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