Bacheloroppgave, forprosjekt

HØGSKOLEN I SØR-TRØNDELAG Avdeling for teknologi Program for elektro- og datateknikk 7004 TRONDHEIM Bacheloroppgave, forprosjekt Oppgavens tittel: Gitt dato: 10.01.11 Nikon trådløs fjernkontroll Innleveringsdato: 25.05.11 Project tittel: Antall sider/bilag Gruppedeltakere: Egil Rotevatn Steinar Fagerli Veileder (navn/email/tlf.): Rolf Kristian Snilsberg rolf.k.snilsberg@hist.no 920 15 423 Studieretning: 3EE Elektronikk Prosjektnummer: E1119 Oppdragsgiver: Atmel Corporation Kontaktperson hos oppdragsgiver (navn/tlf.): Terje Frostad 930 98 048 Fritt tilgjengelig Tilgjengelig etter avtale med oppdragsgiver X Rapporten frigitt etter

Sammendrag Dette forprosjektet omhandler våre ideer og planer til en fjernstyring av et fotoapparat. Oppgaven skal skrives for Atmel Norway, og vi skal bruke flere av deres mikrokontrollere og evalueringskit. Rapporten inneholder oppgavetekst og grove spesifikasjoner i tillegg til informasjon om tenkt funksjonalitet, enheter, problemområder, arbeidsplan og ressursbruk. Egil Rotevatn Steinar Fagerli Rolf Kristian Snilsberg (veileder) Terje Frostad (oppdragsgiver)

Innholdsfortegnelse 1. Innledning...4 1.1. Bakgrunn...4 1.2. Oppgavetekst...4 1.3. Definisjoner...4 2. Teknisk del...5 2.1. Problemstilling...5 2.2. Prosjektmål...5 2.2.1. Effektmål...5 2.2.2. Resultatmål...5 2.2.3. Prosessmål...6 2.3. Prosjektbeskrivelse...6 2.4. Spesifikasjoner...7 2.5. Problemområder...8 3. Arbeidspakker...8 4. Prosjektorganisering...10 4.1. Prosjektdeltagere...10 4.2. Utstyr og ressurser...10 4.3. Prosjektleveranser...11 4.4. Tids- og kostnadsplan...11 4.5. Kvalitetssikring...11 5. Vedlegg 1...12 6. Vedlegg 2...13 7. Vedlegg 3...14 8. Vedlegg 4...15

1. Innledning 1.1. Bakgrunn Som ivrige amatørfotografer har vi sett behovet for mer avansert kontroll av fotoapparat. Vi har en tendens til å være mer kamerainteresserte enn fotointeresserte, og blandet med en interesse for elektronikk har vi sett muligheten for å utvikle systemer for fjernstyring og automatisk styring av et kamera på stativ. Oppgaven ble til etter en useriøs diskusjon om hva som kan gjøres med et digitalt speilreflekskamera ved hjelp av mikrokontrollere i stedet for en PC. Der kom vi fram til at trådløs innstilling av kamera, motorstyrt stativhode, timelapse og kamerautløser vha. forskjellige sensorer og mye mer var mulig å få til. Valdemar Finanger satte oss i kontakt med Atmel Norway, og de var veldig interesserte i en slik oppgave. Atmel Corporation er en global leder innen design og produksjon av mikrokontrollere, kapasitiv touch løsninger, avansert logikk, mixed-signal, nonvolatilt minne og RF-komponenter. Prosjektet skal realiseres ved hjelp av deres veiledning og komponenter. 1.2. Oppgavetekst Oppgaven går ut på å lage en mikrokontrollerstyrt fjernkontroll til Nikon DSLR som kan styres fra et Atmel Xplore utviklingskort. Kommunikasjonen skjer trådløst til USB-dongelen på kameraet. Det skal være mulig å stille inn forskjellige innstillinger på kameraet ved hjelp av touchskjermen/joysticken på Xplore. I tillegg vil vi kunne utvide med et motorstyrt stativhode for å rotere/tilte kameraet, og ha eksterne trådløse sensorer som skal kunne utløse lukkeren. 1.3. Definisjoner DSLR: Digital Single Lens Reflex - Betegnelsen på et digitalt speilreflekskamera. Lukkertid: Bestemmer varigheten på en eksponering med kameraet. Blender: Bestemmer mengden lys som blir sluppet inn gjennom objektivet. ISO: Bestemmer lyssensitiviteten til kamerasensoren. Bulb: Selvbestemt lengde på lukkertiden. Bracketing: Sette kameraet til å ta en serie bilder med normal, over- og undereksponering. Timelapse: En serie bilder tatt med et gitt tidsintervall som spilles av i videohastighet. Dongel: USB: En liten hardware-enhet som kan plugges i en pc, eller i vårt tilfelle kameraet. Universal Serial Bus.

2. Teknisk del 2.1. Problemstilling Kontrollere et Nikon DSLR trådløst, uten bruk av PC, med sensorer og motorstyrt stativhode. Vi har jobbet en del med ideen og sett på hva som er mulig å gjennomføre av de egenskapene vi drømmer om. Vi har arbeidet fram et blokkskjema (vedlegg 1) som grovt viser en tenkt oppbygning de forskjellige modulene kan ha og hva slags kommunikasjon som er nødvendig. USB-dongelen blir en prototype og vi fokuserer da på funksjonalitet fremfor design på grunn av at vi ikke vet hva vi kan implementere av moduler ennå. Som vi ser av blokkskjemaet er dongelen den sentrale enheten og all kommunikasjon foregår mot den. Fjernstyringen brukes til å konfigurere dongelen og til å lese ut status fra dongelen. På den måten vil dongelen kunne fungere uten fjernstyringen når den er blitt konfigurert. Sensorene programmeres fra fjernstyringen, men via dongelen. Slik har dongelen all informasjon til enhver tid. Dette er egentlig en stor nok oppgave, men vi har et sterkt ønske om i tillegg å ha med motorisert stativhode som også styres fra dongelen via kabel. Originalt hadde vi mange flere funksjoner med i planene, men vi har fjernet mye som var mindre relevant eller veldig ressurskrevende å lage. En av enhetene vi har fjernet er GPSmodul, som hadde blitt en selvstendig enhet med egen tilkobling til kameraet. Om vi har tid vil denne blir vurdert i tillegg til flere sensorer. 2.2. Prosjektmål 2.2.1. Effektmål Lage en trådløs fjernstyring for Nikon DSLR på stativ med mulighet for motorstyring og sensorer. 2.2.2. Resultatmål Nå effektmålet innen 25. mai 2011. Ferdig USB-dongel - Designe hardware - Programmere USB-kontroller - Programmere bulb/timelapse/kommunikasjon Ferdig Xplore - Programmere GUI/menysystem - Programmere kommunikasjon Fungerende trådløskommunikasjon - Velge teknologi - Definere generell kommunikasjonsprotokoll - Implementere i nødvendige enheter Ferdig sensor - Velge sensormetode - Designe hardware - Programmere innstillinger/kommunikasjon

Ferdig motorstyring - Designe kontrollerkrets - Programmere styring/kommunikasjon Skrive rapport. Dersom god tid lage flere sensorer eller GPS-modul. Holde oss innenfor en kostnadsramme på 5000 kr. Hver student skal bruke minst 500 timer til prosjektet. 2.2.3. Prosessmål Øke vår kunnskap til å designe elektriske kretser, og gjøre oss i stand til å implementere forskjellige teknikker vi har lært til et ferdig produkt. Designe et produkt som tilfredsstiller de bestemte spesifikasjonene. Øke vår evne til samarbeid og felles problemløsing. Få bedre kunnskap til komponenter og utstyr fra Atmel, og lære mer om praktisk bruk av disse. 2.3. Prosjektbeskrivelse Hardware Fjernkontrollen er Atmel Xplore i samarbeid med Atmel RZ600 (trådløs kom.). Denne er ferdig konstruert og trenger bare firmware. USB-dongelen er den sentrale enheten som kobles til kameraet, derfor prioriterer vi denne i starten. Her må det planlegges strømtilførsel/strømbruk, kommunikasjon med kamera, fjernkontroll, sensorer og stativhode. Atmel har en chip som har mikrokontroller-egenskaper og 2,4 GHz kommunikasjon i samme chipen, denne kan gi oss et billig og nett design. Det motoriserte stativhodet er en mekanisk utfordring like mye som en elektronisk. Vi ønsker et nett design som kan panorere og tilte kamerautstyr på minst 3 kilo. Her vil det være lurest å kjøpe en mest mulig ferdig enhet med panorering og tilt så vi kan konsentrere oss om elektronikkdelen. Vi må vurdere om vi trenger mikrokontroller på stativhodet eller om det skal styres direkte fra dongelen. Det vil kreves en del effekt så enheten trenger egen strømtilførsel og en forsterker. Sensorene skal være små billige enheter som kun kan slås av og på i tillegg til å trigge kameraet. Sensoren settes opp og justeres fra fjernkontrollen via dongelen. Vi ser for oss flere sensorer som kan være aktuelle. - Bevegelsessensor som utløser kameraet ved en form for bevegelse. For eksempel en person/dyr som går foran kameraet, eller en dråpe som bryter en lysstråle. - Lydsensor, en mikrofon som utløser kameraet ved en skarp lyd. - En enkel knapp for å utløse kameraet, for eksempel når noen tråkker på den eller løfter opp noe som står på den.

Firmware Programmeringen skal foregå i C, på Atmel AVR Studio (AVR GCC). Xplore: Programvare for LCD med menysystem og trådløs kommunikasjon. Touchskjermen, eventuelt også joystick, skal brukes til å navigere i menyene. Dongel: Trådløs kommunikasjon og funksjoner på mikrokontroller, og kommunikasjon på USB-kontroller. Sensor: Trådløs kommunikasjon med eventuelle sensitivitetsinnstillinger. (Motorstyring: Motorstyring, batteristyring, kommunikasjon med dongel.) Feilsøking og testing av produkt Under designfasen for både hardware og firmware skal det planlegges en teststrategi. Designet skal deles opp i mindre moduler som enkelt kan testes hver for seg før de kobles sammen til et system. Vi har selvsagt en naturlig oppdeling i de forskjellige enhetene våre, men disse må i tillegg brytes opp i mindre, testbare enheter. Slik vil vi vite at de enkelte delene fungerer hver for seg og det er en kjempefordel når vi skal teste og feilsøke på de ferdige enhetene, og til slutt på hele systemet. Etter å ha lagt ut annonse om defekte kamera på www.foto.no fikk vi et gratis Nikon D70 av www.akam.no, det fungerer til det meste annet enn lagring av bilder og er derfor perfekt til testbruk. 2.4. Spesifikasjoner Brukergrensesnittet Det er kun Xplore-kortet som har brukergrensesnitt, de andre enhetene har kun av/påknapp. Vi skal lage et brukbart menysystem, med fokus på funksjonalitet foran design, og helst med touchfunksjonaliteten til å navigere i menyene, og joysticken til motorstyringen. Evt. kan joysticken brukes til all navigering. Menyvalgene vi ser for oss er: - Ta bilde - Eksponering: Sette blender, lukker (+bulb) og ISO og lese av lysmåling. - Enkel eksponering eller serieeksponering - Autofokus av/på - Bracketing - Timelapse - Motorstyring - Sensor: Stille sensitivitet og tidsforsinkelse. Menyen skal i første omgang inneholde fem hovedmenyer med innstillinger og funksjoner, som vist i vedlegg 2. Der det er aktuelt har vi en start/stopp-knapp som både aktiverer gitt funksjon og fjerner muligheten til å aktivere de andre funksjonene samtidig. Selve funksjonene skal utføres i dongelen, så den må ha RTC-timer til timelapse og bulb. I tillegg må den ha kommunikasjon med USB-kontrolleren, motorstyringen, fjernkontrollen og sensorer.

Xplore: - ATXmega128A1 - USB-kontroller AT90USB1287 - LCD touchdisplay med joystick - SPI til RZ600 - Batteri Dongel: - ATXmega128A1 eller ATmega128RFA1 - USB kontroller AT90USB1287 - USB tilkobling (kamera) - Kobling til stativhode - (SPI til RZ600) - 5 V til USB - 3,6 V til mikroprosessorer - JTAG Sensorer: - ATmega128RFA1 - Sensor - Batteri - JTAG Motorstyring: - Kobling til Dongel - Stativhode (3kg+) - Motorer - Batteri - (Mikrokontroller og JTAG) 2.5. Problemområder Vi har noen utfordringer som vi er spente på om lar seg gjennomføre. - Tid. Vi mangler erfaring innen hvor lang tid det tar å lage utlegg eller programmere firmware, og må lære mye nytt som vi er spent på hvor tidkrevende blir. - USB-kommunikasjonen blir en stor utfordring. USB er mest brukt mot operativsystem med drivere, det har ikke vi i dongelen vår. Derfor må vi bygge systemet mer fra grunnen og lære oss hvilke funksjoner vi kan bruke mot kameraet. Vi er avhengig av USB-kommunikasjon for å styre kameraet utover å bestemme når det skal fokusere og ta bilde. - Grensesnittet i Xplore har veldig mange muligheter, men det medfører også utfordringer. Det er en stor skjerm som krever et grafisk grensesnitt og det er i tillegg en berøringsskjerm. Vi er usikre på hvor mye arbeid det medfører å programmere dette grensesnittet og hvor godt vi får utnyttet mulighetene. - Trådløs kommunikasjon er også noe vi ikke har prøvd oss på før. Men her får vi i prototypen god hjelp av RZ600 som skal stå for den trådløse kommunikasjonen i fjernkontrollen og muligens dongelen. I sensorene skal vi bruke en alt-i-ett chip med innebygd trådløskommunikasjon. - Stativhodet kan bli dyrt.

3. Arbeidspakker USB-dongel Spesifisering Designe hardware Produsere hardware Designe firmware Test Fjernkontroll Spesifisering Designe GUI og HID Definere kommunikasjonsprotokoll Designe firmware Test Sensor Spesifisering Designe hardware Produsere hardware Definere kommunikasjonsprotokoll Designe firmware Test Motorstyring Spesifisering Designe mekanikk Designe hardware Produsere mekanikk Produsere hardware Definere kommunikasjonsprotokoll Designe firmware Test Feilsøking og testing av produkt Funksjoner Enkelte enheter Fjernstyring-Dongel Hele settet Presentasjon av hovedprosjekt Muntlig presentasjon http://hekta.org/~hpe1119/ Hovedprosjektrapport

4. Prosjektorganisering 4.1. Prosjektdeltagere Steinar Fagerli - 13.10.85 2008 - Elektro og datateknikk, Elektronikk ved Høyskolen i Sør-Trøndelag 2008 Ski og skred ved Øytun FHS 2007 Produksjonselektroniker ved Noca AS 2006 2007 Forkurs ved Høyskolen i Troms 2005 2006 Offpiste ved Øytun FHS 2003 2005 Lærling i produksjonselektronikerfaget ved Simpro AS 2002 2003 VK1 Elektronikk ved Meldal VGS 2001 2002 GK Elektro ved Meldal VGS Hovedansvar: Hardware og test. Egil Rotevatn - 13.11.86 2008 - Elektro og datateknikk, Elektronikk ved Høyskolen i Sør-Trøndelag 2007 2008 Vervet Matros ved Landsdelskommando Nord-Norge 2006 2007 Førstegangstjeneste ved Landsdelskommando Nord-Norge 2005 2006 Foto-friluftsliv ved Øytun FHS 2003 2005 VK1 og VK2 Økonomi og Administrasjon ved Volda VGS 2002 2003 GK Almennfag ved Volda VGS Hovedansvar: Firmware og trådløs kommunikasjon. 4.2. Utstyr og ressurser Atmel Xplore Atmel JTAGIce Atmel RZ600 AVR Studio Altium LyX Microsoft Project Microsoft Visio Diverse instrument Laboratorium Nikon D70 Nikon D90 Nikon D300 Manfrotto Kamerastativ

4.3. Prosjektleveranser Levering av forprosjektrapport innen 21. januar Prosjektmøter (med innkalling og referat) annenhver uke Toukersrapport annenhver uke Oppdatere hjemmesiden annenhver uke Levering av kretskortutlegg Presentasjon av prosjektet Levering av prosjektrapport 4.4. Tids- og kostnadsplan Tidsbruken på dette prosjektet er beregnet til totalt 1000 timer. I vedlegg 3 og 4 finnes henholdsvis S-diagram og Gantt-skjema over planlagt tidsbruk. I Gantt-skjemaet har vi inkludert sensorer og stativhodet, så får vi se senere om vi har tid til dette. Vi har fått en diskutabel kostnadsgrense på 5000 kr fra Atmel. Her vil stativhodet stå for de største kostnadene i tillegg til kretskortene. Kostnadene avhenger av hvor mye vi får tid til å lage selv. Xplore og RZ600 får vi låne av Atmel. 4.5. Kvalitetssikring Oppgaven er like mye en trening i prosjektstyring som å lage et produkt. Det er derfor viktig at vi følger arbeidsplanen i Gantt-diagrammet og evt. justerer dette etter hvert, skriver journal kontinuerlig og skrive toukersrapporter og møteinnkallinger når det skal gjøres. Rapporter og møteinnkallinger skrives i LyX (LaTeX), noe som vil være litt tidkrevende å starte opp, men enklelt å utvide og fylle inn når hovedskjelettet til dokumentene er laget. For enkel distribusjon av dokumenter og filer vil vi bruke Dropbox, med CrashPlan som backupprogram, i tillegg til å legge ut tillatt informasjon på hjemmesiden på hekta.org. Når det er hensiktsmessig vil vi teste hardware og firmware, både funksjon, enhet og etter hvert flere enheter sammen. Det er viktig å tenke på testing og feilsøking når både hardware og firmware designes.

Motorstyring Trådløs tilkobling: Fjernkontroll -> dongel Eksponeringskontroll Trigger Sensorsetup Timelapsesetup Pan/tilt-setup Status request Dongel -> fjernkontroll Kamerastatus Generell status Sensorstatus Timelapsestatus Pan-tilt-status Tilkobling for RZ600 USB-dongel Sentral kontroller USB 2.0 Kontroller Tilkobling for USB Tilkobling for stativhode Kablet tilkobling: Pan/tilt Kalibrer Kontrollsignal Trådløs tilkobling: Triggersignal Setup Tilkobling for dongel Nikon-batteri Kontroller -PWM? Tilkobling for motorer Fjernkontroll USB 2.0 Sensorer Tilkobling for RZ600 Joystick LCDskjerm med touch Sensor Batteri Sentral kontroller Nikon DSLR 10-pin Accessoryplug Tilkobling for USB Kontroller med RF

Undermeny Hendelse Hovedmenyer Valg Skal vise på displayet i meny USBkommunikasjon +100-100 +10-10 + - Antall Bilder +time -time + - +min Brennvidde (DX) Vis nåværende valg eller nedtelling Start/Stopp Timelapsemeny Tid -min + - Bilder Horisontalt Motorstyring Av/På? Ta bilde (Single / Continuos / Stop?) Vis Eksp.innst. og lysmåling Start/Stopp Vis nåværende valg eller nedtelling +sek -sek Bilder Vertikalt Motortimelapse? Startmeny + - - + + - + - ISO Blender Lukker +time + - -time Tidsforsinkelse Vis Eksp.innst. og lysmåling Eksponeringskontroll +min + Trigger Bulb -min Sensitivitet (Lyd?) M Modus (Auto?) A Eksponeringskompensasjon - +sek Type sensor? Vis nåværende valg og status Start/Stopp S - + -sek Vis nåværende valg? Fokus av/på? + - Andre instillinger + Bracketing? Oppdateringsfrekve ns lysmåling? - + -

Total tidsbruk 1200 1000 800 600 400 200 Uke Timetall Per person 2 53 26 3 105 53 4 158 79 5 211 105 6 263 132 7 316 158 8 368 184 9 421 211 10 474 237 11 526 263 12 579 289 13 632 316 14 684 342 15 737 368 16 737 368 17 789 395 18 842 421 19 895 447 20 947 474 21 1000 500 Tidsbruk 0 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 Uke

Gantt-Diagram ID Task Name Duration Start 27 Dec '10 10 Jan '11 24 Jan '11 07 Feb '11 21 Feb '11 07 Mar '1121 Mar '1104 Apr '11 18 Apr '11 02 May '1116 May '1130 M F T S W S T M F T S W S T M F T S W S T M F T S W S T M F T S W S T M F T S W 1 Bachelorprosjekt E1119 98 days 10.01.11 2 Forprosjekt 10 days 10.01.11 ER;SF 3 Spesifisering av enheter og komponenter 10 days 17.01.11 ER;SF 4 USB-dongel 45 days 31.01.11 5 Designe hardware 15 days 31.01.11 SF 6 Printe/Lodde 10 days 21.02.11 SF 7 Designe firmware 45 days 31.01.11 ER 8 Ferdig USB-dongel 0 days 01.04.11 01.04 9 Fjernkontroll 45 days 31.01.11 10 Designe GUI og HID 5 days 31.01.11 ER 11 Designe firmware 40 days 07.02.11 ER 12 Ferdig Fjernkontroll 0 days 01.04.11 01.04 13 Test/Forbedring av Dongel og Fjernkontroll 10 days 04.04.11 SF 14 Sensor 20 days 21.03.11 15 Designe hardware 5 days 21.03.11 SF 16 Printe/Lodde 5 days 28.03.11 SF 17 Designe firmware 10 days 04.04.11 ER 18 Ferdig Sensor 0 days 15.04.11 15.04 19 Stativhode 36 days 21.03.11 20 Kjøpe mekanikk 5 days 21.03.11 ER 21 Designe hardware 10 days 28.03.11 SF 22 Printe/Lodde 15 days 11.04.11 SF 23 Designe firmware 10 days 26.04.11 ER 24 Ferdig Stativhode 0 days 09.05.11 09.05 25 Påskeferie 6 days 18.04.11 26 Testing/Forbedring av alle enheter 19 days 26.04.11 SF 27 Prosjektpresentasjon 45 days 01.03.11 SF;ER 28 Prosjektrapport 88 days 24.01.11 SF;ER 29 Ferdig Prosjekt 0 days 25.05.11 25.05 Task External Milestone Manual Summary Rollup Prosjekt: E1119 Dato: 26.01.11 Split Milestone Summary Inactive Task Inactive Milestone Inactive Summary Manual Summary Start-only Finish-only Project Summary Manual Task Deadline External Tasks Duration-only Progress