Простой многоканальный тестер сервоприводов

Хочу поделиться очередной своей разработкой - тестером сервоприводов. По сути, это генератор стандартных для хоббийной электроники PWM-сигналов, который позволит проверить механику в ручном режиме до того, как у вас готова основная электроника, либо может быть использован совместно с компьютером для управления вашим роботом. В этом посте вы найдете подробное описание конструкции, а так же все файлы, необходимые для его самостоятельного изготовления.

На всякий случай напомню, что аппаратуре радиоуправления сигнал с чатотой 50Гц и длительностью 0,8-2,3мс (может отличаться немного у разных производителей) стал стандартом дефакто. Тестер генерирует именно этот сигнал. Когда строишь РУ модель или какого-нибудь робота, то бывает удобно использовать этот тестер для проверки, если нет аппаратуры или электроники для робота. Или надо просто быстро проверить работоспособность.

Фичи нового тестера сервоприводов:

1.  Шесть независимых каналов. Обычно в готовых можно подключить одновременно несколько двигателей, но сигнал на них один и тот же. У моего можно даже запустить один в автоматическом режиме, а остальными управлять по очереди в ручном

2.Формирование сигнала и индикация в микросекундах. В большинстве тестеров индикация отображается не понятно в чем, либо отсутствует вовсе

3.Минимальный шаг изменения длительности — 1мкс. То есть диапазон 0,8-2,3мс разбит на 1500 шагов

4.Возможность подключения к ПК. Можно использовать его, например, в паре с Raspberry Pi. Сам сигнал будет формироваться при этом существенно точнее, чем средствами самого одноплатного компьютера

5. Открытость! Я выложу все файлы и вы сможете сами его изготовить

6.Хоть я и стремился сделать его максимально простым для возможности самостоятельного изготовления как можно большим количеством людей, но все-таки я произвел партию в заводских условиях. То, как он выглядит с маской и шелкографией вы могли видеть в начале поста на картинке для привлечения внимания.

Технические характеристики

1. Напряжение питания - 5В
2.Потребляемый ток (без сервоприводов), не более - 100мА
3.Длительность формируемых импульсов - 0,8-2,3мс
4.Точность установки длительности - 1мкс
5.Частота следования импульсов - 50Гц
6. Скорость соединения с ПК - 9600, 8 bits, 1 stop bit

Схема тестера сервоприводов
Работая над схемой я старался максимально удешевить ее и сделать простой в повторении. В качестве управляющего контроллера использован народный контроллер Atmega8A-AU. Трехразрядный семисегментный дисплэй подключается через сдвиговый регистр и логические транзисторы. Шесть светодиодов служат для отображения текущего режима и подключены они методом так называемого чарлиплексирования для экономии выводов МК. Для управления использован обычный инкрементальный энкодер и две кнопки. Энкодер управляет установленным углом, а кнопки переключают режим управления и текущий канал. Везде стоят конденсаторы от дребезга контактов, так что все это работает очень даже четко. Разъемы тестера предназначены для подключения самих сервоприводов, программирования, подключения к ПК и питания. Я принял решение не устанавливать на плату стабилизатор питания. То есть для ее использования не получится использовать напряжение аккумуляторов напрямую. Необходимо найти источник или стабилизатор на 5В с током, соответствующим току, потребляемому подключаемыми двигателями.

Печатная плата

Печатная плата подготовлена в формате Sprint Layout. Это двухсторонняя плата, но ее характеристики вполне позволяют изготовить ее в домашних условиях ЛУТом или фоторезистом, а в переходные отверстия легко можно запаять перемычки с одной стороны платы на другую.

Все файлы для скачивания будут в конце статьи. Некоторую сложность, с точки зрения припаивания, представляют только резисторные сборки в корпусе 0603×4. Также обратить внимание стоит на полярность светодиодов, которые установлены навстречу друг другу. Я сначала сделал прототип у уверен, что все это изготовить в домашних условиях более чем реально.

Список компонентов

1.  Микроконтроллер Atmega8A-AU в корпусе TQFP44
2.  Трехразрядный семисегментный дисплей с общим катодом BC56-12GWA. Если вы обратили внимание, на плате предусмотрено место для установки другого, существенно более дешевого дисплея с aliexpress
3.  Сдвиговый регистр SN74HC595DR в корпусе SOIC16
4.  Логический транзистор BCR108E6327 в корпусе SOT23 — 3шт
5. Светодиоды KP-2012SGC, либо любые другие в корпусе 0805 — 6шт
6. Инкрементальный энкодер EC12E24204A9
7.Танталовый конденсатор T491C226K016AT (22мкФ-16В, типоразмер C)
8. Конденсатор 0,1мк в корпусе 0805 — 7шт
9.  Резистор 1кОм в корпусе 0805
10. Резисторная сборка 1кОм в корпусе 0603×4
11. Резисторная сборка 300 Ом в корпусе 0603×4 — 3шт
12. Кнопка без фиксации типа DTSM20-4.3N — 2шт
13. Клеммная колодка с шагом выводов 5,08 с двумя контактами
14. Гребенка контактов PLS-40 (всего потребуется 26 штырьков)
15.  Джампер на 2,54мм

Корпус
Еще я нарисовал и распечатал на 3D-принтере небольщую оправку и ручку на энкодер. Файлы для скачивания чуть позже.

Прошивка
Файлы прошивки мы приложим в конце статьи. Прошить контроллер можно при помощи любого ISP-программатора через стандартный 6ти-пиновый разъем. На плате шесть из восьми контактов слева от энкодера предназначены в первую очередь именно для этого. Фьюз-биты необходимо установить так, как показано на рисунке:

Для запуска тестера в ручном режиме управления необходимо, чтобы перемычка «PC/Manual» при включении питания была установлена. При запуске в ручном режиме на дисплее высветиться приветствие «HI» и тестер перейдет в режим ожидания выбора пользователем начальной длительности сигнала. Грубо говоря, от края или от середины диапазона. При нажатии на левую кнопку управление будет происходить от нуля, при нажатии на правую — от середины. После нажатия на одну из кнопок начнется генерирование сигнала, активным станет первый канал и он перейдет в режим "1". В рабочем режиме кнопка MODE переключает режимы управления, меняя шаг приращения. Отображение текущего режима происходит при помощи шести светодиодов. Возможны четыре ручных режима (шаг 0,1; 1; 10 и от 0 до 150, то есть между краями диапазонов) и два автоматических (старт/стоп). Длительное нажатие на кнопку MODE переводит канал в режим автоматического управления и двигатель начинает плавно качаться из стороны в сторону. Короткое нажатие кнопки MODE в автоматическом режиме останавливает или возобновляет движения. Длинное нажатие на кнопку MODE возвращает канал в режим управления энкодером.
Кнопка CHANNEL производит переключение между активными каналами. Отображение текущего активного канала происходит на дисплее в двоичном коде при помощи разрядных точек. Длинное нажатие на эту кнопку переводит тестер в режим формирования одинаковых импульсов на всех каналах. Обратите внимание, что на индикаторе отображаются цифры от 0 до 150. Это примерно соответствует углу сервопривода и может быть пересчитано в длительность импульса. Для пересчета достаточно умножить показания на десять и прибавить 800. Например, если на индикаторе десять, значит длительность импульсов 900мкс.

Подключение к компьютеру
Если вы используете Raspberry Pi, то вы можете просто подключить Rx, Tx и GND в левой нижней части платы. Если у вас нет TTL-совместимого COM-порта в вашем компьютере, то вы можете использовать USB-COM-переходник, которые стоят очень дешево. Также вы можете взять напряжение 5В USB-порта, но помните, что его максимальный ток 500мА! Скорость подключения — 9600. Для того, чтобы тестер загрузился в режиме управления от ПК необходимо включить его без перемычки. При этом на индикаторе отобразятся буквы "PC" и тестер перейдет в режим ожидания команд от ПК. До прихода первого полного пакета на всех каналах сигнал будет отсутствовать. Значения длительности импульсов необходимо отправлять в микросекундах от 0 до 1500. То есть на каждый канал расходуется два байта. Пакет данных должен состоять из 16ти байт: сначала два байта 0xFF для обозначения начала пакета, затем 12 байт длительностей импульсов для каждого канал и в конце два байта check-суммы. Check-сумма необходима для проверки корректности пакета и должна быть равна сумме всех длительностей.
 

1ый байт — 255 (0xFF)
2ой байт — 255 (0xFF)
3ий байт — старший байт первого канала
4ый байт — младший байт первого канала
5ий байт — старший байт второго канала
6ый байт — младший байт второго канала
7ий байт — старший байт третьего канала
8ый байт — младший байт третьего канала
9ий байт — старший байт четвертого канала
10ый байт — младший байт четвертого канала
11ий байт — старший байт пятого канала
12ый байт — младший байт пятого канала
13ий байт — старший байт шестого канала
14ый байт — младший байт шестого канала
15ый байт — старший байт check-суммы
16ый байт — младший байт check-суммы

Примеры корректных пакетов (в десятичной системе):
255 255 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 (все двигатели в начальное положение)
255 255 2 238 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 240 (первый двигатель в среднее положение)
255 255 2 238 2 238 2 238 2 238 2 238 2 238 17 148 (все двигатели в среднее положение)

Файлы для скачивания
Печатная плата
Прошивка
Модель для печати корпуса

Сергей Грищенко, Екатеринбург