JIMU - Javelin Inertial Measurement Unit

2005:223 CIV

M A S T E R ' S T H E S I S

JIMU - Javelin Inertial Measurement Unit

Daniel Sjölund

Luleå University of Technology MSc Programmes in Engineering

Department of Computer Science and Electrical Engineering Division of EISLAB

2005:223 CIV - ISSN: 1402-1617 - ISRN: LTU-EX--05/223--SE

JIMU - Javelin Inertial Measurement Unit

Daniel Sj¨ olund

Lule˚ a tekniska universitet Institutionen f¨or systemteknik

2005-05-30

This product includes software developed by EISLAB,

Lule˚ a University of Technology and its contributors.

ii

Abstract

In order to optimize their technique in different throwing events, athle- tes today use high-speed cameras. The equipment is expensive and difficult to transport. Evaluation of the film material is done by hand.

To simplify the measurement there was an idea of a system based on transducers placed inside the throwing equipment. The goal is to build a spear that can monitor it’s own movements.

Commissioned by Nordic Sport I have built a measurement unit desig- ned to be placed inside a javelin. The goal of the thesis was to construct the hardware for the first prototype of the system. A unit that can gat- her necessary values, store them in a memory and transmit these raw data to for example a laptop after the throw. The transmission is wi- reless using bluetooth.

To be able to reconstruct position, orientation and velocity in the mo- vements of the javelin the unit must measure both acceleration and rotation in three orthogonal axes. Such a unit is called IMU ¹ with six degrees of freedom. In addition a three-axis magnetometer was ad- ded that perhaps can improve accuracy. Two extra accelerometers were used to measure rotation when the angular velocity exceeds the gyros maximum range, 300^◦/second.

The digital components are a Renesas M16C microcontroller, a 512 kb memory, a 12 bits A/D-converter and a Bluetooth for wireless commu- nication.

The goal of the thesis has been reached. The unit consists of two main parts, an analog part with the transducers and A/D-converter and a digital part with microcontroller, memory and bluetooth. All functions have been tested and work well. Transfer rate between the unit and a computer with bluetooth is approximately 2, 5 kb/s. With the chosen sampling frequency 250 Hz approximately 80 seconds of all 13 channels can be stored.

1Inertial Measurement Unit

iv

Sammanfattning

F¨or att optimera sin teknik i olika kastgrenar anv¨ander idrottsm¨an p˚a elitniv˚a idag m¨atningar med h¨oghastighetskameror. Kamerautrustning- en ¨ar dyr och sv˚ar att frakta. Utv¨ardering av det filmade materialet g¨ors till stor del f¨or hand. F¨or att f¨orenkla m¨atningarna fanns en ide om ett system som baserar sig p˚a givare monterade inne i kastredska- pet. Visionen ¨ar att bygga ett kastredskap som kan registrera sina egna r¨orelser under ett kast.

P˚a uppdrag av Nordic Sport AB har jag konstruerat en m¨atdata- insamlare som kan monteras i ett kolfiberspjut. M˚alet f¨or examens- arbetet sattes till att bygga f¨orsta prototypen av h˚ardvaran. En enhet som kan samla in n¨odv¨andiga v¨arden, spara dem i ett minne och ¨over- f¨ora dessa r˚adata till exempelvis en laptop efter kastet. ¨Overf¨oringen sker tr˚adl¨ost via bluetooth.

F¨or att rekonstruera spjutets bana med l¨age, riktning och hastighet i tre dimensioner kr¨avs att enheten registrerar b˚ade acceleration och rotation i minst tre ortogonala axlar. En s˚adan enhet kallas IMU² med sex frihetsgrader. Dessutom anv¨andes en treaxlig magnetometer som redundans i systemet f¨or att eventuellt f¨orb¨attra precisionen i m¨at- ningarna. Tv˚a extra accelerometrar anv¨ands f¨or att registrera rotation i l¨angsriktningen n¨ar vinkelhastigheten ¨overstiger gyrots maximala m¨a- tomr˚ade, 300^◦/sekund.

De digitala kretsarna best˚ar av en Renesas M16C-mikrokontroller, ett 512 kb minne, en 12-bitars A/D-omvandlare och en Bluetoothenhet f¨or komunikation med omv¨arlden.

Det uppsatta m˚alet f¨or examensarbetet har uppfyllts. Enheten be- st˚ar av tv˚a huvuddelar, en analog enhet med alla givare och A/D- omvandlaren och en digital del med mikrokontroller, minne och blue- tooth. Samtliga funktioner har provk¨orts och fungerar bra. Data¨overf¨o- ringshastigheten mellan enheten och en dator med bluetooth uppm¨at- tes till ca 2, 5 kb/s. Med samplingsfrekvensen 250 Hz kan ungef¨ar 80 sekunder av samtliga 13 analoga signaler sparas.

2Inertial Measurement Unit

F¨ orord

Initiativtagare och uppdragsgivare f¨or projektet ¨ar Nordic Sport AB.

Jerry Lindblom, LTU, har varit handledare och Kent Johansson, Nor- dic Sport, har varit f¨oretagskontakt. Under arbetets g˚ang har jag f˚att mycket hj¨alp och m˚anga goda r˚ad av ett stort antal m¨anniskor, n˚agra av dessa ¨ar:

Conny ¨Ohult, Skaparen av Bluetooth stacken, LTU Jens Eliasson, Hj¨alp med Bluetooth stacken, LTU Jerry Lindblom, Handledare, LTU

John H˚akansson, Levererade gratis varuprover av magnetometrarna, Honeywell

Jonny Johansson, Bruno Cusatis, Jason Allan, Montering av kompo- nenter, LTU

Kennet Hartvik, M16C-utvecklingskort, C-programmering, program- vara, LTU

Kent Johansson, Sture Larsson, F¨oretagskontakt och uppdragsgivare, Nordic Sport AB

Matthias V¨olker, Fr˚agor kring mulleprojektet, LTU Per Lindgren, Examinator, LTU

˚Ake Wisten, Fr˚agor kring den tr˚adl¨osa laddningen, LTU

Slutligen vill jag rikta ett s¨arskilt tack till Uminova Center AB f¨or det stipendium jag erh˚allit under f¨orl¨angningen av examensarbetet.

vi INNEH˚ALL

Inneh˚ all

1 Inledning 1

1.1 Visioner om produkter baserade p˚a m¨atdatainsamlaren 1

1.2 M˚alet med examensarbetet . . . 1

2 Krav och ¨onskem˚al 3 2.1 Yttre p˚averkan . . . 3

2.2 Fysiska begr¨ansningar . . . 3

2.3 Elektriska begr¨ansningar . . . 4

3 Planering av analog h˚ardvara 5 3.1 Tr¨oghetsnavigering, 6-DOF . . . 5

3.2 Identifiering av komponenter . . . 8

3.2.1 Accelerometrar . . . 8

3.2.2 Gyroskop . . . 8

3.2.3 Magnetometrar . . . 9

3.3 A/D-omvandlaren . . . 10

3.4 Kretsschemalayout . . . 11

3.4.1 OrCAD Capture . . . 11

3.4.2 Accelerometrar . . . 11

3.4.3 Gyroskop . . . 12

3.4.4 Magnetometrar . . . 13

3.4.5 A/D-omvandlare . . . 16

4 Planering av digital h˚ardvara 17 4.1 Mulleprojektet . . . 17

4.2 Mikrokontrollern . . . 17

4.2.1 Parallellprogrammering . . . 17

4.3 Externt minne . . . 19

4.4 Bluetooth . . . 20

5 Planering av str¨omf¨ors¨orjning 22

5.1 Sp¨aningsregulatorer . . . 22

5.2 Batteri . . . 24

5.3 Batteriladdare . . . 24

5.4 Tr˚adl¨os laddning . . . 26

6 H˚ardvarukonstruktion 28 6.1 OrCAD Layout . . . 28

6.2 M¨onsterkortslayout . . . 28

6.2.1 Main Card . . . 29

6.2.2 Gyro Card 1 och 2 . . . 30

6.2.3 Acc Card . . . 31

6.2.4 Digital card . . . 32

6.3 Best¨allning av m¨onsterkort . . . 33

6.3.1 Macaos . . . 34

6.4 Montering och provk¨orning . . . 34

6.4.1 De analoga korten . . . 34

6.4.2 Digitala kortet . . . 36

6.4.3 Den tr˚adl¨osa laddningen . . . 41

7 Mjukvara 43 7.1 Utvecklingsmilj¨on . . . 43

7.2 Programstruktur . . . 43

7.3 Data¨overf¨oring och analys . . . 44

7.4 Bluetooth . . . 45

8 Resultat 47 9 Diskussion 49 9.1 Fortsatt arbete . . . 49

viii FIGURER

Figurer

1 Vinklar i utkastet . . . 5

2 Extra accelerometrar anv¨ands f¨or att m¨ata rotationshas- tighet ¨over 300^◦/sek . . . . 9

3 Analog l˚agpassfiltrering till accelerometrarna, f¨orenklad 12 4 ADXRS300ABG funktionsschema . . . 13

5 M¨atbryggan i en magnetometer . . . 14

6 Magnetometerns avmagnetiseringsfunktion. . . 15

7 Guldtr˚adsbondning p˚a en M16C mikrokontroller . . . . 18

8 Kretsschema runt MAX8881 . . . 23

9 En battericell . . . 25

10 Typiskt laddningsf¨orlopp . . . 25

11 Kretsschema f¨or MAX712 . . . 26

12 Oversikt ¨over tr˚¨ adl¨os laddning . . . 27

13 Oversikt ¨over enhetens delar . . . .¨ 29

14 Ovansidan av Main Card . . . 29

15 Undersida av Main Card . . . 29

16 Ovansida av Gyro Card 1 . . . 31

17 Undersida av Gyro Card 1 . . . 31

18 Ovansida av Gyro Card 2 . . . 31

19 Undersida av Gyro Card 2 . . . 31

20 Ovansida av Acc Card . . . 31

21 Undersida av Acc Card . . . 31

22 Ovansida av Digital Card . . . 32

23 Undersida av Digital Card . . . 33

24 Macaos . . . 34

25 BGA-kapseln, Footprint, Pick and place maskin, L¨odugn 35 26 Bondningar runt M16C-mikrokontrollern . . . 36

27 Segger universal programmerare med mulleadaptern mon- terad . . . 37

28 Adapter mellan mullekontakten och kretskortet . . . . 38 29 Bondningarna som ska avl¨agsnas efter att mikrokontrol-

lern programmerats med bootloadern . . . 39 30 Seriell adapter . . . 40 31 Drivsteget f¨or den tr˚adl¨osa laddningselektroniken . . . 41 32 Kretsschema f¨or drivsteget . . . 42 33 Fl¨odesschema f¨or programfunktion . . . 44 34 Fl¨odesschema f¨or testk¨orningsprogrammets funktion . . 45 35 Signalstyrka uppm¨att p˚a tre meters avst˚and med enhe-

ten monterad i kolfiberr¨oret . . . 46 36 En upps¨attning av m¨atdata . . . 47

1

1 Inledning

1.1 Visioner om produkter baserade p˚ a m¨ atda- tainsamlaren

Kastgrenarna inom friidrott kan se enkla ut fr˚an TV-soffan men bakom ett perfekt kast ligger mycket ¨ovning och f¨orfinad kastteknik. Idrotts- m¨an p˚a elitniv˚a g¨or ¨ovningskast framf¨or h¨oghastighetskameror f¨or att optimera sin teknik. F¨or spjutkastare ¨ar det fr¨amst kastvinkeln och utg˚angshastigheten som ¨ar avg¨orande men ¨aven andra parametrar har betydelse f¨or kastets l¨angd.

Visionen som startade hela projektet var friidrottsutrustning inom kast- grenarna som sj¨alv m¨ater de data som ¨ar av intresse f¨or idrottsm¨an och tr¨anare. Ett tr¨aningsverktyg som ¨ar betydligt enklare att anv¨anda ¨an de kamerabaserade m¨atningar som anv¨ands idag.

En annan till¨ampning skulle kunna vara att visa data fr˚an kastet i realtid f¨or publiken vid ett idrottsevanemang. Publiken kan sj¨alv bed¨o- ma hur l˚angt kastet blir innan spjutet tagit mark. Detta h¨ojer s¨akert underh˚allningsv¨ardet samtidigt som publiken f˚ar en inblick i kastteknik och de olika idrottsm¨annens styrka och svagheter.

Ett antal hinder kvarst˚ar dock innan ett spjut med m¨atdatainsamlare kan anv¨andas vid ett idrottsevenemang. Ett s˚adant hinder ¨ar regel- verket som strikt styr hur ett t¨avlingsspjut f˚ar utformas. Regelverket till˚ater att spjutet endast best˚ar av tre delar; en spets, ett handtag och en spjutkropp. Spjutkroppen m˚aste best˚a av ett homogent material utan r¨orliga delar.

1.2 M˚ alet med examensarbetet

Konstruktionen av h˚ardvaran till en f¨orsta prototyp sattes som m˚al f¨or examensarbetet. Arbetet kan delas upp i ett antal huvuduppgifter, dessa ¨ar i stora drag:

1. Identifiera de storheter som m˚aste m¨atas f¨or att utf¨ora tr¨oghetsnavigering, dvs ber¨akna spjutets position och orientering.

2. Identifiera l¨ampliga givare f¨or att klara uppdraget.

3. Konstruera det analoga m¨atsystemet med kringkomponenter f¨or signalbehandling.

4. Konstruera ett digitalt m¨atdatainsamlingssystem med A/D-omvandlare, minne och kommunikationsm¨ojligheter.

5. Dimensionera och konstruera str¨omf¨ors¨orjningen.

6. Designa m¨onsterkort f¨or att montera komponenterna.

7. Montera all elektronik inne i spjutet s˚a att givarna h˚alls i sin position under kastet men inte skadas av de enorma

p˚afrestningarna.

8. Skriva programmet som exekveras av mikrokontrollern i spjutet, det ska bland annat ta hand om datainsamling,

minneshantering, kommunikation och batteri¨overvakning.

N¨ar h˚ardvaruprototypen ¨ar klar ˚aterst˚ar en del arbete innan en f¨ardig produkt framst¨allts. F¨orst kommer arbetet med att ta fram ber¨ak- ningsalgoritmer f¨or tr¨oghetsnavigering som omvandlar givarnas r˚adata till l¨age, orientering och hastighet. Ytterligare en stor uppgift ¨ar att skriva ett program med ett grafiskt anv¨andargr¨anssnitt som ¨ar enkelt att anv¨anda. Det ska p˚a ett bra s¨att kunna h¨amta in data, anv¨an- da ber¨akningsalgoritmerna och presentera intressanta parametrar fr˚an kastet. F¨orutom dessa punkter tillkommer eventuellt en revidering av h˚ardvaran.

3

2 Krav och ¨ onskem˚ al

2.1 Yttre p˚ averkan

Ett normalt kast b¨orjar med att kastaren k¨anner lite p˚a spjutet, v¨ager det i handen, kanske svingar det lite fram och tillbaka och f¨ors¨oker hitta det perfekta greppet p˚a handtaget. I ansatsen r¨or sig spjutet fram˚at med ryckig r¨orelse tills ansatsen ¨ar slut, d˚a det vinklas upp˚at precis innan kastet. I kastet uts¨atts spjutet f¨or extrema p˚afrestningar, spju- tet accelererar kraftigt fram˚at samtidigt som det pressas upp˚at f¨or att slutligen rulla av handflatan. Uppe i luften har spjutet en h¨og rotations- hastighet och vibrerar. I landningen sker en kraftig deacceleration.

I utkastet kan spjutet ha en hastighet av cirka 31m/s och den s˚a ka- llade p˚averkansfasen i slutet av utkastet d˚a spjutet f˚ar huvuddelen av sin hastighet varar ungef¨ar 0, 12 − 0, 16 sekunder. Det inneb¨ar en acce- leration med upp till 260 m/s² eller ca 27 g.

Vi antar att spjutet har ungef¨ar samma hastighet vid landningen som vid utkastet och bromsas in med konstant acceleration i landningen.

Spetsen antas pressas ner totalt 15 cm i marken. D˚a har vi under den landningen ca 3100 m/s², eller ca 300 g. Om marken ¨ar h˚ardare eller om spjutet tr¨affar en sten blir accelerationen ¨annu kraftigare.

Komponenterna som sitter i spjutet uts¨attas f¨or kraftiga st¨otar och m˚aste b˚ade l¨odas och limmas f¨or att funktionen inte ska ¨aventyras vid nerslaget.

Frekvensomf˚anget hos givarna b¨or vara tillr¨ackligt f¨or att f˚anga alla r¨orelser men ¨overdrivet h¨og bandbredd ¨okar bruset och kr¨aver snabbare sampling. Handr¨orelser uppskattades ha ett frekvensomf˚ang upp till 50 Hz och det valdes som gr¨ansfrekvens f¨or givarna.

2.2 Fysiska begr¨ ansningar

Nordic Sport AB tillverkar spjut i b˚ade st˚al och kolfiber, st˚alspjuten tillverkas fr˚an ett kalldraget r¨or som konas i b˚ada ¨andarna. Efter ko- ningen ¨ar ¨oppningen i fram¨andan liten vilket betyder att elektroni- ken m˚aste monteras innan koning. I och med att spjutet h¨ardas efter koningen under h¨oga temperaturer utesluts detta monteringss¨att. Ett alternativ ¨ar att g¨ora en ¨oppning i spjutet efter h¨ardningen f¨or att montera in elektroniken. Enligt tillverkaren ¨ar det sv˚art att g¨ora en

¨oppning i ett s˚a tunnv¨aggigt r¨or utan att p˚averka spjutets egenskaper.

Ytterligare ett problem ¨ar st˚alets h¨oga d¨amping p˚a all sorts tr˚adl¨os kommunikation.

Kolfiberspjuten har en gr¨ovre ¨oppning i fram¨anden och l¨agre d¨ampning av radiosignaler varf¨or det valdes som mottagare av elektronikenheten.

Fram¨andens diameter, cirka 19 mm s¨atter de fysiska begr¨ansningarna f¨or elektroniken. F¨or att ha marginal f¨or kapsling och upph¨angning f˚ar inte enheten vara bredare eller h¨ogre ¨an 18 mm.

Totalvikten p˚a ett herrspjut ¨ar 800 g och f¨ordelningen av varje gram ¨ar noggrant ber¨aknat med tanke p˚a spjutets totalvikt, balans och styvhet.

Inuti handtaget sitter ett kolfiberr¨or som fungerar som balansering s˚a att tyngdpunkten och totalvikten blir exakt r¨att. Det enklaste s¨att- et att reducera spjutets vikt utan att p˚averka dess egenskaper ¨ar att svarva bort material i st˚alspetsen som f˚ar ers¨attas med elektroniken.

M¨atdatainsamlaren m˚aste vara s˚a l¨att och kort som m¨ojligt f¨or att massan ska koncentreras till omr˚adet n¨ara spetsen.

Komponenterna som ska monteras i spjutet m˚aste vara s˚a sm˚a som m¨ojligt, med l˚ag str¨omf¨orbrukning f¨or att minimera storleken p˚a str¨om- f¨ors¨orjningen. Ingen komponent f˚ar vara bredare ¨an 18 mm men helst smalare f¨or att ge plats till ledningsbanor p˚a m¨onsterkortet. St˚alspetsen m˚aste monteras stumt p˚a spjutkroppen. P˚a de kolfiberspjut som s¨aljs idag sitter spetsen limmad och pressad s˚a att den inte g˚ar att demon- tera. Elektroniken vara robust, med l˚ang livsl¨angd d˚a det inte kommer att vara m¨ojligt att ta ut enheten f¨or modifikationer eller reparationer.

Ett ¨onskem˚al fr˚an uppdragsgivaren ¨ar att spjutet ska vara identiskt utseendem¨assigt med de vanliga spjuten. Det utesluter alla typer av elektriska kontakter f¨or laddning, diagnos eller annat typ av signal-

¨overf¨oring.

2.3 Elektriska begr¨ ansningar

De elektriska begr¨ansningarna ¨ar mest f¨oljder av de fysiska begr¨ans- ningarna och yttre p˚averkan. F¨or att begr¨ansa vikten p˚a str¨omf¨ors¨orj- ningen ¨ar det ett krav att ha s˚a f˚a matningssp¨anningar som m¨ojligt, helst bara en. Laddningen av batterierna och all form av kommunika- tion och diagnos m˚aste ske tr˚adl¨ost. Givare som m¨ater r¨orelser b¨or ha en bandbredd p˚a minst 50 Hz. Kolfibrets d¨ampning av elektromagne- tiska v˚agor g¨or att s¨andare och mottagare m˚aste ¨overdimensioneras f¨or att erh˚alla ber¨aknad r¨ackvidd.

5

3 Planering av analog h˚ ardvara

3.1 Tr¨ oghetsnavigering, 6-DOF

Parametrarna som i f¨orsta hand ¨ar av intresse f¨or idrottsm¨an och tr¨a- nare ¨ar utg˚angshastigheten, spjutets riktning och riktningen p˚a hastig- hetsvektorn. Det vill s¨aga dels vart spjutspetsen ¨ar riktad men ocks˚a i vilken riktning spjutet r¨or sig, vilket inte m˚aste vara samma. Skill- naden mellan dessa tv˚a vinklar sett rakt fr˚an sidan och rakt bakifr˚an kallas attackvinkel och definieras som positiv n¨ar spjutet pekar ovanf¨or hastighetsvekorn som i figur 1. Ett optimalt kast har h¨og utg˚angshas- tighet, men ¨aven kastvinkel och attackvinkeln har en avg¨orande roll f¨or kastl¨angden. I flykten minskar attackvinkeln och samtidigt fartvindens lyfkraft p˚a spjutkroppen, efter det tappar spjutet snabbt h¨ojd och lan- dar.

Andra v¨arden av intresse ¨ar spjutets rotationshastighet, vibrations- amplitud och frekvens. Ett optimalt kast ger sm˚a vibrationer i utkastet som snabbt d¨ampas ut av ett bra spjut.

Figur 1: Vinklar i utkastet

En metod att m¨ata r¨orelser ¨ar med en s˚a kallad IMU³. Den kan be- st˚a av tre ortogonala accelerometrar och tre ortogonala gyron och f˚ar d˚a sex frihetsgrader. Det inneb¨ar att enheten m¨ater alla t¨ankbara r¨o- relser och vridningar. Med startpunkt i ett k¨ant l¨age, tex att spjutet ligger i horisontellt l¨age i kastbanans l¨angdriktning, kan spjutets l¨age, riktning och hastighetsvektorns storlek och riktning ber¨aknas utifr˚an IMU enhetens utsignaler. Allt i f¨orh˚allande till startpositionen. Meto- den som kallas d¨odr¨akning har vissa nackdelar. F¨or att tolka givarnas utsignaler anv¨ands avancerade ber¨akningsalgoritmer, i dessa ing˚ar det bl.a. integration. Integralerna kommer automatiskt att reducera effek- ter av slumpvisa fel⁴ men samtidigt summera systematiska fel s˚a att dessa v¨axer med tiden fr˚an m¨atningens start.

Ett snabbt endimensionellt r¨akneexempel f˚ar demonstrera effekterna av ett systematiskt fel. Anta att alla givare har utsignalen noll utom accelerometern i spjutets l¨angsriktning. Den ger en felaktig utsignal som motsvarar accelerationen 0, 01 m/s². Spjutets hastighet efter 20 sekunder blir integralen av accelerationen med avseende p˚a tiden, se ekvation 1. Utg˚angshastigheten, ν0 ¨ar initialt noll meter per sekund.

ν = ν₀+ Z ₂₀

0

adt = [a · t]²⁰₀ = 20 · 0, 01 = 0, 2 m/s (1) Ber¨akningen av spjutets l¨age blir en integration av hastigheten med avseende p˚a tiden, startpositionen s₀ ¨ar ¨aven den noll meter.

s = s₀+ Z ₂₀

0

νdt = Z ₂₀

0

a · tdt = [a · t²

2 ]²⁰₀ = 0.01 · 400

2 = 2m (2)

Ber¨akningarna blir enkla, endast n¨ar det ¨ar r¨orelse i en riktning utan vridning och inverkan av jordens tyngdacceleration. Slutsatserna av ber¨akningarna ¨ar att givarna b¨or ha s˚a litet systematiskt fel som m¨ojligt medan slupm¨assiga fel inte har lika stor inverkan p˚a m¨atresultatet.

M¨atningen b¨or dessutom ta s˚a kort tid som m¨ojligt f¨or att minimera m¨atfel.

Ber¨akningarna av spjutets riktning sker p˚a ett liknande s¨att. Alla mikromekaniska gyron ¨ar s˚a kallade rategyron och det betyder att ut- signalen ¨ar proportionell mot rotationsghastigheten. Till skillnad fr˚an

3Inertial Measurement Unit

4gausiskt brus

3.1 Tr¨oghetsnavigering, 6-DOF 7 traditionella gyron kan rategyroskop inte avl¨asas vid godtyckliga tillf¨all- en och ge direkt information om riktningen. Utsignalen m˚aste avl¨asas kontinuerligt och f¨or att ber¨akna totala vridningsvinkeln runt en axel sen m¨atningarna b¨orjade ing˚ar ¨aven h¨ar integration.

IMU-enhetens tre accelerometrar kommer alltid att p˚averkas av olika stora delar av jordens tyngdacceleration g, beroende p˚a hur de ¨ar ori- enterade. Utan yttre p˚averkan kommer tre ortogonala accelerometrar sammanlagt alltid att m¨ata 1 g. Tyngdaccelerationen kan givarna inte s¨arskilja fr˚an acceleration som uppkommer fr˚an r¨orelser. Ist¨allet ber¨ak- nas spjutets riktning utifr˚an gyronas signaler och efter det ber¨aknas hur stor del av g varje accelerometer borde m¨ata. Dessa uppskatta- de v¨arden subtraheras sen fr˚an accelerometersignalerna och kvar blir accelerationen fr˚an r¨orelserna. Sammanfattningsvis ger ett fel i rikt- ningsber¨akningarna ett fel i subtraktionen av tyngdaccelerationen som sedan sprider sig till hastighetsber¨akningen som ger ett v¨axande fel i positionsber¨akningen.

Detta ¨ar ett problem som finns i alla IMU system, vanligtvis anv¨ands n˚agon slags redundans f¨or att korrigera felen. Inom flyget anv¨ands fr¨amst gyron med l˚ag avvikelse. Felkorrigeringen sker genom att ka- librera mot k¨anda geografiska positioner, s˚a kallade fix, eller med hj¨alp av GPS.

En GSP-mottagare har troligtvis sv˚arigheter att f˚a mottagning i ett kol- fiberr¨or som roterar hastigt. Ist¨allet valdes en treaxlig magnetometer som redundans till gyrona. En magnetometer ¨ar en elektronisk kom- pass som m¨ater magnetf¨altets styrka, i detta fallet i tre ortogonala axlar. Det finns vissa begr¨ansningar som g¨or att den inte kan ers¨atta gyrona helt. Den fungerar bara utomhus och kommer att visa fel om det finns andra k¨allor med st¨orande magnetf¨alt. Om magnetometern hamnar i ett l¨age d¨ar magnetf¨altet ¨ar parallellt med n˚agon av magne- tometerns axlar kommer den inte att kunna registrera rotation omkring axeln. Riktningsinformationen som erh˚alls refereras till magnetf¨altets riktning. Eftersom jordens magnetf¨alt har en infallsvinkel som ¨ar unge- f¨ar 80^◦ mot jordytan, kommer det dessutom att finnas m˚anga m¨ojliga riktningar i f¨orh˚allande till jordytan som ger samma magnetometerut- slag.

3.2 Identifiering av komponenter

3.2.1 Accelerometrar

Valet av accelerometrar har i f¨orsta hand best¨amts av givarnas fysiska m˚att, m¨atomr˚ade, k¨anslighet och brusniv˚a.

I utkastets l¨angdriktning uppskattades tidigare en maximal acceleration p˚a cirka 26 g, f¨or denna acceleration valdes ADXL150 [7], en ±50g givare fr˚an Analog devices. Den har b˚ade stort m¨atomr˚ade, relativt l˚agt brus och bra k¨anslighet. Bruset och k¨ansligheten kommer tillsammans med A/D-omvandlaren att avg¨ora systemets uppl¨osning.

I spjutets h¨ojd och sidoriktning uppskattades accelerationen till max- imalt 10 g och ADXL210 [8], en tv˚aaxlig accelerometer ¨aven den fr˚an Analog Devices valdes till dessa axlar.

Alla utvalda accelerometrar har utsignaler som ¨ar proportionella mot matningssp¨anningen. Nollniv˚an, allts˚a utsp¨anningen fr˚an givaren d˚a den m¨ater noll g, ¨ar ungef¨ar halva matningssp¨anningen men varierar individuellt f¨or varje givare och ¨ar dessutom temperaturberoende. ¨Aven givarnas k¨anslighet ¨ar individuella och temperaturberoende. F¨or att f˚a tillr¨ackligt bra precision i m¨atningarna kr¨avs att givarna kalibreras, vil- ket inneb¨ar att deras individuella nollniv˚a och k¨anslighet m¨ats vid olika temperaturer. Genom att spara kalibreringsv¨ardena och m¨ata tempe- raturen under kastet kan de insamlade m¨atv¨ardena kompenseras f¨or temperaturberoendet.

3.2.2 Gyroskop

F¨or gyrona ¨ar utbudet inte lika stort som f¨or accelerometrarna. Ana- log Devices gyro ADXRS300ABG [9] valdes till alla tre axlarna. Gyrot

¨ar specificerat till ±300^◦/sekund vilket inte ¨ar tillr¨ackligt i spjutets l¨angdaxel under slutet av utkastet. F¨or att m¨ata h¨ogre rotationshas- tigheter anv¨ands tv˚a extra accelerometrar. Totalt sitter det fyra acc- elerometrar i spjutets h¨ojd/sidled (Figur 2). Acc A och B kommer att p˚averkas av centripertalacceleration vid rotationen runt l¨angsaxeln.

Summan av deras utsignaler blir proportionell mot rotationshastighe- ten enligt ekvation 3 d¨ar ω ¨ar vinkelhastigheten och 0, 1 ¨ar givarnas k¨anslighet. Summan av deras utsignaler ¨ar oberoende av andra r¨orelser som ger upphov till acceleration,

u1 + u2 = ω²· D · 0, 1[V ]. (3)

3.2 Identifiering av komponenter 9

Figur 2: Extra accelerometrar anv¨ands f¨or att m¨ata rotationshastighet ¨over 300^◦/sek

Vid r¨att f¨oruts¨attningar kan ¨aven magnetometern ge information om hur spjutet roterar.

Gyroskopet inneh˚aller en intern step-up omvandlare som str¨omf¨ors¨orjer vissa av de interna delarna. Gyrot inneh˚aller ¨aven en temperaturgivare och en referenssp¨anning. Utsignalen ¨ar till skillnad fr˚an acceleromet- rarna oberoende av matningssp¨anningen.

3.2.3 Magnetometrar

Magnetometrarna HMC1001 [13] och HMC1002 [13] fr˚an Honeywell valdes till projektet och bildar tillsammans en treaxlig magnetometer.

K¨ansligheten ¨ar l˚ag och det st¨aller h¨oga krav p˚a stabil f¨orst¨arkning, signalbehandling, brusfri str¨omf¨ors¨orjning och korrekt kretskortslayout.

Bandbredden ¨ar fr˚an noll till fem MHz, mer ¨an n¨odv¨andigt f¨or dessa m¨atningar. Enligt databladet ¨ar str¨omf¨orbrukningen 10 mA/m¨atbrygga

och bruset 29 nV /Hz.

3.3 A/D-omvandlaren

A/D-omvandlaren m˚aste ha m˚anga ing˚angar f¨or att kunna m¨ata alla givarsignaler. Totalt 12 m¨atsignaler som best˚ar av fem accelerometrar, tre magnetometrar, tre gyron och en ing˚ang f¨or temperatursignalen fr˚an gyroskopen. D˚a b˚ade gyroskopen och accelerometrarna har en utsignal mellan noll till fem V och enkel fem V matningssp¨anning s˚a b¨or ¨aven A/D-omvandlaren ha det.

M16C mikrokontrollern har en inbyggd A/D-omvandlare med ˚atta in- g˚angar som kan ut¨okas till maximalt tio. Uppl¨osningen ¨ar tio bitar vilket ¨ar tillr¨ackligt men d˚a behovet ¨ar tolv ing˚angar valdes ist¨allet en extern A/D-omvandlare.

P˚a inr˚adan av handledaren Jerry Lindblom s¨oktes i f¨orsta hand bland kretsar fr˚an Analog devices. Analog Devices har ett stort utbud av A/D-omvandlare med varierande hastighet, uppl¨osning, matningssp¨ann- ing och antal ing˚angar. Ett mycket bra s¨okverktyg i deras onlinekatalog [4] gjorde det enkelt att hitta r¨att.

AD7490 [6] ¨ar n¨astan idealisk f¨or uppgiften, den har 16 analoga ing˚ang- ar och tolv-bitars uppl¨osning. Den drivs av en enkel matningssp¨anning mellan 2, 7 och 5, 25 V . Kommunikationen med mikrokontrollern sker seriellt via SPI-buss och en s¨arskild ing˚ang, V-drive, best¨ammer sp¨an- ningsniv˚an p˚a bussen. Det ¨ar med andra ord problemfritt att koppla A/D-omvandlaren direkt till en mikrokontroller som har 3, 3 V signal- niv˚a.

SPI-bussen ¨ar en standardiserad seriell tv˚a-tr˚ads kommunikationsbuss d¨ar flera enheter kan sammankopplas. Detaljer om ¨overf¨oringen hittas i A/D-omvandlarens datablad [6].

De analoga insignalerna omvandlas till ett tolv-bitars tal genom succes- siv approximering. Omvandlingshastigheten styrs av SPI-busens klocka.

Signalernas niv˚aer omvandlas i f¨orh˚allande till en extrern referenssp¨an- ning. Vid 0 V insignal blir det bin¨ara tolv-bitars talet 0000, 0000, 0000 och n¨ar insignalen ¨ar dubbelt s˚a stor som referenssp¨aningen blir bin¨ar- talet 1111, 1111, 1111.

3.4 Kretsschemalayout 11

3.4 Kretsschemalayout

3.4.1 OrCAD Capture

Programmet som anv¨ands f¨or att rita projektets kretsscheman heter OrCAD Capture. I programmet kan komponenter skapas, utplaceras och sammankopplas med varandra. Varje komponent och ledningsbana tilldelas ett namn och vissa komponenter som till exempel motst˚and kan tilldelas ett resistansv¨arde. Utformningen av borrh˚al och l¨odytor som en komponent kr¨aver p˚a m¨onsterkortet kallas footprint och ¨aven det tilldelas h¨ar. Programmet har en simuleringsfunktion d¨ar filter och andra kopplingar kan simuleras.

3.4.2 Accelerometrar

Accelerometrarna kr¨aver f˚a kringkomponenter f¨or att fungera. ADXL- 250 som sitter i spjutets l¨angdriktning kr¨aver endast en avkopplings- kondensator. Accelerometern l¨amnar en utsignal med en sp¨anningsf¨or- skjutning p˚a 2, 5 V och k¨anslighet ungef¨ar 38 mV/g.

ADXL210 som m¨ater i spjutets h¨ojd och sidled kr¨aver fler kingkomp- onenter. P˚a accelerometerns ben f¨or str¨omf¨ors¨orjning anv¨ands dubbla avkopplingskondensatorer, dels en liten keramisk kondensator och dess- utom en lite st¨orre tantalelektrolytkondensator. F¨or att d¨ampa h¨ogfre- kvent brus filtreras inkommande str¨omf¨ors¨orjning genom en ferritk¨ar- na. Accelerometern har f¨orutom de analoga utg˚angarna ¨aven digitala utg˚angar vars pulskvot⁵ ¨ar proportionell mot accelerationen. Den di- gitala utg˚angen g¨or att givaren kan kopplas direkt till en mikrokon- troller som saknar A/D-omvandlare. Mikrokontrollern anv¨ander ist¨al- let en timer f¨or att m¨ata bredden p˚a inkommande pulser. Eftersom en A/D-omvandlare finns tillg¨anglig valdes de analoga utg˚angarna. De analoga signalernas nollniv˚a ¨ar, som de andra givarna, ungef¨ar halva matningssp¨anningen och givaren har en k¨anslighet p˚a 100 mV /g. F¨or att b¨attre utnyttja A/D-omvandlarens insignalomr˚ade och d¨armed hela uppl¨osningen kr¨avs att signalen f¨orst¨arks. De analoga utg˚angarna p˚a accelerometern har ett frekvensomf˚ang upp till 5 kHz. Det inneb¨ar att signalen m˚aste l˚agpassfiltreras innan A/D-omvandlingen, eller samplas med minst 10 kHz f¨or att undvika vikning⁶.

5f¨orh˚allandet mellan tiden som signalen ¨ar logiskt ett och noll

6F¨or att uppfylla samplingsteoremet och undvika vikning m˚aste en signal som ¨ar bandbegr¨ansad under frekvensen fb samplas med h¨ogre samplingsfrekvens ¨an 2 · fb

Fyra analoga signaler p˚a 2, 5 V ± 1 V ska skalas genom att f¨orst¨arkas och l˚agpassfiltreras med s˚a f˚a f¨orst¨arkningssteg som m¨ojligt, helst bara ett per signal. En f¨orst¨arkning p˚a 4, 8 ger ett maximalt m¨atomr˚ade av

±5 g. Microelectronic circuits and devices [12] (Figur 3) rekomenderar en koppling med f˚a komponenter som best˚ar av OP496 [10], en fyr- dubbel operationsf¨orst¨arkare som ocks˚a rekommenderas i databladet f¨or ADXL210. Viktiga egenskaper ¨ar att den har l˚ag str¨omf¨orbrukning och relativt liten kapsel. Filtret ¨ar ett andra ordningens l˚agpassfilter d¨ar den f¨orsta filterpolen skapas av givarens utg˚angsimpedans och den kondensator som ansluts direkt till utg˚angen. Den andra filterpolen skapas av en kondensator i f¨orst¨arkningsstegets ˚aterkoppling.

0

VCC / 2

0

Vout

ADXL210

+

-

OP496

3

2 1

411

C1 150n

R1

1k Ri

32k

R2

1k V1

C2

1n

Figur 3: Analog l˚agpassfiltrering till accelerometrarna, f¨orenklad

3.4.3 Gyroskop

Gyroskopet ADXRS300ABG ¨ar en komplex mikromekanisk komponent som ¨ar k¨anslig f¨or valda kringkomponenter och kretskortslayout. Rikt- linjer f¨or komponentval och layout beskrivs p˚a ett tydligt s¨att i fabri- kantens datablad. F¨orutom gyroskopets matningssp¨anning, 5 V har den en inbyggd step-up¨omvandlare som internt f¨orser vissa delar med cirka 14 V . F¨or att gyroskopet ska fungera korrekt och inte alstra switchbrus, som kan st¨ora annan elektronik, m˚aste kondensatorerna kopplade till CP1 till CP5 placeras s˚a n¨ara komponenten som m¨ojligt. Till skillnad fr˚an de andra givarna som har halva matningssp¨anningen som noll- niv˚a har gyrot en fast nollniv˚a p˚a 2, 5 V . Gyroskopets k¨anslighet ¨ar 5 mV /^◦/s, l¨agre k¨anslighet och d¨armed st¨orre m¨atomr˚ade kan uppn˚as med en yttre resistor p˚a bekostnad av linj¨aritet och h¨ogre brusniv˚a. Gy- roskopets analoga utsignal l˚agpassfiltreras i tv˚a steg dels kondensatorn

3.4 Kretsschemalayout 13 FUNCTIONAL BLOCK DIAGRAM

5G

4G

3A 5V

2G 1F

7F 6A 7B 7C 7D

1C

4A 5A 7E 6G

1D

2A

1E

3G 1B

PDD

12V +

ADXRS300

47nF 100nF 22nF

22nF

CP2 CP1 PGND CP4 CP3 CP5

CHARGE PUMP/REG.

TEMP PTAT

RATEOUT

2.5V S DEMOD

RATE SENSOR SELF

TEST

100nF 100nF

CMID AVCC AGND

ST1

ST2 CORIOLIS SIGNAL CHANNEL

R_SEN1 RSEN2

C_OUT

SUMJ

R_OUT

2.5V REF

|7k: r35% |7k: r35%

180k: 1%

RESONATOR LOOP –

Figure 1.

Figur 4: ADXRS300ABG funktionsschema

kopplad till CMID (1D) och dessutom med kondensatorn kopplad till COUT(1B,C). F¨or att anv¨anda hela m¨atomr˚adet p˚a ±300^◦/s beh¨ovs ingen ytterligare f¨orst¨arkning eller filtrering.

En speciell jordningsmetod har anv¨ants f¨or att f¨orhindra str¨ommar fr˚an huvudjorden PGND(6G) att ge st¨orningar p˚a utsignalerna. PGND dras separat fr˚an de tre gyrona och ansluts till systemets jordplan i en gemensam punkt i anslutning till A/D-omvandlaren. Signaljorden AGND(2G) ansluts direkt till jorplanet n¨ara gyrot. P˚a s˚a s¨att undviks att komponentens jordstr¨ommar genererar st¨orningar med m¨atfel som f¨oljd. F¨or att f¨orhindra h¨ogfrekventa st¨orningar fr˚an gyrots inbyggda step-up¨omvandlare att sprida sig p˚a matningssp¨anningen sitter en fer- ritk¨arna i serie med matningen.

3.4.4 Magnetometrar

HMC1002 ¨ar en tv˚aaxlig magnetometer monterad i en ytmonterad 22- pinnars DIL-kapsel. HMC1001 ¨ar enaxlig och levereras i en 8-pinnars SIL-kapsel. Genom att montera HMC1002 direkt p˚a kretskortet och HMC1001 st˚aende p˚a kortet m¨ater de tillsammans i tre ortogonala axlar.

Tv˚a magnetk¨ansliga motst˚and placerade diagonalt tillsammans med tv˚a konstanta motst˚and bildar en m¨atbrygga, se figur 5. HMC1001 och HMC1002 inneh˚aller en respektive tv˚a s˚adana m¨atbryggor.

Figur 5: M¨atbryggan i en magnetometer

M¨atbryggan har balanserade utsignaler, det betyder att b˚ade out+

och out- ¨ar V cc/2 eller ungef¨ar 2, 5 V utan magnetisk p˚averkan. N¨ar ett magnetf¨alt appliceras kommer out+ och out- att stiga resp sjunka proportionellt mot det p˚alagda magnetf¨altet. K¨ansligheten ¨ar 3, 2 mV - /V /gauss. Under antagandet att matningssp¨anningen ¨ar 5 V och jor- dens magnetf¨alt(0,5 gauss) ligger parallellt med givarens k¨anslighets- axelvilket blir out+ ungef¨ar 2, 504 V och out- 2, 496 V . B˚ade utsigna- lens nollf¨orskjutning och k¨anslighet ¨ar proportionell mot matningssp¨an- ningen. F¨or att utnyttja hela A/D-omvandlarens insp¨anningsomr˚ade p˚a 0 till 5 V kr¨avs en f¨orst¨arkning p˚a 2, 5/0, 08 ≈ 310. En instumentf¨or- st¨arkare ¨ar idealisk f¨or att f¨orst¨arka sm˚a differentiella signaler. AD623 [5] fr˚an Analog Devices valdes f¨or sin enkelhet, minimala kapsling, l˚a- ga brus och str¨omf¨orbrukning. F¨orst¨arkningen justeras med ett yttre motst˚and som ber¨aknas enligt ekavtionerna 4.

R_gain = 100 kΩ/(Gain − 1) (4)

Gain = 310 ger

R_gain = 100 kΩ/(310 − 1) = 323, 6 Ω (5) Instrumentf¨orst¨arkaren har ett utsignalsving fr˚an ca 10 mV till ca 100 mV under matningssp¨anningen. Det betyder ett maximalt utsignalsving fr˚an 10 mV till 4, 9 V vid 5 V matningssp¨anning. F¨or att undvika klipp- ning valdes ett R_gain motst˚and n¨armast ¨over 323, 6 Ω bland standard- motst˚anden i RK73 serien, det vill s¨aga 360 Ω vilket ger f¨orst¨arkningen 278, 8.

3.4 Kretsschemalayout 15 Instrumentf¨orst¨arkarens referensing˚ang matas fr˚an en sp¨anningsdelare som ger halva matningssp¨anningen. Det g¨or att instrumentf¨orst¨arka- rens utsignal precis som givarna ¨ar proportionell mot matningssp¨an- ningen.

Om de magnetk¨ansliga permalloy (NiFe) elementen i m¨atbryggan ut- s¨atts f¨or ett magnetf¨alt starkare ¨an 3 gauss tappar de successivt sin magnetiska orientering vilket leder till att givarens k¨anslighet minskar.

F¨or att ˚aterst¨alla orienteringen i elementen finns en inbyggd avmagne- tiseringsfunktion. Genom att skicka en str¨ompuls i set/reset-bryggan genererars ett kraftigt magnetf¨alt som ˚aterst¨aller orienteringen. F¨or att garanterat ˚aterst¨alla m¨atbryggans fulla k¨anslighet b¨or pulsen upp- g˚a till minst 3 ampere och ha en varaktighet p˚a minst 2 µsekunder.

Set/Reset-bryggan ¨ar utifr˚an sett resistiv med en resistans p˚a 1, 5 Ω.

Kopplingen som rekommenderas i databladet anv¨ander 16 till 20 V mat- ningssp¨anning och ett mosfet-transistorpar med l˚ag inre resistans. Mat- ningssp¨anningen och mosfet-transistorernas omslagshastighet best¨am- mer str¨ompulsens toppv¨arde medan seriekondensatorerna (C2, C3 och C4) begr¨ansar pulsens varighet, se figur 6.

SHDN s/r_trg

gnd VCC

VCC V12 V12

VCC

V12

R17 200

MAX662A

1 C1- 2 C1+

3 C2- 4 C2+ SHDNGNDVoutVcc 5678

C2

100n C33

1n

MAX-ICL7667

1 NC 2 INa 3 GND 4 INb OUTbOUTaVddNC 5678

C35 4.7u

C3

100n R6

IRF7105 1.5 1 2 3

4 5

6 7 8

R4 1.5

C36 0.22u

C37 4.7u

C4 100n

C28 3.3u

R5 1.5 C34

0.22u

Figur 6: Magnetometerns avmagnetiseringsfunktion.

F¨or att generera str¨ompulserna anv¨ands 12 V . Sp¨anningen genereras av en MAX662A [16] step-up¨omvandlare fr˚an Maxim IC. Omvandlaren kr¨aver endast tv˚a yttre komponenter (C34 och C36) f¨orutom avkopp- lingskondensatorerna. SHDN ing˚angen styrs av mikrokontrollern och anv¨ands f¨or att st¨anga av omvandlaren n¨ar avmagnetiseringen v¨al ¨ar genomf¨ord. s/r-trg ing˚angen startar sj¨alva str¨ompulsen och ¨aven den styrs av mikrokontrollern. Mikrokontrollerns utniv˚a 3, 3 V f¨orst¨arks till

transistorbryggans 12V av en MAX-ICL7667 [15] mos-fet drivare. Den kr¨aver inga kringkomponenter f¨orutom kondensatorn C23 p˚a utg˚ang- en som anv¨ands f¨or att justera omslagshastigheten. Denna koppling ¨ar

¨overdimensionerad och ger marginaler f¨or att leverera kraftigare str¨om- pulser ¨an n¨odv¨andigt till magnetometrarna. Det betyder att str¨ompul- sernas storlek och varaktighet bara beror p˚a de komponenter som ska anv¨andas f¨or justering av dessa parametrar. P-spice simuleringar med hj¨alp av OrCAD Capture ger rimliga utg˚angsv¨arden p˚a kringkompo- nenterna men kommer troligtvis att beh¨ova justeras.

3.4.5 A/D-omvandlare

A/D-omvandlaren kr¨aver f˚a yttre komponenter. Avkopplingskondensa- torerna utg¨ors av en liten keramisk kondensator tillsammans med en lite st¨orre tantalelektrolytkondensator. Genom att ansluta referensing˚ang- en REF in till V cc/2 blir ¨aven A/D-omvandlingen proportionell mot matningssp¨anningen. Det eliminerar effekter av varierande matnings- sp¨anning p˚a de insignaler som ¨ar proportionella mot matningssp¨an- ningen. Gyroskopet d¨aremot har utsignaler som ¨ar oberoende av mat- ningssp¨anningen. F¨or att kompensera f¨or f¨or¨andringarna i matnings- sp¨anningen m¨ats d¨arf¨or gyrots referenssp¨anning. F¨or att oanv¨anda in- g˚angar inte ska ta upp st¨orningar ansluts dessa direkt till det analoga jordplanet.

Halva matningssp¨anningen, V cc/2, som anv¨ands p˚a ett flertal st¨allen skapas av en enkel sp¨anningsdelare som impedansomvandlas av en ope- rationsf¨orst¨arkare, LMC7101 [2]. F¨orst¨arkaren har en minimal kapsling, h¨og ing˚angsimpedans och l˚ag str¨omf¨orbrukning.

17

4 Planering av digital h˚ ardvara

4.1 Mulleprojektet

Mulleprojektet ¨ar ett tidigare examensarbete vid LTU⁷, EISLAB⁸ ut- f¨ort av Matthias Voelker. H˚ardvaran ¨ar ett miniatyriserat kort d¨ar hu- vudkomponenterna ¨ar en Renesas M16C [3] mikrokontroller och en Mit- sumi WLMC10 [19] bluetoothenhet. F¨or att effektivisera framtagandet av m¨atdatainsamlaren ˚ateranv¨andes stora delar av kopplingsschemat och vissa delar av m¨onsterkortslayouten fr˚an Mulleprojektet.

F¨or att anv¨anda bluetoothenheten kr¨avs att ett s¨arskilt program, sk bluetooth stack, k¨ors i mikrokontrollern. ¨Aven stacken ˚ateranv¨andes fr˚an ett tidigare EISLAB-projekt. Bluetoothstacken LWBT⁹ har till viss del utvecklats av Conny ¨Ohult och ¨ar speciellt anpassad f¨or an- v¨anda lite minnesutrymme. Stacken har sedan modifierats ytterligare av Kennet Hartvik som tagit bort funktioner som inte beh¨ovs i denna till¨ampning. Funktionen som ˚aterst˚ar ¨ar i stort sett bara en simulerad serieport via Bluetooth.

4.2 Mikrokontrollern

Mikrokontrollern som anv¨ands i Mulleprojektet ¨ar en Renesas M16C/62.

Det ¨ar en 16-bitars mikrokontroller med 3, 3 V matning som klarar klockfrekvenser upp till 16 MHz. Bland de inbyggda funktionerna kan n¨amnas 10-bitars A/D-omvandlare med 8 ing˚angar, 5 seriella I/O- kanaler, 87 programmerbara I/O-pinnar, upp till 256 kByte internt ROM, 20 kByte internt RAM, ett antal externa avbrotts-ing˚angar och ett antal timerar.

4.2.1 Parallellprogrammering

Standardkapslingen f¨or en M16C mikrokontroller ¨ar en 100 pinnars plast QFP som ¨ar 17 · 23 mm. Att rymma den kapseln p˚a ett 18mm brett m¨onsterkort ¨ar m¨ojligt, men det skulle inneb¨ara att alla anslut- ningsledningar till kapselns l˚angsida, 60 st, m˚aste dras in˚at under kom- ponenten. Ist¨allet anv¨andes ett mindre okapslat chip, ett s˚a kallat bare- die”, skuret direkt ur kiselwafern som det tillverkas av. Ist¨allet f¨or att

7Lule˚a tekniska universitet

8Embedded Internet Systems Lab

9LeightWeightBlueTooth

l¨oda komponenten p˚a m¨onsterkortet, p˚a det s¨att som en vanlig kapslad komponent monteras, limmas bare-die chipet direkt p˚a m¨onsterkortet.

Limmningen h˚aller komponenten p˚a plats men ger ingen elektrisk an- slutning. F¨or att f¨orbinda m¨onsterkortets anslutningar till chippet an- v¨ands en speciell maskin och tunn guldtr˚ad. Processen d¨ar guldtr˚aden pressas och v¨arms fast p˚a sm˚a kontaktytor p˚a chipet och kretskortet kallas bondning.

Figur 7: Guldtr˚adsbondning p˚a en M16C mikrokontroller Vanligtvis levereras M16C62 f¨orprogrammerad med ett litet program som kallas f¨or bootloader, som g¨or att programmeringen kan ske seriellt.

Eftersom bootloadern normalt laddas in hos tillverkaren efter att chi- pet kapslats levereras bare die-M16C utan bootloader. F¨or att ladda in bootloadern i chippet anv¨ands en parallellprogrammerare som ansluts till n¨astan 40 av mikrokontrollerns pinnar. ¨Ovriga pinnar kan l¨amnas oanslutna till programmeringsenheten men cirka 20 pinnar ska h˚allas p˚a en best¨amd logikniv˚a under programmeringsfasen. Tillv¨agag˚angss¨attet

4.3 Externt minne 19 skapar problem d˚a bare-die chipet saknar anslutningar innan det mon- terats. P˚a monsterkortet m˚aste det allts˚a finnas m¨ojlighet att ansluta till n¨astan samtliga pinnar p˚a mikrokontrollern. Programmeringsf¨or- farandet l˚anades direkt fr˚an Mulleprojektet. F¨orutom att kopplas till sina ordinarie funktioner dras ¨aven ledningsbanor ut till en kontakt p˚a en extra yta p˚a m¨onsterkretskortets ytterkant. En rad av borrh˚al g¨or att den extra ytan kan brytas bort efter att parallellprogramme- ringen ¨ar f¨ordig. J¨amf¨ort med att montera ett m˚angpoligt kontaktdon p˚a m¨onsterkortet ¨ar denna l¨osning billigare. M¨onsterkortet blir dyrare efterssom det blir st¨orre men inte lika mycket som priset f¨or ett kon- taktdon. Dessutom blir inga kontakter eller extra m¨onsterkortsyta kvar p˚a den f¨ardiga enheten.

4.3 Externt minne

Analoga signaler som begr¨ansas under 50 Hz b¨or samplas med minst 100 Hz f¨or att undvika vikning¹⁰. Brytfrekvensen ¨ar satt till cirka 50 Hz f¨or samtliga analoga signaler med andra ordningens filter. Det ger 6 dB/oktav branthet vilket betyder att frekvenser ¨over 50 Hz d¨ampas men inte helt. Samplingen b¨or d˚a ske med en h¨ogre frekvens och av erfarenhet valdes 250 Hz som en rimlig utg˚angspunkt.

Alla insamlade data ska l¨asas fr˚an A/D-omvandlaren och sparas av mikrokontrollern i ett externt minne. F¨or att uppskatta hur stort och snabbt minne som beh¨ovs kan ¨overslagsr¨akning anv¨andas. Det ¨ar totalt 13 analoga signaler som alla ska samplas med 250 Hz och varje sampel best˚ar av tolv databitar. Det ger 13·12·250 = 39000 bitar/sekund eller 4, 7kByte/sekund om datalagring kan ske utan spill. Till˚ats 12 bitar ta 2 byte (16 bitar) minnesplats blir det 6, 3kByte/sekund. F¨or att det ska bli tid ¨over f¨or mikrokontrollern att g¨ora annat m˚aste ¨overf¨oringshas- tigheten till minnet vara mycket h¨ogre ¨an 6, 3kByte/sekund. Om ett spjutkast tar 30 sekunder blir den totala m¨angden data som ska sparas 200 kByte. Minnet b¨or allts˚a vara minst 200kByte stort, helst med god marginal.

Mikrokontrollerns kristall ¨ar 16 MHz vilket medf¨or att varje klockcy- kel ¨ar 1[s]/16 · 10⁶[Hz] ≈ 63[ns]. Anv¨ands mikrokontrollerns inbyggda DMA-kanal¹¹ sker l¨asning och skrivning till det externa minnet lika snabbt som till det interna minnet, och tar d˚a tv˚a klockcykler eller

10Enligt samplingsteoremet, nykvistfrekvensen

11Direct Memory Access

ungef¨ar 130 ns. Snabbare ¨an s˚a beh¨over minnet inte vara, ifall det ¨ar l˚angsammare kan hastigheten kompenseras i mikrokontrollern genom att l¨agga in v¨antecykler f¨or l¨asning och skrivning till minnet.

Kraven p˚a minnet ¨ar sammanfattningsvis, minst 200 kByte stort, 3, 3 V matningssp¨anning, inte n¨odv¨andigtvis snabbare ¨an 130 ns, men mycket h¨ogre ¨overf¨oringshastighet ¨an 6 kByte/sekund, l˚ag str¨omf¨orbrukning och en kapsel som har mindre l¨angd eller bredd ¨an 18 mm.

Det finns seriella EEPROM-minnen¹² som uppfyller dessa krav men i och med att mikrokontrollern har f¨ardiga portar f¨or parallella minnen ger detta den snabbaste och enklaste ¨overf¨oringen. En annan f¨ordel med SRAM-minnen¹³ ¨ar att det kan l¨asas och skrivas n¨astan o¨andligt m˚anga g˚anger, precis som det interna RAM-minnet, och kan d¨arf¨or ocks˚a anv¨andas som ut¨okat RAM-minne. EEPROM-minnen kan oftast bara raderas och skrivas ca 100,000g˚anger, vilket ¨ar mer ¨an tillr¨ackligt om minnet bara fylls en g˚ang per kast, men ¨ar otillr¨ackligt f¨or att fungera som ut¨okat arbetsminne f¨or mikrokontrollern d˚a det kan kr¨ava att samma minnesadress skrivs m˚anga g˚anger per sekund.

Trots att Farnell [14] har ett stort utbud av SRAM-minnen visade det sig att utbudet av minnen som uppfyller alla krav ¨ar begr¨ansat.

M68AW511AL [22] fr˚an STMicroelectronics ¨ar ett 4 Mbit stort SRAM- minne organiserat som 512 k · 8 bitar, det vill s¨aga varje hel byte ¨ar direkt adresserbar. Detta inneb¨ar att adressbussen ¨ar 19 bitar bred me- dan databussen ¨ar 8 bitar. B˚ade l¨as och skrivcykeln tar 55ns. Vid full hastighet ¨ar str¨omf¨orbrukningen ungef¨ar 30 mA. Mellan l¨as och skriv- cyklerna f¨orbrukar minnet betydligt mindre. N¨ar det inte anv¨ands kan det s¨attas i standby och f¨orbrukar d˚a endast 10 µA. F¨orutom adress och databussen har minnet ytterligare tre ing˚angar; Write, Output Enable och Chip Enable som hanteras automatiskt av mikrokontrollern. F¨or- utom avkopplingskondensatorerna kr¨avs inga kringkomponenter. Kap- selns storlek ¨ar 12 · 21 mm vilket l¨amnar goda marginaler till maximala 18 mm.

4.4 Bluetooth

WML-C10 ¨ar en Bluetooth^r Ver.1.1.¹⁴ enhet med inbyggd antenn fr˚an MITSUMI. Ytterm˚atten ¨ar 11.8(W )·17.6(L)·1.9(H)mm och str¨omf¨or-

12Electronically Erasable Program Once Memory

13Static Random Access Memory

14The Bluetooth^r word mark and logos are owned by the Bluetooth SIG, Inc.

4.4 Bluetooth 21 brukningen anges till 60 mA men f¨orbrukar betydligt mindre n¨ar den inte anv¨ands. Modulen valdes f¨or att den uppfyller kraven p˚a ytterm˚att och str¨omf¨orbrukning samt att den anv¨ants i mulleprojektet med gott resultat. F¨ardiga till¨ampningar och erfarenhet finns allts˚a att tillg˚a.

5 Planering av str¨ omf¨ ors¨ orjning

F¨or att minimera inverkan av st¨orningar som normalt genereras av di- gitala kretsar, ¨ar en av reglerna att ha separata matningssp¨anningar till de analoga och digitala kretsarna. I v˚art fall matas de analoga kret- sarna matas av 5 V medan de digitala matas av 3, 3 V . Lika viktigt ¨ar att separera analog och digital jord som endast f˚ar sammankopplas p˚a ett st¨alle, helst n¨ara A/D-omvandlaren.

En ”str¨ombudget” [Tabell 1] sammanst¨alldes f¨or att f˚a en uppfattning om den sammanlagda str¨omf¨orbrukningen. Alla v¨arden ¨ar worst case f¨or att skapa marginaler. Risken att alla komponenter f¨orbrukar maxi- mal str¨om samtidigt ¨ar i verkligheten liten.

Tabell 1: Str¨omf¨orbrukning

Komponenter, 5 V Beteckning F¨orbrukning [mA]

5 V linj¨ar regulator MAX8881 <1

4xOP-amp OP496 <1

2x10g Accelerometer ADXL210E 2

1x50g Accelerometer ADXL150 1,8

Gyroskop ADXRS300 18

Magnetometer HMC 1001 15

Instrumentf¨orst¨arakre AD623 1,5

16kanals, 12 bitars A/D AD7490 2,5

Operationsf¨orst¨arkare LMC7101 0,5

Total 41,30mA

Komponenter, 3V Beteckning F¨orbrukning [mA]

3 V linj¨ar regulator MAX8881 <1

Bluetooth WML-C10 100

SRAM BS62LV4001 20

Mikrokontroller M16C62 10

Total 130mA

5.1 Sp¨ aningsregulatorer

De linj¨ara sp¨anningsregulatorerna har till uppgift att skapa en konstans sp¨anning fr˚an den oreglerade batterisp¨anningen, som varierar beroende

5.1 Sp¨aningsregulatorer 23 av batteriets laddning. Insp¨anningen till regulatorn m˚aste alltid vara h¨ogre ¨an utsp¨anningen och den minsta sp¨anningsskillnaden d¨aremellan som regulatorn klarar av kallas dropout-sp¨anning. F¨ordelen med l˚ag dropout ¨ar att batterisp¨anningen kan h˚allas l˚ag vilket minskar anta- let battericeller och on¨odig v¨armeutveckling i regulatorn. Sp¨annings- regulatorerna p˚a 5 V och 3, 3 V b¨or enligt str¨ombudgeten kunna leve- rera 40 respektive 130 mA. L˚agt brus, sm˚a ytterm˚att, f˚a kringkompo- nenter och l˚ag intern str¨omf¨orbrukning ¨ar ocks˚a ¨onskv¨arda egenskaper.

MAX8881 [18] fr˚an Maxim IC uppfyller dessa krav med en maxi- malt utstr¨om p˚a 200 mA och har vid den belastningen en l˚ag dropout sp¨anning p˚a 400 mV . Batterisp¨anningen b¨or ¨overskrida 5, 4 V f¨or att 5 V regulatorn ska fungera enligt fabrikantens datablad, medan 3, 7 V r¨acker f¨or 3, 3 V regulatorn. Kringkomponenterna best˚ar av avkopp- lingskondensatorer p˚a regulatorns in och utg˚angar samt ett motst˚and som h˚aller SHDN -ing˚angen h¨og.

Vbat

0

VCC SHDN

8881

U9 1 IN 2 GND

3 OUT >SHDNPOKFB 456

C25 4.7u

C17 4.7u C7

4.7u

R7

100k

Figur 8: Kretsschema runt MAX8881

Regulatorn f˚ar enligt databladet maximalt utveckla Pmax = 696 mW , effektutvecklingen i komponenten ber¨aknas enligt Kirshofs lag:

P = U · I (6)

I v¨arsta fall ¨ar sp¨anningen U skillnaden mellan maximala batterisp¨an- ningen U_b−max och minsta utsp¨anningen 3, 3 V , Imax ¨ar 200 mA.

P_max= (U_b−max− 3, 3V ) · I_max (7)

Ekvationen ber¨aknar den maximalt till˚atna batterisp¨anningen Ub−max

med avseende p˚a regulatorns effektutveckling.

Ub−max = P_max

I_max + 3, 3 V = 696 mW

200 mA + 3, 3 V ≈ 6, 8 V (8)

5.2 Batteri

Batteriets sp¨anning b¨or vara mellan 5, 4 till 6, 8 V och kunna levere- ra ett par hundra milliampere i toppstr¨om. Kapaciteten m˚aste vara tillr¨acklig f¨or att garanterat klara ett kast, men g¨arna flera och efter- f¨oljande data¨overf¨oring. Valet st˚ar mellan NiCd-batterier¹⁵, det milj¨o- v¨anligare NiMH¹⁶ och litiumbatterier.

Litiumbatteriet har f¨ordelen att cellsp¨anningen ¨ar 3 V vilket betyder att tv˚a celler r¨acker f¨or att ge ¨onskad sp¨anning. De cellerna som finns i handeln ¨ar av knappcellstyp och kan inte leverera tillr¨ackligt h¨og str¨om.

Flera parallellkopplade celler kan leverera tillr¨ackligt med str¨om men d˚a tappas f¨ordelen med litiumbatteriernas l˚aga vikt.

Enligt ELFAs faktasidor [1] har NiMH-batterier n˚agot h¨ogre kapaci- tet/volym ¨an NiCd men m˚aste laddas l˚angsammare. Skillnaderna ¨ar dock s˚a sm˚a att b˚ada typerna ¨ar ett gott val. Cellsp¨anningen ligger f¨or b˚ada typerna mellan 1, 2 V hos en fulladdad cell ner till 1, 0 V f¨or en tom cell. 5 celler ger en l¨amplig sp¨anning mellan 5 V och 6 V . Batteriet som valdes tillverkas av GP Batteries. Det ¨ar en 1/3AAA stor NiMH cell med l¨odanslutningar som kan snabbladdas p˚a under en timme. ka- paciteten ¨ar 160 mAh och maximal urladdningsstr¨om ¨ar 320 mA.

5.3 Batteriladdare

MAX712 [17] fr˚an Maxim ¨ar en avancerad laddregulator som kan han- tera upp till 16 NiMH battericeller. Antalet celler, laddningshastighet och maximal laddningstid best¨ams genom att ansluta ett antal pro- grammeringsing˚angar till olika sp¨anningar.

En NiMH-cell laddas normalt med en konstant str¨om och batteriets kapacitet C best¨ammer laddningsstr¨ommen. Snabbladdning sker med faktorn 1 · C, i v˚art fall 160 mA, och tar d˚a en timme. Normalladdning

15Nickelkadmium

16Nickelmetallhydrid

5.3 Batteriladdare 25

Figur 9: En battericell Figur 10: Typiskt laddningsf¨orlopp sker med C/10 eller 16 mA under 14 timmar. Under laddningsf¨orloppet kommer cellens sp¨anning att stiga till ca 1, 5V f¨or att sedan sjunka.

Samtidigt kommer laddingsstr¨ommen b¨orja omvandlas till v¨arme med f¨oljden att cellens temperatur stiger (Figur 10).

Eftersom cellen ¨ar k¨anslig f¨or ¨overtemperatur m˚aste laddningsf¨orloppet noga ¨overvakas. Laddaren har tre olika ¨overvakningsmetoder; tempe- ratur¨overvakning, sp¨annings¨overvakning som detekterar n¨ar cellsp¨an- ningen slutar stiga och slutligen en timer som stoppar laddningen n¨ar den p˚ag˚att l¨angre ¨an planerat. I batteriets datablad rekommenderas att minst tv˚a av dessa tre metoder anv¨ands samtidigt. F¨or att spara vikt utesl¨ots temperatur¨overvakningen. Laddingshastigheten valdes till C och laddningtiden till maximalt 90 minuter.

Efter att normalladdningen avslutats ¨overg˚ar laddregulatorn till under- h˚allsladdning. Detta indikeras till mikrokontrollern genom att

F AST CHG-utg˚angen (Figur 11) g˚ar fr˚an logisk noll till ett. Under- h˚allsladdningen sker med s˚a l˚ag str¨om att den kan p˚ag˚a en l¨angre tid utan att skada batterierna.

Kringkomponenterna har dimensionerats efter databladets riktlinjer och rekomendationer f¨orutom den externa transistorn som inte fanns att tillg˚a. Det mest kritiska i dimensioneringen av batteriladdningen ¨ar v¨armeutvecklingen i transistorn Q2. Den ber¨aknas enligt ekvation 9.

P_Q2 = (U_in− U_batt) · I_c (9) U_in ¨ar maximal insp¨anning under belastning, Ubatt ¨ar minsta batteri- sp¨anningen och Ic ¨ar laddningsstr¨ommen. F¨or att laddaren ska fun-

BATT-

BATT+ D C IN

0

V+ BATT+

V+

REF

REF REF BATT-

FASTCHG

5 Cells 90 min timeout Programming pins

C7 10n

R12 68k

C8 10n R11

1.2k

MAX712 VLIMITU6 1

BATT+

2 3 PGMo 4 PGM1 5 THI 6 TLO 7 TEMP

<FASTCHG 8 PGM3BATT-PGM2DRVGNDREFCCV+ 151412131110916 R13 22k

C5 1u

Q2 BCP52-16

R10 150

D2 D1N4001

Figur 11: Kretsschema f¨or MAX712

gera korrekt m˚aste insp¨anningen vara minst 1.5 V h¨ogre ¨an batteriets maxsp¨anning. Under snabbladdning kan cellsp¨anningen f¨or en NiMH- cell stiga till 1, 9 V vilket betyder att insp¨anningen b¨or vara minst 5 · 1, 9 V + 1, 5 V = 11 V . Effekten P_Q2 i transistorn blir d˚a enligt ekvation 10.

PQ2 = (11 V − 5 V ) · 160 mA = 960 mW (10) Transistorn BCP52-16 fr˚an Philips klarar enligt databladet [20] 1, 3W kontinuerlig v¨armeutveckling s˚avida att den monteras p˚a en minst 1 cm² stor kopparyta med en omgivningstemperatur under 25^◦C.

5.4 Tr˚ adl¨ os laddning

F¨or att uppfylla uppdragsgivarens ¨onskem˚al att spjutet ska vara iden- tiskt med att vanligt spjut m˚aste batteriladdningen ske tr˚adl¨ost. Den tr˚adl¨osa laddningen best˚ar av ett f˚atal komponenter(Figur 12). Inled- ningsvis finns drivsteget som genererar en fyrkantv˚ag till prim¨arlind- ningen p˚a spjutets utsida. P˚a insidan sitter sekund¨arlindningen som tillsammans med prim¨arlindningen fungerar som en delbar transfor- mator. Transformatorn f˚ar stora f¨orluster i och med att det inte finns n˚agon k¨arna som kan leda magnetf¨altet. Ist¨allet finns det kolfiber, plast och luft mellan spolarna. Efter sekund¨arlindningen finns en likriktar- brygga och en gl¨attningskondensator (C1) som ˚aterskapar en liksp¨an- ning. Sp¨anningen matar i sin tur laddaren som reglerar laddnings-

5.4 Tr˚adl¨os laddning 27 str¨ommen till batteriet. Gl¨attningskondensatorns storlek kommer till- sammans med str¨omf¨orbrukningen och switchfrekvensen att best¨amma ripplets storlek in till batteriladdaren. Ist¨allet f¨or att uppskatta ett kon- densatorv¨arde och reservera plats p˚a m¨onsterkortet ansluts kondensa- torn via en kontakt. Det g¨or att kondensatorn kan optimeras efter att frekvensen best¨amts och str¨omf¨orbrukningen uppm¨atts.

0 VCC

GND DCin

MJD30 Q5

- +

2

1

3

4 MJD29 C16

Q4

T2

1 4

2 3

Figur 12: ¨Oversikt ¨over tr˚adl¨os laddning

6 H˚ ardvarukonstruktion

6.1 OrCAD Layout

Efter att alla kopplingsscheman f¨ardigst¨allts i OrCAD Capture anv¨ands OrCAD Layout f¨or att skapa m¨onsterkorten. I Capture skapas f¨orst en netlist eller n¨atlista. Det ¨ar en fil som beskriver vilka komponenter som finns i kopplingsschemat, vilka anslutningar som finns p˚a komponen- terna, hur de ¨ar sammankopplade och vad komponenternas footprint heter. N¨atlistan importeras till OrCAD Layout och ¨oppnas tillsam- mans med en inst¨allningsfil, s.k. template. Templetfilen inneh˚aller ett antal inst¨allningar som bla best¨amer om m˚attenheten ska vara mm eller ₁₀₀₀¹ tum = 1mil samt andra grundinst¨allningar i programmet. I projektet har templetfilen “standard“ valts f¨or alla kort. Efter att filer- na importerats genereras det som ¨ar utg˚angspunkten f¨or layoutarbe- tet, ett s.k. rats-nest. Det ¨ar en tom arbetsyta d¨ar alla komponenter

¨ar placerade p˚a en rad och alla kopplingar ¨ar markerade med ett rakt streck mellan anslutningspunkterna. Arbetet med layouten best˚ar bl.a.

i att placera ut komponenterna och ers¨atta strecken med ledningsba- nor. Mycket av arbetet kan g¨oras automatiskt av programmet men resultatet blir b¨ast om allt g¨ors f¨or hand.

6.2 M¨ onsterkortslayout

P˚a Mullekortet som ¨ar ca 22 · 22 mm kr¨avdes 6 lager f¨or att f¨orbinda alla ledningsbanor till mikrokontrollern. Totalt ¨ar det cirka 100 anslut- ningar som ska f¨orbindas. M¨atdatainsamlaren kan g¨oras l¨angre om det

¨ar n¨odv¨andigt men m˚aste vara cirka fyra mm smalare s˚a sex lager kr¨avs

¨aven h¨ar. Bland de analoga kretsarna finns d¨aremot inga komponen- ter med s˚a m˚anga anslutningar. Det ¨ar ur st¨orningssynpunkt inte bra att packa k¨ansliga givare t¨att heller s˚a fyra lager r¨acker till dessa kort.

Eftersom de digitala kretsarna har en egen matningssp¨anning, separat jord och kr¨aver fler antal lager ¨ar det naturligt att dela upp de analoga och digitala komponenterna p˚a separata m¨onsterkort.

Totalt ing˚ar fem m¨onsterkort i m¨atdatainsamlaren. Det fr¨amre kortet, Acc Card, best˚ar av tv˚a dubbelaxliga accelerometrar och ¨ar monterat vinkelr¨att mot huvudkortet, Main Card. De tv˚a bakre korten, Gyro Card 1 och 2, best˚ar vardera av ett gyro som ¨ar monterade vinkelr¨a- ta mot varandra och huvudkortet. Huvudkortet rymmer ett av de tre gyroskopen, accelerometern i l¨angsriktningen, magnetometrarna, 5 V

6.2 M¨onsterkortslayout 29

Figur 13: ¨Oversikt ¨over enhetens delar

sp¨anningsregulatorn och A/D-omvandlaren. Det digitala kortet, Digi- tal Card, rymmer de digitala kretsarna och st¨orsta delen av str¨omf¨or- s¨orjningen.

6.2.1 Main Card

Figur 14: Ovansidan av Main Card

Figur 15: Undersida av Main Card

F¨or att kunna montera de mindre givarkorten vinkelr¨att mot varandra och huvudkortet utan att beh¨ova anv¨anda otympliga kontaktdon kon- struerades ist¨allet matchande l¨odytor p˚a kanten av huvudkortet och givarkorten. Korten l¨ods och limmas sedan direkt mot varandra. Av- kopplingskondensatorerna har placerats s˚a n¨ara respektive komponent

Tabell 2: Statistik f¨or main card

Area 24, 5cm²

Lager 4

Borrh˚al 102 Komponenter 72

som m¨ojligt och anslutits med breda ledningsbanor f¨or att minimera st¨orningar p˚a matningssp¨anningen.

P˚a den stora kontakten ungef¨ar mitt p˚a ovansidan av Main Card l¨ods en flatkabel som g˚ar direkt till det digitala kortet, varannan ledningsbana

¨ar jord f¨or att d¨ampa ¨overh¨orning mellan signalledarna och ge en bra jordanslutning mellan korten. Fyra ledare anv¨ands f¨or inkommande batterisp¨anning.

6.2.2 Gyro Card 1 och 2

Tabell 3: Statistik f¨or Gyro Card 1

Area 3, 2cm²

Lager 4

Borrh˚al 9

Komponenter 10

Tabell 4: Statistik f¨or Gyro Card 2

Area 4, 5cm²

Lager 4

Borrh˚al 7

Komponenter 10

Gyro Card 1 och 2 har samma kopplingsschema men skiljer sig i layou- ten. Gyro Card 1 ¨ar ett n¨astan runt kort som monteras l¨angst bak p˚a den analoga delen vinkelr¨att mot Main Card. Det h˚aller ett av de tre gyrona och dess kringkomponenter. P˚a undersidan finns ett antal kon- taktytor f¨or l¨odanslutning direkt mot Main Card. Diametern ¨ar 18 mm och p˚a ena sidan har plats reserverats f¨or kabeln som sammankopplar Main Card med Digital Card. Gyro Card 2 ¨ar ett rektangul¨art kort som sitter bredvid, vinkelr¨att mot Main Card och Gyro Card 1. ¨Aven detta har ett gyro med kringkomponenter och l¨odanslutningar.

6.2 M¨onsterkortslayout 31

Figur 16: Ovansida av Gyro Card 1

Figur 17: Undersida av Gyro Card 1

Figur 18: Ovansida av Gyro Card 2

Figur 19: Undersida av Gyro Card 2

Figur 20: Ovansida av Acc Card

Figur 21: Undersida av Acc Card

6.2.3 Acc Card

Acc Card ¨ar det runda kortet som sitter l¨angst fram p˚a Main Card. Det inneh˚aller tv˚a dubbelaxliga accelerometrar med kringkomponenter och