APRS System

Das APRS System ermöglicht es Datenpakete per Funk über das Packet-Radio-Netz zu übertragen. Dazu gehören z.B. GPS-Daten und kurze Textnachrichten. Hierzu werden Frequenzen im 2-Meter-Band bei einer Bitrate von 1200  Bit/s verwendet. Das Packet-Radio-Netz sollte dabei jedoch möglichst wenig belastet werden, daher werden die gesendeten Informationen von Packet Radio Digipeatern nur soweit weitergeleitet, bis sie auf einen IGATE treffen. Bei einem IGATE handelt es sich um einen Packet Radio Digipeater, der über eine Internetanbindung verfügt. Die auf diese Weise in das Internet eingespeisten Datenpakete lassen sich über entsprechende Programme abrufen und verarbeiten.

Das APRS System eignet sich daher für verschiedene Anwendungen, dazu gehören unter Anderem:

  • Verfolgung von mobilen Objekten
  • Ortung von Fahrzeugen nach einem Diebstahl
  • Übertragung von Wetterdaten
  • Übertragung von Statusmeldungen

Hinzu kommt eine Notruffunktion. Diese löst bei manchen Empfangsgeräten einen akustischen Alarm aus oder lässt Kartenanzeigen, von entsprechender APRS Daten auswertender Software, automatisch auf den Standort des Notrufes hinein zoomen. Da die APRS Daten durch das Packet-Radio-Netz weitergeleitet werden, lässt sich somit eine Notfallmeldung in kürzester Zeit auf weite Strecken verbreiten.

Um ein APRS System zu konstruieren benötig man:

  • Zulassung zum Amateurfunkdienst
  • GPS Empfänger
  • APRS Modul
  • Funkgerät
  • FunkantenneAPRS

 Beabsichtigte Funktionsweise der APRS Bake

Spezifikationen an das System

Ziel war es ein Funk-System zu entwickeln, welche zusätzlich zu weiteren Komponenten in der Sonde untergebracht werden kann und nachfolgende Spezifikationen erfüllt:

  • GPS-Positionsdaten erfassen und auswerten
  • Weitere Telemetriedaten z.B. Akku Überwachung erfassen
  • Positions- und Telemetriedaten über Funkverbindung in kurzen Abständen (z.B. alle 30 s) an die Erde senden.
  • Funkverbindung muss eine Reichweite von mindestens 100 Km erlauben
  • Erzeugung von Datenpaketen zur digitalen Datenübertragung
  • AFSK-Modus
  • Dateneinspeisung über das Amateurfunk Packet-Radio-Netz.
  • Weiterleitung durch Digipeater und Einspeisung in das APRS-Netzwerk durch IGATES
  • Direktempfang durch den Verfolger über entsprechende mobile Gegenstationen
  • Kompakte Bauweise in SMD (0805) Form
  • Stand-Alone Betrieb um eine gewisse Redundanz zu erhalten
  • Eigene Energieversorgung zur Ausfallsicherheit
  • Hauptplatine soll beliebig erweiterbar sein, durch herausführen aller Ports auf zwei Stiftleisten
  • Akustischer Signalgeber für die Bergung der Sonde
  • Temperaturbeständig bis -60°C
  • Befestigungsbohrungen für ein Handfunkgerät (Hier wurde sich an dem UV-5R orientiert)
  • Programmierung der Firmware über ISP
  • Bedienung über eine RS232 Schnittstelle
  • Flexibilität für Weiterentwicklungen

Es sollte ein System entstehen, welches sowohl mit einem kostengünstigen Funkgerät (Hier UV-5R) kompatibel ist, als auch mit einem Funkmodul (z.B. Radiometrix TX1M) welches direkt aufgesteckt werden kann. Somit kann das System für jede Anwendung hin angepasst werden. Zur Übersichtsgewinnung wurde zu Beginn des Projektes ein Blockschaltbild mit allen benötigten Komponenten entworfen.

 Blockschaltbild APRS System

 

Das Konzept des Gesamtsystems sieht eine modulare Bauweise vor. Diese hat den Vorteil, dass die einzelnen Komponenten flexibel an unterschiedliche Anforderungen angepasst und neu kombiniert werden können.

 

Folgende Module sind Gegenstand des Systems:

 

Basisplatine:

Die Hauptplatine beinhaltet die Prozessoreinheit. Hauptaufgabe neben der inneren Kommunikation zu diversen Sensoren ist die Bereitstellung eines 1200 Baud Packed Radio Modems.

3D Basisplatine

3D Simulation der Basisplatine

 

Aufsteckplatine:

Die Aufgabe der Aufsteckplatine besteht in der Energieversorgung für das Funkgerät sowie die Akkuüberwachung und Signaltonausgabe. Durch ein Miniaturrelais kann über die Software das Funkgerät entsprechend zugeschaltet werden.

3D Aufsteckplatine

3D Simulation der Aufsteckplatine

GPS-Modul:

Das GPS-Modul empfängt GPS Daten über eine integrierte Patchantenne. Es stellt die GPS-Daten im NEMA Protokoll zur Verfügung.

GPS

Verwendetes GPS Modul

Funkgerät (UV-5R):

Das Funkgerät sendet die Datenpakete auf 144,800 MHz (Digitale Betriebsart). Sein Anschluss erfolgt über Mikrofon und Lautsprecher Anschluss. 

UV 5R

UV-5R

Antenne für 2m Band:

Aufgrund der bei diesem Projekt vorgesehen Anwendung konnte keine vorgefertigte Antenne verwendet werden. Das Stehwellenverhältnis der entwickelten Antenne beträgt bei 144,800 MHz 1,08.

Antenne APRS Sonde

Entwickelte Antenne für das 2m Band

Batteriepack 12 V:
Bestehend aus 8 x 1,5 V Lithium AA Batterien für spezielle Anwendungen.

 

Systembus (I2C):

Falls eine Datenkommunikation zu weiteren Komponenten innerhalb der Sonde benötigt wird, stellt der I²C Bus eine robuste und universelle Schnittstelle dar.

APRS Bake montiert

Basisplatine und Aufsteckplatine montiert auf UV-5R

 

Basisplatine

Zu Beginn der Systementwicklung wurde die Elektronik für die APRS auf diverse Anwendungen hin projektiert. Daraus entstand das Konzept eines modular realisierten Gesamtsystems das aus einer Basisplatine und einer Add-on Platine besteht.

Folgend werden die Einzelkomponenten der Basisplatine beschrieben.

µC

Die Basis dieses Systems stellt ein 8-bit Mikrocontroller von Atmel dar. Dieser übernimmt einen Großteil aller digitalen Verarbeitungen. Dieser Prozessor wurde bereits in anderen Projekten [DH3WR] genutzt und soll auch hier Verwendung finden, um den Aufwand der Softwareimplementierung gering zu halten.

Der Controller stellt folgende Schnittstellen zu Verfügung:

  • 1x   USART
  • 1x   TWI
  • 1x   SPI
  • 23x Logik-Ports

Der µController kann über eine ISP Schnittstelle direkt über das kostenlose AVR-Studio in Assembler oder C programmiert werden. Hierzu wurde die entsprechende Schnittstelle herausgeführt.

Controller

ATMEGA 8-16AU

ISP

ISP

I²C

Zur Kommunikation zu weiteren Komponenten innerhalb der Sonde, soll eine I²C Schnittstelle zur Verfügung stehen. Somit ist eine Erweiterung durch z.B. Sensoren einfach zu realisieren. Die folgende Darstellung zeigt die Buchsenbelegung bei dem realisierten System.

I2C

I²C

Buchsenleisten

Den Stift- und Buchsenleisten kommt bei diesem Projekt eine besondere Bedeutung zu. Sie dienen zum aufeinanderstapeln der einzelnen Platinen. Daher konnten keine Standard Buchsenleisten verwendet werden. Ihre Anschlüsse sind für diese Anwendung zu kurz und würden damit die Gefahr von mechanisch instabilen Kontakten mit sich bringen.

K101

K101

K102

K102

Schnittstellen und Anschlüsse für GPS Modul

RS232

MAX 202

GPS

K104

Reset

Bei der beabsichtigten Anwendung sollte das System ohne das Trennen der Energieversorgung zurückgesetzt werden können. Dazu wird in diesem Fall ein Power‑On‑Reset verwendet.

Power-On-Reset

Als Power‑On‑Reset bezeichnet man einen Reset, der in Digitalschaltungen (Computer, Eingebettete Systeme, …) nach dem Anlegen der Versorgungsspannungen für einen definierten Start der Schaltung sorgt, sobald die Versorgungspannungen des Systems ihre Nennwerte erreicht haben. Dazu wird häufig eine Kondensatorschaltung an einem Reset oder Run Anschluss verwendet.

Realisierte Schaltung

Um bei einer Störung einen Reset durchführen zu können, musste eine entsprechende Schaltung auf der Flachbaugruppe vorgesehen werden. Der Atmega 8-16AU verfügt bereits über eine entsprechende Vorbereitung. Auf seiner Platine sind an der Buchse PC6 Anschlüsse für einen Reset vorgesehen. Um einen manuellen Reset durchzuführen, wird zunächst über den Taster Pin PC6 auf Masse Potenzial gezogen. Der Kondensator entlädt sich somit und der Anschluss PC6 des Mikrokontrollers wird auf Masse gezogen. Dadurch wird das System abgeschaltet. Wird nun PC6 wieder von der Masse getrennt, liegt der Kondensator über den Pull-Up Widerstand an 5V an. Der Kondensator ist noch entladen und zieht das Potenzial hinter dem Widerstand weiter auf Masse. Erst mit zunehmender Ladung des Kondensators steigt die Spannung an Pin PC6, wodurch das System wieder anläuft und den Power-On-Reset durchführt.

Reset

Reset

AFSK und Empfangselektronik

AFSK

AFSK

Empfang

Empfangselektronik

PTT

PTT

PTT

Schalter für Systemeinstellungen

Die Software der APRS Bake ist so gestaltet das über die Bits PD3 – PD6 verschiedene Betriebsmodi ausgewählt werden können.

S201

DIP Codierschalter

Status LED

Für den Anwender ist es wichtig signalisiert zu bekommen im welchem Status sich das System gerade befindet. Hierzu sollen die Status LEDs dienen.

Im Betrieb signalisieren sie den Sendebetrieb, den Empfangsbetrieb und die Funktionalität des GPS Empfängers.

Die LEDs werden über Transistoren geschaltet, damit die GPIO Ports des Mikrokontrollers nicht überlastet werden. Liegt ein High-Pegel an der Basis des entsprechenden Transistors an, schaltet dieser durch und die LED leuchtet. Somit entsteht hier keine inverse Logik.

LED rot:         Kenzeichnung des Funkbetriebes

LED grün:      Kenzeichnung des Empfangsbetriebes

LED gelb:      GPS Daten werden vom GPS Modul empfangen und verarbeitet.

LED

Status LEDs

Energieversorgung 5V

Die 5V Energieversorgung der Basisplatine wurde mit einem LM2576S realisiert. Der LM2576S kann einen maximalen Strom vn 3A bereitstellen. Damit eignet er sich neben der Versorgung des Controllers auch zur Versorgung von zusätzlichen Aufsteckplatinen oder Modulen.Die aktive 5V Energieversorgung wird über eine LED angezeigt.

Bei näherer Betrachtung der Schaltung fällt der Jumper K205 auf. Dieser dient zur Verschaltung der Masse. Je nachdem, ob das System mit der Aufsteckplatine verbunden ist oder autark verwendet wird, muss hier ein Jumper gesetzt werden.

5V 3A

5V 3A Versorgung

Funkgerät Anschluss

UV 5R

Anschluss für UV-5R

 

Aufsteckplatine

 

Die Aufsteckplatine wurde so konzipiert, dass sie sowohl im Funktionsverband mit der Basisplatine als auch autonom arbeiten kann. Zu diesem Zweck wurde eine kleine 5V Energieversorgung vorgesehen um die Funktion des Systemmonitoring auch ohne Basisplatine zu gewehrleisten. Somit eignet sich die Platine auch zur Systemüberwachung von räumlich entfernt angeordneten Energiequellen und Verbrauchern.

Buchsenleisten

Die Aufsteckplatine wird über die Buchsen- bzw. Stiftleisten K101 und K102 mit der Basisplatine verbunden. Bei der Schaltung wurde eine getrennte Masse für den Betrieb der Basisplatine mit und ohne Aufsteckplatine vorgesehen. Dies ist notwendig, da sonst eine Messung der Systemdaten (Spannung, Strom) nicht möglich gewesen wäre. Die Massen lassen sich über K205 auf der Basisplatine miteinander verbinden.

Da die Kommunikation der Aufsteckplatine mit der Basisplatine hauptsächlich über I²C realisiert ist, konnte die Beschaltung der Buchsenleisten relativ übersichtlich gehalten werden.

Buchsenleisten

Buchsenleisten K101 und K102 auf der Aufsteckplatine

Blockkondensatoren

Die vorhandenen Blockkondensatoren dienen dem Schutz der ICs IC101 und IC102 vor transienten Spannungsspitzen und wurden daher möglichst nah an den betreffenden ICs platziert.

Blockkondensatoren

Blockkondensatoren

Tongeber

Die Aufsteckplatine ist mit einem frei programmierbaren Summer ausgestattet welcher über Port C angesteuert wird. Bei diesem Projekt wurde er so angesteuert, dass er den Sendebetrieb des Funkgerätes mit einem Signalton meldet. Dies dient zum einen zur Funktionskontrolle bei geschlossener Stratosphärensonde, als auch zur Hilfestellung bei der Suche nach der gelandeten Sonde.

Tongeber Tongeber

Systemüberwachung

Systemmonitoring

Systemmonitoring

1-Wire Master

1 Wire Master

1-Wire Master

Energieversorgung 5 V max. 0,5 A

Um die Aufsteckplatine für möglichst viele Anwendungen kompatibel zu gestalten, wurde neben der 5 V Energieversorgung auf der Basisplatine eine zusätzliche 5 V Versorgungsspannung mit einem LT1763 erzeugt. Dieser verfügt über eine maximale Strombelastbarkeit von 0,5 A. Diese dient zur Versorgung der Schaltungen zum Systemmonitoring.

5 V max. 05 A

Energieversorgung 5 V max. 0,5 A

Energieversorgung 7,4 V max. 3 A

Die Spannungsversorgung Des Funkgerätes wird mit einem Schaltregler des Typs LM2596 realisiert. Dieser verfügt über eine maximale Strombelastbarkeit von 3 A sowie einem hohen Wirkungsgrad.

LM2596

Energieversorgung 7,4 V max. 3 A 

 

Funkgerätversorgung

Die Energieversorgung des Funkgerätes ist so gestaltet, dass sie sich über die Empfangsfunktion des APRS Systems ferngesteuert ein und aus schalten lässt. Diese Funktion ist dafür gedacht, dass das Funkgerät in einem Fehlerfall (z.B. Dauersendung) abgeschaltet werden kann. Die Schaltung wird über Port C angesteuert. Über ihn wird T102 angesteuert, welcher den Anschluss A2 des Relais auf Massepotenzial zieht. Dadurch wird der Wechselkontakt im Relais (Omron) geschaltet und trennt bzw. schließt den Stromkreis des Funkgerätes. Die gewünschte Funktionalität lässt sich über K106 einstellen. Die Funktion des Relais lässt sich jedoch auch wahlweise über den Jumper J101 überbrücken, wodurch eine Bestückung des Relais nicht zwingend erforderlich ist. Der Betrieb des Funkgerätes wird über die integrierte LED D103 angezeigt.

Funkgerätversorgung

Funkgerätversorgung mit X101 und Betriebsanzeige

Platinenlayout

Vorüberlegungen

Um die genaue Positionierung der einzelnen Funktionsblöcke (Energieversorgungen, Buchsenleisten, Betriebsanzeigen, usw.) auf der Flachbaugruppe zu bestimmen, mussten zunächst einige konstruktive Vorgaben erarbeitet werden.

Hierzu gehören:

  • Nennmaße der Flachbaugruppe passend zum Baofeng UV-5R
  • Passgenaue Anordnung der Fixierungspunkte
  • Bauhöhen auf der zu entwickelnden Basisplatine (Oberseite)
  • Bauhöhen auf der zu entwickelnden Aufsteckplatine (Unterseite)
  • Ausfräsungen und Bohrungen für Leitungsdurchführungen
  • Position der Schnittstellen und deren Zugänglichkeit
  • Hohe mechanische Stabilität
  • Passgenaue Positionierung der Buchsenleisten
  • Möglichst großer Abstand zwischen HF Quellen und Mikrokontroller
  • Anwendungsoptimiertes Wärmemanagement
  • Einfache Montage des Systems
  • Möglichst kleine Abmessungen des Gesamtsystems
  • Geringer Wartungsaufwand
  • Hohe Betriebsstabilität
  • Eignung zum Betrieb bei extremen Umgebungsbedingungen

Festlegung von Nennmaßen

Bevor mit dem Platinenlayout als solches begonnen werden kann müssen die Nennmaße für die Platine festgelegt werden. In diesem Fall richtet sich die Festlegung dieser Maße nach folgenden Gesichtspunkten:

  • Kostengünstige Produktion (Leierplattennutzen berücksichtigten)
  • Platzierung von Befestigungsbohrungen passend zum Baofeng UV-5R
  • Platzierung von Leitungsdurchführungen
  • Aussparungen um Steckkontakte besser zugänglich zu machen
  • Mechanische Stabilität der montierten Flachbaugruppenanordnung sowie der Platinen im autarken Betrieb

Zudem wurden die Nennmaße so festgelegt, dass die APRS Baugruppe in standard Kunststoffgehäusen verbaut werden kann. Die Anschlüsse am oberen und unteren Ende der Baugruppe passen dann genau in die Frontplatten des Gehäuses. Duch die schmale Bauform der Platinen lassen sich zudem die benötigten Batterien ebenfalls im Gehäuse unterbringen.

 

Baugruppe in Gehäuse

Flachbaugruppe in einem standard Kunststoffgehäuse (Deckel entfernt)

 

 

Erstellte Platinenlayouts

Basisplatine Layout

Platinenlayout der Basisplatine, blau: top layer (Massefläche ausgeblendet), rot: bottom layer (Massefläche ausgeblendet)

 

Aufsteckplatine Layout

Platinenlayout der Aufsteckplatine, blau: top layer (Massefläche ausgeblendet), rot: bottom layer (Massefläche ausgeblendet)