Messen Steuern Regeln mit Raspberry Pi

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Computer und ihre Schnittstellen, das ist ein über die Jahre wechselndes Thema. Der Homecomputer C64 aus den 1980er-Jahren hatte an seinem Userport frei zugängliche Anschlüsse für beliebige Zwecke. Man konnte damit frei experimentieren. Aber schon der erste PC machte die Sache aufwendiger. Immerhin gab es noch die seriellen Schnittstelle und den Druckerport, die man für eigene Zwecke missbrauchen konnte. Mit der Einführung von Windows wurde das jedoch immer schwieriger. Neuere PCs haben nicht einmal mehr eine serielle Schnittstelle. Alles läuft heute über den USB. Also hängt man im Normalfall ein externes System wie den Arduino oder einen anderen Mikrocontroller dran. Ein kleiner 8-Bit Controller ist leicht zu programmieren und dazu noch echtzeitfähig, denn es läuft immer nur das eigene, gerade gestartete Programm.

Mit dem Paspberry hat sich die Situation erneut geändert. Er gleicht eher einem modernen PC als einem Mikrocontroller und ist als vollwertiger Computer mit Tastatur, Maus und Bildschirm sowie  Internetzugang vielseitig einsetzbar. Zusätzlich hat er aber jede Menge frei zugängliche Anschlüsse und kann deshalb auch für elektronische Entwicklungen verwendet werden. Zwar ist der Paspberry als Multitasking-System nicht im eigentlichen Sinne echtzeitfähig, aber er ist inzwischen so schnell, dass man viele Aufgaben im Bereich Messen, Steuern und Regeln mit ihm erledigen kann.



Drei Programme gleichzeitig aktiv

Das Multitasking hat noch einen weiteren Nutzen: Man kann unterschiedliche Anwendungen wie PWM-Steuerung, Frequenzzähler, Voltmeter und Messwertschreiber starten und zusammen benutzen, solange sie unterschiedliche Ports verwenden. In dieser Beziehung ist der Raspberry sogar einem Windows-PC überlegen, denn hier wäre eine Schnittstelle belegt und könnte einzelne Ein- und Ausgänge nicht mit anderen Anwendungen teilen. Beim Raspberry Pi 2 mit seinen vier Prozessorkernen merkt man dagegen nicht einmal einen Geschwindigkeitsverlust, wenn mehrere Messprogramme gleichzeitig aktiv sind. Der Raspberry wird damit zu Zentrum eines kleines und vielseitigen Messgeräteparks für das Elektronik-Labor.



Alle GPIOs können wahlweise als Ausgänge oder als Eingänge verwendet werden. Besondere Vorsicht ist erforderlich um Kurzschlüsse und Überspannung an den Ports zu vermeiden. Das gesamte System arbeitet mit einer Betriebsspannung von 3,3 V. Besonders gefährlich ist daher eine direkte Verbindung mit +5 V, die zu einer Beschädigung des Raspberry führen würde. Aus diesem Grunde sollen die +5-V-Anschlüsse im Normalfall gar nicht erst angeschlossen werden.



Man sieht, wie wichtig es ist, die einzelnen Anschlüsse niemals zu verwechseln. Damit beim Experimentieren nichts schief läuft, soll nun eine immer gleich bleibende Verbindung zwischen den wichtigsten Anschlüssen des Raspberry und der Steckplatine geschaffen werden. Dabei wird nur die innere Kontaktreihe verwendet, und die rechten drei Pins bleiben frei. So hat man zwei Masseverbindungen (GND)
 
Wenn man ein geschlossenes Gehäuse verwendet, wird der Raspberry so weit abgesichert, dass man ihn kaum noch versehentlich zerstören kann.  Der gefährliche 5-V-Anschluss bleibt unter Verschluss, und Kurzschlüsse auf der Paspberry-Platine bleiben weitgehend ausgeschlossen. Das Steckboard besitzt an seiner Unterseite eine doppelseitige Klebefolie. Wenn man die Schutzfolie abzieht kann man es auf die Oberschale des Gehäuses kleben. Die Flachbandleitung wird dann unter dem Gehäuse auf die andere Seite geführt und mit seinen Steckern in das Steckboard gesetzt.


 
Dieses System hilft Fehler zu vermeiden, weil die einzelnen Anschlüsse immer an derselben Stelle liegen. Außerdem vermeidet man so zu viel Bewegung der Anschlussleitungen und ein Ausleiern der Kontakte. Und schließlich erhält man damit ein kompaktes und gut handhabbares Experimentiersystem.
Die grundsätzliche Verwendung der einzelnen Anschlüsse habe ich für micht so festgelegt, dass verschiedene Teile sich immer wieder nutzen lassen und auch in gemeinsamen Experimenten zum Einsatz kommen. Als kleine Vorschau und zur Motivation für die kommenden Versuche soll hier ein typischer Aufbau eines vielseitigen Mess-Systems gezeigt werden.
 


Das Steckboard trägt ganz unterschiedliche Baugruppen, deren Verbindung durch das Schaltbild verdeutlicht wird. Die wichtigsten Teile sind ein Digitalvoltmeter (Analog/Digitalwandler, ADC), ein PWM-Ausgang als Signalquelle und einstellbare Spannungsquelle, ein Zähler/Frequenzmesser, ein digitaler Eingang und zwei digitale Ausgänge mit angeschlossenen LEDs.


 
Die Liste der möglichen Experimente allein mit diesem Aufbau ist lang:
-    LEDs schalten, Blinker, Wechselblinker
-    Helligkeitssteuerung über den PWM-Ausgang
-    Frequenzmessung interner und externer Signalquellen
-    Untersuchung der Eigenschaften der Ein- und Ausgänge
-    Messungen mit einem einfachen Oszilloskop
-    Untersuchung von RC-Filtern

Die folgenden Programme funktionieren schon recht gut und sollen hier nach und nach genauer vorgestellt werden:


 
PWM-Steuerung, Steuerung der Helligkeit einer LED
 


Messung der Spannung an einer LED


 
Spannung an einem RC-Tiefpass mit 10 kΩ und 100 µF
 


Untersuchung der Eigenschaften eines digitalen Eingangs
 


Messung einer Frequenz


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