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Bild: Pixabay

Stromsparende Telemetrie-Logger für Drohnen Selbst bauen, statt kaufen

13.11.2017

Was braucht man, um einen kompakten Datenlogger zur Messung von sechs Beschleunigungsachsen sowie der Flughöhe einer Hobby-Drohne zu bauen?

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Nach ein paar Wochen Designarbeit und viel sorgfältigem Löten lautet die Antwort: knapp sechseinhalb Quadratzentimeter Leiterplattenfläche, ein paar MEMS-Sensoren und einen FRAM-Mikrocontroller. Und das Beste daran: Der Logger Marke Eigenbau nimmt im aktiven Zustand nur rund 5 mW Leistung auf!

Das Entwicklungsziel dieses Selbstversuches ist ein Datenlogger-System, nicht größer als ein Knopfzellenhalter, das man an einer Drohne befestigen kann, um Trägheitskräfte und die Flughöhe für spätere Auswertungen aufzuzeichnen. Als erstes braucht es dafür zwei hochintegrierte MEMS-Sensoren mit Digitalausgang, die in Echtzeit Daten über die Bewegung der Drohne liefern. Diese Sensoren müssen kompakte Gehäuse haben und sich auch im aktiven Betriebszustand mit wenig Leistung begnügen, sonst könnte man sie nicht durch eine CR2032-Zelle versorgen. Die Wahl fiel auf ein Inertialmodul, das einen 3D-Beschleunigungssensor und einen 3D-Drehratengeber in einem 2,5 x 3 mm kleinen Gehäuse vereinigt, sowie einen Höhenmesser mit einer Fläche von 3 x 5 mm, der nach vorheriger Kompensation die Flughöhe misst.

Stromsparender FRAM-Mikrocontroller

Um die Messdaten schnell und möglichst stromsparend einzulesen und zu speichern, dient der mit 16 MHz getaktete Mikrocontroller MSP430FR5969 von Texas Instruments mit FRAM (Ferroelectric Random Access Memory) als Denkzentrale der Leiterplatte. Mit seinem 64 KB großen, durchgängigen Variablen- und Codespeicher kann dieser Mikrocontroller umfangreiche Sensordaten speichern, ohne auf externe Speicherbausteine zugreifen zu müssen.

Die Kommunikation des Mikrocontrollers mit den beiden Sensoren zum Konfigurieren der Abtastparameter und zum Einlesen der Messwerte erfolgt über einen einzigen I²C-Bus. Zum Programmieren des Boards und zum Auslesen der Daten nach einem Flug ist das Board mit zwei kleinen, dreipoligen JST-Ports (Japan Solderless Terminal) ausgestattet, aus denen die UART- (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) und Programmier-Pins herauskommen. Außerdem sind einige Status-LEDs sowie ein Drucktaster vorgesehen, die sich für unterschiedliche Zwecke verwenden lassen.

Kostenlose Schaltplan- und Layoutsoftware

Da die Knopfzelle an der Unterseite der Platine befestigt wird, beschränkt sich das Routen der zweilagigen Leiterplatte größtenteils auf die Oberseite. Dabei kommt die kostenlose Schaltplan- und Layoutsoftware Eagle zum Einsatz. Mit etwas Lötpaste und einer ruhigen Hand entsteht auf der Leiterplatte Stück um Stück das gewünschte Bauteil. Anschließend wird das fertige Board mit der Software Code Composer Studio programmiert. Dabei können die Messfrequenz und die Bandbreite an individuelle Anforderungen in Sachen Genauigkeit, Abtastrate und Flugdauer angepasst werden.

Monatelanger Dauerbetrieb

Als letzter Schritt bleibt noch eine Messung der Leistungsaufnahme, um die Batterielebensdauer abschätzen zu können. Mit dem Softwaretool MSP430 EnergyTrace lässt sich bei 2 Messungen pro Sekunde eine Gesamtleistungsaufnahme von nur etwa 5 mW feststellen. Wenn die Messfrequenz auf nur noch eine Messung alle 4 Sekunden reduziert wird, lässt sich die Leistungsaufnahme auf rund 0,4 mW drücken, was mit einer einzigen Knopfzelle eine niederfrequente Datenerfassung über mehrere Monate hinweg ermöglicht.

In ein paar Wochen des Designs, der Herstellung und der Codierung entstand ein einwandfrei funktionierendes System, das seinen Jungfernflug erfolgreich absolviert hat. Was wird mit der nächsten Version kommen? Etwas mehr Speicherplatz könnte die Messfrequenz der Sensoren erheblich steigern. Eine zusätzliche GPS-Funktion würde es außerdem ermöglichen, die Position der Drohne genauer zu verfolgen. Vielleicht ließe sich das Board auch beim Fallschirmspringen einsetzen? Dank seiner soliden Bauweise und seines extrem geringen Stromverbrauchs ist der Datenlogger jedenfalls für alle möglichen kreativen Hobbyprojekte geeignet.

Bildergalerie

  • Das Routen beschränkt sich größtenteils auf die Oberseite der Telemetrie-Leiterplatte.

    Bild: Texas Instruments

  • Mit dem Softwaretool MSP430 EnergyTrace™ ließ sich bei 2 Messungen pro Sekunde eine Gesamtleistungsaufnahme von etwa 5 mW feststellen.

    Bild: Texas Instruments

  • Nach einer Reduktion der Messfrequenz auf eine Messung alle 4 Sekunden ließ sich die Leistungsaufnahme auf rund 0,4 mW drücken.

    Bild: Texas Instruments

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