Pick and Place: Teil2 JUKI Placemat 460 Retrofit Board

Wie im Podcast schon erwähnt, haben wir uns überlegt den 286er der JUKI Placemat 460 durch einen STM32F4 zu ersetzen. Also gesagt getan. Erst war die Überlegung das Steuerboard inkl. PC zu ersetzen und die neue Flachbaugruppe an die gleiche Stelle wie die alte Steuerplatine zu possitionieren. Sozusagen ein Retrofit Board. Alle alten Stecker sollten verwendet werden. Als dann die alten Schaltunterlagen gesichtet wurden, wurde diese Entscheidung kurzerhand überdacht und verworfen. Es wurde ein Board entwickelt, welches zwar den 286er ersetzt, aber nicht die Steuerplatine. Dazu musste einfach nur die 3V3 Welt des STMs in die 5V Welt der Steuerplatine umgesetzt werden.

Wie es so ist, wurden noch ein paar Interfaces neu ergänzt. Da noch Unsicherheit besteht, welches das Richtige ist, sind hier mehrere zum Einsatz gekommen. Es wurden Interfaces für eine µSD Karte, ein 100MBit LAN und ein USB zu UART bereitgestellt. Da auch die Überlegung besteht, den Bestückkopf um mehr als nur 90° drehen zu lassen wurden auch noch 2 Polulu Steckplätze vorgesehen. Alles in allem ist die Platine doch sehr kompakt geworden. Geradeeinmal 100x85mm.

So in der Art soll das Board später mal eingebaut sein. Im Idealfall werden nur die 2 Flachbandkabel benötigt und das Board ist fertig zur Verwendung. Bei den Bauteilen wurde darauf geachtet, möglichst wenig Varianz zu haben. Für das komplette Board, kommen nur 15 verschiedene SMD und nur 5 verschiedene THT Bauteile zum Einsatz. Alle Bauteile waren bei JLCPCB  bzw LCSC bestellbar. Genug Bauteile für 2 Flachbaugruppen, 5 Rohleiterplatten und eine Schablone haben zusammen nur ca. 80€ gekostet. Sobald alles da ist wird es spannend. Mal sehen ob die Flachbaugruppe als erste mit dem Bestückautomat herzustellen geht.

Schmartwatch [14]: Flex Baugruppe bestücken

Die flexieblen Leiterplatten wurden geliefert und ich kann jetzt mit der Bestückung beginnen. Die Bestückung der ersten Leiterplatte werde ich in einzelnen Phasen durchführen. Zuerst wird der DCDC Konverter U2 bestückt. Dieser sitzt auf 6 BGA Bällchen und ist nicht leicht zu platzieren.
Wie man in den Aufnahmen bereits sehen kann, ist die Referenzierung der Siebdruck, Lötstopp und Kupfer Maske nicht ganz akkurat. Daher wurde an den Stellen der kleinen Landepads auch nachgearbeitet. Mit dieser Modifikation sollte es nun möglich sein die Bauteile korrekt und ohne Kurzschluss zu verlöten. Wenn ich die TPS61099 verlötet habe, kann ich mit dem Multimeter die Lötstellen auf Kurzschlüsse prüfen. Das Verlöten wird mit dem Heißluftfön passieren. Dabei wird mit Flussmittel eine Barriere zur Athmosphäre hergestellt (viel hilft viel) und der Chip erhitzt, bis das Lötzinn flüssig ist. Die suaerstoffhaltige Athmosphäre soll absgeschottet werden, um ein oxidieren (verbrennen) des Lot zu vermeiden. Im industriellen Herstellungsprozess wird das mit zum Beispiel einer Schutzathmosphäre erreicht. Anschließend kann dann mit dem Lötkolben die restliche Beschaltung dazugelötet werden. Wahlweise kann auch hier die Heißluft eingesetzt werden um die Bauteile zu verlöten.

Wenn der Regler aus den 3V Eingangsspannung die gewünschten 3,3V Ausgangsspannung erzeugt, kann die MCU, also der Microcontroller U3 bestückt werden. Dieser hat ebenfalls Landepads, die allerdings größer sind als die kleinen Kreisförmigen des Spannungsreglers. Hier musste nicht nachgearbeitet werden um die Pads mit Lötstopplack zu trennen. Diese Trennung ist wichtig, denn sonst könnnen sich Brücken bilden, die man von Außen nicht sehen kann. Für den Microcontroller kann ebenfalls eine Kurzschlussmessung erfolgen, ebenso wie eine optische Inspektion unter dem Mikroskop. Wenn der Lötvorgang für Gut befunden wird, kann die restliche Peripherie um den Controller gelötet werden. dazu gehören: Stützkondensatoren, und Vorspannungswiderstände. Wenn alle diese Komponenten verlötet sind, sollte der Controller über den Debug-Port erreichbar sein.
Sollte das der Fall sein, kann mit der Bestückung der externen ePaper Beschaltung begonnen werden. Diese, zusammen mit dem Stecker J3 ist für sie Uhrenfunktion absolut notwendig. Die Echtzeituhr und der Bewegungssensor werden nacheinander dazugelötet und auf Kurzschlüsse überprüft. Jede der Komponenten sollte dann einzeln in Betrieb genommen werden.

Die Bilder zeigen, dass der Offset des Siebdrucks leider so stark ist, dass der Rahmen um die Komponenten nicht als Referenz zum Platzieren herangezogen werden kann. Das ist schade, denn jetzt muss ich mich auf die optische von der Seite erfolgende Bewertung der Platzierung verlassen.

Die Rückseite der Flexplatine ist mit einer dicken Schicht Polyimid (PI) versehen. Da auf der Rückseite allerdings auch einige Messpunkte anfgebracht sind, wurde in der Schicht Öffnungen vorgesehen.

Diese Öffnungn sind groß genug um mit dem Tastkopf an das darin liegende Pad zu gelangen. Somit ist das Testen in einem Testadapter möglich. Diesen habe ich allerdings noch nicht entworfen.
Um die Uhr weiter zu stabilisieren wird der Batteriehalter in der Mitte mit einem thermisch aushärtenden Kleber fixiert. Das Kunststoffgehäuse des Halters kann so Längs und Quer Kräfte aufnehmen, die die Platine in der Mitte durchbiegen würden.

Beim Auflöten der zusätzlichen Komponenten habe ich an eine noch unbekannten Stelle einen Kurzschluss, oder besser gesagt eine Diodenstrecke von  0,4V in beide Richtungen. Hier muss ich also erst noch ein bisschen nacharbeiten, bevor ich mit dem Prototyp eine Funktion testen kann.

Wenn die Funktion gegeben ist, werde ich als nächsten Schritt die Software so weit fertig machen, dass sie initial released werden kann. Dazu fehlt noch ein wenig Code, vor allem die Funktion die Updatemuster des ePapers zu kontrollieren.

Schmartwatch [13]: Flex Baugruppe bestellen

Wie bereits von Anfang des Projekt an vorgesehen, soll die Leiterplatte der Schmartwatch gleichzeitig auch das Armband sein. Dazu ist eine flexible Leiterplatte vorgesehen. Diese Art von Leiterplatte ist im Gegensatz zu herkömmlichen Leiterplatten aus eine Kunststofffolie hergestellt und nicht aus Glasfaser verstärktem Epoxid-Harz (FR4). Gewöhnliche Leiterplatten aus FR4 lassen sich mit einer Mindestdicke von 0.4mm herstellen. Das ist aber nicht flexibel genug für unsere Anwendung als Armband.
Eine wichtige Eigenschaft einer Leiterplatte ist die Möglichkeit sie im Reflowprozess zu verlöten. Dazu muss das Leiterplattenmaterial allerdings auch tempertaurresistent sein. Bleifreies Lötzinn schmilzt bei 217°C und ein gewöhnlicher Reflowprozess steigt bis auf 245-250°C an um die Löttemperatur für ca. 30 Sekunden aufrecht zu halten. [Quelle]

Quelle: http://www.gp-ics.com/pdf/far1.pdf

Die flexible Leiterplatte muss diese Temperaturen aushalten können, ohne ihre Form und Festigkeit zu verlieren. Aus diesem Grund ist das Basismaterial der Leiterplatte ein Polyimid mit einer Stärke von 12,5µm. Auf dieses Basismaterial wird eine 13µm dicke Kleberschicht und 18µm Kupfer aufgebracht. Das Kupfer bekommt dann eine Deckfolie aus Polyimid mit 25µm Stärke. Zur Stabilisierung der Leiterplatten an den Stellen an denen Bauteile bestückt werden, sind zusätzlich zu der 170µm dicken Leiterplatte 150µm dicke Stabilisierungplatten aufgeklebt, ebenfalls aus Polyimid.

Somit ergibt sich eine Dicke von 0,325mm für die Leiterplatte mit Stabilisierungsplatte. Diese soll die benötigte Stabilität mitbringen, um die Bauteile nicht durch einfache Biegung abreißen zu können. Für das Handhaben wird allerdings noch ein stabilerer Rahmen benötigt. Dieser soll ebenfalls reflow geeignet sein und muss daher auch aus einem temperaturstabilen Kunststoff hergestellt werden. Aktuell werde ich eine unbestückte FR4 Leiterplatte als stabilisierendes Element verwenden und die flexible Leiterplatte mit Kapton Klebeband befestigen. Kapton ist ebenfalls ein Polyimid und kann einen Reflow-Prozess locker verkraften. Wenn die Bauteile der Uhr einmal verlötet sind, sollten sie für mehr Eigenstabilität sorgen. Im Design ist zu erkennen, dass der Batteriehalterung in der Mitte der Schaltung sitzt. Dieser ist selbst noch zusätzlich mit doppelseitigem Klebeband fixiert und somit eines der stabilisierenden Elemente.

Wenn die Uhr trotzdem zu instabil ist, werde ich eine gefräste Aluminiumplatte als Basis verwenden können. Die Testpunkte am Boden der Leiterplatte sind nur mit Messspitzen durch kleine Öffnungen in der stabilisierende Folie erreichbar, sind aber nicht durch eine flache Metalloberfläche kontaktierbar.

Bestellt habe ich die Flex Boards bei PCBgogo. Mit 8 Tagen Herstellungszeit sind die Flex-Boards bereits fertig und zur Zeit befinden sich die Leiterplatten bei der Post in Hongkong. Kann also nur noch ein paar Tage dauern, bis sie geliefert werden. Dann sehen wir weiter, Bauteile sind genügend vorhanden.

Pick and Place: Teil1

Wir haben uns einen Bestückautomat gekauft. Wie das mit unseren Käufen meistens so ist, spontan. Chris hat den Automat bei ebay Kleinanzeigen gesehen und 2 Tage später haben wir ihn in den Keller von Basti gebracht. Der Automat wiegt stolze 300kg und besteht hauptsächlich aus Stahl.

Der Automat  besitzt einen Transformator, der die Eingangsspannung von 230VAC in 100VAC umwandelt. Dieser wiegt stolze 12 kg und besteht aus ziemlich viel Kupfer. Die 100VAC Spannung wird im Automat in zwei DC Spannungen konvertiert. 24V und 5V. Bei Kauf und Erst-Inbetriebnahme im Keller zeigt der Steuerungsrechner eine Fehlermeldung an. Diese war leider in den Unterlagen nicht dokumentiert und lautete "Notstop betätigen! PWB-Stecker nicht verbunden." Der Steuerungsrechner ist ein 286er der mit dem Automaten über parallele Schnittstellen kommuniziert. Die parallelen Schnittstellen sind zwei Einsteckkarten in den ISA-Bus des Rechners. 

Bei der Fehlersuche wie wir die Fehlermeldung loswerden, hat Chris herausgefunden, dass die LED des 5VDC Nezteil nicht leuchtet. Wir haben uns mit einem Labornetzteil an den 5V Kreis gehängt, nachdem wir mit einem Multimeter auf Kurzschluss nach Masse getestet haben. Die Stromaufnahme war ca. 500mA und die Fehlermeldung verschwand. Also haben wir uns entschlossen das Netzteil zu reparieren. Bei näherer Untersuchung hat sich gezeigt, dass einer der Elektrolyt -Kondensatoren ausgelaufen ist und das ganze Netzteil mit klebriger Pampe verschmiert hat. Das hat wohl zu einem Kurzschluss geführt. Ziemlich erstaunlich, dass in einem 30 Jahre alten Gerät die Elkos noch flüssiges Elektrolyt haben. Spricht für deren Qualität.

Wir haben also eins der super kleinen 230VAC auf 5VDC/2A Netzteile anstelle des alten Netzteils eingebaut und siehe da, die Kiste läuft und reagiert auf Steuerbefehle vom Rechner. Beeindruckend ist auch der Unterschied in der Bauform der Netzteile. Das kaputte Netzteil konnte aus den 100VAC 5VDC mit 1A Strom erzeugen. Das neue Netzteil ist ist ungefähr so groß wie eine Briefmarke, hat einen breiteren Eingangsspannungsbereich und kann den doppelten Strom am Ausgang liefern.

Wir haben einen Initialisierungstest durchgeführt uns alle Funktionen einmal getestet. Wie nicht anders zu erwarten ist die Bedienung etwas umständlich. Es gibt kein USB (Verison 1.0 wurde erst 4 Jahre nach Baujahr der Maschine veröffentlicht) und eine serielle Schnittstelle ist auch nicht zu finden, also werden wir um ein Update nicht herum kommen wenn das Teil sinnvoll eingesetzt werden soll. Denn irgendwie wollen wir unsere Daten automatisch vom PC in den Bestückautomaten bekommen.

Wir haben uns entschlossen die Kiste auf eine aktuelle Hard-/ und Software zu bringen. Dazu werden wir ein neues Interface-Board entwickeln, dass so aufgebaut ist, dass es mit den originalen Bedingungen des Bestückautomats herstellbar ist. Quasi ein selbst replizierendes Ersatzteil. Das soll später an die gleiche Stelle wie die aktuelle Interface Karte, und mit den gleichen Steckern arbeiten.

Wie genau müssen wir noch besprechen. Das ist dann eine Sache für den nächsten Eintrag.

Kurzschluss Junkies [0x06]: Gemischte Tüte

Feedback zur letzten Folge war positiv. Ob wir YouTube Videos machen, werden wir sehen. Firma in der wir arbeiten ist unbekannt. Ob wir die irgendwann erwähnen werden wir sehen.
3000+ Downloads in diesem Jahr.

Podcast wird auf jeden Fall fortgeführt. Wir machen weiter.

Allgemeines:

RIGOL1054Z das kleine Osziwunder für <400€ mit Sofwareencoder, FFT und das Beste ist es kann ein eigenes Augendiagramm erstellen. Hat 1G/Sample und 50MHz Bandbreite. Top Hobby-Oszi.

Aus Fehlern lernen:

DRC ist immer von Vorteil und sollte man nicht vergessen.
Zuken ist nicht das beste Tool wenn es darum geht Busse von Subsheet zu Subsheet zu führen. Daher der "gesunde" Blauton im Bild (Videosignal) auf einer seiner Baugruppen. Wir nutzen das etwas ältere CR5000 mittlerweile gibt es CR8000.

Layoutsoftware:

KiCad, Zuken, Pulsonix und Altium mal kurz erwähnt.
KiCad ist ein kostenloses Layouttool was durchaus mit den professionellen Tool mithalten kann.
Zuken ist zumindes bei uns etwas buggy aber durchaus nutzbar für Großprojekte.
Pulsonix ist das modernere Zuken welches auch etwas günstiger ist.
Altium ist ein Tool welches etwas besser sein soll jedoch auch teuerer, aber vom Hörensagen ein sehr gutes Programm ist.

Basti hat für KiCad einen Bugfix bereit gestellt für einen Haken und Stacked-Vias in seine Version implementiert.

Projekt Genesis:

Das Alexagame für zwischendurch. Wer wollte schon immer mal ein KI sein und über die Zukunft der Menschheit entscheiden? ;)

Der Minidrucker:

Beim Minidrucker geht der Stepperdriver von ST zumindest wenn das Board extern ist. Um das Mini-Drucker-Mainboard richtig bestücken zu können brauchen wir einen Fineplacer. Der Bausatzlink folgt. Bei motedis kann man günstig mechanische Teile kaufen.

PC Hardware:

Ein paar Geheimtipps für PC Hardware. Netzteil aus dem T7500 (1KW für unter 60€)

Aktuelle Preis/Leistungssieger ist die RX580.

Schmartwatch:

Neue Schmartwatchversion ist öffentlich zum Review, da das Board für Prototypen sehr teuer ist.

Chip(s) der Woche:

Microchips MCP6411. Ein Sehr günstiger OPAMP für ca. 25ct.
Analogs AD8515. Auch nicht schlecht für grad mal 5ct mehr.

Schmartwatch [12]: Finales Layout Review

Es ist so weit, ich habe mein Layout in ein Stadium gebracht, dass so weit komplett ist. Jetzt steht die Entscheidung im Raum: Bestellen, oder sind noch Verbesserungen möglich? Daher habe ich das Design der Öffentlichkeit zur Verfügung gestellt und möchte, dass so viele Augen wie möglich auf das Design schauen und Fehler finden, die ich nicht finden konnte.

 Ich habe schon einige Rückmeldungen bekommen und einige Änderungen eingepflegt. Wie die GitHub Historie zeigt, sind zum aktuellen Zeitpunkt 6 Änderungen eingeflossen. Jeder, der seine Meinung einbringen möchte ist eingeladen das zu tun. Schließlich kostet der nächste Produktionsschritt erheblich mehr Geld als die Leiterplatte aus FR4 zu bestellen und dann selbst die Bauteile aufzulöten.
Ich erwarte Herstellungskosten von ca 120€ pro Baugruppe, da ich lediglich 10 Stück bestellen werde. Das ist dann die Uhr inklusive Display. Für Fans einer ziemlich nerdigen Armbanduhr, die garantiert nicht wasserdicht ist, kann ich einen der Prototypen für 150€ anbieten. Wenn die Anzahl der bestellten Prototypen groß genug ist, wird der Preis sicher sinken.
Dazu werde ich allerdings eine eigene Seite im Blog einrichten, wenn es so weit ist die Bestellung aufzugeben. Zeitgleich mit der Bestellung soll auch die Firmware für die Uhr öffentlich verfügbar sein. Zur zeit liegt sie noch in einem privaten Repository und wartet auf ein klein wenig Politur und Dokumentation. So fehlt zum Beispiel noch einiges beim BLE Teil der Software, oder beim Powermanagement. Ich habe zwar schon ein paar Dinge mehr implementiert, als im letzten Artikel zu dem Thema stand, aber es ist noch nicht perfekt. Ebenso wie die Ansteuerung des Displays zur Zeit noch keine eigene LUT Muster kann, sondern nur den 12 Sekunden langen Updatezyklus, der im OTP Speicher der Uhr liegt. Auf jedem Fall könnt ihr in der nächsten Zeit mit einer Reihe neuer Artikel zum Schmartwatch Projekt rechnen.
Für den einfachen Zugriff auf den Schaltplan findet ihr hier die aktuelle Version. Ich habe für das Layout noch keine Gerber-Daten erzeugt, aber als PDF findet ihr die einzelnen Lagen der initialen Version hier.

Das GitHub Projekt findet ihr hier: 

Schmartwatch Hardware

Über Kommentare und Verbesserungsvorschläge, sowie über Fragen freue ich mich natürlich.

PCBWay Board Quality - Leiterplatte für das Differenzielle I2C Interface

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.

Hier noch ein Video von der Leiterplatte im Ofen

Knöpfchenspiel 1 - Systemübersicht

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 (1920x1080) 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.

Schmartwatch [11]: Neue Hardware

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.

Schmartwatch [10]: Energieverbrauch Ergebnis

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.

Schmartwatch [09]: Energieverbrauch

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.

Schmartwatch [08]: BOM Management in KiCad

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.

Schmartwatch [07]: Erstes Watchface -> 7-Segment-Circuit

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 152x152 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.

Schmartwatch [06]: Display

In den letzten Tagen habe ich mit sowohl der Firmware als auch mit der Hardware einige Fortschritte gemacht. Die Kondensatoren, die für die Ladungspumpen des E-Paper Displays zuständig sind, können die Spannung (+/- 15V) nicht vertragen. Daher habe ich die Ansteuerelektronik des Evaluationsboards mit der Leiterplatte der Uhr verbunden. Nach einigen Unklarheiten der Bitreiehnfolge im SPI Bus habe ich eine erfolgreiche Initialisierung des Displays durchgeführt. Wenn das Display mit nicht korrekt formatierten Daten beschrieben wird, bekommt man eine Pixelwüste, wie im Video zu sehen:

Nach dem ich mit Hilfe des Logikalaysators und Oszilloskop das SPI Protokoll so umgestellt habe, dass es mit dem des Evaluationsboards übereinstimmt, bekomme ich auch erfolgreich Daten auf dem Display dargestellt.

Die Software startet nach dem Initialisieren der Hardware einen Loop, der die Uhrzeit aus der RTC holt und darstellt. Das Display wird jede Minute aktualisiert. Im Video zu sehen ist die Aktualisierung des kompletten Bildschirms mit sehr kleiner Schrift. Daher pumpt der Treiber des e-papers auch die gesammte Fläche um. Idealerweise werden nur geänderte Flächen aktualisiert, das ist aber mit dem aktuellen Renderer nicht möglich.

 

Hier noch ein paar Bilder von der Inbetriebnahme des Displays hin zur Darstellung der Uhr im aktuellen Watchface Design (7-Segment Circiut).

Schmartwatch [05]: Gehäuse

Eine anständige Armbanduhr benötigt ein anständiges Äußeres. Um mit dem DIY Stil der Uhr zu gehen, habe ich ein Gehäuse designed, das aus mehren Teilen besteht. Alle Teile sind so ausgelegt, dass sie im 3D-Druckverfahren hergestellt werden können. Gleichzeitig sollen sie aber auch aus Aluminium fräsbar sein.
Die Flex-Leiterplatte wird in die Gehäusebasis eingelegt. Dazu ist die Kontur des PCBs in der Innenseite abgebildet.

In die Löcher der Basis kommen Stößel für die Druckknöpfe. Je zwei pro Seite sind auf einer gemeinsamen Querplatte und betätigen mit der Platte die Taster auf der Elektronik.
Auf das PCB wird ein Kuststoffrahmen aufgesetzt. Dieser hat Aussparungen für das Display und die Batterie. Die Querplatten sind an der Kante gelagert, um eine Wippe zu bilden.

So kann immer nur die Taste hinter dem Stößel betätigt werden, egal wie feste gedrückt wird. Diese Konstruktion befindet sich also oberhalb der Elektronik und bildet damit auch die Auflagefläche für den Deckel. Wie genau ich den Deckel befestigen möchte ist mir noch nicht klar. Er ist nur 1,7mm dick, was eine Verschraubung erschwert. Die Batterie im Inneren muss wechselbar sein, daher kann ich den Deckel auch nicht verkleben. Hier brauche ich also noch eine Lösung. Ich habe schon eine Vorstellung, wie ich den Deckel mit dem Kunststoffrahmen verbinde und diesen dann von hinten mit Schrauben in der Basis-Schale halte. Wasserdicht ist die Uhr auf keinen Fall.

Wie gut sich die Modelle im 3D-Drucker herstellen lassen wird sich zeigen. Dazu brauche ich aber erst mal ein funktionierendes Board mit der wichtigsten Funktion: Anzeige der Uhrzeit.