Схема подключения

В данном разделе показано, как устроена электрическая часть учебного CubeSat и как отдельные модули объединяются в единую систему.

Система построена вокруг Arduino Nano, который выполняет роль бортового компьютера и связывает между собой датчики, модуль связи, систему хранения данных и средства индикации.

Два уровня описания:

Структурная блок-схема — из каких подсистем состоит учебный CubeSat.
Схема подключения модулей — к каким пинам Arduino Nano подключён каждый компонент.

Подсистемы учебного CubeSat

EPS — Electrical Power System

EPS (Electrical Power System) — система питания учебного CubeSat.

Она включает:

источник питания;
распределение напряжения 5V и 3.3V;
питание Arduino Nano и подключённых модулей;
питание датчиков, радиомодуля, GPS и системы индикации.

Основная задача EPS — обеспечить стабильное питание всех подсистем набора.

OBC — On-Board Computer

OBC (On-Board Computer) — бортовой компьютер спутника.

В данном наборе его роль выполняет Arduino Nano. Он отвечает за:

опрос датчиков;
обработку измерений;
запись телеметрии на карту памяти;
передачу данных по радиоканалу;
управление индикацией и звуковым маяком.

Arduino Nano является центральным узлом всей системы.

COM — Communication System

COM (Communication System) — система связи учебного CubeSat.

В наборе для передачи телеметрии используется модуль nRF24L01+. Он позволяет передавать данные с бортового компьютера на наземную станцию.

Через подсистему COM могут передаваться:

показания датчиков;
координаты GPS;
служебная телеметрия;
состояние питания и работы системы.

ADCS — система определения ориентации

ADCS (Attitude Determination and Control System) — упрощённая система определения ориентации.

В учебном наборе она предназначена не для активного управления положением спутника, а для оценки его положения и ориентации в пространстве.

В состав ADCS входят:

MPU9250 — измерение ускорения, угловой скорости и магнитного поля;
GPS-модуль — координаты, скорость и время;
солнечные панели / датчики освещённости — при наличии могут использоваться как простейшие ориентиры относительно Солнца.

Эта подсистема позволяет проводить эксперименты по оценке движения и ориентации.

PAYLOAD — полезная нагрузка

PAYLOAD — полезная нагрузка учебного CubeSat: модули для экспериментов и сбора данных.

В состав полезной нагрузки входят:

BME280 — температура, давление и влажность;
CCS811 — параметры качества воздуха и газовой среды.

Эти датчики позволяют выполнять учебные эксперименты и собирать данные об окружающей среде.

Примечание

Модуль microSD в прямом смысле не является полезной нагрузкой — это подсистема хранения данных для записи телеметрии и результатов измерений.

Логика соединения подсистем

Все подсистемы соединяются через Arduino Nano:

датчики MPU9250, BME280 и CCS811 — шина I2C;
nRF24L01+ и microSD — шина SPI;
GPS GY-NEO-6M — UART: в прошивке main_full используется аппаратный Serial (D0 = RX), скорость 9600 baud;
buzzer и адресная LED-лента — цифровые пины Arduino;
питание модулей распределяется через подсистему EPS.

Структурная блок-схема

Схема подключения модулей (макет / Fritzing)

Ниже — электрическая схема подключения модулей к Arduino Nano (экспорт из проекта Fritzing, файл CubeSat.fzz в корне репозитория).

Схема подключения учебного CubeSat — Схема подключения модулей учебного CubeSat.

Основные интерфейсы подключения

I2C — датчики:

MPU9250
BME280
CCS811

SPI — модули:

nRF24L01+
microSD module

UART — GPS GY-NEO-6M на D0 (см. прошивку main_full).

GPIO — зуммер и адресная LED-лента (WS2812).

Радиоканал: nRF24L01+ по SPI, библиотека RF24 (в коде PIN_NRF_CE, PIN_NRF_CS).

Примечания по подключению

Общая GND для всех модулей.
nRF24L01+ — только 3.3 V на модуль (не 5 V) и стабильное питание.
Общая SPI-шина для microSD и nRF: разные линии выбора чипа — CS карты = D4, CSN nRF = D10.
На I2C линии SDA/SCL общие; устройства с разными адресами.
Линии IRQ nRF и nINT CCS811 в main_full не используются (как и опциональный IRQ на D2 в README).

Как реализовать подключение — прошивка main_full

Цепочка в монтаже:

Источник питания -> Arduino Nano (+ модули питания для 3.3 V) -> I²C / SPI / Serial / GPIO

Главный принцип: сначала питание и общая земля, затем сигналы.

Предупреждение

Перед прошивкой Arduino отключите GPS (или отсоедините провод TX GPS → D0).

На Nano/Uno пин D0 — это RX0 аппаратного Serial: во время загрузки скетча загрузчик и USB-UART используют ту же линию. Если GPS продолжает держать D0, прошивка может не записаться или вести себя непредсказуемо.

План питания

Общая GND.
nRF24L01+ — строго 3.3 V (отдельный модуль питания для nRF — по комплекту).
Остальные модули — по даташитам плат (GPS, SD, датчики); часто на модулях есть собственный регулятор с 5 V входа).

Распиновка main_full: цифровые пины

Константы в коде: PIN_SD_CS = 4, PIN_NRF_CE = 9, PIN_NRF_CS = 10, PIN_LED = 6 (WS2812), PIN_BUZZ = 3.

Пин Arduino	Назначение в прошивке main_full
D0 (RX)	Приём от GPS NEO-6M: TX модуля GPS → D0, `Serial`, 9600 baud. Один UART с USB-монитором — подробный диагностический лог включается отдельной сборкой (`TBOY_SERIAL_DIAG=1` / `full_diag`).
D1 (TX)	Линия UART к ПК при прошивке и `Serial` (общая с монитором порта).
D3	Зуммер активный: в коде LOW = звук, неактивно — HIGH.
D4	CS карты microSD (SPI).
D6	Данные WS2812, в коде 8 светодиодов (NUM_LEDS).
D9	CE модуля nRF24L01+.
D10	CSN (chip select) модуля nRF24L01+.

Распиновка main_full: SPI (общая шина SD + nRF)

Библиотека RF24, шина SPI классическая для Nano/Uno:

Сигнал	Пин Arduino
MOSI	D11
MISO	D12
SCK	D13
CS (SD)	D4
CSN (nRF)	D10
CE (nRF)	D9
Питание nRF	3.3 V (не подавать 5 V на модуль nRF)

Распиновка main_full: I²C (Wire)

Пин	Назначение
A4	SDA
A5	SCL

Устройства на I²C в прошивке
Устройство	Адрес	Примечание
MPU-9250 / MPU-9255	0x68 или 0x69	Выбор автопоиском по WHO_AM_I; на плате часто переключатель AD0.
BME280	0x76	В коде зафиксирован `BME_ADDR`.
CCS811	0x5A	Вариант с выводом ADDR на GND.

Подключение по модулям (под main_full)

Nano + Shield — доступ к 5 V, 3.3 V, GND.
I²C — датчики на A4/A5, адреса как в таблице выше.
nRF24L01+ — SPI и CE/CSN как выше; питание только 3.3 V.
microSD — общий SPI; CS на D4.
GPS — TX GPS → D0, скорость 9600. Перед прошивкой — отключить GPS от D0.
Зуммер — D3 (активный, логика LOW/HIGH как в коде).
WS2812 — линия данных на D6.

Приёмник на ESP32 (кратко)

Для прошивок вроде main_esp32_nrf_rx / main_esp32_gps_web типичная привязка nRF: SPI VSPI — SCK=18, MISO=19, MOSI=23, CSN=4, CE=2 (как в исходниках; уточняйте по своему .cpp).

Порядок первого запуска

Мультиметром проверить отсутствие КЗ между VCC и GND.
При необходимости отключить GPS от D0, прошить скетч main_full, снова подключить GPS (если используете загрузку через USB с подключённым модулем — см. предупреждение выше).
Подать питание без радиомодуля (при отладке), проверить старт Nano.
I²C-сканером или логикой прошивки проверить датчики.
Проверить SPI: SD (CS=D4) и nRF (CSN=D10, CE=D9) при общей шине.
Проверить GPS (TX→D0, 9600) и при необходимости приёмник ESP32 по каналу/пайпу из README.

Мини-чеклист перед эксплуатацией

Полярность питания проверена.
Все земли объединены.
Для SPI у каждого устройства свой CS.
Для nRF24L01+ — отдельное стабильное 3.3V.
Пины совпадают с кодом прошивки.