Klub SP2PUT

Akademicki Klub Krótkofalowców przy UTP w Bydgoszczy

5-Gru-2012

Automatyczne przełączanie anten i Icom IC-7200 – AKTUALIZACJAAutomatic antenna switching for Icom IC-7200

Aktualizacja 08.03.2013: Nowy firmware na końcu wpisu.

Aktualizacja 05.12.2012: Nowy firmware i pomiary na końcu wpisu.

W każdym rozwijającym się shacku w końcu dochodzi do sytuacji, gdzie anten jest więcej niż złączy w radiu, a ręczne przełączanie anten robi się denerwujące (pomijając koszty doprowadzenia wszystkich feederów do shacku). Rozwiązaniem problemu może być zdalny przełącznik zamontowany gdzieś na dachu i sterownik współpracujący z radiem.
Scroll all the way down for the latest firmware and schematics.

Every beginner’s shack starts with a single radio and a single antenna. As time goes the amount of antennas grow exponentially. To make it quick and dirty usually lots of feeders penetrate into the shack and manual switch is just not enough (or I am too lazy…). The perfect solution is a remote coax switch somewhere on the roof and a controller in the shack.

Zdalny przełącznik anten

Przeglądając dostępne rozwiązania wybrałem dobre, tanie i sprawdzone płytki od SQ7OVV, ot taki klasyczny przełącznik na KF. Wolałem jednak zamontować go w obudowie aluminiowej. Po przejrzeniu allegro wybrałem obudowę aluminiową BS23. Łatwa do obróbki, hermetyczna (do czasu zrobienia w niej 26 dziur…. 😀 ).

Nie byłem pewny czy płytka (92x92mm) zmieści się do środka – ostatecznie musiałem spiłować „prowadnice” w obudowie i trochę płytkę. Reszta montażu tak samo jak w oryginalnym artykule SQ7OVV. Najpierw naniesienie otworów, a dopiero potem jakiekolwiek lutowanie. Jako złącze zasilające wybrałem „mikrofonowe mini CB” z 5 pinami. Przełącznik będzie pracował pod okapem dachu, więc nie musi być perfekcyjnie szczelny.


Pewnym problem może być utrzymanie dystansów między złączami a płytką. Przy przekładaniu płytki 25 nakrętek może po prosu odpaść. Przykleiłem je lekko super glue (w miarę możliwości naokoło ścieżek, żeby nie zaizolować styku nakrętka-pcb):

Po złożeniu całości i skręceniu dopiero przylutowałem złącza do płytki (warto dać złącza od wewnątrz obudowy na zewnątrz, gdyż wtedy można wszystko ze środka wyciągnąć i ew. naprawić, przy zamontowaniu złączy na zewnątrz nie da się płytki wyciągnąć bez wylutowania 5 gniazd).

Tak wygląda skończony przełącznik:

Sterownik przełącznika

Od samego początku chciałem, żeby sterownik był jak najbardziej zintegrowany z radiem, bez żadnych dodatkowych kabli zasilających ani komputera. W sytuacji kryzysowej, awarii zasilania brak przełącznika oznacza brak anten (i wyprawę z beczką UC-1 na dach w środku śnieżnej nocy). Większość transceiverów ma wyjście informujące o aktualnym paśmie pracy. Icom IC-7200 ma dosyć rozbudowane złącze akcesoriów (w przyrodzie występuje jako DIN-13, łatwe do kupienia):

Przydatne tutaj będzie:

  • Masa i zasilanie (1A spokojnie wystarczy dla jednego przekaźnika)
  • BAND – daje analogowe napięcie 0-8V zależnie od pasma
  • HSEND – daje informację czy radio nadaje/odbiera

Żeby uruchomić styk BAND trzeba zmodyfikować radio. Wszystko jest opisane w manualu, wystarczy zalutować jedną zworkę (na zdjęciu: lewe dolne akwarium, złote pady pod elektrolitem u góry z lewej strony płytki):

Problem wyboru anteny sprowadza się do pomiaru napięcia, znalezieniu przypisanej anteny w pamięci i zapalenia odpowiedniej diodki, czyli bardzo proste zadanie dla każdego mikrokontrolera. Użyłem do tego ATTiny26 (akurat mam ich nadmiar). Za element wykonawczy dla przekaźników robi ULN2003 (przy okazji zapala ledy i od razu widać, która antena jest podłączona). Do tego zaawansowany interfejs dotykowy w postaci trzech przycisków, dwa ledy do sygnalizacji trybu pracy i nadawania (nazwijmy je AUTO i PTT), bezpiecznik polimerowy żeby radia nie puścić z dymem. Mikrokontroler mierzy napięcie na dzielniku rezystorowym. Dodatkowo doprowadzony jest sygnał HSEND z radia, służy do blokady przełączania przy nadawaniu (czy to ręcznym, czy to automatycznym, jakby RF wędrowało po kablach). HSEND jest wpięty przez diodę. Linia działa tak, że w radiu znajduje sie pullup do 8V, jeżeli linia jest zwarta do masy, to radio nadaje. Procesor jest zasilany z 5V, więc z 8V mógłby pobierać prąd przez wbudowane diody zabezpieczające ESD (i przełączać radio w nadawanie). Wstawienie diody (i wewnętrznego pullupa) powoduje, że na pinie mikrokontrolera pojawi się logiczne zero, gdy radio ściągnie linię do masy i zacznie nadawać.

Do przełącznika przeznaczone jest złącze RJ-45 pod typową skrętkę, do radia mini-din (PS/2). Zamontowałem jeszcze zwykłe złącze „zasilające DC”, żeby móc też szybko podłączyć pierwszy lepszy zasilacz typu „cegła”.

Tak wygląda sterownik zamontowany w obudowie (o diodzie na HSEND pomyślałem po wykonaniu płytki, stąd lutowanie powierzchniowe i modyfikacja płytki metodą „drapajewa”). Całość zamontowana w plastikowej obudowie typu Z76 (kolor ledów i plastiku musi być ten sam):

Firmware

Sterownika ma trzy przyciski, górny środkowy MODE oraz dolne lewo/prawo (L/R).
Oprogramowanie sterownika ma dwa tryby pracy – AUTO (świeci sie dioda AUTO) i MANUAL.
W trybie AUTO mikrokontroler mierzy napięcie BAND z radia, przeszukuje pamięć i wybiera taką antenę, dla której błąd między zapamiętanym napięciem i napięciem z radia jest najmniejszy (napięcie z radia nigdy nie będzie idealnie stabilne, np. przy zaprogramowanej tylko jednej antenie będzie zawsze ją wybierał). Liczba komórek pamięci wystarcza dla wszystkich pasm z zapasem 🙂

Obsługa jest trywialna:

  • trzy przyciski wciśnięte i podanie zasilania – reset pamięci
  • przyciski L+R wciśnięte i podanie zasilania – zmiana trybu pracy w jakim ma sie uruchomić urządzenie (AUTO/MANUAL)
  • wciśnięcie MODE – przełączenie między trybem AUTO/MANUAL
  • przycisk L/R w trybie manual – zmiana anteny
  • programowanie pamięci:
    1. ustawić pasmo w radiu
    2. ustawić tryb AUTO
    3. wdusić i trzymać MODE
    4. wybrać antenę wduszając L/R
    5. puścić przycisk MODE

Zmiana anteny jest zablokowana, gdy radio nadaje (sygnalizowane ledem PTT). Można zaprogramować kilka pasm do jednej anteny (ale nie można kilku anten do jednego pasma 😀 ).

STARE! Schemat, płytka i firmware STARE!

Aktualizacja – nowy firmware i pomiary

Firmware (stary)

Oryginalny firmware ładnie działał „na sucho”. Po dołączeniu kłapiących przekaźników pojawiły się zakłócenia i problemy typu przeskakujące ciągle pasmo. Teraz napięcie z radia jest próbkowane najpierw 16 razy, uśredniane i dopiero analizowane.
Nowy firmware, schematy, PCB

Pomiary

Wykonałem pomiary na analizatorze MAX4.

Najpierw gołe sztuczne obciążenie i pigtail


SWR koło 1,2 czyli znośnie. Straty poniżej 1%. Tutaj jest ładna tabelka.

Przełącznik podłączony do sztucznego obciążenia


Na KFie praktycznie bez zmian. Widać dopiero lekkie podbicie SWR powyżej pasma 10m. Zobaczmy bliżej co dzieje się na 6m:

Przełącznik i obciążenie w paśmie 6m


Widać, że impedancja spadła do 40 omów (pasożytnicze pojemności robią swoje). SWR 1,35 oznacza straty wtrąceniowe koło 2% 🙂 Dla mnie – fantastycznie. Wyniki dla wszystkich gniazd wyszły identycznie (płytka jest symetryczna względem środka). Polecam płytki od SQ7OVV 🙂

Aktualizacja – nowy firmware

Firmware

Stary firmware wymagał wgrania eepromu do procka. Nowy firmware sam inicjalizuje pusty eeprom – wystarczy reset przy uruchomieniu (3 przyciski + podanie zasilania).
Pozdrowienia dla SP5MNL 🙂
Firmware v3, schematy, PCB

Artur SP2AGX

Remote coax switch

I was looking for simple and proven designs of remote coax switches. I found a good PCB designed by SQ7OVV. I chose to mount in inside an aluminium case type BS23. Easy to work with, hermetically sealed (at least before drilling 26 holes…. 😀 ).

I was not sure if the PCB (92x92mm) will fit inside the case. I had to grind down those protruding thingies and file the PCB a little bit. The rest of the assembly process is the same as mentioned in the post of SQ7OVV. First you have to trace and mark the holes on the case thru the PCB. I picked a 5-pin „mini CB mic” connector for the control cable. The switch will be located under a eave (roof edge) so it does not have to be perfectly sealed.


Keeping all the spacing nuts can be a problem – 20 nuts will just fall off. I fastened them with a little bit of super glue (trying to put the glue around solder pads so as to not insulate the PCB from the case):

I soldered SO-259 connectors after assembling all screws. It is better to put the SO-259 inside the case and protrude out because it will make disassembly for fixing easier. Otherwise to get the PCB out you’ll have to desolder five big joints.

Finished coax switch:

Switch controller

I wanted to have a controller tightly integrated with my transceiver, abosolutely no additional power cables, no computers involved. In a time of crisis lack of power to the controller and switch would mean that all my antennas are useless (I would love to go onto a snowy, slippery roof with a SO-259 barrell to manually connect an antenna). Most of modern transceivers have some sort of an accessory connector with selected band output. My Icom IC-7200 has many signals on it’s connectors (it is a standard DIN-13, easy to buy):

The useful signals are:

  • Ground and power (1A is more than enough to power one relay)
  • BAND – analog voltage between 0-8V indicating currently selected frequency band
  • HSEND – high during receive, pulled low while transmitting

A little mod is necessary to enable BAND pin. Everything is written in the manual. You have just to solder one bridge (in the picture: lower-left compartment, golden solder pads below electrolytic caps, upper-left of the PCB):

The problem of automatic antenna selection consists of measurning one voltage, finding a memory cell with the corresponding voltage and lighting a single LED. Trival job for a microcontroller. I picked an ATTiny26 (I have too many of them). The driver IC is a standard ULN2003 (it also lights corresponding LEDs to see at once which antenna is selected). The controller features three pushbutons for antenna programming, selection and mode switching, two additional LEDs (let’s call them AUTO and PTT) and polymer fuse for radio protection. The analog voltage from the transceiver is fed thru a voltage divider. The HSEND signal is required to prevent antenna hot-switching in case of EMI problems. HSEND line is somewhat bidirectional. It both indicates and switches radio to transmit. It is pulled internally by the radio to 8V. The controller and MCU is powered with 5V, so if there were no blocking diode the MCU would source current from 8V to the 5V rail and switch the radio to transmit. The line is pulled up by the MCU, blocks current from the radio, but allows pulldown by the radio during transmit.

There is a standard 8P8C RJ-45 connector for a twisted ethernet cable to the remote coax switch, a mini-din PS/2 to interface with the radio. I also added a DC barrell for a typical power supply brick.

That is how a finished controller looks like. It fits in a Z76 standard plastic case.

Firmware

The controller has three buttons: a upper-middle one MODE and a pair LEFT/RIGHT.
The firmware has two modes of operation: AUTO (the AUTO LED is lit) and MANUAL.
In AUTO mode the MCU measures BAND output voltage from the transceiver, searches the memory and selects an antenna that has the smallest error between voltage saved in the memory and the currently measured voltage (the voltage in the memory will never be exactly the same). Eg. when only one antenna is programmed, it will always be selected. Amount of memory cells is more than enough for all bands. 🙂

Operation is almost trival:

  • three buttons down and power on – memory reset
  • buttons LEFT+RIGHT down and power on – changes and saves the mode that the controller will use at power on (AUTO/MANUAL)
  • pressing and releasing MODE – toggling between AUTO/MANUAL mode
  • pressing and releasing LEFT or RIGHT in MANUAL mode – manual antenna selection
  • memory programming:
    1. set the band in the transceiver
    2. set AUTO mode
    3. press and hold MODE button
    4. select antenna using LEFT/RIGHT
    5. release MODE button

Antenna switching is blocked during transmit (indicated by PTT LED). You can program several bands to one antenna (but not the other way around 😀 ).

OBSOLETE! Schemat, płytka i firmware OBSOLETE!

Aktualizacja – nowy firmware i pomiary

Firmware (stary)

First firmware build worked well on the bench. Switching relays introduced voltage swings and the controller sometimes would continously switch between some settings. Now the voltage is sampled 16 times, averaged and then analyzed. It works reliably.
New firmware, schematics, PCB

Measurements

Measurements were taken using a MAX4 VNA.

Dummy load and pigtail (to have a baseline)


SWR about 1,2 very good. Reflection under 1%. Here is a nice table with SWR and reflection losses.

Coax switch connected to a dummy load


All HF bands look good, the SWR jumps up above 10 meters. Let’s look closer at 6 meters:

Coax switch connected to a dummy load at 6 meters


The impedance fell to 40 ohms (probably because of parasitic capacitance between the board and case). However an SWR of 1,35 means an insertion loss of 2% 🙂 For me it is more than enough. All measurements looked identical for all switch ports (the board is center-symmetrical). I would recomment PCBs from SQ7OVV to everyone 🙂

Update – new firmware

Firmware

The old firmware required burning the right eeprom to work. Now the firmware clears the eeprom by itself during a memory reset (press all buttons and apply power).
Greetings go to SP5MNL 🙂
Firmware v3, schematics, PCB

Tips:
BTC 15RXzysGYaV6sZnnztBFB9zupjNGDZysPj
LTC Ld1zhCLjvHmvmMFp9NKcTJU7AjAtSBmgaU

Artur SP2AGX

Opublikowano w dziale: Konstrukcje i sprzęt, SP2AGX DIY
  1. Zabezpieczenie radia – watchdog Said,

    […] pewnego czasu przymierzam się do zdalnej obsługi swojego shacku. Po pokonaniu problemu z przełączaniem anten zabrałem się za zabezpieczenie radia przy utracie łączności albo zawieszeniu się komputera. […]

Komentuj

Musisz być zalogowany aby komentować.