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

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

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).