Ich habe vor einigen Tagen einen Gutschein von PCBWay bekommen. Im Gegenzug dazu veröffentliche ich auf meiner Webseite eine Rezension. Dieser Artikel ist die Rezension zu den kostenlos erhaltenen Leiterplatten. Zuerst die fertig bestückte Leiterplatte bereits auf dem RaspberryPi montiert. Wenn ihr euch über den Link anmeldet und eine Bestellung aufgebt, bekomme ich einen kleinen Bonus für weitere Platinen.
Die Leiterplatte kam in einem Fedex Paket. Als Express. Innerhalb von 5 Tagen nach Bestellung. Unglaublich schneller Service auf Seiten von PCBWay. Deutsche Leiterplatten Hersteller haben ähnliche oder längere Lieferzeit bei weit höheren Kosten.
Im Paket waren Aufkleber, ein Weihnachtsgeschenk und die Leiterplatten. Das Weihnachtsgeschenk ist ein PCB Weihnachtsmann, der über Batterie betrieben leuchtet. Die Leiterplatten sind wie üblich eingeschweißt um sie vor Korrosion und Schmutz zu schützen.
Ausgepackt zeigt sich die hervorragende Qualität der Boards. Bei der ersten Inspektion lassen sich keine Fehler erkennen. Sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite. Auch die Abmessungen der Leiterplatte ist genau getroffen, so weit ich das mit dem Messschieber nachmessen kann. Die Bilder unten zeigen die Leiterplatte von beiden Seiten. Die Fräskontur ist wie in den Gerberdaten angegeben ausgeführt. Die Kerbe an der linken Seite, sowie der Schlitz sind wie gewünscht ausgeführt.
Ich habe neben den Bildern noch Aufnahmen mit dem Mikroskop gemacht. Dabei zeigen sich weitere Qualitätsmerkmale der Leiterplatten.
Das oben gezeigte Bild ist mit einem USB Mikrokop aufgenommen und zeigt 0,25mm breite Leiterbahnen und Vias mit 0,4mm Loch und 0,4mm Restring. Sehr gut ist zu erkennen, dass die Löcher der Vias sehr genau in der Mitte des Rings liegt. Das ist ein Zeichen für hohe Genauigkeit beim Referenzieren der Panels bei der Fertigung. Rechts neben dem Bild sind die originalen CAD-Daten des fotografierten Ausschnitts. Gut zu sehen ist auch, wie genau der Siebdruck zu den Kupferstrukturen ausgerichtet ist.
Dieser kleine Siebdruck zeigt, wie filigran PCBWay in der Lage ist Siebdruck auf die Platine zu bringen. Für Prototypen wird meistens kein Sieb hergestellt sondern mit einem Rasterverfahren gearbeitet. Dabei geht ein Druckkopf, ähnlich wie beim Tintenstrahldrucker, Zeile für Zeile die Platine entlang und positioniert tröpfchenweise Tinte, die Später entweder getrocknet, oder über UV-Licht ausgehärtet wird.
Zum Schluss noch einige Nahaufnahmen der Lötstellen. Rechts vor und links nach dem Löten sehen die Strukturen sehr gut aus. Auch mit dem Lötkolben war es sehr angenehm zu arbeiten. Die Pads sind gut verzinnt (HASL) und nehmen Lötzinn (bleihaltig und bleifrei) sehr gut an. PCBWay ist also ein Leiterplattenhersteller, den ich sehr empfehlen kann. Ich habe auch schon bestückte Leiterplatten bestellt. Die waren von der Qualität auch sehr zufrieden stellend.
Wir hatten ca. 500 Downloads. Vielen Dank fürs Anhören.
Julian hat nach weiteren Informationen insbesondere zum Druckkopf des Mini Druckers gefragt. Chris erzählt wie er vor hat das Hotend zu gestalten und zu erhitzen.
Raphael sieht noch Verbesserungspotential was die Detailtiefe betrifft. Wir versuchen daran zu arbeiten.
Neujahrsputz
Wie jedes Jahr haben wir wieder aussortiert. Diese mal rigoros. Es sind insgesamt 3m³ geworden.
Projekt Knöpfchenspiel
Wie bereits im Blog beschrieben, handelt es sich beim Knöpfchenspiel um ein Arcade-Hallen Spiel. Das ganze wird allerdings etwas anders aufgezogen. So haben die Spielen nicht nur 9 Knöpfe, wie im Video, sondern 16 in einem 4×4 Raster. Basti beschreibt weiter die einzelnen Module, die das Spiel ausmachen. Es sind zur Zeit nur der differenzielle I2C Treiber auf dem Raspberry Pi fertig. Darüber wird es demnächst auch mehr im Blog zu lesen geben.
Basti erklärt, was ein Raspberry Pi HAT ist und was man dabei beachten muss. Er erzählt auch von der Erfahrung ein Datenblatt für eine selbstgebaute Hardware zu erstellen.
Nach der Fertigstellung des Knöpfchenspiels, kann über weitere Anwendungsgebiete des differenziellen I2C Treibers nachgedacht werden.
Die Kosten für das Projekt belaufen sich auf ca. 222€.
Chip der Woche
Chris hat sich diese Woche den FT230x von FTDI herausgesucht. Der Chip hat neben der Plug&Play 3Megabaud-UART Schnittstelle noch einen 3,3V Regler, den man mit 22mA belasten kann. Dadurch kann eine komplette Schaltung aus den 5V des USB versorgt werden und benötigt für den Mikrocontroller nicht noch zusätzlich einen DC/DC oder Linear-Regler.
Wir wollen die zwei Episoden pro Monat beibehalten, jedoch keinen alle 14 Tage Zyklus festlegen.
Heute beschreibe ich das Knöpfchenspiel. Wie bereits im Podcast erzählt, ist das primäre Ziel das Spiel bis April fertig zu bekommen. Daher gibt es bereits einige fertige Komponenten.
Das originale Knöpfchenspiel steht meistens in Spielhallen und kann dort gegen Geldeinwurf gespielt werden. Dazu müssen die leuchtenden Knöpfe gedrückt werden. Jeder Knopfdruck gibt einen Punkt. Wenn ein nicht leuchtender Knopf gedrückt wird, wird ein Punkt abgezogen. Das sieht dann so aus:
Das von mir geplante System ist ähnlich aufgebaut. Nur dass die Spieler nicht gegenüber, sondern nebeneinander spielen und dass die Punkteanzahl an einem großen Fernseher dargestellt wird und nicht auf einer 7-Segementanzeige. Dazu wird das System in mehrere Submodule aufgeteilt.
System-Controller (Raspberry-Pi)
Bus-Interface (Differenzieller I²C Bus Treiber)
Knöpfchen-Controller (STM32F030)
Knöpfchen
LED-Band-Controller
Power Supply
System-Controller
Der Raspberry Pi übernimmt die Steuerung des Spiels und die Anzeige der Punkte am Bildschirm. Dazu wird das HDMI Interface in maximaler Auflösung (1920×1080) betrieben. Weiterhin hängt am Pi noch eine Webcam (USB) mit der die Spieler für die High-score Liste fotografiert werden. Auf dem Raspberry steckt die DIIC Baugruppe. Das Bus-Interface Board Bus-Interface
Bus-Interface
Um einen stabilen I2C Bus über alle Baugruppen zu bekommen, habe ich mich für einen Differenziellen Bustreiber entschieden. Dieser ist in der Lage die Eindraht-Signale der I2C Strecke auf zwei differenzielle Signale aufzuteilen. Diese sind wesentlich unempfindlicher gegenüber elektromagnetischer Störung. Das Bus-Interface Board besitzt die nötigen Stecker für den Knöpfchenspiel Bus, ein RJ45 Stecker, der über normale LAN-Kabel miteinander verbunden werden kann.
Knöpfchen
Das Knöpfchen ist ein 60mm durchmessender Plastik Druckknopf (Schließer), der von hinten beleuchtbar ist. Die Beleuchtung wird von einer weißen LED übernommen.
Knöpfchen Controller
Die 16 Knöpfchen sind an dem Knöpfchen-Controller angeschlossen. Der Controller ließt den Schaltzustand der Knöpfchen ein und vergleicht ihn mit den Lampen. Wenn die Lampe an war, wird der Punktestand um eins erhöht, wenn die Lampe aus war, wird der Punktestand reduziert, bis er bei 0 angekommen ist. Auf dem Knöpfchen-Controller Board ist ein DC/DC Wandler, der die 12V Bus-Spannung auf 5V herab setzt. Die 5V werden dann mit einem linear Regler auf 3,3V für den Controller heruntergesetzt. Die Knöpfchen und Lampen in den Knöpfchen können mit 12V, 5V, oder 3,3V versorgt werden. Der Controller besitzt ein I2C Slave-Interface, dass die Spielinformationen an den Spiel-Controller übertragen kann.
LED-Band-Controller
Um das Spiel von Außen attraktiver zu gestalten, habe ich vor eine LED-Leiste an der Kante anzubringen, ähnlich wie bei der oben gezeigten Variante. Dafür habe ich WS2812 LEDs als Leitungsband vorgesehen. Gesteuert werden die LEDs von einem eigenen Controller. Wahrscheinlich der Arduino Nano, den ich schon für die Bühnenkulisse verwendet habe. Den kann man über die USB -> UART Brücke auf dem Arduino vom Raspberry Pi ansprechen. Für das System werden zwei AC/DC Netzteile eingesetzt. Ein 5V und ein 12V Netzteil. Das 5V Netzteil ist für die Versorgung des Raspberry Pis und LED-Band vorgesehen. Das 12V Netzteil übernimmt die Versorgung des Bus-Systems, Knöpfchen-Controller Boards und der Knöpfchen. Beide werden über den gleichen Kaltgeräte-Stecker angeschlossen und abgesichert.
Wir sind Chris und Basti. Wir sind Elektronik Entwickler und machen das nicht nur beruflich.
Wir versuchen uns an einem Podcast mit dem Thema Elektrotechnik.
Private Projekte
Basti hat drei Projekte. Das erste ist eine Smartwatch, mit Sch, also Schmartwatch. Eine Armbanduhr mit e-ink Display und Bluetooth. Das zweite ist das Knöpfespiel. Mit so großen Knöpfen zum Draufhauen. Das dritte ist das Retrofit Board für das Nokia 3210.
Chris hat ein großes Projekt, der Mini 3D Drucker. Die Leiterplatten dazu hat er bei JLCPCB geordert. Die Teile gabs bei LCSC Außerdem baut er gerne PCs zusammen und verkauft die dann wieder.
Chip der Woche
Der ATmega2560 von Atmel Microchip. Und der gute alte LM1117 von National TI.
Neuigkeiten
Normalerweise hätten wir Neuigkeiten. Aber so gut vorbereitet wie wir sind haben wir keine.
Die erste Version der Hardware hatte einige kleine Bugs. Darunter war ein Fehler in der Booster Schaltung für VCOM des E-paper Displays, Kondensatoren, die nicht spannungsfest genug waren und kein Piezo Piepser. Alles das ist in der zweiten Version der Hardware vorhanden. Mit der Bestellung habe ich eine ganze Weile gewartet, da ich erst alle Teile der Hardware, die bereits vorhanden ist und funktioniert testen wollte. Das ist jetzt geschehen und die zweite Version kann hergestellt werden.
Die alte Version der Hardware hat einige Pinbelegungen anders als die Neuere. Daher ist die Software bereits dafür ausgelegt, die richtige Header Datei einzubinden, wenn für die eine oder andere Hardware kompiliert wird.
Hier eine Übersicht der aktuellen Funktionen. Links oben befindet sich der Piezo Buzzer. Um dafür Platz zu machen, ist der Bewegungssensor U4 und der Mikrocontroller U3 weiter nach rechts gewandert. Die RTC, die unabhängig vom Controller läuft, ist ein wenig weiter nach unten gewandert und sitzt jetzt rechts oberhalb der Batteriehalterung. Unterhalb der Batterie befindet sich der Teil der E-paper Ansteuerung. Im Gegensatz zur Version 1 ist hier die Schaltung mit 0603 Bauelementen ausgelegt. Daher können Kondensatoren mit höheren Spannungsfestigkeiten eingesetzt werden. Ein zusätzliches Feature ist die Beleuchtung des Displays. Dafür ist ein weiterer Flat-Flex-Stecker vorgesehen: J4.
Das PCB, das ich bestellt habe wird aus 0,4 mm dickem FR4 hergestellt und kommt damit der Dicker eines Flex-Boards mit Stiffner nahe. Eventuell ist sie auch flexibel genug um für das Handgelenk gebogen zu werden. Der Stecker sollte zwar mit einem 0,3 mm dicken Flex-Board verwendet werden, aber vielleicht passt das 0,4 mm dicke ja trotzdem.
Auch hier ist die Wahl wieder auf FR4 als Boardmaterial gefallen, da die Flex Boards alle viel teurer sind. Wenn mehr als 5-10 PCBs bestellt werden können, weil ich mir sicher bin, dass es das endgültige Design ist, dann ist Flex wieder nicht zu teuer. Bis dahin wird FR4 genügen müssen.
Einer der nächsten Schritte wird es sein, die Hardware und die Software für die Veröffentlichung vorzubereiten. Im Moment schließe ich die BOM ab, sodass eine Liste aller benötigten Bauelemente zur Verfügung steht. Weiterhin kommt dann noch ein neueres 3D Modell zum Einsatz. Auch hier sind einige Design Änderungen eingeflossen, die in der ersten Version noch nicht beachtet wurden. Dazu aber später mehr.
Hier ist das Ergebnis des Batterie Tests. Wie anhand der Oszilloskop-Bilder zu sehn war, ist die Batterie kontinuierlich beansprucht worden. Das hat sie nicht lange mit sich machen lassen und so stand heute, als ich aus dem Urlaub zurück gekommen bind, folgendes Ergebnis fest:
Die Uhr lief genau bis zum 29.09. 02:29 Uhr. Das ist nicht besonders lange. Gerade einmal 6,5 Stunden.
Das Ergebnis zeigt, dass es noch zu viele aktive Stromverbraucher gibt. Der nächste Schritt wird sein, diese zu finden und zu beseitigen.
Ich habe jetzt Urlaub und was bietet sich da besser an, als ein Laufzeit Experiment. Die Uhr ist mit der aktuellen Software ausgestattet, das Softdevice ist initialisiert, aber nicht aktiv. Ich habe eine neue Batterie eingelegt und lasse die Uhr jetzt einfach liegen. Dank des E-Ink Displays kann man genau sehen, wie lange die Uhr lief, bevor kein Update mehr kam. Das Foto zeigt die Uhr kurz nach dem Start beim Updaten der Minute.
Testbedingungen
Test startete am 28.09.2018 19:56 Git Revision 0c692ed
Hardware:
FR4 Prototyp mit Display Adapter Platine
J-Link Adapter mit Diode
CR2032 Lithium Knopfzelle von EDEKA zuhause MHD: 12-2022
Zum Schluss noch einige Messungen während die Uhr läuft:
Zustand der Spule am Schaltpunkt des DCDC-Konverters während des Ruhe Betriebs. Dieser Spannungsverlauf hat eine Einschaltdauer von 15%.
Zustand der Spule am Schaltpunkt des DCDC-Konverters während einer Aktualisierung.
Spannung an der Batterie während des Ruhe Betriebs.
Spannung an der Batterie während einer Display Aktualisierung.
Um eine elektronische Baugruppe herstellen zu können benötigt man neben einer Leiterplatte elektronische Komponenten. Diese haben spezifische Werte, um die gewünschte Funktion zu erzielen. Spezifiziert werden die Werte beim Eingeben des Schaltplans. In KiCad geht das mit dem Programm Eeschema. Anhand der Funktion und angegebenen Parametern kann eine Auswahl getroffen werden, welche Bauteile von welchem Hersteller für eine Komponenten im Schaltplan verwendet werden können. Ähnlich wie bei der Herstellung von Leiterplatten können dann verschiedene Gründe, wie Lieferzeit und Preis, die Auswahl beeinflussen. Betrachtet man diese Schaltung, zeigt sich dass hier folgende Komponenten verwendet werden:
Zwei Widerstände, eine Spule , zwei Kondensatoren, drei Schottky Dioden und ein Transistor. Im Schaltplan sind alle wichtigen Informationen eingeblendet um die Schaltung ausreichend zu spezifizieren. Der Transistor ist angegeben als Si1308EDL. Dieser wird von der Firma Vishay hergestellt und ist nur im SOT-323 Package zu bekommen. Für die Schottky Dioden ist eine Typenbezeichnung angegeben: MBR0530. Ebenso eine Gehäuseform: SOD-123. Somit kann als Bauteil eine Diode von ON Semi oder MCC eingesetzt werden. Bei den Kondensatoren, Widerständen und Spule ist die Auswahl noch größer. Die Kondensatoren haben als Werte die Kapazität, Gehäusegröße und maximal Spannung angegeben. Mit diesen Werten bieten sich mehrere Hersteller an. Hier sind zum Beispiel Murata, Yageo oder TDK zu nennen. Jeder der Kondensatoren, der die angegebenen Werte erfüllt ist geeignet in dieser Schaltung verwendet zu werden. Die Spule ist ähnlich wie die Kondensatoren mit drei Charakteristiken spezifiziert. Der Induktivität, dem maximalen Strom und der Bauform. Mit diesen Parametern bieten sich Spulen der Hersteller Taiyo Yuden oder TDK an. Beide Spulen sind geeignet. Bei den Widerständen sind lediglich die Gehäuseform (0603) und der Ohmsche Widerstandswert angegeben. Daher bieten sich eine Vielzahl an Herstellern an, z.B. Stackpole, Bourns, Vishay, Yageo oder Susumu.
Wie zu sehen ist, stehen für viele Komponenten der Schaltung Alternativen zur Verfügung. Diese sind grundsätzlich alle geeignet um eine funktionierende Baugruppe zu bilden. Beim Herstellen kann also die günstigste oder kurzfristig beschaffbare Variante gewählt werden. Das ganze zu verwalten nennt man BOM-Management (Bill of Material). In größeren Unternehmen sind ganze Abteilungen damit beschäftigt, die Verfügbarkeit von Alternativen für die Bestückung der Leiterplatte zu sichern. Im kleinen Rahmen reicht aber eine solche Tabelle völlig aus.
Im aktuellsten KiCad (5.0.0) ist das Management der BOM nicht ganz ausgereift, aber dennoch brauchbar. Die Tabelle wird dynamisch mit den Komponenten im Schaltplan aktualisiert und kann auch die einzelnen Gruppen als ganzes bearbeiten. So sind zum Beispiel alle Kondensatoren mit 100nF gruppiert. Wenn in der Gruppe ein Feld geädert wird, ändert sich auch jede Komponente in der Gruppe. So kann nach der Schaltplaneingabe schnell eine Zuordnung der einzelnen Komponenten zu Bestellnummern (MPN) hergestellt werden. Das Feld Price habe ich noch zusätzlich eingefügt, um einen groben Überblick über die Kosten zu behalten. Wenn in der Tabelle die Felder fehlen, kann einem beliebigen Bauteil das Feld im Eigenschaften-Dialog hinzugefügt werden. Danach sthet es allen Komponenten zur Verfügung.
Mit diesen Feldern in den Eigenschaften der einzelnen Komponenten kann eine Stückliste erzeugt werden, die viele Informationen für eine Bestellung beinhaltet. Über den BOM Ausgabedialog kann das Plugin bom_csv_grouped_by_value ausgeführt werden. Wenn das in der Auswahl nicht aufgeführt ist, aknn es über Add Plugin hinzugefügt werden. Im Ordner „C:\Program Files\KiCad\bin\scripting\plugins“ befindet sich das Script.
Weiterhin sollte in der Kommandozeile das %O durch ein %O.csv ersetzt werden, wie in der Abbildung zu sehen. Dadurch wird der erzeugten Datei die Endung .csv gegeben anstatt keiner.
Nachdem die BOM generiert wurde, findet ihr die Ausgabe im Projektordner mit den Namen des Projekts und wenn die Kommandozeile angepasst wurde mit Endung .csv. Hier sind die Werte der Tabelle als Text abgespeichert und können in einer Tabellenkalkulation bearbeitet werden. Diese Liste kann auch dem Hersteller der Baugruppe übergeben werden. Eventuell müssen hier noch Komponenten gelöscht werden um mögliche Verwirrungen zu vermeiden.
Um Signale an der Flachbaugruppe gut messen zu können, werden Testpunkte in der Schaltung verwendet. Diese sind zwar Komponenten im Schaltplan, haben aber kein Bauteil, das bestückt werden muss. Daher kann in der Stückliste die Zeile entfernt werden. gleiches gilt für die Widerstände, die als DNP (Do Not Place) markiert sind. Auch einer der Steckverbinder soll nicht verlötet werden, daher kann er aus der Liste gestrichen werden.
Was jetzt übrig bleibt, ist eine vollständige Stückliste mit alternativen Bauteilen, wenn möglich, aus der jeder Hersteller ein Angebot für die Baugruppe erstellen kann.
Auf meiner Pebble Smartwatch wird die aktuelle Uhrzeit mit dieser Watchface angezeigt. Die gefällt mir so gut, dass ich mich davon inspirieren ließ und für meine Schmartwatch eine 7-Segment Watchface entworfen habe.
Die Uhr ist im Moment nur in der Lage das Display komplett anzusteuern. Das heißt, es wird jede Minute das komplette Display neu gezeichnet. Der Prozess dauert einige Zeit und benötigt während der Aktualisierungsphase wesentlich mehr Strom als im Standby / Power-off Zustand. Um von der aktuell geringen Batterielaufzeit (einige Tage) auf eine bessere Laufzeit (einige Monate) zu kommen, sollte ein komplettes Update des Displays so selten wie möglich gemacht werden. Dazu mehr, wenn es um das partielle Update geht.
Die Watchface ist nach dem folgenden Muster aufgebaut:
Die RTC löst einen „Minute hat sich geändert“ Alarm aus.
Lösche den Framebuffer.
Zeichne den Hintergrund.
Schaue, ob sich der Monat geändert hat, wenn ja, aktualisiere den Bereich im Framebuffer.
Schaue, ob sich der Tag geändert hat, wenn ja, aktualisiere den Bereich im Framebuffer.
Schaue, ob sich die Stunde geändert hat, wenn ja, aktualisiere den Bereich im Framebuffer.
Schaue, ob sich der Minute geändert hat, wenn ja, aktualisiere den Bereich im Framebuffer.
Wecke das Display aus dem Energiesparmodus.
Warte, bis das Display bereit ist.
Schreibe den Framebuffer in das RAM des Displays und starte ein volles Update.
Warte, bis das Update fertig ist.
Setzte das Display in den Energiesparmodus.
Als Hintergrund Bild ist dieses binäre Bitmap hinterlegt. Es ist 152×152 Pixel groß und nimmt somit das komplette Display ein. Bei dieser Größe hat das Bild 23.104 Pixel. Es benötigt also 2.888 Byte Programmspeicher und RAM. Der erste Schritt diesen Speicherbedarf zu kürzen ist, den großen Anteil weiß in der Mitte des Bildes auszulassen, das Bild also in zwei Teile zu zerlegen. Diese sind dann nur 45 Pixel hoch, benötigen also nur 855 Byte je Bild macht also eine Speicherersparnis von ca 30%. Bei weniger komplexen Grafiken kann es sogar effizienter sein, die Grafik bei Bedarf in den Framebuffer zu zeichnen. Genau das ist nämlich die 7-Segment Anzeige. Die Segmente sind simple Grafiken, die bei Bedarf gezeichnet, oder weggelassen werden können. Wie die Abbildung zeigt, ist ein Segment nichts weiter als ein gefülltes Rechteck, an dessen Stirnseite je eine kürzere Linie gezeichnet wird. Die Grafik wurde mit dem Simulator Tool erzeugt, der den gleichen Render-Code besitzt, wie die Uhr. Allerdings sind die Pixel um das Zweifache vergrößert dargestellt. Das hilft beim Erstellen der Grafiken enorm. Da das Display ziemlich klein ist, ist ein einzelnes Pixel schwierig zu erkennen.
Eine Zahl im Sieben-Segment Display wird dann aus waagerechten oder senkrechten Elementen gezeichnet und so müss nicht jede Zahl von 0 bis 9 als Bitmap im RAM vorgehalten werden.
Wenn man den oben beschriebenen Ablauf genauer betrachtet, kann man erkennen, dass ein partielles Update des Displays relativ einfach zu bewerkstelligen sein sollte. Jedesmal wenn sich ein Wert geändert hat, wird die betroffene Fläche mit einem partiellen Update aktualisiert. Die Dokumentation des Displays ist leider nicht sehr aussagekräftig, was den Ablauf des Updates betrifft. Daher wird dieses Thema ein eigenes Kapitel bekommen.
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