Arduino Part 2

ASTRO-BOX

OPIS PROJEKTU I FUNKCJONALNOŚCI

PROJECT DESCRIPTION AND FUNCTIONALITY

Celem niniejszego projektu jest budowa własnego urządzenia kontrolno-pomiarowego z funkcją zasilania i komunikacji. Kontroler Astro-box ma współpracować z zestawem do astrofotografii czyli teleskopem i innymi urządzeniami peryferyjnymi, takimi jak kamera, focuser, koło filtrowe itp. Zaletą tego systemu jest pełna integracja HUB USB (zapewnia komunikację z PC) z urządzeniem. Kontroler pracuje w oparciu o platformę Arduino. 
The purpose of this project is to build my own control and measurement device called Astro-Box with power and external communication function. The Astro-box controller works with the astrophotography setup, means a telescope and other peripherals such as a camera, focuser, filter wheel and so on. The advantage of this system is the full integration of HUB USB (provides PC communication) with the device.The controller is based on the Arduino platform.


  • 7 portów USB 2.0 pracujących z prędkością 480Mbps (HiSpeed) do obsługi urządzeń peryferyjnych
  • 1 gniazdo DB9 do obsługi moto-focusera. Komunikacja przez sterownik ASCOM
  • 1 gniazdo z regulowanym napięciem 12 - 35VDC dedykowane do obsługi ATIK383L
  • 2 gniazda stałonapięciowe 12V do zasilania urządzeń peryferyjnych
  • 2 gniazda PWM do obsługi grzałek regulowane w zależności od panujących warunków atmosferycznych
  • Wyświetlacz LED z wysokim kontrastem dla prezentacji bieżących parametrów pracy

  • 7 ports USB 2.0 running at 480 Mbps speed (HiSpeed) working with peripherals like camera, focuser and so on
  • 1 DB9 socket for moto-focuser. Communication via USB port and ASCOM driver with dedicated software an example MaximDL
  • 1 socket with adjustable voltage 12 - 35VDC dedicated to ATIK383L camera
  • 2 sockets 12 VDC fix-voltage to power peripherals
  • 2 PWM sockets with auto adjustable voltage for heater control, depending on the weather conditions
  • High contrast LED display for presentation of current operating parameters

Schemat 1 - Układ zasilania i pomiaru prądu
Urządzenie Astro-Box zasilane jest stałym napięciem 12VDC poprzez układ pomiarowy ACS711. Dostępne są trzy różne poziomy napięcia: 12VDC dostarczane bezpośrednio ze źródła zewnętrznego, 13.5VDC (3A) generowane poprzez układ konwertera napięcia XL6009 oraz 5VDC (5A) generowane poprzez układ LM1084IS. Napięcia 12VDC i 13.5VDC służą bezpośrednio do zasilania urządzeń peryferyjnych, natomiast napięcie 5VDC wykorzystywane jest do wewnętrznego zasilania układów cyfrowych takich jak Arduino, HUB USB oraz czujniki i wyświetlacz LED. Astro-Box wyposażony jest również w dwa gniazda PWM do obsługi grzałek sterowane mikrokontrolerem Arduino. Zasilanie odbywa się poprzez dwukanałowy sterownik napięcia IR4426 oraz tranzystory MOSFET IRF7416.
Scheme 1 - Power supply and current measurement
The Astro Box is powered by external 12VDC constant voltage through the ACS711 sensor. There are three different voltage levels: 12VDC, supplied directly from an external source, 13.5VDC (3A) generated by the XL6009 and 5VDC (5A) converter circuits generated by the LM1084IS. The 12VDC and 13.5VDC are used directly to power the peripherals, while the 5VDC power is used for internal powering of digital circuits such as Arduino, HUB USB, and LED display and sensors. The Astro Box is also equipped with two PWM sockets tocontrol heaters via the Arduino microcontroller. The power supply is via Dual Low Side Driver IR4426 and two MOSFET IRF7416 transistors.


Schemat 2 - Arduino Nano z konwerterem USB-UART
Sercem Astro-Box jest mikrokontroler Arduino Nano obsługujący wszystkie sygnały cyfrowe i analogowe. Zapewnia komunikację z komputerem PC dla potrzeb sterowania Focuserem poprzez sterownik ASCOM za pomocą konwertera USB - UART FT232RL. Współpracuje z następującymi podzespołami: 
  • dwukanałowy sterownik napięcia IR4426 dla potrzeb obsługi gniazd PWM
  • sterownik silnika krokowego TB6612FNG do obsługi moto - focusera
  • czujnik  wilgotności i temperatury DHT22,
  • czujnik pomiaru prądu ACS711,
  • wyświetlacz LED
Schematic 2 - Arduino Nano with USB-UART converter
The heart of the Astro Box is the Arduino Nano microcontroller supporting all digital and analog signals. Arduino also provides PC communication for Focuser control via the ASCOM driver using the USB - UART converter FT232RL . Works with the following subassemblies: 
  • Dual Low Side Driver IR4426 for PWM handling
  • Dual channel driver TB6612FNG to control focuser motor 
  • DHT22 humidity and temperature sensor,
  • ACS711 current measuring sensor,
  • LED display

Schemat 3 - układ zasilania HUB USB
HUB USB zintegrowany z płytą kontrolera Astro - Box wymaga trzech różnych poziomów zasilania. Gniazda USB zasilane są zgodnie ze standardem, napięciem 5VDC. Sam koncentrator USB (układ scalony) wymaga dwóch napięć 3.3VDC dla potrzeb zasilania sygnałów logicznych oraz 1.1VDC dla zasilania rdzenia koncentratora. Odpowiednie napięcia zapewniają precyzyjne regulatory napięcia prądu stałego układy TPS7A4533 (5V -> 3.3V) oraz TPS74801 (3.3V -> 1.1V). W każdym układzie zasilania znajduje się bateria kondensatorów filtracyjnych rozmieszczonych na płycie PCB blisko poszczególnych pinów zasilania koncentratorów USB.
Schematic 3 - power system for HUB USB
The USB Hub integrated in the Astro-Box requires three different power levels. USB ports are powered according to standard, 5VDC. The USB HUB itself (chip) requires two power supply 3.3VDC for logic signals and 1.1VDC for the core of the USB HUB. Appropriate voltages are provided by precision DC voltage regulators: TPS7A4533 (5V -> 3.3V) and TPS74801 (3.3V -> 1.1V). Each power supply system has a filter capacitors battery located on the PCB near the individual power pins of the USB HUB.


Schemat 4, 5  -  USB HUB
Początkowym założeniem było, aby projektowany HUB USB wyposażony był w 6 gniazd USB. Problem polega jednak na tym, że takie układy nie są produkowane. Dostępne wersje chip'ów to 2, 4 lub 7 gniazd. Zdecydowałem się więc na kombinację dwóch układów TUSB4041I oferujący 4 gniazda USB oraz TUSB4020BI z obsługą 2 gniazd USB. Każdy z koncentatorów wyposażony jest w swój własny oscylator 24MHz. Układy TUSB Texas Instruments oferują wiele możliwości konfiguracji. W moim projekcie starałem się uprościć układ tak mocno jak to tylko możliwe. Zrezygnowałem z funkcji ładowania przez USB, oraz funkcji ochrony przeciążeniowej na wypadek zbyt dużego poboru prądu przez którekolwiek z gniazd. 
Schematic 4, 5 - USB UB
The initial assumption was to design USB HUB with 6 USB slots. However, the problem is that such systems are not produced. Available versions of chips are 2, 4 or 7 slots. So I decided to combine two HUBs: TUSB4041I  with 4 USB slots and TUSB4020BI with 2 USB slots. Each of the concentrators is equipped with its own 24MHz oscillator. TUSB from Texas Instruments offers many diffrent possible configurations. In my project, I tried to simplify the system as much as possible. I gave up the USB charging function and the overload protection function in case of too much current being consumed by any of the sockets.

TUSB4041I

TUSB4020BI

Widok z góry i z dołu płytki PCB z umieszczonymi układami TUSB4041I oraz TUSB4020BI
Top and bottom view of PCB with TUSB4041I and TUSB4020BI