Aufbau einer unbestückten Flight-Ctrl

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• Inhaltsverzeichnis

  1. Einleitung
  2. Material und Werkzeuge
  3. Bestückungsplan
  4. Schaltpläne
  5. Hinweise zur Bestückung
     1. Reihenfolge
     2. Ausrichtung spezieller Bauteile
  6. Elektrische Inbetriebnahme
     1. Hinweise
     2. Passives Messen
     3. Messen der Spannungen und Ströme
     4. Abgleich der Gyros
  7. Aufspielen der Software
     1. Hinweise
     2. Installieren des Bootloaders
        1. Mit dem MikroKopter Tool
        2. Mit AVR-Studio
        3. Mit avrdude unter Linux
     3. Installieren der Firmware
     4. Alternative: Einspielen des Programms mit PonyProg v2.6g
     5. Problembehebung, wenn Zugriff auf den Prozessor fehlschlägt
  8. Test von Gyro- und Beschleunigungssensor
  9. Test des Empfangssignals
  10. Test der Spannungsmessung
  11. Hinweise zur Inbetriebnahme des Mikrokopters
  12. Bauteilelisten
      1. FC V1.0 - V1.3
      2. FC-ME
      3. Bestellhinweise

Einleitung

Diese Seite gibt Hilfestellung, Hinweise und Tipps zum Aufbau einer unbestückten Flight-Ctrl-Platine. Es wird sowohl das Löten der Hardware wie auch die Installation der Software erläutert.

Diese Anleitung bezieht sich auf die Versionen 1.0 bis 1.3 der Flight-Ctrl-Platine. Die im einzelnen unterschiedliche Bestückung wird in der Stückliste (am Ende dieses Beitrags) erläutert.

Material und Werkzeuge

Zunächst sollte man sicherstellen, dass sämtliche Bauelemente vorhanden sind. Es ist ratsam, von den kleinen Widerständen, Kondensatoren, etc. mehr als notwendig zu haben. Wenn diese Teile mal runterfallen, findet man sie kaum wieder. Eine vernünftige, wackelfreie Arbeitsfläche und kleine Schachteln für die Teile ist von Vorteil. Desweiteren ist ein kleiner Elektronikerschraubstock empfehlenswert (alternativ muss man sich etwas anderes zum Festhalten besorgen).

Folgende Dinge sind notwendig:

• Lötstation mit feiner Spitze, einstellbarer Temperatur (empfehlenswert ist eine Station mit zusätzlichem Heißluftfön; Siehe auch -> LötStationen

• Lötzinn 0,5mm (Hinweis: kein bleifreies Lötzinn verwenden; es eignet sich kaum für derartige Lötungen von Hand)

• Flussmittel (Tip: Es eignet sich hervorragend ein flussmittelhaltiger Stift zum Auftragen. Dieser Stift ist im Fachhandel erhältlich)

• Entlötlitze 1,5-2mm
• Platinenreiniger (entfernt Flussmittelreste)
• spitze Pinzetten
• Seitenschneider für Elektronik
• Lupe und viel Licht (idealerweise eine Lampe mit Lupe)

• Geduld und Ausdauer (es dauert eben etwas)

Bestückungsplan

FC 1.3 Bestückungsplan im Detail:

FC-ME Bestückungsplan im Detail:

FC-ME v2.1 Bestückungsplan:

Schaltpläne

FlightCtrl V1.0:

(Klicken für hohe Auflösung)

FlightCtrl V1.1/V1.2:

(Klicken für hohe Auflösung)
Schaltplan und Bestückungsplan V1.2 als PDF

Stückliste V1.2 als TXT

FlightCtrl V1.3:

(Klicken für hohe Auflösung)

Schaltplan und Bestückungsplan V1.3 als PDF

Stückliste V1.3 als TXT

Hinweise zur Bestückung

Es empfiehlt sich, sauber und in Ruhe zu arbeiten. Die Löttemperatur sollte beim Löten ca. 380°C und beim Entlöten mit Entlötlitze ca. 400°C sein. Schief eingelötete Bauelemente sollte man aus- und wieder neu einlöten. Es ist darauf zu achten, nicht zu wenig und nicht zu viel Lötzinn zu verwenden. Eine trübe oder matte Lötstelle muss neu erhitzt werden, sie muss beim Erkalten glänzen.

Reihenfolge

Die Reihenfolge der Bestückung ist nicht zwingend vorgeschrieben, aber folgende Beschreibung erleichtert die Arbeit.
Zuerst sollte die Platine hinsichtlicht Kratzer auf der Oberfläche untersucht werden. Evtl. durchtrennte Leiterbahnen können für unliebsame Überraschungen sorgen.

Das erste Bauelement ist der ATMega644(P). Hierbei ist mit großer Sorgfalt vorzugehen. Der Chip muss sauber auf den Lötpads platziert und die Markierung (Punkt in der Ecke) ausgerichtet sein. Der Lötvorgang sollte zügig erfolgen, da eine Überhitzung tötlich sein kann. Ist er aufgelötet, sollte man nochmals eine Sichtkontrolle hinsichtlich durch Lötzinn kurzgeschlossener Pins durchführen. Dieses Zinn ist mit der Entlötlitze zu entfernen. Jetzt kommen die anderen Chips (Beschleunigungssensor und Operationsverstärker) dran.

Tip: Das Löten von SMD-Chips sollte man vorher mit anderen Bauteilen (Chipmuster, Resten) auf Musterplatinen üben.

Nach dem Chip sind zuerst sämtlich Widerstände, dann die SMD-Kondensatoren, danach die LEDs dran. Als nächstes sind die Transistoren an der Reihe.

Tip: Für eine gerade Ausrichtung wird zuerst ein Pad verzinnt. Dann fasst man das Bauteil mit der Pinzette und richtet es aus. Nun erhitzt man das verzinnte Pad und schiebt das Bauteil auf die richtige Stelle. Notfalls kann man es nochmal erhitzen und besser ausrichten. Danach die andere Seite anlöten.

Nun kommen die nächstgrößeren Bauteile, wie die Spule, der etwas größere SMD-Kondensator und die Diode dran. Gerade bei der Spule sollte man genau hinsehen.

Hinweis: Bei V1.0 ist die Diode bedrahtet, bei V1.1 und V1.2 ist sie in SMD-Ausführung. Es ist _unbedingt_ auf die Ausrichtung des Ringes achten.

Jetzt können der 3V-Spannungregler, die Stiftleisten, der Quarz sowie die GyroScope aufgelötet werden (optional kommt jetzt der Höhensensor dran). Anschließend kommen der 5V-Spannungsregler und die Elkos (auf Polung achten) dran. Wie man den Summer mit der Platine verbindet, hängt davon ab, ob ein elektronischer Kompass eingesetzt werden soll. Da der Summer einen Magneten hat, beeinflusst er den Kompass. In diesem Fall sollte man ihn mit einem Kabel verlegen. Nicht zu vergessen ist bei der Platine V1.0 die Drahtbrücke von C3. Den Abschluss bildet der Schalter.
Nun ist die Bestückung der Platine fertig. Es kann zur Überprüfung der Elektronik gehen.

Ausrichtung spezieller Bauteile

Im Folgenden wird kurz die Ausrichtung der Chips und Dioden beschrieben.

• ATMega 644(P) (IC1): Die Markierung (kleiner Punkt in einer Ecke) muss in Flugrichtung (wie der kleine Pfeil in der Platinenecke) zeigen.
• Operationsverstärker (IC2): Entlang einer Seite ist das Gehäuse abgeschrägt. Diese Seite muss zum Höhensensor zeigen.
• Beschleunigungssensor(IC3): Die Markierung (kleiner Punkt in einer Ecke) muss in Richtung des Quarze zeigen.
• Diode (D1): Der Ring zeigt immer in Richtung des 5V-Spannungsregler.
• LEDs: Auf der Unterseite sieht man einen Pfeil. Dieser muss mit dem Aufdruck auf der Platine übereinstimmen.
• Luftdrucksensor: Die Metallseite muss nach innen zeigen.
• Gyros: Die bedrahteten Varianten haben kleine Nasen, so dass eine Verpolung ausgeschlossen ist. Allerdings ist beim Gier-Gyro drauf zu achten, das dessen Nase links ist (wenn man von oben schaut).

Hinweis:Auch die SMD-Version des Gier-Gyros wird hochkant befestigt, aber nicht direkt auf der Platine. Der Punkt am Gehäuse der SMD-Gyros zeigt nicht immer Pin 1. Besser Pin 2 mit Durchgangsprüfer suchen: Gehäuse ist auch Masse!

Pin 1 ist bei den SMD-Gyros auf der Unterseite markiert. Das entsprechende Lötpad ist an einer Ecke abgeschrägt und mit der Lupe gut zu erkennen. Zur Sicherheit kann man natürlich, wie oben angemerkt, noch einmal Pin 2 mit dem Durchgangsprüfer kontrollieren.

• Die Pads der SMD-Gyros reißen EXTREM schnell ab! Nie nach dem Anlöten versuchen, die Ausrichtung zu korrigieren, es geht meist schief.
  Notfalllösung: Sollte einmal ein Pad abreißen, kann man folgendes versuchen. Auf der Oberseite der SMD-Gyros sieht man kleine goldene Ecken unter den abgeschrägten Kanten des Deckels hervorschauen. Die vier Ecken sind zu den entsprechenden unteren Pads durchkontaktiert. Man kann jetzt versuchen, ein sehr dünnes Kabel an diesen Eckpunkt zu löten und anschließend mit dem Pad der FC zu verbinden. Das Kabel darf dabei auf keinen Fall gegen den Gehäusedeckel kommen (außer bei Pin 2), da dieser Masse ist. Die Ecken eignen sich auch hervorragend, um mit einem Durchgangsprüfer seine Lötstellen zu kontrollieren.
  
  Der Gyro sollte zusätzlich verklebt werden, am besten Heißleim verwenden. Dabei darf auf keinen Fall Klebstoff in den Gyro eindringen.

Elektrische Inbetriebnahme

Bevor die Software aufgespielt und die Platine verkabelt wird, sollte man die Spannungen und Kondensatoren sowie Widerstände übersprüfen.

Hinweise

Als ein Minimum an Ausstattung benötigt man ein Multimeter, das sowohl Spannungen als auch Widerstände messen kann. Desweiteren ist ein strombegrenzendes Netzteil dringend ratsam. Ferner ist natürlich ein Oszilloskop wünschenswert (aber nicht unbedingt nötig).

Passives Messen

Um sicher zu gehen, dass man keine ungewollten Lötbrücken beim Bestücken in die Versorgung eingebaut hat, prüft man mit einem Durchgangsprüfer die 5V gegen GND (es gibt zwei Lötpads, die mit „5V“ und „GND“ beschriftet sind). Man sollte auch gleich die 3V-Versorgung auf Kurzschluss prüfen (z.B. auf Durchgang über C16).
Bei diesen Durchgangsmessungen muss ein Widerstand deutlich über 0 Ohm gemessen werden, bzw. der Durchgangsprüfer darf nicht 'piepen'. Sollte sich doch ein Kurzschluss eingeschlichen haben, sind Lötbrücken an den 100nF-Kondensatoren häufig die Ursache. Bei Verwendung von Lötpaste gilt: weniger ist mehr.

Messen der Spannungen und Ströme

Vor dem Anschluss der Betriebsspannung sollte ein weiteres Mal der richtige Einbau des Spannungsreglers IC4 (µA7805) und der Diode D1 überprüft werden. Die Betriebsspannung wird an den Anschlüssen J1 (Markierung „+“ am Schalter) und am Anschluss J2 (Markierung „-“ neben dem Schalter) angeschlossen. Es wird dringend empfohlen, ein strombegrenztes Netzteil zu verwenden, bis man weiß, dass alles richtig funktioniert. Ein Steckernetzteil mit Gleichspannungsausgang von ca. 9–12V leistet hier bereits gute Dienste. Die Gesamtstromaufnahme der nackten Platine sollte um die 65..70mA liegen. Das ist ein wichtiges Indiz für intakte, richtig eingelötete Bauelemente.

• Test der Digitalversorgung 5,0V: Dazu misst man am Testpunkt TP1 gegen Masse. Die Spannung sollte zwischen 4,9 und 5,1 V liegen.
• Test der Analogversorgung 3.0V: Dazu misst man am Testpunkt TP2 gegen Masse. Die Spannung sollte zwischen 2,9 und 3,1 V liegen.

Abgleich der Gyros

An den Ausgängen der Gyro-Verstärker (Pins 8, 7 und 1 des IC2) sollte im unbewegten Zustand eine Spannung von ca. 1,2-1,8V (idealerweise 1,5V) anliegen. Da das Ausgangssignal der Gyros werksseitig bereits leicht variiert, muss das Signal ggf. leicht justiert werden.

Dazu müssen die Widerstände R9 (für Nick - TP4), R13 (für Roll - TP5) und R17 (für Gier - TP3) zum Anheben des Signals nachbestückt werden (je niedriger der Widerstandswert, desto höher das Ausgangssignal). Oder die Widerstände R29 (für Nick - TP4), R20 (für Roll - TP5) und R15 (für Gier - TP3) zum Absenken des Signals (je niedriger der Widerstandswert, desto niedriger das Ausgangssignal).

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Eine ausfürliche Anleitung findet man hier: GyroAbgleich

Aufspielen der Software

Hinweise

Es empfielt sich, die Software noch vor der Verkabelung einzuspielen. Bei Verbindungsproblemen kann man so schneller die Platine überprüfen.

Hier gibt es eine komprimierte Kurzübersicht zum Thema Flashen und Updaten

Installieren des Bootloaders

Zunächst muss der Bootloader installiert werden. Dafür muss ein Atmel-Programmer mit einem ISP6 Anschluss mit dem ISP Anschluss der Platine verbunden werden. Das geht am einfachsten mit unserem seriellen Konverter (SerCon), in dem die ISP-Schaltung bereits eingebaut ist. Zum Programmieren muss der PC über eine „echte“ serielle Schnittstelle verfügen. USB-auf-Seriell/Parallel-Wandler oder ähnliches gehen definitiv nicht! Der Seriell-Konverter wird über ein Flachbandkabel an den 6-poligen Stiftleisten verbunden. Die Betriebs-LED auf dem Konverter muss dabei nicht leuchten. Die Flight-Ctrl muss zum Programmieren mit Spannung versorgt sein.

Tip: Die Spannung (5V) kann man leicht aus einem USB-Anschluss abgreifen. Dazu zerschneidet man ein USB-Kabel und lötet an Rot und Schwarz eine Buchse (für die Stiftleisten). Dabei steckt man Rot (Plus) an Pin 2 vom ISP1-Stecker und Schwarz (Masse) an Pin 10. Damit versorgt die SerCon den Controller auf der Flight-Ctrl.

Mit dem MikroKopter Tool

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• Zum Flashen des Bootloaders siehe: MikroKopterTool - Bootloader flashen

• Download Bootloader Hexfile: SVN-System (Klick auf ->Tags->"letzte Version"->Hex-Files

Mit AVR-Studio

• Die Fuse-Bits müssen so eingestellt werden:

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Mit avrdude unter Linux

• avrdude -p m644 -P /dev/ttyS0 -c ponyser -b 57600 -U flash:w:BootLoader_MEGA644_20MHZ_VX_X.hex -u -U lfuse:w:0xff:m -U hfuse:w:0xdc:m -U efuse:w:0xfd:m

• X_X durch die Version des Bootloaders ersetzen ; ggf /dev/ttyS0 durch eine andere Schnittstelle ersetzen

Installieren der Firmware

Die Firmware wird nun seriell über das SIO Interface mit dem MK-Tool eingespielt. Eine Anleitung findet man hier: MikroKopterTool - Programm-Update

Alternative: Einspielen des Programms mit PonyProg v2.6g

Alternativ lässt sich die Software auch mit PonyProg einspielen.

Problembehebung, wenn Zugriff auf den Prozessor fehlschlägt

Ist nach falschem Setzen der Fusebits oder nach einem fehlgeschlagenen Programmieren mit avrdude kein weiterer Zugriff auf den Prozessor mehr möglich, so kann dieser evtl. mit einem Oszillator wiederbelebt werden. Siehe dazu den Beitrag AVRWiederbelebung.

Test von Gyro- und Beschleunigungssensor

Die Platine wird in die waagerechte Position gebracht und eingeschaltet bzw. resettet und die Scope-Funktion im MikroKopter-Tool wird gestartet. Falls diese schon lief, sollte sie kurz gestoppt werden, damit der Zoom-Bereich zurückgesetzt wird. Es werden hier zunächst nur die ersten fünf Analogwerte beobachtet. Die restlichen Analogwerte können über den Reiter „Scope“ im MikroKopter-Tool abgeschaltet werden, falls sie das Bild unübersichtlich machen.

Nun wird die Platine möglichst flüssig um ca. 45 Grad in der Nickachse gekippt. (Der Pfeil auf der Platine zeigt nach vorne). Auf dem Scope beobachtet man die Signale der Messwerte. Dabei sollten das Signal des Nick-Integrals und das des Nick-Beschleunigungssensors (hier rot und gelb) einen deutlichen Ausschlag zeigen. Wichtig ist, dass die Linien weitestgehend deckungsgleich sind.

Das selbe prüft man auch auf der Rollachse (hier blau und grün):

Danach wird der Gier-Gyro überprüft. Dabei wird die Platine um die Gierachse gedreht und das Signal des Gyrosensors beobachtet. So lange sich die Platine dreht, gibt es dabei einen Ausschlag, der wieder zu Null wird, wenn die Platine wieder stoppt.

Im virtuellen Display werden nun die Offsetwerte der Gyros überprüft (die Werte in Klammern):

Dazu blättert man mit den Tasten in das entsprechende Menü. Die Offsets sollten bei den Gyros etwa um 500 (±100) liegen. In diesem Beispiel hat der Gier-Gyro ein Problem (178). Es muss entweder nachgetrimmt oder ausgetauscht werden.

Nun wird noch der Beschleunigungssensor überprüft:

Für Nick und Roll sollten sich Werte von 465...563 und für Hoch von 651...788 ergeben. Genaues siehe BeschleunigungsSensor.

Wichtig: Die Platine bzw. der Kopter sollte dabei gerade stehen, die Erdanziehungskraft würde sonst auf die anderen Achsen wirken und müsste mit berücksichtigt werden.

Test des Empfangssignals

Im virtuellen Display lassen sich die Fernbedienungswerte ablesen:

Mit der Fernbedienung lassen sich die Werte im Bereich von ca. -120 bis +120 verändert.

Test der Spannungsmessung

In einem Menü kann der Wert der Spannungsmessung kontrolliert werden:

In diesem Beispiel ist das 11,3V.

Der Empfangspegel ist 0, weil kein Empfänger angeschlossen ist.

Hinweise zur Inbetriebnahme des Mikrokopters

Ausführliche Anleitungen zum Kalibrieren der Gyros findet man im MikroKopterEinstieg. Alles rund um die Verkabelung hier: ElektronikVerkabelung

Bauteilelisten

Tipp: Es empfiehlt sich, beide Seiten der unbestückten Platine zunächst einzuscannen oder zu fotografieren. Das macht es später einfacher ungewollte Lötbrücken und ähnliche Fehler aufzuspüren.

FC V1.0 - V1.3

Die Bauteile sollten in der Reihenfolge eingebaut werden, wie sie in dieser Liste stehen. Dann hat man es mit der Bestückung einfacher.

Kursiv aufgelistete Teile befinden sich auf der Unterseite

• Gyros, Beschleunigungssensor und Luftdrucksensor gibt es im Shop.

FC-ME

Bestellhinweise

Reichelt Stückliste für FlightCtrl V1.0

Reichelt Stückliste für FlightCtrl V1.1 (ohne Controller & Abgleichwiderstände, mit Diode in SMD Ausführung)

Reichelt Stückliste für FlightCtrl V1.3 (ohne Controller & ACC-Sensor, Gyros, DAC)

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