git.gag.com Git - web/altusmetrum/blob - TeleMetrum/index.mdwn

   1 # TeleMetrum
   2
   3 This is a recording dual-deploy altimeter for high power model rocketry
   4 with integrated GPS and telemetry link.
   5
   6 Production units are available from the
   7 [Garbee and Garbee](http://auric.gag.com) web store.
   8
   9 These are photos of our current production version, which includes an
  10 integrated GPS receiver with active patch antenna:
  11
  12 <a href="v1.0/cimg5972-crop.jpg"> <img src="v1.0/cimg5972-thumb.jpg"></a>
  13 <a href="v1.0/cimg5974-crop.jpg"> <img src="v1.0/cimg5974-thumb.jpg"></a>
  14
  15 ## Motivation ##
  16
  17 Bdale and Keith both own
  18 [BeeLine](http://www.bigredbee.com/BeeLine.htm)
  19 trackers from
  20 [Big Red Bee](http://www.bigredbee.com), and are pretty happy with them.
  21 They use a PIC processor and a TI CC1050 transmitter chip, and
  22 operate in the ham radio 70cm band.
  23
  24 One weekend while attending a conference together, we got to wondering if
  25 we couldn't adapt one to use as a downlink for the
  26 [AltusMetrum](../AltusMetrum/) altimeter board in addition to direction
  27 finding after flight.  That caused us to start thinking about other things
  28 in the design we might want to tweak, and before long we were working on the
  29 design of a new tracker board derived from the BeeLine design.
  30 Another friend at the same conference showed us a board he was working on
  31 using a different part in the same TI series, that integrated a transceiver
  32 and CPU on the same chip.
  33 It didn't take us long to realize that with such a part we could combine and
  34 simplify things by building a new altimeter with integrated RF link!  And
  35 after gaining some experience in 2009 with a first version, we realized we
  36 always want GPS on board, which lead to our current second generation boards.
  37
  38 ## Features ##
  39
  40 ### User View ###
  41
  42 * Recording altimeter for model rocketry
  43 * Supports dual deployment (can fire 2 ejection charges)
  44 * 70cm ham-band transceiver for telemetry downlink
  45 * Barometric pressure sensor good to 45k feet MSL
  46 * 1-axis high-g accelerometer for motor characterization
  47 * On-board, integrated GPS receiver
  48 * On-board non-volatile memory for flight data storage
  49 * USB for power, configuration, and data recovery
  50 * Integrated support for LiPo rechargeable batteries
  51 * Uses LiPo to fire e-matches, optional support for separate pyro battery
  52 * 2.75 x 1 inch board designed to fit inside 29mm airframe coupler tube
  53
  54 ### Developer View ###
  55
  56 * Hardware Features
  57         * [TI CC1111F32](http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/cc1111f32.html) Low Power RF System-on-Chip
  58                 * Sub-1Ghz transceiver
  59                 * 8051 MCU
  60                 * 32k Flash
  61                 * 4k RAM
  62                 * USB 2.0
  63                 * 6 12-bit analog inputs (11 bits with single-ended sensors)
  64                 * 2 channels of serial I/O
  65                 * digital I/O
  66         * [Atmel AT45DB081D](http://www.atmel.com/dyn/products/product_card.asp?part_id=3819) DataFlash memory
  67                 * 1M x 8
  68                 * 256 byte page size
  69                 * SPI interface
  70                 * other parts in this Atmel DataFlash series can optionally be used
  71         * [SkyTraq](http://www.skytraq.com.tw/) Venus634FLPx GPS receiver
  72                 * on-board [Taoglas AP.17A.01](http://www.taoglas.com/antennas/GPS_Antennas/Internal_GPS_-_Active_Patch_Modules/)
  73                   single-stage active patch antenna
  74                 * U.FL connector with 3.3V DC can be re-purposed for optional external amplified antennas
  75                 * async serial interface
  76         * [Freescale MP3H6115A](http://www.freescale.com/webapp/search.partparamdetail.framework?PART_NUMBER=MP3H6115A6U) pressure sensor
  77         * [Freescale MMA2202EG](http://www.freescale.com/webapp/search.partparamdetail.framework?PART_NUMBER=MMA2202EG) 50g accelerometer.  Can use 40-200g variants!
  78 * Software Features
  79         * Written mostly in C with some 8051 assembler
  80         * Runs from on-chip flash, uses on-chip RAM, stores flight data to
  81                 serial DataFlash chip
  82         * USB serial emulation for "console" interface
  83 * Tools Used
  84         * [gEDA](http://www.gpleda.org/) for schematic capture and PCB layout
  85         * [SDCC](http://sdcc.sourceforge.net/) compiler and source debugger
  86 * Licenses
  87         * The hardware is licensed under the [TAPR](http://www.tapr.org) [Open Hardware License](http://www.tapr.org/ohl.html)
  88         * The software is licensed [GPL version 2](http://www.gnu.org/licenses/old-licenses/gpl-2.0.html)
  89
  90 ### v0.1 Differences  ###
  91
  92 * 2.5 x 1 inch board with all parts mounted on one side
  93 * 4-pin PicoBlade serial port connector for attachment of external GPS module
  94 * USB connector projected approximately 3mm over the edge of the board
  95 * Debug connector used 4 IC socket pins on 100 mil centers
  96 * no companion board interface
  97 * 50ma LDO regulator on early boards, later boards used a 100ma part
  98 * [Microchip 25LC1024](http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en520389) CMOS serial EEPROM instead of DataFlash
  99         * 128k x 8
 100         * SPI interface
 101 * [Microchip MCP9700A](http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en027103) discrete temperature sensor
 102 * used 1000uF electrolytic capacitor charged to 5V for pyro supply
 103 * two LEDs instead of one attached to CPU
 104
 105 The elimination of the discrete temperature sensor and second LED were
 106 necessary to support the companion board interface added in v0.2.
 107
 108 ## [Production History](../production) ##
 109
 110 ## [Flight Logs](flightlogs) ##
 111
 112 ## Problems ##
 113
 114 * The CC1111F32 is a 36-pin QFN package, which necessitates reflow
 115   soldering.  Since we needed to reflow solder anyway, and because TI used
 116   them in their reference design, we went a little crazy and used 0402
 117   passive parts everywhere.  That means working under a microscope to
 118   place parts!  Without an inspection microscope, loading and testing these
 119   boards might be impossible.
 120
 121 * The addition of on-board GPS in v0.2 means that the total power consumption
 122   can exceed the rate at which we draw power from the USB interface,
 123   particularly when the GPS is in cold start mode.  This means a battery must
 124   be attached during operation, and also that the battery will only charge
 125   effectively from USB when the board is turned off.
 126
 127 * The v0.1 artwork had three issues, two of which required physical rework
 128   on each board.  All of these issues were fixed in v0.2.
 129
 130         * The USB connector footprint was placed wrong, so that the
 131           connector hung out over the edge of the board instead of being
 132           flush.
 133         * We needed chip select on the SPI memory.  To fix that, we gave up the
 134           ability to put the accelerometer into self-test mode and used that
 135           GPIO line to pull chip select on the memory, which required two
 136           cuts and two jumpers.
 137         * The igniter sense circuits each needed a second resistor to
 138           complete the voltage divider so our 3.3V CPU ADC could read the
 139           5V ejection voltage.  This was fixed by changing two resistor
 140           values, and tacking two additional resistors onto the board
 141           with jumpers to ground.
 142
 143 ## Artifacts ##
 144
 145 The user manual for TeleMetrum is available in
 146 [html](doc/telemetrum-doc.html) and [pdf](doc/telemetrum-doc.pdf)
 147 formats.
 148
 149 The hardware design current gEDA files are available from
 150 [git.gag.com](http://git.gag.com) in the project
 151 [hw/telemetrum](http://git.gag.com/?p=hw/telemetrum;a=summary).
 152
 153 Work on the next version proceeds on the master branch, with occasional
 154 temporary branches created when Bdale is making some major / speculative
 155 change.  The 'v0.2' and 'v0.1' branches document what we're actually flying
 156 right now on the two respective PCB revisions.  The 'ground' branch has a
 157 cut-down schematic used to generate the BOM for partially loading v0.1 boards
 158 to used on the ground.  We call the on-the-ground version 'TeleDongle'.
 159
 160 For those who don't have ready access to the gEDA suite, here are pdf snapshots
 161 of files in more easily readable form.
 162
 163 * Production PCB version v1.0:
 164  * [schematic](v1.0/telemetrum.pdf)
 165  * [pcb artwork](v1.0/telemetrum.pcb.pdf)
 166  * [bill of materials](v1.0/partslist.csv)
 167
 168 Our [AltOS](../AltOS) firmware works well enough that we now routinely fly
 169 TeleMetrum with no backup.  Rockets with v0.1 boards have exceeded 50g
 170 acceleration, been above Mach 1, and reached altitudes greater
 171 than 12k feet AGL with great results.  Keith's ground station program
 172 called ao-view logs telemetry to disk, displays current and max values for
 173 key parameters during flight, and even includes voice synthesis
 174 during the flight so that our eyes can stay on the rockets!  We have post
 175 flight analysis software that makes it easy to extract data from the board,
 176 analyze it, and even generate KML files for viewing flights in GoogleEarth!
 177 More details on the software, including full source code and pre-built packages
 178 can be found on the [AltOS](../AltOS) page on this site.
 179
 180 ## Future Plans ##
 181
 182 As of May 2010, version v1.0 is available for sale from the
 183 [Garbee and Garbee](http://auric.gag.com) web store.
 184
 185 Because we understand that not everyone uses Linux, development of a new
 186 cross-platform ground station program written in Java is underway for use with
 187 [AltOS](../AltOS).
 188
 189 ## History ##
 190
 191 ### v0.2 ###
 192
 193 * 100ma LDO regulator instead of the current 150ma part
 194 * no C38 footprint
 195 * different value for C36 reset capacitor
 196
 197 These are photos of our second version, which included the integrated Venus
 198 GPS receiver, but with a passive patch antenna that turned out to have
 199 disappointing performance due to our many PCB geometry constraints.  It also
 200 used a voltage regulator with less capacity which we felt was marginal for
 201 supporting the companion boards we have planned:
 202
 203 <a href="v0.2/cimg5164-cropped.jpg"> <img src="v0.2/cimg5164-thumb.jpg"></a>
 204 <a href="v0.2/cimg5171-cropped.jpg"> <img src="v0.2/cimg5171-thumb.jpg"></a>
 205
 206 Other than cleaning up the silkscreen, the differences between v0.2 and our
 207 current v1.0 boards were really quite small:
 208
 209 * 100ma LDO regulator instead of the current 150ma part
 210 * no C38 footprint
 211 * different value for C36 reset capacitor
 212
 213 The schematics and PCB artwork for this version are on the v0.2 branch in
 214 our git repository, here are pdf copies for easy reference:
 215
 216  * [schematic](v0.2/telemetrum.pdf)
 217  * [pcb artwork](v0.2/telemetrum.pcb.pdf)
 218  * [bill of materials](v0.2/partslist.csv)
 219
 220 ### v0.1 ###
 221
 222 And this is a photo of our original board with serial port for off-board GPS,
 223 without the big off-board 1000uF cap from the original ejection circuit:
 224
 225 <a href="v0.1/loadedpair.jpg"> <img src="v0.1/loadedpair-thumb.jpg"></a>
 226
 227 The differences between v0.1 and later boards were more substantial:
 228
 229 * 2.5 x 1 inch board with all parts mounted on one side
 230 * 4-pin PicoBlade serial port connector for attachment of external GPS module
 231 * USB connector projected approximately 3mm over the edge of the board
 232 * Debug connector used 4 IC socket pins on 100 mil centers
 233 * no companion board interface
 234 * 50ma LDO regulator on early boards, later boards used a 100ma part
 235 * [Microchip 25LC1024](http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en520389) CMOS serial EEPROM instead of DataFlash
 236         * 128k x 8
 237         * SPI interface
 238 * [Microchip MCP9700A](http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en027103) discrete temperature sensor
 239 * used 1000uF electrolytic capacitor charged to 5V for pyro supply
 240 * two LEDs instead of one attached to CPU
 241
 242 The elimination of the discrete temperature sensor and second LED were
 243 necessary to support the companion board interface added in v0.2.
 244
 245 The schematics and PCB artwork for this version as of the working-v0.1 tag
 246 are available here are pdf copies for easy reference:
 247
 248  * [schematic](v0.1/telemetrum.pdf)
 249  * [pcb artwork](v0.1/telemetrum.pcb.pdf)
 250  * [bill of materials](v0.1/telemetrum.bom)