Transcript Cahier des charges P3

Mission Solar Pi
Contrat de sous-projet P3
http://www.btssn.net/
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1.0
pjean
Version initiale.
Résumé
Ce document présente les objectifs et les contraintes de votre sous-projet au niveau
technique. Il complète et détaille :
 l'analyse du projet
 le cahier des charges « Ballon » du CNES
Copyright (c) 2014 Pascal Jean.
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http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/fr/legalcode
Ce document a été écrit avec LibreOffice 4 sous GNU Linux (Ubuntu The Precise
Pangolin).
L'équipe est chargée de la conception et de la réalisation de la fonction :
 FP2 - Interface RPi
L'équipe est chargée de l'installation, de l'intégration et de la configuration de la fonction suivante :
 FP9 - Alimentation RPi
1.
INTERFACE RPI (FP2)
1.1. Fonction secondaires
L'interface Raspberry Pi FP2 assure les fonctionnalités suivantes :
1. Adaptation de niveau logique du bus I²C #1 (3,3V ↔ 5V) vers la chaîne de mesure
2. Alimentation et protection contre les interférences électromagnétiques et les surintensités
de la chaîne de mesure et du Raspberry Pi (+5V0 du GPIO) en +5V ±2,5 %.
3. Adaptation de niveau logique avec isolement galvanique de la liaison série.
4. Interface Homme-Machine nacelle constituée de :
o 3 boutons poussoirs actifs à l'état bas
o 3 leds (rouge, verte, jaune) commandées par GPIO, actives à l'état bas
o 1 led bleue allumée si présence tension VRPI
o 3 micro interrupteurs actifs à l'état bas.
5. Horloge « Temps réel » RTC I²C sauvegardée par une pile. L'horloge est utilisée comme
source au démarrage du Raspberry Pi et recalée régulièrement sur le GPS.
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> Liaisons
1.2. Liaisons
Interface Homme-machine
Conforme à la liaison L4, elle est constituée de :
 3 boutons poussoirs actifs à l'état bas
 3 leds (rouge, verte, jaune) commandées par GPIO, actives à
l'état bas
 1 led bleue allumée si présence tension VRPI
 3 micro interrupteurs actifs à l'état bas.
VRPI
VRPI et sa broche de masse GND (non représentée) permettent d'alimenter le Raspberry Pi ainsi que
la chaîne d’acquisition et de mesure.
La tension nominale fournie par FP9 est de 6V pour un courant maximal fourni de 1A.
Liaison GPIO
Cette liaison véhicule tous les signaux échangés avec le Raspberry Pi mais aussi son alimentation
+5V0.
Le brochage du connecteur GPIO est conforme à la version 2.0 du PCB disponible sur :
http://www.raspberrypi.org/wp-content/uploads/2012/10/Raspberry-Pi-R2.0-Schematics-Issue2.2_
027.pdf
Liaison I²C
La chaîne de mesure sera alimentée par le signal VBUS de tension 5 V ±2,5 %.
Le courant maximal consommé par la chaîne de mesure est de 100 mA.
Liaison SERIAL
La liaison est de type série asynchrone à 1200 Bd, 8 bits de données, sans parité avec un bit de
stop.
La chaîne de transmission devra être isolée galvaniquement (alimentation continue séparée) afin de
garantir une bonne immunité aux perturbations électromagnétiques conduites venant de l’émetteur
VHF.
1.3. Contraintes imposées
L'interface se présente sous la forme d'une carte électronique qui vient s'enficher sur le connecteur
GPIO par dessus le Raspberry Pi (en piggy pack). Le PCB est un circuit double face de dimensions
identique à la carte RPi Extended (Template ARES fourni).
Horloge RTC
L'horloge RTC sera un modèle DS1340Z-33+ équipé d'une batterie de sauvegarde CR2032.
Interface Homme-machine
Afin de garantir une visibilité suffisante en plein soleil, l'intensité lumineuse des leds devra être
équilibrée entre les différentes couleur (600 mcd typique à 10 mA max.)
Les boutons poussoirs et les leds pourront être disposés comme sur la carte RPi Extended.
VRPI
La connexion s'effectuera à l'aide d'un connecteur KK254 mâle coudé à 2 broches dont le brochage
est le suivant :
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Broche
Signal
1
GND
2
VCC
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> Contraintes imposées
Un fusible réarmable POLYSWITCH et une diode Schottky protégeront de l'inversion de tension et
des surconsommations.
Figure 1: Protection de la ligne d'alimentation VRPI
Les signaux d'alimentation VRPI et GND seront filtrés grâce à 2 inductances à perle de ferrite
MURATA - BL02RN1R2M2B (Code Commande Farnell : 9526838 - empreinte ARES fournie)
associées à 2 condensateurs céramique X7R 10 nF.
Liaison GPIO venant du Raspberry Pi
Le connecteur est un modèle HE14 femelle à 2x13 contacts.
Connecteurs I²C et SERIAL
Les liaisons I²C (vers FP4) et SERIAL (vers FP3) seront réalisées à l'aide de cordons équipés de
prises modulaires 4P/4C de marque TE Connectivity (Code Commande Farnell : 1822181).
Le brochage retenu est le suivant :
Prise modulaire 4P/4C
I²C
SERIAL
4
SCL (0/5V)
4
RXD
(0/5V référencé FP3)
3
VBUS (+5V)
3
VSERIAL
(+5V référencé FP3)
2
SDA (0/5V)
2
TXD
(0/5V référencé FP3)
1
GBUS
(0V VBUS)
1
GSERIAL
(0V référencé FP3)
L'interface Raspberry Pi sera donc équipée de 2 embases modulaires 4P/4C permettant
l'interconnexion vers la chaîne de mesure et la chaîne de transmission (Code Commande
Farnell : 1840397 - empreinte ARES fournie).
Liaison I²C
Les signaux d'alimentation VBUS et GBUS seront filtrés grâce à 2 inductances à perle de ferrite
MURATA - BL02RN1R2M2B (Code Commande Farnell : 9526838 - empreinte ARES fournie) et un
condensateur céramique X7R 10 nF. Un fusible réarmable POLYSWITCH RXEF010 protégera le signal
VBUS.
Les signaux SDA et SCL du bus I²C seront en logique 5V. Comme les signaux GPIO du Raspberry Pi
sont en 3,3V, il faudra effectuer une adaptation bidirectionnelle en tension conformément à la note
d'application AN10441 de NXP: http://www.nxp.com/documents/application_note/AN10441.pdf
On rappelle que les signaux SDA1 et SCL1 du GPIO disposent déjà de résistances de tirage à l'état
haut reliées au +3,3V (1,8kΩ)
La transmission se faisant en environnement électromagnétique perturbé (émission VHF!), le bus
I²C fera l'objet d'une double protection :
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> Contraintes imposées
1. mise en place de diodes SCHOTTKY montées en inverse sur SDA et SCL conformément au
document AN11084 http://www.nxp.com/documents/application_note/AN11084.pdf
associées aux résistances de tirage à l'état haut des lignes SDA et SCL qui seront calculées
pour avoir un courant drainé à l'état bas de 10 mA.
2. mise en place d'une inductance à perle de ferrite MURATA - BL02RN1R2M2B en série avec
une résistance de 33Ω sur chaque ligne SDA et SCL conformément à la note d'application
SLEA053 de Texas Instruments :
http://www.ti.com/lit/an/slea053/slea053.pdf
Liaison SERIAL vers la chaîne de transmission
L'isolement de cette liaison sera réalisé à l'aide d'optocoupleur CNY75C. La liaison devra être
fonctionnelle jusqu'à 19200 Bd.
La mise en œuvre des optocoupleurs devra se faire conformément à l'exemple 2 de la note
d'application de Vishay : http://www.vishay.com/docs/83741/83741.pdf
1.4. Points de test
Les points test suivants seront disposés sur la carte de façon accessible :
1. +5V
2. GND
3. SCL BUS
4. SCL RPI
5. SDA BUS
6. SDA RPI
7. RXD BUS
8. RXD RPI
9. TXD BUS
10.RXD RPI
Il seront réalisés à l'aide de cosses poignard TAB 37800868 (Code Commande Farnell : 3472528
- empreinte ARES fournie)
1.5. Tests unitaires
Chaque fonction secondaire fera l'objet de la rédaction d'un test unitaire :
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Alimentation
Leds
Boutons poussoir et micro interrupteurs
Liaison SERIAL
Liaison I²C
RTC
Dans la mesure du possible, les tests seront automatisés à l'aide d'un programme simple rédigé s en
langage C (utilisation de wiringPi très fortement conseillée).
1.6. Matériel et logiciel fourni
 Raspberry Pi
 Carte prototype ADAFRUIT Proto Plate http://www.adafruit.com/products/801
 Carte de test permettant de simuler :
o Le modem AFSK FP3
o Un élément de la chaîne de mesure (FP4 à FP8)
 Carte RPi Extended
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> Alimentation RPi (FP9)
ALIMENTATION RPI (FP9)
La fonction FP9 assure les fonctionnalités suivantes :
1. Alimentation de l'interface RPi (FP2) en 6V continu ±5 % avec un courant maximal de 1A à
partir d'une batterie Li-Ion de 3,7V
2. Charge de la batterie à partir d'un panneau solaire ou d'un chargeur secteur 5V= (prise
mini-USB)
3. Fourni les tensions VBAT1 et VSOL à FP8.
La capacité de la batterie est suffisante pour assurer une autonomie sans charge de 6 heures de vol.
2.1. Liaisons
VRPI
Tension régulée à 6V ±5 %. Courant maximal fourni 1A.
Commande Marche-Arrêt et charge secteur
Conforme à la liaison L4 et aux spécifications ci-dessus, la carte est
équipée d'un interrupteur Marche-arrêt et d'une prise de charge
mini-USB (5V nominal).
VBAT1 et VSOL
 Tension de la batterie Li-Ion 3,7V référencée à la masse de VRPI.
 Tension du panneau solaire 5,5V référencée à la masse de VRPI.
2.2. Fonction secondaires
L'analyse du cahier des charges fait apparaître les besoins suivants :
 Stockage de l'énergie électrique
 Charge batterie
o à partir d'un chargeur mini-USB
o à partir d'un panneau solaire photovoltaïque
 Régulateur à découpage élévateur de tension (3,7V vers 6V)
 Commande Marche-arrêt
2.3. Contraintes imposées
La fonction FP9 sera réalisée à partir d'une carte Lipo Rider Pro :
http://www.seeedstudio.com/depot/lipo-rider-pro-p-992.html
La carte Lipo Rider Pro sera modifiée afin de fournir une tension nominale de sortie de 6V (au lieu de
5V).
Le panneau solaire sera un modèle 3W de 138x160 mm :
http://www.seeedstudio.com/wiki/3W_Solar_Panel_138*160
La batterie sera un modèle Li-Ion 3,7V 6 Ah :
http://www.seeedstudio.com/depot/lithium-ion-polymer-battery-pack-6a-p-602.html?cPath=1_3
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> Contraintes imposées
VRPI
La connexion s'effectuera à l'aide d'un connecteur KK254 femelle à 2 broches dont le brochage est le
suivant :
Broche
Signal
1
GND
2
VCC
Les fils seront directement repiqués sur la carte Lipo Rider Pro.
VBAT1 et VSOL
La connexion s'effectuera à l'aide d'un connecteur KK254 femelle à 3 broches dont le brochage est le
suivant :
Broche
Signal
1
GND
2
VBAT1
3
VSOL
Les fils seront directement repiqués sur la carte Lipo Rider Pro.
2.4. Tests unitaires
1. Valeur moyenne et efficace de le tension de sortie en fonctionnement « normal » et à
charge maximale (IOUT=1A)
2. Autonomie en l'absence de charge solaire, à température ambiante et à -20°C, à charge
maximale (IOUT=1A).
3. Durée de charge « secteur »
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