5 2011 – 2012 Page 8 sur 34 Attribution des broches et brochage des connecteurs Connecteurs PPM (servos et variateurs) : J1, J2, J3 Le signal de commande est présent sur la ligne repérée par J1 ; la première broche étant située à gauche sur le schéma ci-dessous (en haut à gauche sur la carte mère lorsque celle-ci est vue de face). Les broches de la ligne J2 sont toutes reliées à la ligne 5V_SERVO, tandis que le broches de J3 sont reliées à la masse. Figure 6 : repérage de la broche 1 des connecteurs PPM Les signaux de commande sont générés au moyen du module Output Compare, qui permet la génération de signaux PWM. Par défaut, la fréquence de rafraîchissement est fixée à 50Hz. Attention : le brochage des connecteurs doit être STRICTEMENT respecté, sous peine d’endommager définitivement la broche incriminée voire le dsPIC ! Les 12 lignes de commande présentes sur J1 sont attribuées de la façon suivante : Tableau 3 : attribution des broches de J1 N° Nom Broche dsPIC Sens Commentaire 1 OC1 RE4/RP84 (OC1) → Rapport cyclique défini par OC1R 2 OC2 RE2/RP83 (OC2) → Rapport cyclique défini par OC2R 3 OC3 RE0/RP80 (OC3) → Rapport cyclique défini par OC3R 4 OC4 RF1/RP97 (OC4) → Rapport cyclique défini par OC4R 5 OC5 RF0/RP96 (OC5) → Rapport cyclique défini par OC5R 6 OC6 RD7/RP71 (OC6) → Rapport cyclique défini par OC6R 7 OC7 RD6/RP70 (OC7) → Rapport cyclique défini par OC7R 8 OC8 RD5/RP69 (OC8) → Rapport cyclique défini par OC8R 9 OC9 RD4/RP68 (OC9) → Rapport cyclique défini par OC9R 10 OC10 RD3/RP67 (OC10) → Rapport cyclique défini par OC10R 11 OC11 RD2/RP66 (OC11) → Rapport cyclique défini par OC11R 12 OC12 RD1/RP65 (OC12) → Rapport cyclique défini par OC12R Remarques :  Le premier nom de broche correspond à la patte physique du dsPIC.  Le second nom correspond au numéro de broche pour la fonction Peripheral Pin Select  Le troisième nom correspond à la broche de périphérique définie dans le programme. Projet Drone – partie électronique : Carte mère STRUB Guillaume uploads/Geographie/ projet-drone-partie-electronique.pdf