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MIDI DB50XG - ein Interface für das Daughter Board

Beim Stöbern in einer Kiste mit meinen alten Bastelarbeiten ist das folgende Kästchen zum Vorschein gekommen.  Es stammt aus der Zeit als ich noch mit Amgia, aber auch schon mit PCs zu tun hatte - ich schätze so ca.  um 1996. Das Kästchen beschriftete ich mit "DB50XG MIDI - Wavetableprozessor".

Das Fundstück aus der Kiste
 

Darin befindet sich eine Platine von Yamaha, die sich eben DB50XG nennt. Diese Platine war als Tochterplatine für PC-Soundkarten mit "Waveblaster" Erweiterungsport konzipiert. Sie erweiterte die Soundkarten um einem polyphonen MIDI - Wavetable - Sampler. So konnte der General Midi Standard und der Yamaha XG Standard wiedergegen werden.  Heute macht sich darüber niemand mehr Gedanken. Wenn man damals mit einem PC aus Midi - Daten Sounds erzeugen wollte, dann war entweder eine externe Hardware notwendig, oder eben eine Soundkarte mit einem OnBoard Midi Synthesizer oder Wavetable Chipsatz. Der PC übernahm dann die Steuerung, das Senden und Empfangen der Midi Daten über eine Sequenzer Software. Heute werden die Midi Sounds direkt am PC generiert und die Samples und Tonmodelle in die Software eingebunden. Damals reichte die Leistung der PC-Hardware dazu nicht aus. Wenn sich jetzt jemand gerade fragt, worüber ich hier palavere - was ist Midi und wofür benötigt man das? - dann sei hier kurz gesagt: Midi ist die Abkürzung für "Musical Instrument Digital Interface" - also eine digitale Schnittstelle - ein Datenprotokoll für Musikinstrumente. Es dient - grob erklärt - dazu, elektronische Musikinstrumente untereinander zu vernetzen und zu steuern. So kann zum Beispiel über ein einziges Keyboard eine Vielzahl von klangerzeugenden Geräten gesteuert werden. Wie der Midi Standard funktioniert, wie die Datenpakete aussehen und das elektrisch aussieht, werde ich hier nicht erläutern. Dazu findet man, wie immer, reichlich Informationen im Netz.

im Inneren des Kästchens
 

Zurück zum selber gebastelten Kästchen. In die Plastikbox habe ich damals das DB50XG gepackt und vom "Waveblaster"-Port, einer 26poligen Buchsenleiste, die notwendigen Leitungen zur Inbetriebnahme der Midi Platine nach Außen geführt. Und das war ziemlich simpel. Die Platine benötigt eine Spannungsversorgung von +/-12V und +5V. Es gibt einen Midi-IN und einen Midi-OUT (Through) Pin, einen Reset-Pin und zwei Analog Audio Out Pins - je einen pro Kanal. Die untenstehende Tabelle zeigt die Pinzuordnung des Steckers:

Pin NummerZuordnung
1Digital Masse
2nicht verbunden
3Digital Masse
4nicht verbunden
5Digital Masse
6Versorgung +5V
7Digital Masse
8nicht verbunden
9Digital Masse
10Versorgung +5V
11Digital Masse
12nicht verbunden
13nicht verbunden
14Versorgung +5V
15Analog Masse
16nicht verbunden
17Analog Masse
18Versorgung + 12V
19Analog Masse
20Audio out rechts
21Analog Masse
22Versorgung -12V
23Analog Masse
24Audio out links
25Analog Masse
26Reset 

Der ganze Aufbau war damals eher sehr spartanisch gestaltet. Die Stromversorgung musste über ein, oder mehrere externe Netzteile hergestellt werden. Es gab keine galvanische Signaltrennung mittels Optokoppler. Da musste ich mich auf den ordentlichen Aufbau des Midi-IO-Controller verlassen, den ich an den Amiga angeschlossen hatte. So durfte das natürlich nicht bleiben. Und das schöne DB50XG Board nicht mehr zu verwenden, oder dem Elektronikschrott zuzuführen, bringe ich nicht über´s Herz. Der Plan der daraus entstand, war, ein neues Interfaceboard zu entwickeln - oder basteln, das möglichst universell einsetzbar werden sollte.

DB50XG

Diese Idee ist nun schon wieder einige Jahre her und immer wieder einmal habe ich ein wenig daran gearbeitet. Folgende Punkte, so habe ich mir ausgedacht, sollte das Interfaceboard erfüllen:

  • eine einfache Spannungsversorgung soll das Yamaha Board mit Energie versorgen. Idealer Weise soll ein USB-Port und optional ein Anschluss für ein Universalnetzteil vorhanden sein. Alle benötigten Spannungen sollen auf dem Interfaceboard aus den 5VDC generiert werden.
  • Das DB50XG soll, wie seinerzeit, auch als "Huckepack" Platine aufgesteckt werden können
  • Das Midi-in Signal soll über die 5polige DIN Buchse und auch über einen Pinheader eingespeist werden können - natürlich schön entkoppelt (Damit kann auch ein Microcontroller wie Arduino und co. ganz ohne Aufwand angeschlossen werden)
  • Der Ton, also das Audiosignal soll pro Kanal über je eine Chinch-Buchse und auch als 3.5mm Klinkenbuchse und über einen Pinheader zur Abnahme bereitstehen.
  • Wortwiederholungen SOLLTEN vermieden werden, ist mir aber egal :)

Daraus entstand schlussendlich der folgende Schaltplan. Die 5VDC Versorgung der USB Quelle wird direkt zur 5V Versorgung des Midi Boards geführt. Die ebenfalls benötigten +12V/-12V erzeugt ein DC/DC Converter (TMR0522). Dieser wird eingangsseitig vom 5V Netz versorgt. Der optionale "Externe" Spannungseingang gelangt an einen LM2596ADJ. Das ist ein Step-Down Voltage-Regulator der mit Eingangsspannungen bis zu 40V arbeiten kann. Die geregelte Ausgangsseite ist in vielen Bereichen verfügbar. Ich habe hier den ADJ (Adjustable) Typ in die Schaltung integriert, da ich davon einige Stück im Sortiment Kasten habe. Durch einen Jumper am Board ist, die Spannungsquelle wählbar.

Auf Basis dieses Schaltplanes habe ich ein Layout erstellt und es vorerst einmal im eigenen Ätzbad hergestellt. Heraus kam die folgende Platine, die als Testaufbau diente. Technisch funktionierte das Board einwandfrei, jedoch die Anordnung der Komponenten hat mir nicht gefallen. Den Step-Down Converter samt Spule hatte ich auf der Rückseite platziert. Auch war mir der Abstand zwischen den Anschlussbuchsen zu eng beieinander. Und wie man das als PCB Layouter so macht - man macht immer ein zweites Design. So auch dieses Mal.



Der Testaufbau mit bestücktem Midiboard ist im nachfolgenden Bild zu sehen. Das Midi-Signal als Testquelle kommt vom PC und wird durch einen USB-Midi Adapter aus Fernost generiert.

Also noch einmal vor den Rechner gesetzt und das Layout umgezeichnet. Heraus gekommen ist dann die folgende Version. Diese Ausführung habe ich dann bei einem Leiterplattenhersteller bestellt.

Die schlussendlich gefertigte Platine in bestücktem Zustand sieht dann so aus. Darunter ist sie  mit dem aufgesteckten DB50XG Board zu sehen.



 





























































 

 

 

Wenn der Spiegel nicht mehr klappt


Immer öfter höre und lese ich von nicht mehr richtig funktionierenden elektrisch einklappbaren Außenspiegeln bei Fahrzeugen des deutschen Herstellers mit den vier Ringen. Das Problem tritt bei vielen Modellen auf, die schon ein paar Jährchen in Betrieb sind und in unserem hiesigen Klima betrieben werden. In Internetforen findet man einige User, die dieses Problem kennen. Auch in meinen Bekanntenkreis gibt es ein paar Ringe-Fahrer die einen klemmenden elektrischen Außenspiegel haben. Als Lösung wird vom Hersteller natürlich immer der Austausch der kompletten Einheit empfohlen. Wer sein Erspartes aber nicht sinnlos für neu produzierten Restmüll ausgeben möchte, kann sich selbst dieses Problems annehmen. Es ist sogar eine ziemlich kleine Ursache, die dieses Problem verursacht. Und das Beste - es lässt sich ohne Materialaufwand reparieren. Auch ist die Langlebigkeit der Reparatur mittlerweile bewiesen...

Der Fehler zeigt sich durch folgendes Verhalten:

  • der Spiegel macht quietschende, knarrende Geräusche beim Aus - Einklappen
  • der Spiegel bleibt an falscher Position stehen und lässt sich nur durch manuelle Bewegen einrasten
  • das Klappverhalten ist Wetterabhängig

 

Man liest darüber viele Beiträge mit möglichen Ursachen - von defekten Motoren und defekten Türsteuergeräten. Am besten sollte man gleich die Spiegeleinheit erneuern und dazu ein neues Türsteuergerät - ja klar ...

Die Lösung des Problems ist einfacher: ein kleiner Stahlbolzen, der von einer kleinen Feder rausgerückt werden soll, bleibt in seiner Führung stecken. Der mechanische Bereich des Spiegels ist natürlich auch den Umweltbedingungen ausgesetzt und so kommt der Bereich mit Regen, Spritzwasser - im Winter Salzwasser in Kontakt. Im Laufe der Zeit verlieren die Schmierstoffe ihre Eigenschaften oder werden sogar ausgewaschen und das ganze "Werkl" wird schwergängig. Also was hilft? Komplett zerlegen, reinigen neu schmieren und wieder zusammenbauen.

Ich habe für diesen knapp eineinhalbstündigen Eingriff damit begonnen, den Spiegel aus der Tür auszubauen und in der gemütlichen Werkstatt zu untersuchen. Dazu ist die am einfachsten die Innenverkleidung der Türe abzunehmen (je nach Fahrzeug ein paar Schrauben und viele Klipse...) Der Spiegel ist dann mit einem Kabel am Türsteuergerät angesteckt und mit Torx-Schrauben befestigt.

Das Spiegelglas lässt sich am einfachsten mit einem Plattenheber (Saugnapf) ausklicken. Dann sind vorsichtig - falls vorhanden- die beiden Flachstecker von der Spiegelheizung abzuziehen (unbedingt die Kontakte auf der Heizfolie gegenhalten). Als nächstes können beiden Kunststoffhälften des Spiegel Gehäuses entfernt werden. Hier hilft ein wenig Beobachtungsgabe, welche Schrauben zu entfernen sind und wie die Hälften zusammengehalten werden.

Jetzt liegt das Kernstück des Spiegels da. Die beiden Druckgussteile sind über eine hohle Achse miteinander verbunden. Durch die Achse führt das Anschlusskabel zum Spiegelverstell-Antrieb und zur Heizung. Über der Achse sitzt eine große Stahlfeder die mit einer Distanzscheibe und einem Spannring (keine Ahnung, ob das die korrekte Bezeichnung ist) befestigt. Die Feder übt einen ordentlichen Druck zwischen den beiden Teilen aus- und das ist jetzt der einzige etwas schwierigere Teile - die Feder muss raus. Dazu ist der Spannring auszuhebeln, während die Feder auf Spannung gehalten wird. Heraus geht sie einfach - aber das wieder einbauen wird zur Herausforderung, wenn man kein geeignetes Werkzeug hat.
 

Auf dem Bild ist die schon entspannte Feder zu sehen. Jetzt können die beiden Teile auseinandergenommen werden.

 

Hier sind die Teile in zerlegter Form zuerkennen. Um nun das Corpus Delicti zu erreichen, muß das kleine Getriebe mit dem Motor abgeschraubt werden. Darunter ist der Bolzen zu erkennen, der in diesem Fall fest in seiner Bohrung steckte, sodaß es der Feder nicht mehr gelungen ist, ihn heraus zu drücken.

Deckel des kleinen Getriebe


Bolzen ist links neben dem Befestigungsloch zu erkennen

Bolzen mit Feder


auch die Führung des Bolzen ist zu reinigen

Die Prozedur ist ziemlich einfach - alles reinigen, die Korrosionen entfernen und mit Schmierstoffen neu abschmieren. Danach wieder alles zusammenbauen sich freuen. :) Die meiste Zeit der ganzen Arbeit bnimmt das Reinigen in Anspruch.

Übrigens: der hier beschriebene Spiegel stammt von einem A5...

UV-Sensor Logger selbstgebastelt

Kommt der Sommer, kommen neue Ideen. In den Sommermonaten ist ja bekanntlich die Sonnenscheindauer länger und auch die Intensität der Sonnenstrahlen höher. Viele nutzen diese Eigenschaft der Sonne, um ihre Vitamin-D Produktion des Körpers anzutreiben, andere wiederum legen sich unter die Strahlenquelle um durch den hohen UV Anteil ihrer Hautfarbe abzudunkeln. Dies wiederum steigert vermeintlich deren Attraktivität und regt die Hormonproduktion und die Paarungsbereitschaft an... Leider hat der nicht sichtbare UV Bereich im Spektrum des Sonnenlichts bekanntlich auch negative Auswirkungen auf den menschlichen Körper. Auch technisch kann das Sonnenlicht genutzt werden. Durchschnittlich wird die Leistung der Sonne pro Flächeneinheit mit 1000W pro m² angenommen. Großflächige P-N Übergänge in Halbleitermaterialien schaffen mittlerweile mit einem Wirkungsgrad von bis zu 22% daraus elektrische Energie zu erzeugen.

Man kann die Energie aber auch noch anders nutzen, bzw. den UV-Anteil. Vielen Retrosammlern ist sicherlich das Problem mit den vergilbten alten Kunststoffgehäusen bekannt. Um das in den Griff, bzw. wieder in den Ursprungszustand von vor 30, 40 Jahren zu bekommen, verwendet man H2O2 also Wasserstoffperoxid und UV Licht um so einen Bleichprozess in Gang zu bekommen. Und so kam ich zur Idee für folgendes Projekt.

Bei einem online-Elektronik-Laden fand ich im Abverkaufs Angebot ein UV-Sensor Board des Herstellers Waveshare. Darauf befindet sich ein LITEON OPTOELECTRONICS LTR390 Chip samt Levelshifter-Schaltung. Als Interface steht ein I²C Bus zur Verfügung. Ein Blick ins Datenblatt verriet mir, dass der Sensor zwei Wellenlängenbereiche erfasst und separat ausgibt.  Der ALS (Ambient Light Sensor von 500-600nm) und der UV (Ultra Violett Bereich von 300-350nm).  Damit kann man doch schnell ein einfaches Logging Board basteln - dachte ich mir.  So habe ich mir gedacht, das Board sollte folgendes können:

  • Spannungsversorgung von einer 18650er Zelle oder USB
  • USB soll den Akku auch laden können
  • einen Micro-SD Slot zum Aufzeichnen der Sensordaten
  • einen RS-232 Port, zum direkten Loggen am PC
  • ein cooles OLED Display
  • zwei Taster zum Bedienen des Loggers (Intervall, Start/Stop etc.)

Die Steuerung soll natürlich wieder einmal ein Chip von Atmega - der 328er übernehmen. Davon befinden sich einfach noch genügend Stück in meinen Sortiment Kästchen. Damit man sich schneller einen Überblick über den Aufbau verschaffen kann, habe ich das folgende Blockdiagramm gezeichnet:

Im nächsten Schritt habe ich aus dem Blockschaltbild einen Schaltplan erstellt, um aus dem dann wiederum ein Layout erstellen zu können.  Parallel zur Schaltplanerstellung habe ich einzelne Bereiche per "Luftverkabelung" auch gleich probeweise zusammengeschaltet und getestet, ob das alles auch so funktioniert, wie ich mir das vorstelle. Und vor allem sollte auch alles im Flashspeicher des Microcontrollers Platz haben.


Im Bild oben ist der "luftige" Aufbau bestehend aus fertigen Komponenten zu erkennen. Für die ersten Tests mit dem Sensor und dem OLED Display reichte ein Arduino vollkommen aus. Damit war es mir möglich, die gewünschten Funktionen zu testen. Somit stand der Erstellung des Schaltplanes nichts mehr im Weg. Eine 18650er Lithiumzelle soll als primäre Energiequelle dienen. Alternativ wird auch ein USB-Port vorhanden sein, der die Zelle laden kann bzw. den Sensor betreiben kann. Dafür, weil ich faul bin und auch ziemliche Bauteil Lieferengpässe ein großes Problem sind, verwende ich zum Laden des Akkus eine fertiges Wemos-D1-Mini Board. Das wird genauso wie das OLED Displayboard und das Sensorboard als fertige Komponente auf dem Design der Platine Platz finden.  Als Controller kommt wieder, wie schon erwähnt, ein Atmega328 im TQFP Gehäuse zum Einsatz. Dieser wird über die I²C Schnittstelle mit dem OLED Display (SBC-OLED01 mit SSD1306 Controller) und dem LTR390 UV-Sensorboard kommunizieren. OLED und Sensor sind 5V kompatibel. Die SD-Karte wird aber mit 3.3V betrieben. Dafür benötigt die Schaltung noch einen Spannungswandler von 5V auf 3.3V für die Versorgung und einen Levelshifter für den SPI-Datenbus, über den die SD-Karte mit dem Atmega die Daten austauscht. Da der Atmega dann auch mit seiner Firmware programmiert werden möchte, habe ich einen 2x4 Pinheader für den Anschluss eines Programmers vorgesehen. Sechs Pins davon (GND,5V, MOSI, MISO, SCK und RESET) benötigt der Programmer und die zwei verbleibenden Pins sind für die serielle Schnittstelle vorgesehen. Die beiden Interrupt-Eingänge des Atmega werden mit je einem Taster beschalten, der dann die Software bedienbar macht. Die Batteriespannung wird über einen Teiler an einem der ADC-Eingänge gemessen bzw. auch mitgeloggt. Das Ergebnis dieser Gedanken ist der folgende Schaltplan:

Ein Layout ist danach der nächste Schritt.  Bei einer Größe von 12 x 4,5 cm ist die Platine einigermaßen "handlich". Die Leiterbahnführung findet auf beiden Seiten statt und die Module (Ladeschaltung, Display und UV-Sensor) sind über Pinheader steckbar ausgeführt.


 


Die beiden Bilder oben zeigen die Vorschau der "Top-" bzw. "Bottom-" Seite des Layouts. Aus den so erstellten Produktionsdaten konnte eine Platine erstellt werden.

Nach einiger Lötarbeit war die Hardware dann soweit fertig. Um diesem "Lötwerk"  letztendlich auch Leben einzuhauchen, bedurfte es einer Software, die auf dem Microcontroller ihre Arbeit verrichtet.



Beim Basteln der Software bediente ich mich der kostenlosen "Arduino IDE" Entwicklungsumgebung.  Die Dokumentation des LTR390 beschreibt genau über welche Register welche Funktionen des Sensors zu bedienen sind. Es gibt aber auch schon für ganz Bequeme eine fertige Library - so wie für fast alle Sensoren und Aktoren, die an Microcontroller angeschlossen werden sollen. In der Arduino IDE findet man über den Boardmanager die "Adafruit LTR390 Library" über die man einfach mit dem Sensor kommunizieren kann.  Die Ansteuerung des OLED Displays übernimmt in meinem Fall die SSD1306Ascii Library. Die Buskommunikation übernehmen die "Wire" und " SPI" Library und die "SD" spricht mit der SD - Karte.  Die Includes sehen dann so aus:

#include <LTR390.h>
#include <SD.h>
#include <SPI.h>
#include <Wire.h>
#include "SSD1306Ascii.h"
#include "SSD1306AsciiWire.h"

Den gesamten Code kann ich bei Bedarf gerne hier veröffentlichen. Er ist allerdings kein Hexenwerk, sondern simples und sicher nicht optimiertes Codezeilen Geschreibe :) In der derzeitigen Code- (Firmware) Version 1.3d gibt es ein kleines Auswahlmenü, das es ermöglicht, das Logintervall der SD-Karten-Aufzeichnung einzustellen und natürlich auch die Aufzeichnung zu starten bzw. zu stoppen. Geloggt wird in ein Textfile. Die aufgezeichneten Daten sind UV-Index, Umgebungshelligkeit und die Akkuspannung.

Einen Auszug aus dem Datalog habe ich unten eingefügt:

 Ambient[lx], UV-indx, Batt[V], Loggingintervall[s]  
 691.60,0.01,3.77,20  
 691.60,0.03,3.76,20  
 1184.00,0.03,3.77,20  
 1184.00,0.03,3.75,20  
 1191.00,0.03,3.77,20  
 1191.00,0.03,3.75,20  
 1198.60,0.03,3.76,20  
 1198.60,0.03,3.73,20  
 1211.60,0.03,3.76,20  
 1211.60,0.04,3.75,20  
 1223.00,0.04,3.75,20  
 1223.00,0.04,3.76,20  
 1234.20,0.04,3.76,20  
 1234.20,0.04,3.74,20  
 1243.60,0.04,3.76,20  
 1243.60,0.04,3.76,20  
 1252.00,0.04,3.75,20  
 1252.00,0.04,3.73,20  
 1261.20,0.04,3.74,20  
 1261.20,0.04,3.72,20  
 1269.60,0.04,3.76,20  
 1269.60,0.04,3.76,20  
 1278.40,0.04,3.76,20  
 1278.40,0.04,3.75,20  
 1288.40,0.04,3.76,20  
 1288.40,0.04,3.75,20  
 1298.20,0.04,3.76,20  
 1298.20,0.04,3.74,20  
 1305.80,0.04,3.73,20  
 1305.80,0.04,3.73,20  
 1313.20,0.04,3.73,20  
 1313.20,0.04,3.75,20  
 1321.60,0.04,3.74,20  
 1321.60,0.04,3.75,20  
 1331.80,0.04,3.75,20  
 1331.80,0.04,3.75,20  
 1341.60,0.04,3.74,20  
 1341.60,0.04,3.76,20  
 1349.40,0.04,3.76,20  
 1349.40,0.04,3.76,20  
 1358.20,0.04,3.72,20  
 1358.20,0.04,3.76,20  
 1365.60,0.04,3.74,20  
 1365.60,0.04,3.73,20  
 1374.20,0.04,3.72,20  
 1374.20,0.04,3.75,20  
 1380.60,0.04,3.75,20  
 1380.60,0.04,3.76,20  
 1386.60,0.04,3.75,20  
 1386.60,0.04,3.76,20  
 1394.80,0.04,3.75,20  
 1394.80,0.04,3.75,20  
 1401.40,0.04,3.73,20  
 1401.40,0.04,3.74,20  
 1408.60,0.04,3.75,20  
 1408.60,0.04,3.74,20  
 1414.20,0.04,3.73,20 

Diese Daten lassen sich jetzt sehr einfach weiterverarbeiten und grafisch darstellen. Als Office-Nutzer kann man zum Beispiel auf Excel zurückgreifen und die Daten dort importieren und als Graphen darstellen. Es geht aber noch einfacher und auch sehr schnell mit Tools wie Matlab. Mit einem Script wie dem nachfolgenden kann man die Logdatei dann visualisieren.

 %% Setup the Import Options and import the data  
 opts = delimitedTextImportOptions("NumVariables", 4);  
 opts.DataLines = [3, inf];  
 opts.Delimiter = ",";  
 opts.VariableNames = ["Ambientlx", "UVindx", "BattV", "Loggingintervalls"];  
 opts.VariableTypes = ["double", "double", "double", "double"];  
 opts.ExtraColumnsRule = "ignore";  
 opts.EmptyLineRule = "read";  
 opts = setvaropts(opts, ["Ambientlx", "UVindx", "BattV"], "TrimNonNumeric", true);  
 opts = setvaropts(opts, ["Ambientlx", "UVindx", "BattV", "Loggingintervalls"], "DecimalSeparator", ",");  
 opts = setvaropts(opts, ["Ambientlx", "UVindx", "BattV"], "ThousandsSeparator", ".");  
 datalog = readtable("F:\ingmarsretro\datalog.txt", opts);  
 clear opts  
 x=size(datalog); % groesse der tabelle  
 measurement=x(1); % anzahl messungen   
 uvi=datalog{1:measurement,2};  
 ambient=datalog{1:measurement,1};  
 messzeit = linspace(0,(measurement*datalog{1,4}),measurement); %zeitvektor von 0 bis zeitintervall aus datalog spalte4 * messungen  
 figure(1);  
 title('UV - Index');  
 subplot(2,1,1);  
 plot(messzeit,uvi);  
 title('UV - Index');  
 xlabel('Zeit [s]');ylabel('UV - Index');  
 subplot(2,1,2);  
 plot(messzeit,ambient);  
 title('Beleuchtungsstärke');  
 xlabel('Zeit [s]');ylabel('Beleuchtungsstärke [lux]'); 

 

Wird das Script ausgeführt, dann erhält man einen Plot, der die Messdaten visualisiert.


Die technischen Informationen zum Sensor sind dem Datenblatt des Herstellers zu entnehmen. Hier ein paar kurze Eckdaten:

Der LTR390 besteht aus zwei Fotodioden, einer für das sichtbare Spektrum des Lichtes und einer, die im UV-Bereich empfindlich ist. Der Strom der Photodioden wird in internen ADCs digitalisiert. Eine Interne Logic steuert die ADCs und über eine I²C Schnittstelle wird die Verbindung zur Außenwelt hergestellt. Die Auflösung von ALS und auch UVS ist in 13,16,17,18,19 und 20 Bit konfigurierbar. Der Sensor Chip ist in einem 2x2mm 6pin Gehäuse untergebracht. Die Detektoröffnung hat eine Kantenlänge von 280x280 µm.

 


Quelle: Datenblatt LTR-390UV https://optoelectronics.liteon.com/en-global/Led/LED-Component/Detail/926


Quelle: Datenblatt LTR-390UV https://optoelectronics.liteon.com/en-global/Led/LED-Component/Detail/926


Eigenbau Nixiuhr

Das in den letzten Jahren das Thema Retro immer mehr zum Trend wurde, ist auch mir nicht entgangen. Auch der "Industrial"- und "Steam"-Style hat in vielen Haushalten Einzug gehalten.  Man(n) stellt sich wieder viele Dinge ins Regal, die die robuste Technik und das Aussehen der vergangen Jahrzehnte repräsentieren. So flackern LED-Leuchtmittel in den Räumen, die optisch den Glühbirnen der Gründerzeit nachempfunden wurden. Die Messing Lampenfassungen werden von einem mit Stoffgeflecht ummanteltem Kabel gehalten. Anstelle der Kohle- oder Wolframglühfäden in den Birnen arbeitet modernes LED-Filament. Thematisch diesem Stil entsprechend, sind beispielsweise auch mechanische Uhren und elektrische Uhren mit Leuchtanzeigen aller Art wieder gefragt. Passend zu diesem Trend, habe ich in älteren Blogbeiträgen schon über die VFD-Uhren berichtet. (VFD = VaccumFLuoreszenzDisplay) Diese Anzeigetechnologie verwendete man zum Beispiel bis Ende der 90iger Jahre noch häufig in Videorecordern, HiFi Geräten und diversen Radioweckern. Danach war die LED und LCD Technologie Standard. Heute halten überall die kleinen OLEDs Einzug. Im Rahmen des Retro Revivals werden VFD´s in Form von Einzelziffer-Anzeigeröhren zu Uhren zusammengebaut. Diese Uhren gibt es als Fertiggeräte oder auch als Bausätze (grother.de).  Da diese Anzeigeröhren mittlerweile nicht mehr hergestellt werden und nur Altbestände (new old stock) verfügbar sind, steigen auch die Preise. Aber es geht preislich noch schlimmer - eine technische Entwicklung aus den 1920er Jahren ist eine Anzeigetechnologie nach dem Prinzip der Glimmlampe.  Hierbei wird in einem, mit Edelgas gefüllten, Glaskolben eine aus Draht gebogene Ziffer als Kathode, vor einem dünnen Metallgitter als Anode angebracht. Legt man eine Spannung an, so beginnt das Edelgas entlang des als Ziffer geformten Drahtes zu glimmen. So entsteht, von außen betrachtet, der Eindruck einer leuchtenden Ziffer. In einer solchen Röhre sind meistens die Ziffern von 0-9 untergebracht und für jede Ziffer ist natürlich auch ein separater Anschluss vorhanden. Viele von den Lesern werden diese Art von Röhre sicherlich kennen. Sie nennt sich NIXIE - Anzeigeröhre (stammt von der der Bezeichnung "Numeric Indicator eXperimental No. 1"


Eine Uhr mit solchen Anzeigeröhren fehlt noch in meiner Sammlung. Also möchte ich eine solche haben. Aber kaufen ist einfach - und außerdem auch sehr teuer. So habe ich mir vorgenommen, eine Nixieuhr selber zu bauen. Begonnen hat alles mit einer langwierigen Suche nach den Röhren, denn auch für diese muss man mittlerweile schon einiges hinlegen. Und ich benötige mindestens sechs Stück, da meine Uhr auch eine Sekundenanzeige haben soll. So habe ich also im Internet auf verschiedensten Plattformen gesucht - und in der Bucht wurde ich fündig. Dort wurde ein Board bestückt mit Nixieröhren angeboten, das aus irgendeinem alten Gerät herausgebrochen wurde. Die Funktion des Boards wurde als "unbekannt" angegeben - dafür war es sehr günstig. Der Verkäufer hatte zwei davon. Also riskierte ich es und kaufte die beiden Platinen bestückt mit je fünf Nixies.

 

Die Röhren waren dann auch mit einiger Vorsicht erfolgreich ausgelötet. Die Type der Röhre ist die Z574M, zu der man im Netz auch die Datenblätter findet und somit auch die Sockelbeschaltung hat.


Mit Hilfe der Beschaltung lässt sie sich dann auch einfach kontaktieren und so Ziffer für Ziffer jeder Röhre überprüfen. Die Kenndaten der 574 sind:

  • Anodenzündspannug: 150V
  • Anodenbrennspannung: 140V
  • Anodenlöschspannung: 120V
  • Max Anodenspannung: 170V
  • Kathodenstrom min: 1.5mA
  • Kathodenstrom max: 2.5mA

 

 

 

Mit einem geeigneten Netzgerät konnte ich die notwendigen Versorgungsspannungen für den Funktionstest schnell einstellen.

Man sieht hier, dass die Röhre bei einer Brennspannung von knapp 140V einen Strom von 2.8mA zieht. Das entspricht einer Leistung von 392mW. Wenn ich also hochrechne und alle sechs Ziffern der Uhr dauerbestromt werden, dann muss die Spannungsversorgung für die Röhren ca. 2.3W bringen.

Die Röhren funktionieren also schon mal. Jetzt kann ich mir Gedanken machen wie die Uhr aussehen soll und noch mehr, wie ich sie konstruieren will.

Die Idee ist, dass ein Mikrocontroller alle sechs Röhren ansteuern soll.  Das will ich mit 8-Bit 4094er Schieberegistern realisieren, wovon je vier Bit für eine Röhre verwendet werden. Diese vier Bit aus dem Shift-Register sollen dann über Binary Coded Decimals (also BCD) die Röhren ansteuern. Da die Röhren aber für jede Ziffer einen Anschluss haben, müssen aus den vier BCD-Leitungen zehn separate Zifferansteuerungen generiert werden. Das wird ein CD4028 erledigen. Der IC CD4028 ist ein "BCD to Dezimal Decoder". Um die relativ hohen Spannungen der Nixies zu schalten, wird der BCD-Dezimal Decoder einen geeigneten Transistor ansteuern. Hier wird der MPSA42 seinen Dienst verrichten. Das ist ein NPN Bipolar Transistor mit einer Kollektor-Emitter Spannungsfestigkeit von 300VDC bei einem maximalen Kollektorstrom von 500mA.  Um die Röhren möglichst flexibel einsetzen zu können, habe ich mir ausgedacht, für jede Röhre eine eigene Platine zu gestalten. Diese einzelnen Anzeigeplatinen sollen dann auf eine Hauptpatine gesteckt werden. So kann man, sollte ein Digit einmal defekt sein, das betreffende Board einfach herausziehen und es reparieren. Dann muss nicht am Mainboard herum gelötet werden.

Am Mainboard soll der Microcontroller Platz finden. Auch die Nieder- und Hochspannungsversorgung und die Schieberegister sollen am Mainboard untergebracht werden. Die Display-Platinen tragen lediglich die Nixieröhre samt deren Treibertransistoren und den BCD-Dezimal Decoder. Mittels Pfostensteckverbindern sollen sie einfach in das Mainboard einsteckbar sein. Um diese Formulierungen ein wenig einfacher darzustellen habe ich diese Skizze angefertigt:

Auf Basis dieser Idee begann ich nun, die Schaltpläne zu zeichnen. Mit dem Displayboard, auf dem sich die Röhre befindet fing es also an. Der Schaltungsaufbau ist sehr einfach. Über zwei gegenüber liegende Pfostensteckverbinder sollte das Board auf dem Mainboard einen stabilen Halt bekommen. Einer der Steckverbinder versorgt den BCD-Dezimaldekoder (CD4028N) mit den vier Dateneingängen und der 5V Versorgungsspannung für die Logik. Auf der anderen Seite des Boards wird die "Hochspannung" für die Röhre bereitgestellt.

Daraus konnte ich dann einfach ein Layout erstellen und dieses dann als Prototyp als Platine herstellen.

Nach dem Ätzen und Bestücken der ersten Platine und fünf Weiteren war der erste Schritt der Nixieuhr getan:


Um den ersten Teil des Machwerks zu testen, hatte ich an meiner Arbeitsstelle ein DEB100 Digital-Experimentierboard zur Verfügung. Das folgende Kurzvideo zeigt das Testergebnis:

Nachdem dann alle sechs Boards bestückt und getestet waren, hatte ich mich mit der Planung des Mainboards beschäftigt. Zu Beginn stand natürlich wieder die Erstellung eines Schaltplanes. Aus einer externen einer 12VDC Quelle, die idealer Weise ein simples Steckernetzteil sein sollte, mussten die Versorgungsspannungen generiert werden. Zum einen benötigte ich eine 5VDC Versorgung für den Microcontroller, die Schieberegister und die BCD Decoder und zum anderen eine "Hochspannung" von 140VDC für die Nixieröhren. Die 5V waren schnell erledigt - hier sollte ein 7805 Längsregler seinen Dienst verrichten. Da die Stromaufnahme der digitalen Komponenten relativ gering ist, bedurfte es hier keiner aufwendigen Maßnahmen. Die 7V Differenz am 7805 bei den paar Milliampere packte er ohne großartige Verlustleistungswärmeabgabe. Für die Erzeugung der 140V bastelte ich einen Step-Up - Konverter mit einem MC34062 (Inverting Regulator - Buck, Boost, Switching) Controller, der über einen FET eine 220uH Induktivität schaltet. Über einen Spannungsteiler mit Trimm Poti am Ausgang lässt sich eine Spannungsrückmeldung an den Komparator Ausgang des Controllers senden und somit die Ausgangsspannung einstellen. Als Microcontroller nehme ich für die meisten meiner Projekte (aufgrund des Lagerstandes :) ) immer Atmega328 und Ähnliche. So auch hier. Das Ergebnis ist folgender Schaltplan:


Daraus habe ich wieder ein Layout gebastelt und wieder ein Board geätzt und bestückt. Allerdings wurde dieses Prototypen Testboard nur eine Version mit vier Digits. Der Grund war auch, dass ich keine größere Roh-Platine zur Verfügung hatte :)


Daraus habe ich wieder ein Layout gebastelt und wieder ein Board geätzt und bestückt. Allerdings wurde dieses Prototypen Testboard nur eine Version mit vier Digits. Der Grund war auch, dass ich keine größere Roh-Platine zur Verfügung hatte :)

Nach diversen erfolgreichen Tests mit dem Prototypen Board, bestellte ich mir beim Platinen Herstellers meines Vertrauens professionell gefertigte Boards. Nach dem Bestücken derselben erstellte ich mir dann ein Testprogramm das alle Digits ansteuern konnte. Ein kurzes Testvideo ist unten verlinkt:

Wie die Uhr dann mit den "schön" gefertigten Boards aussieht, zeigen die folgenden Fotos. Um das ganze Werk noch etwas nostalgischer zu gestalten, hatte ich die Idee die Boards auf einer gefrästen Holzplatte zu montieren. (Danke an Gebhard für die Holzarbeiten). Um die Uhrenelektronik auch dauerhaft staubfrei zu halten, ließ ich mir eine transparente Plexiglashaube anfertigen.

Skizze für die Arcylglashaube

 






Die Software habe ich wie so oft mit der Arduino IDE gebastelt. Zum Flashen des Microcontrollers verwende ich den AVRISP mkII Programmer.  Wenn jemdand am Code interessiert sein sollte kann ich ihn hier im Blog auch posten.