Projeto de Circuitos Eletrônicos

  

1. Introdução

Uma das atividades que estão sendo desenvolvidas no projeto ITASAT são aquelas relacionadas a projetos de circuitos eletrônicos. Estes projetos têm quatro objetivos específicos, que são:

  • Desenvolver placas e circuitos eletrônicos para interface dos equipamentos para testes em bancada, tais como placas de interface de comunicação (I2C, SPI, UART, CAN), placas de condicionamento de sinais para interface com conversores analógico digitais e placas com multiplexadores e demultiplexadores para aumentar a capacidade de pinos de entrada e saída de um processador;
  • Desenvolver placas de circuitos eletrônicos com form fator de cubesats (dimensões e disposição de conectores definidos pelo padrão) para o modelo de engenharia e modelo de vôo do satélite ITASAT-1, com o intuito de interfacear com os equipamentos, principalmente cargas úteis, adequando-as para o padrão de comunicação de cubesats e ampliar a capacidade de canais de entrada e saída, analógicas e digitais, dos computadores de bordo;
  • Desenvolver uma placa de carga útil com uma unidade inercial (com acelerômetros, girômetros e magnetômetros) e com sensor de raios gama e raio-x;
  • Iniciar o desenvolvimento de uma unidade de processamento para ser utilizada como o computador de bordo em futuras missões.

A seguir serão apresentados os trabalhos realizados para atender o primeiro objetivo do desenvolvimento de placas de circuitos eletrônicos. As figuras a seguir ilustram diversos estágios de desenvolvimento, mas parte das placas se encontra montada para testes em bancada e a outra parte está aguardando a chegada de componentes para montagem e testes. Atualmente está sendo realizado o projeto dos circuitos eletrônicos dos objetivos 2, 3 e 4.

2. Placa de interface CanDriver

A interface Driver CAN atende a necessidade de se conectar dispositivos que utilizam o protocolo CAN para comunicação, tendo em vista que alguns equipamentos empregados em nanoatélites utilizam esse protocolo. Essa interface converte sinais TTL para um sinal diferencial utilizado no meio físico da rede, ela possibilita conectar um dispositivo CAN em qualquer ponto da rede através do jumper que insere um resistor de terminação entre os sinais CANH e CANL. As vantagens da comunicação CAN são maior imunidade ao ruído, possibilidade de conectar diversos dispositivos na rede em modo multi-mestre com o protocolo definido e tratamento de colisão de informações. A Figura 1 mostra o layout e roteamento da placa de interface CAN.

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Figura 1 – Layout e roteamento da placa de interface CAN

 

3. Módulo Conversor RS232_TTL_RS422

A interface Módulo Conversor RS232_TTL_RS422 possibilita em um só hardware converter sinais RS232 para RS422, RS232 para TTL, RS422 para TTL e TTL para RS232 e RS422. Esta placa é utilizada para interfacear com alguns equipamentos do satélite e principalmente com as cargas úteis, que utilizam este padrão de comunicação. A Figura 2 apresenta uma visão 3D da placa de interface RS232_TTL_RS422.

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Figura 2 - Imagem 3D gerada pelo software Altium Designer da placa de interface RS232_TTL_RS422

 

4. Interface Decoder/Demux

A interface Decoder/Demux possibilita o mesmo hardware funcionar como decodificador ou demultiplexador através do CI 74HCT154, que conforme a configuração dos pinos E0 e E1 seleciona o seu modo de operação.  Esta placa de interface (Figura 3) foi desenvolvida para ampliar a capacidade de pinos de entrada e saída do computador de bordo do projeto (entradas e saídas digitais).

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Figura 3 – Foto da placa de interface Mux e Demux montada (Clique para expandir)

 

5. Interface Multiplexador

A placa Multiplexador permite a multiplexação de 16 sinais analógicos provenientes de 2 canais, ou seja, cada canal multiplexa 8 sinais. O endereço de seleção é comum para os dois canais, então quando selecionar um endereço específico será lido o valor do sinal da posição do canal A e da posição do canal B. Esta placa de interface foi desenvolvida para ampliar a capacidade de entradas analógicas (para monitoramento de tensões, correntes e temperaturas do satélite). A placa de interface do multiplexador analógico é apresentado na Figura 4.

 

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Figura 4 – Layout e roteamento da placa de interface do multiplexador (Clique para expandir)

 

6. Módulo optoacoplador

O Módulo Optoacoplador permite que 4 sinais de entrada e 4 sinais de saída sejam interfaceados para um mesmo dispositivo, então temos 4 sinais em uma direção e 4 sinais em outra. Os sinais de saída são interfaceados por um optoacoplador e um transistor com capacidade de drenar até 100mA em 3V3. Costuma-se utilizar este tipo de interface (Figura 5) para isolar eletricamente os sinais de uma placa. Isto evita que uma falha (curto, por exemplo) seja propagada para outros equipamentos do satélite.

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Figura 5 – Foto da placa de optoacoplador montada (Clique para expandir)

 

7. Módulo AD-SPI

O Módulo AD-SPI recebe um comando de um dispositivo mestre da rede SPI para fazer a leitura do canal analógico específico e após envia o sinal analógico convertido para digital através da rede SPI. Esta placa foi desenvolvida para permitir a conversão de sinais analógicos para digitais para serem conectados ao computador de bordo, fornecendo dos valores convertidos pela interface de comunicação I2C ou SPI.

 

8. Interface GPIO

O Módulo Interface GPIO permite acionamento optoacoplado de cargas que drenam até 500mA em 12V ou 5V com um chaveamento de até 1kHz. Dentro da rotina de operação do satélite pode ser necessário acionar cargas ou equipamentos e garantir uma corrente mínima de operação. A Figura 6 mostra o resultado do projeto da placa de interface GPIO.

 

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Figura 6 – Imagem ilustrativa do posicionamento dos componentes da placa de GPIO

 

9. Módulo Monitor de Corrente

O Módulo Monitor de Corrente mede através do CI ACS704ELC-005 a corrente contínua ou alternada de até 5A RMS. Se a corrente medida for contínua a saída é um sinal variável de 0 a 5V diretamente proporcional à corrente medida, então 1A-1V; caso contrário, o sinal varia de 0 a 2,5V quando a corrente for negativa e de 2,5 a 5V quando for positiva. O módulo monitor de corrente (Figura 7) será utilizado para monitorar algumas linhas de alimentação que não tem previstas o monitoramento de corrente pela unidade de condicionamento e distribuição de energia do satélite.

 

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Figura 7 – Layout e roteamento da placa de monitor de corrente (Clique para expandir)

 

10. Módulo Ponte H

O Módulo Ponte H (Figura 8) aciona cargas indutivas de até 300mH e, com chaveamento menor que 100Hz, também é possível acionar cargas resistivas. A corrente máxima da ponte é limitada por um resistor e deve ser menor que 5A, para evitar sobreaquecimento da placa de circuito impresso. A tensão de alimentação é de 10 a 18Vcc e o sinal de controle do acionamento da carga pode ser do tipo digital ou uma modulação por largura de pulso. A interface é optoacoplada com o circuito de potência da ponte. A placa contém quatro MOSFTES de potência IRF1010N de canal N que formam a ponte H. Esses são chaveados por transistores acionados pelos sinais de controle. O circuito possui, para possibilitar a abertura dos canais dos MOSFETS, um circuito dobrador de tensão com o CI 555 operando no modo astável que dobra o valor da tensão de alimentação. Para evitar a corrente reversa ao desacionar a carga indutiva foi inserido em paralelo à carga um circuito snubber que dissipa em resistores a energia acumulada no indutor. O intuito desta placa é fazer o acionamento dos atuadores (principalmente bobinas de torque e núcleo de ar).

 

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Figura 8 – Layout e roteamento da placa de Ponte H

 

11. Módulo Termistor

O Módulo Termistor (Figura 9) mede sinais de dois termistores através da variação de tensão na ponte de Wheatstone onde os sensores estão conectados. Ele amplifica e condiciona o sinal que será disponibilizado à uma entrada analógica. A alimentação da ponte de Wheatstone é balanceada e com alimentação simétrica regulada, então se variar a tensão positiva da fonte, varia na mesma proporção a tensão negativa da fonte. Isso garante que somente a variação da resistência do termistor alterará o sinal de saída da ponte. Após a etapa de leitura, a diferença do sinal proveniente da ponte de Wheatstone passa pelo amplificador de instrumentação (formado por três amplificadores operacionais OP07) que são estáveis quanto à variação de temperatura e a ruído. O objetivo desta placa é permitir que temperaturas no interior do satélite sejam monitoradas, além daquelas previstas pelos equipamentos.

 

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Figura 9 – PCB do módulo de termistor (Clique para expandir)