以防你来晚了，错过了我之前的专栏，今年早些时候，我被介绍给一个叫齐克的11岁男孩，他的任务是与国际空间站(ISS)的宇航员和宇航员交谈。
齐克在8岁的时候就获得了业余无线电执照，开始了他的探索，现在他正在制作自制的10英尺螺旋天线来跟踪国际空间站。在第1部分在这部迷你超级系列剧中，我们见到了齐克和他的父亲埃里克，了解了这段漫长的旅程是如何开始的。接下来,在第2部分我们看到了齐克和埃里克如何建造他们的第一个10英尺螺旋天线，并将其安装在甲板上。最近，在第3部分，我们发现了齐克是如何使用的AWR微波办公室从Cadence设计电机控制板，将安装在转子外壳，以控制天线的方位值(其旋转方向)和仰角。
设计和蚀刻“火箭”板(来源:KJ7NLL)
同样在第3部分中，我们讨论了Zeke和Eric建造的原始螺旋天线如何只有一个非常高频(VHF)绕组与国际空间站在2米(2米)波段上通话。由于国际空间站也有超高频(UHF)中继器，可以让其他人听到他们的对话，齐克和埃里克使用了Clarity 3D求解器从Cadence公司进行3D电磁(EM)模拟，以确定在他们的天线上添加同轴二次70cm UHF绕组是否会干扰主要的2m VHF绕组。
在本专栏中，我们将把注意力转向软件方面。让我们从Zeke和Eric用来驱动转子中的电机控制天线的方位和仰角的算法开始。
他们从最简单的选择开始，那就是在一个转子上控制电机，用手启动开关，然后“目测”天线的方向。下一步是在转子中加入一个多转电位器(锅)，其中转子的旋转也驱动锅，并使用锅的电阻值来确定天线的方向。他们首先将天线指向一个方向，并记录下电位器的电阻。接下来，他们将天线指向另一个方向，并再次记录下电位器的电阻。然后，他们创建了一个Excel“小抄”，执行度数和电位器值的线性插值。齐克刚刚给我发了一张小抄的照片，如下图所示。
创建Excel“备忘单”(来源:KJ7NLL)
现在，齐克可以使用开关来控制电机，同时观察锅中的电阻值，利用他的小抄来确定天线何时指向正确的方向。
下一步是使用Silicon Labs的EFR32MG21微控制器开发板将Zeke排除在循环之外。这里的想法是让齐克能够输入一个想要的角度，让微控制器监控锅上的值，并驱动齐克的电机控制板来控制电机。
不幸的是，Zeke和Eric在他们的原型模型中遇到了问题，它首先会超过然后低于期望的位置，最终以“狩猎”(在期望的位置附近振荡)而告终。全尺寸螺旋天线的问题更加明显。
问题在于他们的微控制器使用的控制算法，也就是工程师们所说的“开/关”或“砰砰”闭环控制系统。在这种情况下，微控制器确定所需的方向，然后驱动电机全速前进，直到天线到达所需的位置。在这一点上，动量和惯性导致天线超过了它的目标位置，导致微控制器向相反的方向驱动电机，然后它就走了。即使当天线接近于它所期望的位置时，来自锅的模拟输入信号上的少量随机噪声也会导致微控制器不断地进行校正。
让我们做个实验。将你的右手水平伸出，食指指向远方。现在，以最快的速度，把你的手臂伸进去，用那个手指摸到你的鼻尖。许多人没有意识到的是，他们手臂的速度在整个周期中是不同的。如果你只是尽可能快地移动你的手臂，你最终会打自己的脸，这通常被认为是一件不好的事情。为了避免这种情况发生，你可以非常非常缓慢地移动你的手臂，但这样你就会厌倦等待你的手指到达目的地。解决办法是告诉你的手臂在运动开始时加速到高速，然后在你的手指接近鼻子时指示它减速。
这一切对齐克和埃里克来说都是新鲜的。在做了一些研究后，他们意识到经典的比例积分导数(PID)控制算法是可行的。如果你不熟悉PID控制算法的概念(或者你已经忘记了你在大学里学过的东西)，那么这个视频提供一个很好的、简单的介绍。
一旦齐克和埃里克对他们的PID算法进行了编码和调整，齐克就可以输入一个想要的位置，天线就会被引导到那个位置，而不会出现以前的超调、欠调和搜索问题。(就像命运一样，Zeke和Eric在最终实现中使用了不同的PID控制器算法，但至少他们现在知道PID控制器是什么了。)
齐克坐在办公桌前(来源:KJ7NLL)
让它正常工作很重要的原因是，下一阶段是要实施一些卫星跟踪软件，该软件将确定特定卫星的当前位置，包括国际空间站，并在卫星飞过天空时保持天线指向该卫星(国际空间站以每秒5英里的速度飞行，平均高度为254英里，每90分钟绕地球一周)。
实际上，这可能是一个停下来看看齐克的视频的好时机KJ7NLL YouTube频道．我在想的视频是用LEGO转子和Silicon Labs微控制器跟踪空间站和oreat卫星!(我还喜欢研究奶酪介电常数的视频，这让我向齐克建议，他可能想用两片火腿和一片奶酪分开来做一个电容器——我必须记得问他这个项目进行得如何)。
“没有人是一座孤岛，”英国作家、圣公会牧师约翰·多恩(John Donne)曾有一句名言。今天设计事物的一个美妙之处在于，互联网打开了一扇门，让人们可以访问各种有用的东西。在齐克和埃里克的案例中，他们的卫星跟踪软件利用了以下资源:
- 瑞安Kurte的efm32-base Github仓库，其中包含从命令行编译使用的Silicon Labs SDKcmake．
- 的sgp4sdp4图书馆它是从Pascal移植到C语言的Neoklis (5 b4az)跟踪轨道卫星。(位于塞浦路斯，Neoklis几十年来一直是业余无线电爱好者，生产了大量的软件，从天线模拟器到卫星跟踪算法。）
- 菲利普Salmony的PID控制器，该控制器为每个转子设置PWM占空比以驱动天线。
- 的fatfChaN的FAT/exFAT文件系统。
正如他在视频中提到的，Zeke已经完整地记录了这个项目，包括上面提到的来自他的来源的软件GitHub Space-Ham存储库．
Zeke和Eric创建的最终卫星跟踪软件运行在EFR32MG21微控制器开发板上。他们上传双行元素集(TLE)文件通过XMODEM所以它可以跟踪塞莱斯特拉克的任何一颗卫星．
正如Zeke和Eric刚刚告诉我的:“我们的软件运行在微控制器本身，但我们通过串行控制台与控制器交互。设备的命令行接口使用基于usb的串行仿真，称为CDC/ACM。齐克的台式电脑运行Linux，它提供了微控制器的usb串行CDC/ACM接口就好像它是一个调制解调器．微控制器本身不支持USB，只支持ttl串行，所以我们使用Silicon LabsWSTK调试接口将TTL-serial转换为USB ACM。”
他们继续说道:“当然，MCU不运行Linux;它是一个占用空间非常小的平台，只有96k的RAM，所以我们编写了自己的命令行界面输入函数用于解释方向键VT102转义码以便选择卫星和配置其他可调选项。提示符本身就像一个现代的命令提示符，具有命令历史记录，并且能够在提示符中进行箭头操作，并添加/编辑/插入所键入的内容，但是当然，它比命令行要简单得多GNU Readline库”。
齐克告诉我他和埃里克已经到了最后关头。他们目前正在设计用于三工器和低噪声放大器的印刷电路板(pcb)。他们正在跟踪业余中继卫星，以验证他们的跟踪信号重复是按要求工作的。他们还需要做一些国际空间站的预测，以确定它在空中停留的时间足够长，可以进行短时间(5-7分钟)的谈话，齐克将准备一套问题来询问宇航员和宇航员。当一切准备就绪，齐克将向国际空间站的方向发送信号，并希望得到回应!
我等不及齐克和埃里克完成这个项目，等不及齐克和国际空间站上的人交谈。当那个可怕的日子过去时，我希望他们能录下这段对话，这样我就可以在未来的专栏中与你分享。与此同时，我一如既往地欢迎大家提出有见地的意见、有见地的问题和有见地的建议。
