new Em batch
[web/altusmetrum] / TeleMetrum / history.mdwn
1 # TeleMetrum History
2
3 The v0 and v1 series have a lot of common hardware features. The final
4 version in this line, v1.2 looked like:
5
6 ### User View ###
7
8 * Recording altimeter for model rocketry
9 * Supports dual deployment (can fire 2 ejection charges)
10 * 70cm ham-band transceiver for telemetry downlink
11 * Barometric pressure sensor good to 45k feet MSL
12 * 1-axis 70-g accelerometer for motor characterization
13 * On-board, integrated GPS receiver
14 * On-board non-volatile memory for flight data storage
15 * USB for power, configuration, and data recovery
16 * Integrated support for LiPo rechargeable batteries
17 * Uses LiPo to fire e-matches, can be factory modified to support separate pyro battery
18 * 2.75 x 1 inch board designed to fit inside 29mm airframe coupler tube
19
20 ### Developer View ###
21
22 * Hardware Features
23         * [TI CC1111F32](http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/cc1111f32.html) Low Power RF System-on-Chip
24                 * Sub-1Ghz transceiver
25                 * 8051 MCU
26                 * 32k Flash
27                 * 4k RAM
28                 * USB 2.0
29                 * 6 12-bit analog inputs (11 bits with single-ended sensors)
30                 * 2 channels of serial I/O
31                 * digital I/O
32         * [Winbond W25Q16](http://www.winbond.com/NR/exeres/A3D21C82-A0B6-4586-A770-2F0883A805FF.htm) serial flash memory
33                 * 2M x 8
34                 * SPI interface
35         * [SkyTraq](http://www.skytraq.com.tw/) Venus634FLPx GPS receiver
36                 * on-board [Taoglas AP.17A.01](http://www.taoglas.com/antennas/GPS_Antennas/Internal_GPS_-_Active_Patch_Modules/) 
37                   single-stage active patch antenna
38                 * U.FL connector with 3.3V DC can be re-purposed for optional external amplified antennas
39                 * async serial interface
40         * [Freescale MP3H6115A](http://www.freescale.com/webapp/search.partparamdetail.framework?PART_NUMBER=MP3H6115A6U) pressure sensor
41         * [Analog Devices ADXL78](http://www.analog.com/en/mems-sensors/inertial-sensors/adxl78/products/product.html) 70g accelerometer.
42 * Software Features
43         * Written mostly in C with some 8051 assembler
44         * Runs from on-chip flash, uses on-chip RAM, stores flight data to
45                 serial DataFlash chip
46         * USB serial emulation for "console" interface
47 * Tools Used
48         * [gEDA](http://www.gpleda.org/) for schematic capture and PCB layout
49         * [SDCC](http://sdcc.sourceforge.net/) compiler and source debugger
50
51
52 ## v0.1 ##
53
54 This is a photo of our original board with serial port for off-board GPS,
55 without the big off-board 1000uF cap from the original ejection circuit.  All
56 v0.1 boards were hand-assembled by Bdale.  This is more significant than it
57 sounds... the CC1111F32 is a 36-pin QFN package, which necessitates reflow 
58 soldering. Since we needed to reflow solder anyway, and because TI used them 
59 in their reference design, we went a little crazy and used 0402 passive parts 
60 everywhere. That means working under a microscope to place parts!  Without an 
61 inspection microscope, hand loading and testing might be impossible.
62
63 <a href="v0.1/loadedpair.jpg"> <img src="v0.1/loadedpair-thumb.jpg"></a>
64
65 The v0.1 board was 
66 significantly different than later versions, in both mechanical and 
67 circuit terms.
68
69 * 2.5 x 1 inch board with all parts mounted on one side
70 * 4-pin PicoBlade serial port connector for attachment of external GPS module 
71 * USB connector projected approximately 3mm over the edge of the board
72 * Debug connector used 4 IC socket pins on 100 mil centers
73 * 50ma LDO regulator on early boards, later boards used a 100ma part
74 * [Microchip 25LC1024](http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en520389) CMOS serial EEPROM instead of DataFlash
75         * 128k x 8
76         * SPI interface
77 * [Microchip MCP9700A](http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en027103) discrete temperature sensor
78 * used 1000uF electrolytic capacitor charged to 5V for pyro supply
79 * a dual LED instead of just one attached to the CPU
80
81 The v0.1 artwork had three issues, two of which required physical rework
82 on each board, all of which were fixed in v0.2.
83
84 * The USB connector footprint was placed wrong, so that the
85   connector hung out over the edge of the board instead of being 
86   flush.
87 * We needed chip select on the SPI memory.  To fix that, we gave up the 
88   ability to put the accelerometer into self-test mode and used that 
89   GPIO line to pull chip select on the memory, which required two
90   cuts and two jumpers.  
91 * The igniter sense circuits each needed a second resistor to 
92   complete the voltage divider so our 3.3V CPU ADC could read the 
93   5V ejection voltage.  This was fixed by changing two resistor 
94   values, and tacking two additional resistors onto the board
95   with jumpers to ground.
96
97 The schematics and PCB artwork for this version as of the working-v0.1 tag
98 are available here as pdf copies for easy reference:
99
100  * [schematic](v0.1/telemetrum.pdf)
101  * [pcb artwork](v0.1/telemetrum.pcb.pdf)
102  * [bill of materials](v0.1/telemetrum.bom)
103
104 ## v0.2 ##
105
106 These are photos of our second version.  All v0.2 boards were hand assembled
107 by Bdale.  The board featured in these photos also used the Tyco header for
108 pyro connections that we used to offer as an option.  Nobody ever bought a
109 board with anything but screw terminals, so we no longer offer this option.
110
111 <a href="v0.2/cimg5164-cropped.jpg"> <img src="v0.2/cimg5164-thumb.jpg"></a>
112 <a href="v0.2/cimg5171-cropped.jpg"> <img src="v0.2/cimg5171-thumb.jpg"></a>
113
114 Lots of things were different from v0.1.  Perhaps the biggest change was 
115 integrating a Venus GPS receiver and a passive patch GPS antenna.  This 
116 required stretching the board length to 2.75 inches, and changing the layout 
117 to put through-hole parts on the opposite side from
118 the surface mount parts.  While we were at it, things were rearranged to put 
119 tall parts near the center and not on the board edges so that boards could 
120 be mounted in smaller diameter tubes.
121
122 Another significant change was adding a "companion" port, intended to support
123 expansion boards but also possible to use as a programming interface.  With
124 a suitable cable, the presence of the companion port allowed any TeleMetrum
125 board to be used to re-program any other TeleMetrum or TeleDongle 
126 board.  Elimination of the discrete temperature sensor and second LED were
127 necessary to free up the pins needed for the companion interface.
128
129 We also changed to a different flash memory chip with 1 megabyte of storage.
130
131 Issues with the v0.2 boards included:
132
133 * The passive GPS antenna turned out to have disappointing performance due 
134   to our many PCB geometry constraints.
135 * The initial voltage regulator on v0.2 boards was a 100mA part.  Once we 
136   realized how much power the GPS receiver needed to achieve initial lock, 
137   we switched to a 150mA part.  
138 * With the LiPo battery charging rate from USB set at approximately 100mA, 
139   total power consumption can exceed the rate at which we draw power from 
140   the USB interface, particularly when the GPS is in cold start mode. This 
141   means a battery must be attached during operation, and also that the 
142   battery will only charge effectively from USB when the board is turned off.
143 * The reset circuit worked well for the cc1111 but was marginal for the GPS
144   chip .. sometimes the board would have to be power cycled several times
145   to get the GPS to come up correctly.
146
147 The schematics and PCB artwork for this version are on the v0.2 branch in
148 our git repository, here are pdf copies for easy reference:
149
150  * [schematic](v0.2/telemetrum.pdf)
151  * [pcb artwork](v0.2/telemetrum.pcb.pdf)
152  * [bill of materials](v0.2/partslist.csv)
153
154 ## v1.0 ##
155
156 These are photos of our third version, which was our first production 
157 build.  By the time we understood what we wanted to change in v0.2, things 
158 worked
159 well enough that every time we went to a launch someone would ask about
160 buying boards from us.  So in January 2010, Keith and Bdale made the decision
161 to produce enough boards to sell some to others.  These were sold between April 
162 and December 2010, and performed very well.
163
164 <a href="v1.0/cimg5972-crop.jpg"> <img src="v1.0/cimg5972-thumb.jpg"></a>
165 <a href="v1.0/cimg5974-crop.jpg"> <img src="v1.0/cimg5974-thumb.jpg"></a>
166
167 The changes from v0.2 were fairly small.  The value of the reset capacitor 
168 changed to increase the probability of the GPS chip coming up correctly, and
169 we moved to using a Taoglas amplified patch antenna attached to the U.FL
170 connector instead of the passive GPS patch antennas.
171
172 There were really only two issues with the v1.0 boards that annoyed us.  The 
173 first was
174 that the reset circuit still wasn't satisfying.  The GPS chip would sometimes
175 fail to initialize, particularly in hot weather.  The second was that 
176 fluctuation of the 3.3 volt power rail correlated with radio transmission
177 induced noise patterns in the accelerometer data.
178
179 The schematics and PCB artwork for this version are on the v1.0 branch in
180 our git repository, here are pdf copies for easy reference:
181
182 * [schematic](v1.0/telemetrum.pdf)
183 * [pcb artwork](v1.0/telemetrum.pcb.pdf)
184 * [bill of materials](v1.0/partslist.csv)
185
186 ## v1.1 ##
187
188 These are photos of v1.1, which rightfully looks very similar to v1.0.  These
189 boards were sold through most of 2011.
190
191 <a href="v1.1/telemetrum-v1.1-thside.jpg"> <img src="v1.1/telemetrum-v1.1-thside-thumb.jpg"></a>
192 <a href="v1.1/telemetrum-v1.1-smtside.jpg"> <img src="v1.1/telemetrum-v1.1-smtside-thumb.jpg"></a>
193
194 There were several changes in v1.1:
195
196 * different flash memory part due to supplier availability problems.  It turned
197   out that 2 megabyte chips were cheaper than 1 megabyte, so the size doubled.
198 * updated reset circuit to improve reliability at temperature extremes
199 * changed the GPS antenna footprint to eliminate the large through-hole 
200   originally intended for use with a passive patch
201 * irq line eliminated from the companion port
202 * an additional resistor divider added to allow sampling the 5V supply
203
204 With an associated software change, being able to sample the 5V and 3.3V rails
205 made it possible to factor out almost all of the coherent noise from the 
206 accelerometer data seen with v1.0 boards.
207
208 The one big problem with v1.1 boards turned out to be that they would 
209 sometimes reset during flight, usually when firing pyro charges.  Bdale
210 wrote a [blog entry](http://www.gag.com/bdale/blog/posts/RF_Immunity.html)
211 that explains in some detail what we finally learned was causing this.
212
213 For those who don't have ready access to the gEDA suite, here are pdf snapshots
214 of the files for Production PCB version 1.1 in more easily readable form.  
215
216 * [schematic](v1.1/telemetrum.pdf)
217 * [pcb artwork](v1.1/telemetrum.pcb.pdf)
218 * [bill of materials](v1.1/partslist.csv)
219
220 ## v1.2 ##
221
222 This is our last production version of the 1.0 series, first made available for sale on
223 Christmas day 2011.
224
225 Changes from v1.1 include:
226
227 * changed to 70g accelerometer from Analog Devices since Freescale MEMS parts
228   are still unavailable following the Japanese earthquake and tsunami.
229 * reset controller changed from 3.15 to 3.00 volt trip point
230 * bypass cap added to LDO input
231 * pyro circuit resistor values tweaked to eliminate a glitch that at least in
232   theory made it possible for pyro charges to fire at power on.  We never saw
233   a problem, but the change was easy and obvious.
234
235 ## v2.0 ##
236
237 <a href="v2.0/telemetrum-v2.0-th.jpg"> <img src="v2.0/telemetrum-v2.0-th-thumb.j
238 pg"></a>
239 <a href="v2.0/telemetrum-v2.0-smt.jpg"> <img src="v2.0/telemetrum-v2.0-smt-thumb
240 .jpg"></a>
241
242 Prototypes of v2.0 were first flown at Airfest 2013, and v2.0 was sold through
243 fall of 2019.
244
245 Compared with the v1 series, v2 includes a better GPS (uBlox vs
246 Skytraq), higher power radio (40mW instead of 10mW), wider range and
247 more precise pressure sensor (100k' MSL vs 45k' MSL), larger on-board
248 storage (8MB vs 2MB), more precise, wider range accelerometer (12 bits 
249 instead of 10 bits, 105g instead of 70g) and faster processor (32-bit ARM 
250 Cortex M3 instead of 8-bit 8051).
251
252 ### User View ###
253
254 * Recording altimeter for model rocketry
255 * Supports dual deployment (can fire 2 ejection charges)
256 * 70cm ham-band transceiver for telemetry downlink
257 * Barometric pressure sensor good to 100k feet MSL
258 * 1-axis 105-g accelerometer for motor characterization
259 * On-board, integrated GPS receiver
260 * On-board non-volatile memory for flight data storage
261 * USB for power, configuration, and data recovery
262 * Integrated support for LiPo rechargeable batteries
263 * Uses LiPo to fire e-matches, can be made to support separate pyro battery
264 * 2.75 x 1 inch board designed to fit inside 29mm airframe coupler tube
265
266
267 ### Developer View ###
268
269 * Hardware Features of v2.0
270         * ST Micros [STM32L151](http://www.st.com/internet/mcu/product/248821.jsp) ARM Cortex M3 based Microcontroller
271         * TI [CC1120](http://www.ti.com/product/cc1120) High Performance RF Transceiver for Narrowband Systems 
272         * 150mA 3.3V LDO regulator
273         * [Winbond W25Q64CV](http://www.winbond.com/hq/enu/ProductAndSales/ProductLines/FlashMemory/SerialFlash/W25Q64CV.htm) serial flash memory
274         * [u-blox](http://www.u-blox.com/) MAX-7Q GPS receiver
275                 * on-board passive patch antenna
276                 * async serial interface
277         * Measurement Specialties [MS5607](http://www.meas-spec.com/product/t_product.aspx?id=8499) Micro Altimeter Module
278                 * Wide range — 120kPa to 1kPa (approximately -1500m to 31000m)
279                 * High precision — 2.4Pa resolution (approximately 20cm at sea level)
280                 * Factory calibrated.
281         * Freescale [MMA6555](http://www.freescale.com/webapp/sps/site/prod_summary.jsp?code=MMA65xx&fsrch=1&sr=1) Single Axis SPI Intertial Sensor
282                 * +- 105g full-scale
283                 * on-chip 12-bit digitizer
284 * Software Features
285         * Written mostly in C with some ARM assembler
286         * Runs from on-chip flash, uses on-chip RAM, stores flight data to serial flash
287         * USB serial emulation for "console" interface
288 * Tools Used
289         * [gEDA](http://www.gpleda.org/) for schematic capture and PCB layout
290 * Licenses
291         * The hardware is licensed under the [TAPR](http://www.tapr.org) [Open Hardware License](http://www.tapr.org/ohl.html)
292         * The software is licensed [GPL version 2](http://www.gnu.org/licenses/old-licenses/gpl-2.0.html)
293