WIP 1: Platinenplanung
WIP 2: fertiger Aufbau
WIP 3: finale Platinen und Schaltpläne
CubeController

Steuerplatine

XY-Platine

Z-Platine

Die USB-Implementierung wurde komplett fallen gelassen und durch einen zweiten RS232-Anschluss für den Cube-Controller ersetzt.

Steuerplatine (Schaltplan)

XY-Platine (Schaltplan)

Z-Platine (Schaltplan)

vorheriger WIP-Artikel zum LED-Cube

Um in Zukunft neue Projekte schnell mit BCM-Funktionalität auszurüsten, ohne den verwendeten Mikrocontroller damit belasten zu müssen (Pins, mindestens ein Timer, Programmspeicher, hinreichend hohe Frequenz), gibt es nun einen fertigen BCM-Baustein.
Dabei handelt es sich einfach um einen ATmega8 mit einem passenden Programm (das prinzipiell auch auf jedem anderen ATmega lauffähig ist), welches alle zur Verfügung stehenden Ausgänge ständig spezifisch gedimmt hält und seine Anweisungen via TWI empfängt. Die Auflösung beträgt 8 Bit (0..255). Die Software enthält bereits zwei Korrekturfunktionen (zuerst Gammakorrektur mit γ=1,90, danach Flimmerkorrektur, da manche Ausgabewerte wie 16/32/64/128 bei BCM bei langsamem Fading zu einem sichtbar sprunghaften Übergang führen).

Normalerweise sind 20 Pins als Ausgang nutzbar, 18, wenn XTAL1/2 für einen Quarz verwendet werden sollen. (Der ATmega8 läuft normalerweise mit seinen eigenen 8 MHz. Falls die LEDs für bestimmte Anwendungen zu deutlich flimmern, kann natürlich auch ein schnellerer Quarz angeschlossen werden.)
Falls tatsächlich so viele LEDs angeschlossen werden, dass die zu erwartende maximale Stromaufnahme den Grenzwert des ATmega8 übersteigt, können die LEDs natürlich auch alle über je einen Transistor in Emitterschaltung angesteuert werden, da die Ausgänge bei BCM genau wie bei PWM rein digital sind.

Jeder Chip wird in der Programmierphase mit einer fest im EEPROM codierten TWI-Adresse versehen (generall call ist auch aktiv) und wartet dann auf Steuerbefehle. Diese beginnen alle mit einem Slash und einem Unterscheidungszeichen (Slash, Doppelpunkt oder At), alle anderen Nachrichten werden ignoriert.

• // 0 1A 33 4D 66 80 99 B2 CC E5 FF
  Diese Nachricht setzt die Ausgänge #0 bis #10 grob auf die Werte 0% bis 100%. Die restlichen Ausgänge, #11 bis #19, sind nicht angegeben und werden daher nicht verändert.
• /:\x00\x1a\x33\x4d\x66\x80\x99\xb2\xcc\xe5\xff\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00\x00
  Diese Nachricht setzt die Ausgänge #0 bis #10 ebenfalls auf 0% bis 100%, die restlichen Ausgänge müssen bei dieser Nachrichtenform mit angegeben werden und werden hier auf 0% gesetzt. In dieser kompakteren Form werden die 8-Bit-Werte direkt als Einzelbytes in die Nachricht geschrieben.
• /@ 7F
  Diese Nachricht setzt alle Ausgänge auf 50%.

(Pin-Layout)

Sinn und Zweck des ganzen: Auf dem Würfel kann man mittlerweile 3D-Tetris spielen! Weitere Spiele sind in Planung.

Die drei Taster in schwarz und weiß entsprechen dabei den drei Tastern, die auch auf der Steuerplatine vorhanden sind: Zurück, Neustart, Weiter.
Mit Grün kann in den Spielemodus und zurück gewechselt werden, Gelb ist die Pausetaste.
Die vier großen weißen Taster ohne Kappe sind Cursortasten, der dunkelblaue Taster ist eine allgemeine Befehlstaste (“A”).

Die LEDs in den beiden oberen Ecken können zur Benachrichtigung blinken. Die beiden kleineren sind weiß und blitzen anstelle von Toneffekten kurz auf, die beiden größeren sind RGB-LEDs (die allerdings digital angeschlossen sind und somit nur 7 Farben zeigen können).

Die Kommunikation mit dem Würfel läuft über dessen RS232-Schnittstelle, verbunden über ein vierpoliges Kabel mit Westernsteckern (GND rxd txd Vcc). Die Westernbuchse dafür ist in der unteren Gehäusehälfte (Vorderseite) untergebracht und wird von innen weiß beleuchtet, sobald eine funktionierende Verbindung mit dem Würfel hergestellt wurde.
So wie auch über den Computer Steuerbefehle an den Würfel geschickt werden können, gibt es spezielle Steuerbefehle für die Spielelogik, die vom Controller gesendet werden, und spezielle Anweisungen an den Controller, die der Würfel senden kann, beispielsweise “verloren” (die RGB-LEDs beginnen rot zu blinken) oder ein neuer Punktestand (für die Drei-Ziffern-Anzeige).
Bei der Entwicklung stellte sich heraus, dass es kein Problem ist, drei Geräte gleichzeitig über RS232 zu verbinden — so kann man auch den Datenverkehr zwischen Würfel und Controller am PC mitlesen.
Die obere Hälfte des Gehäuses.

Die obere und untere Hälfte, jetzt beide fertig.
Die 9-polige D-Sub-Buchse an der Seite ist nicht die RS232-Verbindung zum Würfel, sondern ist für einen original Competition Pro-Joystick vorgesehen (der erfreulicherweise keinerlei Elektronik enthält, sondern einfach jeden seiner Taster direkt mit einem der D-Sub-Pins verbindet).
Die fertige Platine.

Die Unterseite.

Der LED-Cube mit den acht Zeilenanschlüssen und dem dickeren Z-Anschluss.

 Der LED-Würfel ist jetzt einsatzbereit, es fehlt nur noch ein passendes Gehäuse. Hier ist der eigentliche Aufbau zu sehen – nach vielen Stunden Arbeit sind die acht Ebenen aufeinander gelötet, die untersten Anoden wurden mit Schrumpfschlauch isoliert und durch eine Bodenplatte aus Alu geführt. Auf der Unterseite wurden sie dann unter passender Spannung verbogen (um die unterste Ebene wieder plan zu bekommen), verdrahtet und mit Heißkleber ganz fixiert und isoliert.

Während des Zusammenlötens wurden leider einige wenige LEDs durch die Hitze zerstört, bei etlichen anderen stellte sich hinterher heraus, dass sie auch in Sperrrichtung schwach durchlässig sind und daher zu unerwünschten Ghosting-Effekten führen (weil nicht leuchtende Anoden durch die Schieberegister auf Low gesetzt werden statt hochohmig zu werden).

Hier ist noch einmal die Steuerplatine zu sehen. Der ATmega16 wurde durch einen ATmega32 ersetzt, nachdem der Programmspeicher voll war (zum Glück sind die pinkompatibel, wie auch der ATmega644 – momentan ist der Programmspeicher schon wieder zu 66% voll).
Die RS232-Anbindung über den MAX232N funktioniert einwandfrei. Daneben findet sich noch ein neuer Aufbau für eine V-USB-Implementierung (simpel mit PullUp und zwei 3,6V-Zener-Dioden), was aber wieder verworfen wurde, da passende USB-RS232-Treiber für Windows 7 nur mit erheblichem Aufwand zu installieren sind.

Die XY-Platine, die jeweils einen kompletten Ebeneninhalt in Schieberegistern speichert, solange die Ebene aktiviert ist. Hier hat sich konzeptionell nichts mehr verändert.

Und natürlich die Z-Platine, die im letzten Artikel schon fertig war. Mit acht Transistoren in Emitterschaltung aktiviert sie jeweils eine der Ebenen.

erster WIP-Artikel zum LED-Cube

Dieser Kabeltester ist im Grunde nicht viel mehr als ein Lauflicht. Mit dem DIP-Schalter lässt sich einstellen, welche der 9 Pole eines Ethernetkabels getestet werden sollen (8 plus Schirm bei STP-Kabeln), typischerweise alle.

Der Aufbau ermöglicht, bei Netzwerk-, ISDN- und anderen Kabeln mit Westernsteckern 1. den Durchgang aller Pole zu testen und 2. anhand des Aufleuchtens der Empfänger-LEDs die korrekte Reihenfolge den Pole zu überprüfen.
Das ist insbesondere bei selbstgecrimpten Netzwerkkabeln nützlich, aber auch beispielsweise um die Polreihenfolge von TAE-4p4c-Adaptern herauszufinden.

Der Sender enthält zwei AA-Batterien, einen ATtiny2313 als steuerbares Lauflicht, ein 595-Schieberegister (um Pins zu sparen), den DIP-Schalter und jede Menge Vorwiderstände, um versehentliche Gerätezerstörung mit der LED-Spannung zu vermeiden (43Ω pro Ausgang).

Der Empfänger ist sehr simpel: 9 LEDs, eine gemeinsame Masse durch 9 Dioden (BAT43, um den Spannungsabfall gering zu halten) und ein 68Ω-Vorwiderstand.

Ab und zu lassen sich AVR-Probleme doch nicht nur aus dem Code heraus oder anhand der “Symptome” genau erkennen. Da kann die USART-Schnittstelle hilfreich werden, damit man schnell mal ein paar Debugging-Ausgaben vom Code sehen kann.
Da die Beschaltung eines RS-232-Pegelwandlers immer gleich ist, ist sie jetzt in einer kompakten, Breadboard-kompatiblen Box verfügbar.

Die Schaltung enthält einen MAX232N und die fünf zugehörigen 1µF-Kondensatoren; die Box bietet nach außen hin zwei 9-polige D-Sub-Stecker (einer direkt mit der Schaltung verbunden, der andere über den Umschalter, mit dem sich rxd und txd vertauschen lassen), zudem zwei LEDs die an rxd und txd (auf der TTL-Seite) hängen.

• zwei ISP6-Header, ein ISP10-Header (wofür auch immer der gut sein mag)
• ein Resetschalter (mit PullUp und 100nF gegen Masse)
• ein “Mini-ISP6-Header”
• zwei LEDs (eine gegen SCK, eine gegen +5V)
• und natürlich 100nF zwischen +5V und GND.

Hauptgrund für das Ding war, dass der Diamex-ISP-Programmer ein viel zu kurzes Kabel hat. Davon abgesehen geht es mit den paar eingebauten Teilen schneller, Testschaltungen zusammenzustecken.

Die Box dient gleichzeitig zur Aufbewahrung der passenden Kabel und einer kleinen Steckplatine mit passenden Wannensteckern:

Steuerplatine, Unterseite

Steuerplatine

Dies wird die Steuerplatine. Der große Sockel fasst einen ATmega16 (oder 32), daneben ist ein 14,7456 MHz-Quarz verbaut. Der obere Sockel ist für einen MAX232 vorgesehen, der 3-polige PSS daneben für einen RS232-Anschluss (GND tx rx). (Die vier 2-poligen Buchsen sind für die Kondensatoren des MAX232 vorgesehen, die schwarz markierten Buchsen sind die Kathoden.)
Darunter gibt es einen 6-poligen ISP-Header, um das Programm ohne IC-Tausch ändern zu können, und einen Reset-Taster. Der 16-polige Header unten führt zu den beiden anderen Platinen.
Der LED-Cube soll einmal bis zu 3 LEDs und bis zu 3 Taster an seinem Gehäuse bekommen (Statusanzeige und Steuerung). Diese sind auch schon auf der Platine untergebracht (die LEDs können bei Bedarf durch Abziehen des gelben Jumpers deaktiviert werden), externe können über die beiden 4-poligen PSS angeschlossen werden (GND <T1 <T2 <T3, GND +L1 +L2 +L3).
Die offene Steckbrücke in der Nähe des Quarzes (“PU”) schaltet einen 10kΩ-PullUp für die G-Leitung der ICs auf den anderen Platinen ein.

XY-Platine, Unterseite

XY-Platine

Diese Platine speichert mit acht Schieberegistern (74HC595) den Inhalt einer kompletten Ebene des 8x8x8-Würfels. Von hier aus werden die 64 LEDs der untersten Ebene direkt angeschlossen (mit 8-poligen PSK), dafür sind auch 68Ω-Vorwiderstände verbaut. (Auch wieder ein gutes Stück über den Datenblatt-Angaben zum maximalen Ivcc der 595, aber der Versuchsaufbau dazu hat gehalten.)
Jeder 595 hat unter dem Sockel seinen eigenen 100nF-Abblockkondensator, außerdem gibt es unten auf der Platine noch jede Menge Kapazität, um Schwankungen auszugleichen (1000µF + 100µF + 10µF + 0,1µF).
Die beiden LEDs rechts unten dienen nur Diagnosezwecken und hängen an den gemeinsamen SCK- und RCK-Leitungen der 595. Bei Bedarf können sie beide durch Abziehen des “L”-Jumpers deaktiviert werden.
Der 6-polige Header daneben (“C-Z”) verbindet diese Platine mit dem Ebenenselektor:

Z-Platine, Unterseite

Z-Platine

Diese Platine sorgt dafür, dass jeweils nur eine Ebene des LED-Würfels leuchten kann. Dazu gibt es acht Transistoren (BD433, Vorwiderstand 120Ω) in Emitterschaltung, die von einem 3/8-Decoder (74HC238) angesteuert werden.
Die Platine hat auch noch einen zuschaltbaren 10kΩ-PullUp für die G-Leitung des Decoders. Damit soll verhindert werden, dass der Würfel wild flackert, wenn im Betrieb der “C-Z”-Konnektor abgezogen wird, da dann die drei Eingänge des Decoders in der Luft hängen – mit der G-Leitung auf H gehen automatisch alle acht Ausgänge des Decoders auf L, so dass die Ebenen-Transistoren alle dicht machen.
Der 8-polige PSK (“Z”) führt direkt zu den acht gemeinsamen Kathoden der Würfel-Ebenen.

eine Würfel-Ebene

Hier ist eine der acht Ebenen des Würfels zu sehen. Die Anoden stehen alle senkrecht nach unten. Es gibt eine gemeinsame Kathode, die gleichzeitig auch das “Gerüst” der Ebene bildet.
Die Ebenen werden demnächst alle aufeinandergelötet, sodass mit den 64 nach unten hin freien Anoden jeweils eine komplette Spalte adressiert wird, während mit den 8 nicht miteinander verbundenen Ebenenkathoden jeweils eine Ebene aktiviert wird.
Es handelt sich um weiße, diffuse 3mm-LEDs mit einer Durchlassspannung von 3,2 – 3,4V (~20mA).

Diese Platine enthält all das auf kleiner Fläche (auch wenn sie zugegebenermaßen noch etwas kompakter hätte sein können).
(Reichelt-Warenkorb)

Auf der Oberseite gibt es natürlich einen IC-Sockel, dazu einen 100nF-Kondensator gegen Masse, einen 10kΩ-PullUp und einen kleinen Taster für den Reset-Pin, einen ISP-Header (nach der 6-poligen Norm) und zwei Anschlüsse für die Stromversorgung (einen kleinen PSS254/2G und eine AKL055-02-Anreihklemme).
Auf der Unterseite gibt es zwei 8-polige Stiftleisten, die direkt mit den Pins des ATtiny verbunden sind, und einen 100nF-Abblockkondensator.
Die Stromversorgung kann auch über den ISP-Programmer geschehen. Um diesen vor der Spannung einer eventuellen anderen Stromquelle zu schützen, hängt seine Vcc-Leitung über eine BAT43-Diode an der Vcc-Leitung des ATtiny (bei Bedarf kann diese Diode mit einem Jumper überbrückt werden).

Damit ist es nun also möglich, Testschaltungen mit Mikrocontroller ohne die ganze übliche Beschaltung aufzubauen. Sofern die Schaltung mit 3,3V bzw. 5V auskommt und nicht allzu viel Strom zieht, kann sie sogar direkt über den ISP-Programmer betrieben werden