Lernende Infrarot-Fernbedienung mit ESP32

In einem Kurs mit dem ESP32 kam die Frage, ob man einen Sender für eine Infrarot-Fernbedienung selbst bauen kann. Ja, das geht. Es ist eine schöne Anwendung für den ESP32.

Zielvorgaben

Worum geht es also? Die Idee war, Signale von einer vorhandenen Infrarot-Fernbedienung einzulesen und dann gesteuert durch den Mikrocontroller zu reproduzieren. Der Controller kann z.B. zu einer bestimmten Zeit das Radio einschalten. Oder man kann einen kleinen Web-Server programmieren, der vom Smartphone gesteuert Licht oder Musik ein- oder ausschaltet. Geräte lassen sich automatisch steuern, ohne dass irgendein Eingriff in das Gerät notwendig ist. Vieles ist denkbar.

Um die Komplexität in Grenzen zu halten, nehmen wir für den Anfang nur drei Kanäle. Es soll also 3 Tasten geben, die jeweils ein angelerntes Signal abspielen können. Eine weitere Taste wird gebraucht, um das kleine Gerät in den Lernmodus zu versetzen. Wenn die Anlern-Taste für eine bestimmte Zeit (hier 3 Sekunden) gedrückt wird, soll das Gerät bereit sein, Signale von einer IR-Fernbedienung zu empfangen und aufzuzeichnen. Schließlich möchten wir noch Leuchtdioden haben, die den aktuellen Status anzeigen. Und die angelernten Daten sollen natürlich dauerhaft über das Stromabschalten hinaus erhalten bleiben. Das ist dann eigentlich schon alles.

IR Signal-Übertragung

Wie funktioniert die IR-Signalübertragung? Die üblichen IR-Sender produzieren Lichtsignale, die mit einer festen Frequenz zwischen 36 und 40 kHz moduliert sind, also sehr schnell ein- und ausgeschaltet werden. Dieser Frequenzbereich wurde gewählt, um den Signalabstand zu Störungen möglichst groß zu halten, denn schließlich ist Infrarotlicht allgegenwärtig, sei es als natürliches Licht von der Sonne oder als gepulstes Licht von diversen Lampen. Die eigentliche Information (z.B. “Radio einschalten”) befindet sich digital kodiert in der zeitlichen Abfolge von kurzen und langen Pulsen (“bursts”) mit z.B. 38 kHz. Ein typisches Signal von einer Fernbedienung kann z.B. 30 Millisekunden lang sein und 30, 40 oder 50 Pulse von kurzer oder langer Dauer enthalten.

Soweit die Theorie. Zum Glück ist in diesem Fall die Praxis nicht weit: Man kann mit einem Oszilloskop das Signal einer IR-Fernbedienung an einer Infrarot-Photodiode gut beobachten.

Schaltung zur Messung des Infrarot-Signals mit einer IR-Fotodiode. Die Fotodiode muss in Sperrrichtung gepolt sein.
Gemessene 38 kHz Bursts einer IR-Fernbedienung, hier eine “Bose Wave” Anlage. Einzelne Bursts sind etwa 550 Mikrosekunden lang. Die gesamte Sequenz erstreckt sich über 30 Millisekunden.

Für unsere Anwendung müssen wir das Signal zum Glück nicht “verstehen”. Aber es muss möglichst exakt aufgezeichnet und wieder abgespielt werden, damit das empfangende Gerät entsprechend reagiert.

Hardware

Es ist relativ einfach, IR-Signale mit einem Mikrocontroller zu generieren. Mit einem Timer wird eine Rechteckschwingung von 38 kHz erzeugt und auf einen der Ports gegeben. Typische IR-Leuchtdioden vertragen Ströme von bis zu 100 mA, was den Port überfordern würde. Deshalb kommt ein einfacher Transistor hinzu, z.B. ein BC337, der das Signal verstärkt. Um die 3.3V Board-Spannung des ESP32 nicht zu sehr durch die 38 kHz Pulse von 100mA zu belasten, wird die Infrarot-LED mit einem 33 Ohm Widerstand nach +5V verschaltet. Damit ist der Strom auf etwas unter 100 mA begrenzt.

Auf der Empfangsseite wird eine Schaltung benötigt, die möglichst empfindlich und gleichzeitig selektiv 38 kHz-IR-Signale herausfiltert und diese dann als digitale Zustände Ein (= Signal vorhanden) oder Aus (= kein Signal vorhanden) verfügbar macht. Das könnte aufwendig werden, wenn es dafür nicht fertige und preisgünstige Komponenten gäbe. Ich verwende den TSOP1138. Dieser oder ähnliche Empfänger mit guter Selektivität und hoher Empfindlichkeit sind in der Arduino-Welt verbreitet und z.B. in Funduino-Bausätzen enthalten. Der TSOP1138 hat drei Anschlüsse: Ground, Spannungsversorgung Vs und Signalausgang. Das Datenblatt sagt, dass die Betriebsspannung 5V betragen sollte. Tatsächlich habe ich sehr gute Ergebnisse mit den 3.3V des ESP32 erreicht. Es besteht also kein Bedarf für Pegelumsetzer.

TSOP1138

Schließlich kommen noch 4 Taster und 3 Leuchtdioden dazu. Damit ist die Hardware komplett. Die Schaltung ist einfach und kann gut auf einem Steckbrett aufgebaut werden.

Schaltbild IR Remote Control
Die Schaltung ist schnell auf einem Breadboard zusammengesetzt. Oben links befindet sich die IR-Sende-Diode mit dem Transistor zur Verstärkung. Oben mittig ist der IR-Empfänger. Taster und Leuchtdioden befinden sich auf der rechten Seite.

Wenn der Schaltplan klar ist, kann man die entsprechenden GPIO-Nummern im Sketch bereitstellen. Das geschieht im Programm ganz am Anfang als globale Konstanten. Damit sind die Definitionen an einem Ort und können bei Bedarf schnell angepasst werden.

// pin assignments
const int bt_learn = 16;
const int bt_play[] = {17, 5, 18};
const int ir_receiver = 34, ir_transmitter = 33;
const int led[] = {27, 26, 25};

Software

Der eigentlich spannende Teil des Projekts ist die Software. Natürlich gibt es ausgefeilte Bibliotheken für die Bearbeitung von Infrarot-Signalen mit einem Arduino (z.B. die multi-protocol-infrared-remote-library von Ken Shirriff). Diese sind aber nicht unbedingt für den ESP32 geeignet. Außerdem fand ich es interessanter, die notwendige Funktionalität mit Board-Mitteln zu programmieren.

System-Takt in Mikrosekunden

Grundsätzlich gibt es zwei mögliche Ansätze, um Zeitverläufe von Signalen aufzuzeichnen:

  1. Man kann mit einem regelmäßigen, möglichst engen Abstand den Zustand des Eingangs-Port testen und den jeweils aktuellen Wert als 0 oder 1 abspeichern. Üblich ist z.B. eine Abtastrate von 50 Mikrosekunden. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass die Abtastrate unweigerlich einen möglichen zeitlichen Fehler (hier +/- 25 Mikrosekunden) mitbringt.
  2. Alternativ kann der Eingangs-Port ständig mit hoher Geschwindigkeit abgefragt (“Polling”) und jeweils der Zeitpunkt der Umschaltung aufgezeichnet werden. Wenn das Polling ausreichend schnell geschieht, ist die zeitliche Auflösung dieser Methode besser. Dieser Ansatz setzt allerdings eine möglichst exakte System-Uhr im Bereich von Mikrosekunden voraus.

Glücklicherweise verfügt der ESP32 über genau das: Eine Timer-gesteuerte System-Uhr, die die Anzahl der Mikrosekunden seit dem Einschalten zur Verfügung stellt: esp_timer_get_time() (siehe ESP Referenz). Die Ausführung der Funktion benötigt selbst weniger als eine Mikrosekunde, stellt also keine besondere Systemlast dar.

Die Zeitpunkte (Mikrosekunden) des Anfangs (Einschalten) und Ende (Ausschaltens) der einzelnen Bursts werden in Arrays abgelegt. Da wir mit 3 Kanälen arbeiten, gibt es ein zwedimensionales Array, um die Signal-Zeitpunkte abzuspeichern: ir_data[3][250] . Es enthält drei Zeilen, wobei jede Zeile bis zu 250 Datenpunkte aufnehmen kann. In meinen bisherigen Versuchen waren in der Regel nie mehr als 100 Datenpunkte für ein IR-Signal notwendig – aber es kann nicht schaden, Luft nach oben zu lassen.

Zusätzlich benötigen wir noch jeweils eine Integer-Variable, die die tatsächliche Anzahl der Einträge in den Arrays abspeichert. Ich nenne sie ir_data_len[3], ebenfalls ein Array mit 3 Werten für drei Kanäle. ir_data[][] und ir_data_len[] werden als globale Variablen definiert, also im Programmablauf vor allen Funktionen.

// global constants 
const int channel_cnt = 3;                  // this version supports 3 channels (maximum is 10)
const uint16_t ir_data_size = 250;          // size of ir data sequence

// global variables
Preferences prefs;                            // access to non volatile storage (NVS)
uint32_t ir_data[channel_cnt][ir_data_size];  // IR data set, 3 rows of up to 250 data items each
int ir_data_len[channel_cnt] = {0, 0, 0};
bool learn_bt_pressed = false;

Funktion read_ir_data()

Damit wird die Funktion zum Einlesen der IR-Signale read_ir_data() unkompliziert. Die Funktion übernimmt einen Zeiger auf das Daten-Array, in dem die Daten abgelegt werden, und einen Zeiger auf die zugehörige Zähler-Variable. Am Anfang des Lesevorgangs wartet die Software auf das erste Signal von der IR-Fernbedienung und erfasst die aktuelle Startzeit (start_time). Ab jetzt wird bei jedem Wechsel des Eingangs-Ports die aktuelle Zeit gelesen, die Differenz zur Startzeit errechnet (time_stamp) und diese im Array gespeichert. Die boolesche Variable edge sorgt für die Unterscheidung zwischen dem Wechsel von LOW -> HIGH oder HIGH -> LOW. Nach dem Ablauf der voreingestellten Zeit, hier 250 Millisekunden, wird die Erfassung beendet. Die Arrays mit den Umschalt-Zeitpunkten bilden die Datenbasis für eine exakte Reproduktion des Signals.

/* read_ir_data ---------------------------------------------------------------------------
Reads a sequence of ir data via the IR receiver. Captures the start- and stop time points
of each burst and stores them to the array ir_data[]. Data reading continues until either 
the data storage is exceeded or reading timeout is reached. Flashes the corresponding LED
during the reading process. 
Input:    channel -> channel number (0 … 2)
Output:   array ir_data -> ir data points
          int *ir_data_len -> number of data points stored in the array 
*/
void read_ir_data(int channel, uint32_t ir_data[], int *ir_data_len) {
  long start_time;
  uint32_t time_stamp;
  bool edge = true;            // false for falling edge, true for rising edge

  ledcAttachPin(led[channel], led_pwm_channel);                     // flash LED
  ledcWrite(led_pwm_channel, 128);
  *ir_data_len = 0;                                                    // reset array index
  while (digitalRead(ir_receiver) == HIGH);                         // wait for falling edge
  start_time = esp_timer_get_time();                                // capture start time
  do {
    time_stamp = (uint32_t) (esp_timer_get_time() - start_time);    // refresh time stamp 
    if (edge) {                                                     
      if (digitalRead(ir_receiver) == HIGH) {                       // waiting for rising edge
        ir_data[*ir_data_len] = time_stamp;                            // capture time stamp
        ++*ir_data_len;
        edge = false;                                               // switch to falling edge
      };  
    } else {                                                       
      if (digitalRead(ir_receiver) == LOW) {                        // waiting for falling edge
        ir_data[*ir_data_len] = time_stamp;                            // capture time stamp 
        ++*ir_data_len;
        edge = true;                                                // switch to rising edge
      };  
    };
  } while ((time_stamp < ir_read_timeout) &amp;&amp; (*ir_data_len < ir_data_size));
  ledcDetachPin(led[channel]);                                      // clear flashing LED
  digitalWrite(led[channel], HIGH);                                 // switch off LED
}

Um die Arbeitsweise zu kontrollieren, gibt es eine Funktion print_ir_data(), die die eingelesenen Daten auf dem seriellen Monitor ausgibt. Hier die Daten für “Einschalten” bei der “Bose Wave” Anlage. Das Signal wird zum Zeitpunkt 0 eingeschaltet, nach 1047 Mikrosekunden aus, dann nach 2499 Mikrosekunden wieder ein, nach 3040 Mikrosekunden aus, usw.

Channel 0  IR data (71):
1047, 2499, 3040, 3521, 4041, 4491, 5032, 6490, 7034, 8489, 9038, 
9512, 10029, 10507, 11030, 12480, 13023, 13503, 14024, 15475, 16016, 17475, 
18019, 18497, 19010, 19466, 20011, 21465, 22015, 23465, 24007, 24486, 25009, 
26452, 27001, 77482, 78523, 79984, 80526, 81005, 81527, 82002, 82518, 83975, 
84521, 85974, 86524, 86992, 87515, 87992, 88516, 89964, 90508, 90987, 91510, 
92960, 93502, 94960, 95505, 95981, 96496, 96950, 97498, 98949, 99500, 100949, 
101493, 101971, 102494, 103937, 104486

PWM zur Erzeugung des 38 kHz-Signals

Zum Abspielen der aufgezeichneten Signale muss ein 38 kHz-Signal erzeugt und entsprechend ein- und ausgeschaltet werden. Dazu eignet sich die PWM-Funktion der Arduinos. Diese unterscheidet sich beim ESP32 von den 8-Bit-Arduinos, die über die Funktion analogWrite() verfügen. Der ESP32 hat mehr Hardware-Möglichkeiten, insbesondere mehr PWM-Kanäle. Hier wird die PWM mit drei Low Level-Funktionen gesteuert.

1) ledcSetup(<channel>, <frequency>, <bit resolution>); 
2) ledcAttachPin(<GPIO no>, <channel>);
3) ledcWrite(<channel>, <duty cycle>); 

Mit ledcSetup() wird der gewünschte PWM-Kanals konfiguriert. Die Frequenz ist in unserem Fall 38 kHz. Die Funktion ledcAttachPin() bindet den PWM-Kanal an einen der Ausgabe-Ports (hier der Port für die Infrarot-Leuchtdiode). Schließlich setzt ledcWrite() den gewünschten Duty-Cycle. Wir arbeiten mit einer Bit Resolution von 8, so dass der Wert für Duty Cycle zwischen 0 (entspricht dauerhaft Aus) und 255 (entspricht dauerhaft Ein) liegen darf.

Eine gute Zusammenfassung der PWM beim ESP32 gibt es hier: EPS32 Arduino LED PWM Fading.

Der entsprechende Code im setup()-Block sieht so aus:

  // setup PWM for IR transmitter
  ledcSetup(ir_pwm_channel, ir_pwm_frequency, 8);    // pwm runs with 8 bit resolution
  ledcAttachPin(ir_transmitter, ir_pwm_channel);
  ledcWrite(ir_pwm_channel, 0);                      // switch off the IR transmitter for now

Funktion play_ir_data()

Im Programm übernimmt die Funktion play_ir_data() die Aufgabe, das IR-Signal – basierend auf den angelernten Daten – zu reproduzieren. Dabei kommt wieder die System-Uhr zur Hilfe, um im richtigen Moment die jeweiligen Bursts ein- oder auszuschalten. Einschalten heißt, den Duty-Cycle auf die Hälfte des Maximalwertes, also 128, zu setzen, so dass das PWM ein möglichst ausgeprägtes 38 kHz Signal erzeugt. Ausschalten heißt, den Duty-Cycle auf 0 zu setzen.

/* play_ir_data ---------------------------------------------------------------------------
Plays an IR data sequence
Input:  array ir_data -> holds the start- and stop time points for the bursts
        int ir_data_len -> number of data points in the array
*/
void play_ir_data(uint32_t ir_data[], uint16_t ir_data_len) {
  long start_time;
  uint32_t time_stamp;
  bool edge = true;                     // true for active, false for pause
  int i = 0;

  if (ir_data_len == 0) return;         // if data set is empty, then nothing to do

  start_time = esp_timer_get_time();    // capture start time
  ledcWrite(ir_pwm_channel, 128);       // activate IR transmitter
  do {
    time_stamp = esp_timer_get_time() - start_time;
    if (time_stamp >= ir_data[i]) {
      if (edge) {
         ledcWrite(ir_pwm_channel, 0);    // stop IR transmitter
         edge = false;
      } else {
         ledcWrite(ir_pwm_channel, 128);  // activate IR transmitter
         edge = true;
      };
      ++i;
    }
  } while (i < ir_data_len);
  ledcWrite(ir_pwm_channel, 0);           // ensure that IR transmitter is stopped 
}

Das Oszilloskop zeigt, dass das ursprüngliche Signal mit guter Genauigkeit reproduziert wird.

Ausgangs-Signal am IR-Empfänger für die Funktion “Einschalten” des Bose Wave-Systems
Signal am GPIO-Ausgang des ESP32. Der zeitliche Verlauf des ursprünglichen Signals wird exakt reproduziert.

Daten langfristig sichern: Preferences

Schließlich gibt es noch die Anforderung, dass der ESP32 die Daten der gelernten Signale über das Ausschalten hinaus im Speicher behalten soll. Beim 8-Bit Arduino gibt es das EEPROM zum dauerhaften Abspeichern von Daten. Leider ist der Speicherplatz des EEPROMS begrenzt und die Programmierung dazu etwas umständlich.

Der ESP32 bietet die Möglichkeit, aus dem Programm heraus den Flash-Speicher, in der ESP-Terminologie non-volatile storage (NVS), zu lesen und zu beschreiben. Der hat natürlich sehr viel Platz. Im Arduino-Framework gibt es das Preference-Objekt, mit dem der Flash-Speicher erreichbar ist. Dazu wird ein globales Objekt prefs vom Typ Preferences erzeugt.

#include <Preferences.h>
Preferences prefs;

Dort kann man Bereiche einrichten, die zum Abspeichern beliebiger Daten zur Verfügung stehen. Der Bereich bekommt einen Namen, der als String übergeben wird, und wird mit Begin geöffnet. Der Name kann willkürlich gewählt werden, hier ir_nvs.

prefs.begin("ir_nvs", false);

False bedeutet, dass der Bereich sowohl gelesen als auch beschrieben werden darf. Zum Lesen und Schreiben gibt es die Objekt-Methoden get…() und put…(), jeweils für die üblichen Datentypen, z.B.

 prefs.putUShort(<name_string>, <int value>); 

zum Schreiben eines 16-Bit Integer-Wertes ohne Vorzeichen. Der name_string kann wieder beliebig gewählt werden, muss aber eindeutig sein und dient zur Identifikation der Variable. Eine gute Praxis ist, dafür den Namen der entsprechenden Variable im RAM zu verwenden.

Für Arrays und andere größere Objekte kann man auf die Funktion

prefs.putBytes(<name_string>, <pointer>, <size>);

zurückgreifen, die den entsprechenden Speicherbereich ins Flash kopiert und so dauerhaft verfügbar macht.

Als Gegenstück kann mit

 <short_value> = prefs.getUShort(<name_string>); 

der gespeicherte Wert gelesen werden. Wenn man auf einen bisher noch unbeschrieben Namen zugreift, bekommt man den Wert 0.

Im Programm werden nach dem Einschalten im setup()-Block die Anzahl der abgespeicherten Daten für die drei Kanäle aus dem Flash-Speicher in das Array ir_data_len[] gelesen. Wenn die Werte größer als 0 sind, dann gibt es tatsächlich abgelegte IR-Daten, die dann in das Array ir_data[][] im RAM kopiert werden und für die Funktion play_ir_data() zur Verfügung stehen.

  // read IR data from NVS
  char ir_len_str[10] = "ir_len_0", ir_data_str[10] = "ir_data_0";

  prefs.begin("ir_nvs", false);
  Serial.println();
  Serial.println("Reading NVS ir_data ");
  for (int i = 0; i < channel_cnt; ++i) {
    ir_len_str[7] = '0' + i;
    ir_data_str[8] = '0' + i;
    ir_data_len[i] = prefs.getUShort(ir_len_str);
    Serial.print("Channel " + String(i) + ": ");
    Serial.println(String(ir_data_len[i]) + " Entries");
    if (ir_data_len[i] > 0) 
      prefs.getBytes(ir_data_str, ir_data[i], ir_data_len[i] * sizeof(uint32_t));
  }       
  Serial.println();

Entsprechend werden nach dem Anlernen von IR-Signalen die Daten in den Flash-Speicher geschrieben, so dass sie dauerhaft erhalten bleiben und beim nächsten Einschalten des Geräts gelesen werden können. Das übernimmt die Funktion learn_sequence(), die nacheinander für alle 3 Kanäle die Funktion read_ir_data() aufruft und die Daten dann in den Flash-Speicher schreibt.

/* -------------------------------------------------------------------------------------*/
void learn_sequence(void) {
  char ir_len_str[10] = "ir_len_0", ir_data_str[10] = "ir_data_0";
  for (int i = 0; i < channel_cnt; ++i) {
    read_ir_data(i, ir_data[i], &amp;ir_data_len[i]);
    print_ir_data(i, ir_data[i], ir_data_len[i]);
    ir_len_str[7] = '0' + i;
    ir_data_str[8] = '0' + i;
    prefs.putUShort(ir_len_str, ir_data_len[i]);
    prefs.putBytes(ir_data_str, ir_data[i], ir_data_len[i] * sizeof(uint32_t));
  };
}

Alle Komponenten zusammen setzen

Damit sind die wesentlichen Komponenten für das System vorhanden. Die Schleife loop() fragt die Buttons ab und verzweigt in die jeweiligen Funktionen.

/* -------------------------------------------------------------------------------------*/
void loop() {
  uint8_t learn_pressed_cnt = 0;

  // check whether the learn button is pressed for at least 3 seconds
  while (digitalRead(bt_learn) == LOW) {
    delay(200);
    ++learn_pressed_cnt;
    if (learn_pressed_cnt >= 15) {
      learn_sequence();
      learn_pressed_cnt = 0;
    }
  }

  // check the play buttons and play correspoding sequence 
  for (int i = 0; i < channel_cnt; ++i) {
    if (digitalRead(bt_play[i]) == LOW) {
      digitalWrite(led[i], LOW);
      play_ir_data(ir_data[i], ir_data_len[i]);
      digitalWrite(led[i], HIGH);
      delay(250);
    }
  }

Die Bedienung geschieht folgendermaßen:

  • Nach dem Einschalten (Power On) werden die drei Leuchtdioden der Reihe nach kurz durchgeschaltet, um zu zeigen, dass das System aktiv ist.
  • Das Gerät kann drei verschiedene Signale aufzeichnen und abspielen. Dazu dienen die drei Taster. Ein Druck auf einen der Taster bewirkt das Aussenden des entsprechenden Signals. Dabei leuchtet die zugehörige Leuchtdiode kurz auf.
  • Um in den Lernmodus zu gelangen, muss die Anlern-Taste für mindestens 3 Sekunden gedrückt werden. Dann blinkt die Leuchtdiode des ersten Kanals in einem schnellen Rhythmus, um anzuzeigen, dass das Gerät auf ein Signal zum Anlernen wartet. Man sollte jetzt die Fernbedienung auf den IR-Empfänger richten und kurz (!) die gewünschte Funktion drücken. Nachdem das passiert ist, wiederholt sich der Vorgang für Kanal 2 und 3. Damit ist das Gerät programmiert und bereit zum Einsatz.

Hier das ganze Programm.

/* ir_remote_control

This scetch records and reproduces IR signals from any IR remote control.
The IR data is stored in NVS memory and therefore retained beyond power off.
This version supports 3 channels. It can easily be extended to more channels.

Pin assignments:
  bt_learn        input pullup    GPIO16          learn button, push for at least 3 seconds
  bt_play         input pullup    GPIO17, 5, 18   buttons to send signal 
  ir receiver     input           GPIO34          IR receiver chip, e.g.TSOP1138 
  ir transmitter  output          GPIO33          IR transmitter diode, connected via a transistor
  led             output          GPIO27, 26, 25  control leds
  
SLW 10-Sep-2019
*/

#include <Arduino.h>
#include <Preferences.h>

// pin assignments
const int bt_learn = 16;
const int bt_play[] = {17, 5, 18};
const int ir_receiver = 34, ir_transmitter = 33;
const int led[] = {27, 26, 25};

// global constants 
const int channel_cnt = 3;                  // this version supports 3 channels (maximum is 10)
const uint16_t ir_data_size = 250;          // size of ir data sequence
const uint16_t ir_pwm_frequency = 38000;    // ir signal sends at 38kHz
const uint8_t ir_pwm_channel = 0;           // first pwm channel for ir signal
const uint8_t led_pwm_channel = 2;          // second pwm channel for LEDs
const uint16_t led_pwm_frequency = 8;       // frequency for flashing LEDs
const uint32_t ir_read_timeout = 250000;    // max duration is 0.2 sec 

// global variables
Preferences prefs;                            // access to non volatile storage (NVS)
uint32_t ir_data[channel_cnt][ir_data_size];  // IR data set, 3 rows of up to 250 data items each
int ir_data_len[channel_cnt] = {0, 0, 0};
bool learn_bt_pressed = false;

/* startup_msg ---------------------------------------------------------------------------
Flashes the LEDs at startup, just to show that the system is active.
*/
void startup_msg(void) {
  for (int i = 0; i < channel_cnt; ++i) {
    digitalWrite(led[i], LOW);
    delay(500);
    digitalWrite(led[i], HIGH);
  }
}

/* read_ir_data ---------------------------------------------------------------------------
Reads a sequence of ir data via the IR receiver. Captures the start- and stop time points
of each burst and stores them to the array ir_data[]. Data reading continues until either 
the data storage is exceeded or reading timeout is reached. Flashes the corresponding led
during the reading process. 
Input:    channel number
Output:   array ir_data -> ir data points
          int *ir_data_len -> number of data points stored in the array 
*/
void read_ir_data(int channel, uint32_t ir_data[], int *ir_data_len) {
  long start_time;
  uint32_t time_stamp;
  bool edge = true;            // false for falling edge, true for rising edge

  ledcAttachPin(led[channel], led_pwm_channel);                     // flash LED
  ledcWrite(led_pwm_channel, 128);
  *ir_data_len = 0;                                                    // reset array index
  while (digitalRead(ir_receiver) == HIGH);                         // wait for falling edge
  start_time = esp_timer_get_time();                                // capture start time
  do {
    time_stamp = (uint32_t) (esp_timer_get_time() - start_time);    // refresh time stamp 
    if (edge) {                                                     
      if (digitalRead(ir_receiver) == HIGH) {                       // waiting for rising edge
        ir_data[*ir_data_len] = time_stamp;                            // capture time stamp
        ++*ir_data_len;
        edge = false;                                               // switch to falling edge
      };  
    } else {                                                       
      if (digitalRead(ir_receiver) == LOW) {                        // waiting for falling edge
        ir_data[*ir_data_len] = time_stamp;                            // capture time stamp 
        ++*ir_data_len;
        edge = true;                                                // switch to rising edge
      };  
    };
  } while ((time_stamp < ir_read_timeout) &amp;&amp; (*ir_data_len < ir_data_size));
  ledcDetachPin(led[channel]);                                      // clear flashing LED
  digitalWrite(led[channel], HIGH);                                 // switch off LED
}

/* play_ir_data ---------------------------------------------------------------------------
Plays an IR data sequence
Input:  array ir_data -> holds the start- and stop time points for the bursts
        int ir_data_len -> number of data points in the array
*/
void play_ir_data(uint32_t ir_data[], uint16_t ir_data_len) {
  long start_time;
  uint32_t time_stamp;
  bool edge = true;                     // true for active, false for pause
  int i = 0;

  if (ir_data_len == 0) return;         // if data set is empty, then nothing to do

  start_time = esp_timer_get_time();    // capture start time
  ledcWrite(ir_pwm_channel, 128);       // activate IR transmitter
  do {
    time_stamp = esp_timer_get_time() - start_time;
    if (time_stamp >= ir_data[i]) {
      if (edge) {
         ledcWrite(ir_pwm_channel, 0);    // stop IR transmitter
         edge = false;
      } else {
         ledcWrite(ir_pwm_channel, 128);  // activate IR transmitter
         edge = true;
      };
      ++i;
    }
  } while (i < ir_data_len);
  ledcWrite(ir_pwm_channel, 0);           // ensure that IR transmitter is stopped 
}

/* print_ir_data ---------------------------------------------------------------------------
Prints ir data to the serial monitor, for control purpose only
*/
void print_ir_data(int channel, uint32_t ir_data[], uint16_t ir_data_len) {
  int line_cnt = 0;

  Serial.println();
  Serial.print("Channel " + String(channel) + "  IR data (");
  Serial.print(ir_data_len);
  Serial.println("):");
  for (int i = 0; i < ir_data_len; ++i) {
    Serial.print(ir_data[i]);
    if (i < ir_data_len - 1) Serial.print(", ");
    ++line_cnt;
    if (line_cnt > 10) {
      Serial.println();
      line_cnt = 0;
    }
  }
  Serial.println();
}

/* -------------------------------------------------------------------------------------*/
void learn_sequence(void) {
  char ir_len_str[10] = "ir_len_0", ir_data_str[10] = "ir_data_0";
  for (int i = 0; i < channel_cnt; ++i) {
    read_ir_data(i, ir_data[i], &amp;ir_data_len[i]);
    print_ir_data(i, ir_data[i], ir_data_len[i]);
    ir_len_str[7] = '0' + i;
    ir_data_str[8] = '0' + i;
    prefs.putUShort(ir_len_str, ir_data_len[i]);
    prefs.putBytes(ir_data_str, ir_data[i], ir_data_len[i] * sizeof(uint32_t));
  };
}

/* -------------------------------------------------------------------------------------*/
void setup() {
  char ir_len_str[10] = "ir_len_0", ir_data_str[10] = "ir_data_0";

  Serial.begin(115200);

  // read IR data from NVS
  prefs.begin("ir_nvs", false);
  Serial.println();
  Serial.println("Reading NVS ir_data ");
  for (int i = 0; i < channel_cnt; ++i) {
    ir_len_str[7] = '0' + i;
    ir_data_str[8] = '0' + i;
    ir_data_len[i] = prefs.getUShort(ir_len_str);
    Serial.print("Channel " + String(i) + ": ");
    Serial.println(String(ir_data_len[i]) + " Entries");
    if (ir_data_len[i] > 0) 
      prefs.getBytes(ir_data_str, ir_data[i], ir_data_len[i] * sizeof(uint32_t));
  }       
  Serial.println();

  // set pin modes
  for (int i = 0; i < channel_cnt; ++i) {
    pinMode(bt_play[i], INPUT_PULLUP);        // define ports for buttons
    pinMode(led[i], OUTPUT);                  // define ports for LEDs
    digitalWrite(led[i], HIGH);               // switch off the LEDs
  };
  pinMode(bt_learn, INPUT_PULLUP);
  pinMode(ir_receiver, INPUT);
 
  // setup PWM for IR transmitter
  ledcSetup(ir_pwm_channel, ir_pwm_frequency, 8);    // pwm runs with 8 bit resolution
  ledcAttachPin(ir_transmitter, ir_pwm_channel);
  ledcWrite(ir_pwm_channel, 0);                      // switch off the IR transmitter, for now

  // setup PWM for flashing LEDs
  ledcSetup(led_pwm_channel, led_pwm_frequency, 8);

  // show welcome message
  startup_msg();
}

/* -------------------------------------------------------------------------------------*/
void loop() {
  uint8_t learn_pressed_cnt = 0;

  // check whether the learn button is pressed for at least 3 seconds
  while (digitalRead(bt_learn) == LOW) {
    delay(200);
    ++learn_pressed_cnt;
    if (learn_pressed_cnt >= 15) {
      learn_sequence();
      learn_pressed_cnt = 0;
    }
  }

  // check the play buttons and play correspoding sequence
  for (int i = 0; i < channel_cnt; ++i) {  
    if (digitalRead(bt_play[i]) == LOW) {
      digitalWrite(led[i], LOW);
      play_ir_data(ir_data[i], ir_data_len[i]);
      digitalWrite(led[i], HIGH);
      delay(250);
    }
  }
}

Fazit

Eine lernfähige IR-Fernbedienung kann mit dem ESP32 relativ schnell entwickelt werden. Das Gerät arbeitet zuverlässig und hat sich bei verschiedenen Anwendungen bewährt. Die Genauigkeit der Reproduktion ist sehr hoch. Bei mir haben die Zielgeräte bisher klaglos die Signale der “fremden” Fernbedienung akzeptiert.

Bei Bedarf kann die Anzahl der Kanäle weiter erhöht werden, solange GPIOs für Tasten und Leuchtdioden vorhanden sind.

Bleibt die Frage, ob der ESP32 für diese Anwendung Vorteile im Vergleich zum 8-Bit Arduino bietet. Natürlich kann man ein ähnliches Ergebnis auch mit eine Arduino Nano erreichen. Dabei würde es aber im RAM knapp. 3 * 250 Datenpunkte von jeweils 32 Bit belegen mehr als 2 kB und würden das verfügbare RAM des ATmega328 bereits überfordern. Außerdem macht sich beim ESP32 der schnelle Systemtakt für eine höhere Genauigkeit der reproduzierten Signale und der der große Flash-Speicher zum dauerhaften Ablegen der Sequenzen nützlich. Spätestens wenn mehr Kanäle notwendig werden, wird der 8-Bitter nicht ausreichen. Und als Erweiterung kann der ESp32 die Bedienung über ein Web-Interface ermöglichen, was ein weiterer Schritt in Richtung Smart-Home wäre.

Downloads

Mehr Arduino-Training

Der Arduino-Kurs hat drei weitere Module bekommen. In “LC-Display” geht es um den Anschluss eines einfachen LC-Display, so dass Texte und Daten ausgegeben werden können. Das Modul “Bits und Bytes” behandelt die Eingabe über externe Taster. Zusammen mit dem Display wird daraus ein Reaktionszeit-Tester. Das dritte Modul, das neu dazu gekommen ist, bearbeitet Timer und Interrupts. So lassen sich quasi-parallele Aufgaben unabhängig voneinander ausführen.

Arduino Kurs – Bits und Bytes
Arduino Kurs – LC-Display
Arduino Kurs – Timer und Interrupts

Die Kursskripte und die zugehörigen Sketches sind auf der Ressourcen-Seite abrufbar.

Wie immer sind Kommentare und Anregungen willkommen.

Weitere Text-Funktionen für das Smart I2C Graphic Display

Das Smart-I2C Graphic Display kommt bei verschiedenen Projekten zum Einsatz. Neulich begegneten uns zwei Probleme, die zu kleinen Erweiterungen der Funktionalität führten.

Rechts-bündige Texte ausgeben

Manchmal ist es hilfreich, Texte rechtsbündig auszugeben.  Das ist zum Beispiel nützlich, wenn man mehrere Zahlenwerte untereinander positionieren möchte.

Also wurde die Firmware für das Display noch einmal geöffnet und um die Funktion draw_radj_str() erweitert. Der zugehörige Command-Token ist 37. Damit gibt es jetzt drei Funktionen zur Text-Ausgabe, wie in Smart I2C GLCD Instruction Set_v1-1 erläutert:

Ausschnitt aus dem Dokument "Smart I2C GLCD Instruction Set_v1.1.pdf"
Ausschnitt aus dem Dokument “Smart I2C GLCD Instruction Set_v1.1.pdf”

Das folgende Beispiel zeigt einen Arduino-Sketch, der die drei Text-Funktionen verwendet und die Ausgabe produziert, die hier als Beitrags-Bild zu sehen ist.

Arduino Beispiel-Programm, das die drei Funktionen der Text-Ausgabe zeigt.
Arduino Beispiel-Programm, das die drei Funktionen der Text-Ausgabe zeigt.

In der setup()-Funktion werden die drei Texte ausgegeben. In der loop()-Funktion wird dann gezeigt, wie man z.B. eine Zahl in die untere, rechte Ecke des Displays setzt. Dazu wird die Zahl mit itoa() in einen String konvertiert, der dann mit draw_radj_str() ausgegeben wird.

Die neue Firmware für das I2C GLCD und das Instructions-Dokument stehen auf der Ressourcen-Seite bereit. Auch die Arduino-Bibliothek wurde angepasst.

Texte aus dem Programm-Speicher ausgeben

Ein notorisches Problem der 8-Bit AVR-Prozessoren ist der sehr limitierte RAM-Speicherplatz. Zum Beispiel hat der ATmega328 nur 2 kByte RAM an Board. Die üblichen Funktionen zur Textausgabe, z.B.  draw_str(“Dieses ist Text”);  haben den Nachteil, dass der Text erst in das RAM kopiert wird, bevor er zur Ausgabe gelangt. Das ist für konstante Texte, wie sie z.B. als Titel-Texte, Menü-Items oder Beschriftungen häufig zum Einsatz kommen, nicht sinnvoll und führt schnell zu Engpässen im RAM-Speicher.

Zum Glück gibt es die Möglichkeit, Texte direkt aus dem Flash-Programm-Speicher auszugeben. Davon hat der ATmega eine ganze Menge zu bieten. Wenn man mit dem Atmel-Studio in C arbeitet, sieht das etwa so aus:

#include <avr/pgmspace.h>
#include "i2cmaster.h"

#define GLCD_DRAW_STR 33

/* glcd_draw_pgm_string ------------------------------------------
* Funktion to plot a zero-terminated string from program memory
*/
void glcd_draw_pgm_str(const char *my_str)
{
  char my_char;
  i2c_start_wait(GLCD_ADDR + I2C_WRITE);
  i2c_write(GLCD_DRAW_STR);
  do {
    my_char = pgm_read_byte(my_str);
    i2c_write(my_char);
    ++my_str;
  } while (my_char > 0);
  i2c_stop();
};

...

const char str_title[] PROGMEM = "Dieses ist ein Titel-Text";

glcd_draw_pgm_str(str_title);

...

Dieses Beispiel geht davon aus, dass die I2C-Funktionen bereit stehen. Ich verwende üblicherweise die I2C-Master-Bibliothek von Peter Fleury (siehe http://jump.to/fleury).

Natürlich klappt das auch mit dem Arduino. Die entsprechenden Funktionen zur Textausgabe aus dem Programm-Speicher wurden in die GLCD-Bibliothek arduino_glcd_functions aufgenommen und heißen draw_pgm_str(), draw_center_pgm_str() und draw_radj_pgm_str(). Die Anwendung ist damit sehr einfach, wie das folgende Beispiel zeigt:

#include <Wire.h>
#include <glcd_functions.h>
#include <avr/pgmspace.h>

const char str_title[] PROGMEM = "Dieses ist ein Titel-Text";

glcd gd(0x20);     // creates an instance of the Graphic LCD

...

gd.draw_pgm_str(str_title);     // plots a string from program memory

...

Die Arduino-Bibliothek mit den neuen Funktionen zur Textausgabe ist – wie immer  – auf der Ressourcen-Seite verfügbar.

Bleibt noch zu erwähnen, dass diese Methode natürlich nur für Texte und Strings klappt, die als Konstante definiert werden können und sich im Laufe des Programms nicht ändern. Und dass das Problem des limitierten RAM-Speichers eine AVR-8-Bit-Eigenart ist. Sobald man mit grösseren Prozessoren, z.B. den STM32-Prozessoren oder gar dem Raspberry Pi unterwegs ist, sind solche Klimmzüge zur Text-Ausgabe nicht mehr notwendig.

Ich hoffe, die neuen Funktionen sind hilfreiche. Kommentare und Rückmeldungen sind sehr willkommen.

 

 

 

Neues vom Gewitter-Monitor: Version 2

Der Gewitter-Monitor mit graphischer Anzeige war ein Projekt, das ich im Jahr 2014 fertig gestellt hatte. Seit dem habe ich das Gerät immer wieder einmal im Einsatz, und es tut gute Dienste. Inzwischen ist es aber an der Zeit für etwas Modell-Pflege. Rechtzeitig vor der nächsten Gewitter-Saison stelle ich hier die neue Version 2 vor.

Version 2 verwendet im Kern einen Arduino, wodurch das Programmieren und Flashen vereinfacht wurde. Das I2C-Smart Graphic LCD ermöglicht ansprechende Graphiken. Dazu gibt es eine vollständig neu entwickelte Software mit vielen neuen Features, z.B. einen mehrstufigen Alarm-Level, eine Trend-Analyse und ein Konfigurations-Menü.

Bewährtes Design mit neuen Funktionen

Das Grundprinzip des Gewitter-Monitors bleibt bestehen und wird hier kurz zusammengefasst.

Wer Radiohören noch aus den Zeiten von Mittelwelle und Langewelle kennt, der weiß, dass Gewitter-Blitze als störendes Krachen im Lautsprecher zu hören waren. Seit dem Umstieg auf Frequenzmodulation oder gar digitale Verfahren ist das aus unserem Radio-Alltag verschwunden. Das Prinzip eignet sich aber nach wie vor, um Gewitter-Blitze zu beobachten und zu registrieren.

Die hier vorgestellte Schaltung arbeitet mit zwei Langewelle-Empfängern, die auf einer freien Frequenz (ungefähr 100kHz) ständig in den Äther hören. Sobald ein Signal erfasst wird, wird es von einem Mikrocontroller untersucht. Typisch für Blitze sind schnell ansteigende Flanken (im Lautsprecher als “Knacken” vernehmbar), die mit Hilfe des Analog-Digital-Converters (ADC) im Mikrocontroller selektiert und vermessen werden. Die Software sammelt die Anzahl der registrierten Blitze und die Summe der Pegel, die für jeden Blitz erreicht werden. Die Daten werden dann auf einem graphischen Display angezeigt. Das Display zeigt nicht nur die aktuell gemessenen Werte, sondern auch den Verlauf über die letzten Stunden. Die Daten erlauben die Analyse des Alarm-Levels, der über Leuchtdioden angezeigt werden. Darüber hinaus gibt es eine Trend-Analyse, um abzuschätzen, wie sich die Gewitteraktivitäten entwickeln werden.

Block-Diagramm
Block-Diagramm

Der analoge Schaltungsteil des vorherigen Gewitter-Monitors mit AM-Empfängern und der Peak-Detection-Schaltung hat sich bewährt und wurde übernommen. Die einzige Veränderung bezieht sich auf die Zeitkonstante der Peak-Detection, was weiter unten beschrieben wird.

Es gibt aber drei wesentliche Neuerungen:

(1) Die erste Veränderung trägt dem Feedback von einigen Nachbauten Rechnung. Basierend auf der zunehmenden Popularität des Arduino-Frameworks habe ich mich entschlossen, den ATmega-Prozessor im DIL-Gehäuse durch einen Arduino Nano zu ersetzen. Ich muss zugeben, dass ich für meine Entwicklungen lieber direkt mit den AVR-Prozessoren arbeite. Die  Arduino-Boards waren bisher immer gross, teuer und unhandlich für die Entwicklung von eigenständigen Geräten. Mit der Verfügbarkeit des kleinen und preisgünstigen Arduino Nano-Boards hat sich das aber verändert. Die kleine Platine hat ein komplettes Kernsystem für den ATmega-Prozessor an Board, was den Aufbau vereinfacht. Es bleibt der Nachteil, dass der Arduino im Vergleich zu einem “nackten” ATmega-Prozessor relativ strom-hungrig ist, da die Peripherie, z.B. das USB-Interface und die eingebaute Leuchtdiode, immer unter Spannung stehen. Da der Gewitter-Monitor aber wahrscheinlich nicht mit Batterie-Strom betrieben wird, ist dieser Nachteil verschmerzbar.

Arduino Nano
Der Arduino Nano hat ein komplettes System auf einem kleinen Board: ATmega328 Prozessor, 16 MHz Quarz, USB-Interface, LEDs und Spannungsregler. Sogar ein Reset-Taster ist dabei.

(2) Die zweite Veränderung bezieht sich auf das Graphik-Display. Bei dem vorher verwendeten ST7920 gab es Beschaffungsprobleme für die SPI-Variante. Außerdem fand ich die u8glib-Bibliothek unhandlich. Was lag also näher als eines der gut verfügbaren KS0108-Displays einzusetzen und mit dem Smart-I2C-Interface zu kombinieren, das an anderer Stelle beschrieben ist (siehe Universelles I2C-Interface für Graphik-LCD). Konkret habe ich mich für das 4-Zoll Display (Typ 3) entschieden, dass mit einer Auflösung von 192 x 64 Pixeln bei ansprechender Größe neue Möglichkeiten eröffnet. Das Graphik LCD-Display ist z.B. bei eBay unter dem Stichwort 4″ 192×64 Graphic LCD Modul Display in verschiedenen Farben erhältlich.

(3) Und schließlich war es an der Zeit, die Software komplett zu überarbeiten. Der neue Gewitter-Monitor hat einige neue Funktionen bekommen, speziell zur Analyse des Alarm-Status und der Trend-Entwicklung. Außerdem lässt sich das neue System flexible konfigurieren über ein Menü zur Einstellung der wichtigsten Parameter. Die Software wurde komplett in der Arduino-Entwicklungsumgebung geschrieben und kann mit dem vorhandenen USB-Interface des Arduinos in den Programmspeicher übertragen werden. Ein separater AVR-Programmer ist dafür nicht notwendig.

Die Schaltung

Der neue Gewitter-Monitor besteht aus dem Antennen-Modul, das wie oben beschrieben ohne Veränderung von der vorherigen Version übernommen wurde, und dem Hauptteil, das für die Auswertung und Anzeige zuständig ist. Das Antennen-Modul wird über ein 6-poliges Flachband-Kabel mit dem Hauptteil verbunden.

Gewitter-Monitor Antennen Modul
Schaltung des Antennen Modul mit dem AM-Empfänger IC TA7642 und einer Ferritstab-Antenne. Dieses Modul ist zweimal vorhanden.

Hier arbeitet ein AM-Empfänger mit dem TA7642 und einem Ferritstab als magnetische Antenne. Der Ferritstab hat eine Richtwirkung mit engen aber stark ausgeprägten Minima in Richtung der Ferritstab-Achse. Deshalb werden zwei Empfänger eingesetzt, die senkrecht zueinander stehen. So wird eine lückenlose Abdeckung von 360 Grad erreicht.

Gewitter Monitor Antenne-Modul
Antenne-Modul mit zwei senkrecht zueinander angeordneten Ferritstäben

Der Hauptteil des Gerätes verwendet, wie oben beschrieben, einen Arduino Nano und das Smart-I2C-Graphic-Display.

Schaltung des neuen Gewitter Monitors
Schaltung des neuen Gewitter Monitors

Das Signal vom Antennen-Modul wird mit einem Transistor (BC549C) verstärkt und dann an die Peak-Detection-Schaltung mit dem Operationsverstärker MCP602 geführt. Diese Schaltung folgt ansteigen Flanken sehr schnell und lässt das Signal dann langsam abfallen. So wird es möglich, mit dem naturgemäß relativ langsamen ADC die kurzen Blitz-Impulse sicher zu erfassen. Die Funktionsweise der Peak-Detection lässt sich mit dem Oszilloskop beobachten.

Eingang und Ausgang der Peak-Detection.
Eingang (untere Kurve) und Ausgang (obere Kurve) der Peak-Detection-Schaltung. Die Anregung erfolgt mit einem kurzen Impuls von wenigen µsec und erzeugt eine abfallende Flanke über mehrere msec. Der ADC tastet den Eingang mit einer Periode von 500µsec ab (4 mal pro Raster-Einheit).

Im Gegensatz zum vorherigen Gewitter-Monitor wurde die ADC-Abtast-Frequenz erhöht auf 2000 Hz pro Kanal. Entsprechend konnte die Zeitkonstante der Peak-Detection-Schaltung reduziert werden (10nF statt vorher 100nF). Dadurch erreicht das neue System eine etwa 10-fach höhere zeitliche Auflösung. Ereignisse, die vorher als ein einziger Blitz registriert wurden, können jetzt in mehrere diskrete Blitze aufgelöst werden.

Rechts oben im Schaltplan befindet sich die Spannungsversorgung für das Antennen-Modul. Die Empfangs-Empfindlichkeit der TA7642-ICs lässt sich über die Versorgungsspannung einstellen. Die Schaltung verwendet eine Band Gap-Referenz (TL431), die exakte 2.5V produziert, und einen Emitterfolger mit einem weiteren BC549C. Mit einem Trimmer kann der gewünschte Spannungswert gewählt werden. Ich habe die besten Erfahrungen mit 1.6V gemacht, gemessen am Eingang des Antennenmoduls (vor der Diode).

Für die Bedienung des Geräts sind drei Tasten verfügbar, die mit Select, Down und Up bezeichnet sind. Die Tasten befinden sich zusammen mit den Leuchtdioden für die Anzeige des Alarm-Levels und der Blitz-Erkennung auf einer kleinen Platine, die hier als Front-Panel bezeichnet wird.

Die Spannungsversorgung der Schaltung geschieht über ein externes Stecker-Netzteil, das mindestens 7V liefern sollte. Der Strombedarf ist abhängig von der eingestellten Beleuchtungsstärke des Displays und liegt maximal bei 150mA. Intern arbeitet ein Festspannungsregler. Zwar hat der Arduino einen eigenen 5V-Regler an Board, den man auch zur Versorgung der anderen Schaltungsteile heranziehen könnte. Ich habe mich aber für eine separate Versorgung entschlossen, weil der Regler auf dem Arduino bei größeren Eingangsspannungen vom Stecker-Netzteil (in meinem Fall 12V) und Strömen oberhalb von 100mA durchaus recht warm werden.

Damit ist die Schaltung beschrieben. Durch den Einsatz des integrierten Arduino Nano-Boards ist der Aufbau überschaubar. Dazu trägt auch die Tatsache bei, dass der Audio-Verstärker, der in der vorherige Version vorhanden war, hier weggelassen wurde.  Es hat sich gezeigt, dass beim laufenden System keine Notwendigkeit besteht, das Signal akustisch auszugeben.

Rückseite des Gewitter Monitor v2
Ein Blick hinter die Kulissen: Im Inneren geht es recht aufgeräumt zu. Das Arduino-Board sitzt auf zwei 15-poligen Pfostenleisten, so dass man es im Falle eines Falles leicht austauschen kann. Die USB-Micro Buchse ist gut zugänglich.

Vollständig neue Software

Der Umstieg auf Arduino und das Smart-I2C-GLCD erforderte eine vollständige Überarbeitung der Software. Das Grundprinzip ist aber weitgehend gleich geblieben.

Die Software besteht aus 4 Modulen:

  • GewitterMonitor_v2.ino ist das Hauptprogramm mit den setup() und loop()-Funktion und der Timer-getriebene Interrupt-Routine
  • GewitterMonitor_graphs.ino beinhaltet die Funktionen zur Anzeige auf dem Display
  • GewitterMonitor_stats.ino beherbergt die Statistik-Funktionen
  • GewitterMonitor_config.ino ist für die Verwaltung der Konfiguration zuständig.

Zusätzlich benötigt das Programm die Arduino-Bibliothek für das Graphik-Display glcd_functions. Um erfolgreich zu kompilieren, muss sich der glcd_functions-Folder im librariers-Ordner der Arduino-Sketche befinden – – wie bei Arduino üblich.

File-Struktur im Arduino-Verzeichnis
File-Struktur im Arduino-Verzeichnis

Alle Dateien sind auf der Ressourcen-Seite zum Download verfügbar. Für die glcd_functions-Bibliothek muss darauf geachtet werden, dass die Version vom 21-Feb-2018 (oder neuer) benötigt wird.

Kernstück der Software ist die Interrupt-Routine im Hauptprogramm. Diese Routine wird durch einen Timer-Interrupt 4000 mal pro Sekunde aufgerufen und liest wechselweise die ADC-Kanäle 0 und 1 ein. Das bedeutet, dass die Ausgänge vom Antennen-Modul wie oben beschrieben 2000 mal pro Sekunde abgefragt werden. Wenn sich zwei aufeinanderfolgende Werte um einen bestimmten Wert unterscheiden, wird dieses als Erkennung einer ansteigenden Flanke gewertet und entsprechend ein Blitz registriert. Der Schwellwert zur Blitzerkennung ist ein wichtiger Parameter des Systems, der sich konfigurieren lässt. Kleinere Werte bedeuten höhere Empfindlichkeit aber auch höhere Anfälligkeit gegen Störsignale. Größere Werte bedeuten geringere Empfindlichkeit. Als Default-Wert wird 150 eingesetzt, was bei dem Wertebereich des ADC von 1024 also etwa 15% Ausschlag entspricht. Damit habe ich die besten Erfahrungen gemacht.

Wenn der Trigger für die Blitzerkennung ausgelöst wurde, ermittelt das Programm den Maximalwert des Blitzes. Für jede Minute speichert das Programm die Anzahl der Blitze (flash_cnt) und die Summe der gemessenen Blitz-Maxima (flash_sum) in einem Array ab. Die Werte der letzten 150 Minuten stehen zur Anzeige zur Verfügung.

4 verschiedene Alarm-Level

Der Alarm-Level soll Auskunft geben, wie stark oder möglicherweise gefährlich die derzeitige Gewitter-Aktivität ist. Diese Information mag den interessierten Wetterbeobachter erfreuen oder hilfreich sein, um z.B. ein geplantes Picknick im Freien zu verschieben oder eine windanfällige Markise einzufahren.

Das System kennt 4 verschiedene Alarm-Level. Der Alarm-Level 1 schaltet die Display-Beleuchtung ein. Die Idee ist, dass das Gerät bei geringer Gewitteraktivität selbstständig um Aufmerksamkeit bittet. Die folgenden Alarm-Level 2 bis 4 werden über die drei roten Leuchtdioden als aufsteigende Reihe angezeigt.

Für die Berechnung des Alarm-Levels werden die Daten der letzten 15 Minuten herangezogen, sofern nichts anderes eingestellt wurde. Das Zeitfenster für die Auswertung des Alarm-Levels (alarm window) ist wiederum ein Parameter, den der Anwender konfigurieren kann. Der Default-Wert von 15 Minuten kann zwischen 5 und 60 Minuten gewählt werden.

Die Datenbasis für den Alarm-Level ist das Array mit den Summenwerten der Blitze pro Minute (flash_sum). Das Programm erlaubt zwischen zwei verschiedenen Algorithmen zu wählen. Entweder wird der Durchschnittswert (average) der Summenwerte berechnet, oder es wird der Maximalwert (max) gesucht. Durchschnittswerte sind robuster gegen einzelne Ausreißer, aber sie reagieren auch träger auf Veränderungen. Hier muss man Erfahrung sammeln, um zu schauen, was sich am Besten eignet. Für meinen Einsatz bevorzuge ich die Durchschnittsberechnung. In jedem Fall liefert das Programm einen Wert, entweder Durchschnitt oder Maximum, der dann mit einem Alarm-Schwellwert verglichen wird. Wird der Schwellwert übertroffen, dann wird der Alarm-Level 1 ausgelöst. Die anderen Alarm-Level verhalten sich entsprechend einer geometrischen Reihe:

  • Durchschnitt oder Maximum > Schwellwert: Alarm-Level 1
  • Durchschnitt oder Maximum > 2 * Schwellwert: Alarm-Level 2
  • Durchschnitt oder Maximum > 4 * Schwellwert: Alarm-Level 3
  • Durchschnitt oder Maximum > 8 * Schwellwert: Alarm-Level 4

Man kann leicht erkennen, dass es bei einem Alarm-Level 4 wirklich gewaltig kracht und das Gewitter in direkter Nähe ist.

Der Schwellwert des Alarm-Levels (alarm threshold) lässt sich ebenfalls konfigurieren. Man kann sowohl den gewünschten Algorithmus (Durchschnitt oder Maximum) als auch den Wert selber wählen. Als Default-Wert verwendet das System die Durchschnitts-Methode bei einem Schwellwert von 50.

Ich muss an dieser Stelle erwähnen, dass ich aufgrund der winterlichen Wetterlage bisher noch keine praktische Erfahrung mit den Alarm-Leveln sammeln konnte. Sicherlich wird es im Laufe des Sommers den einen oder anderen Software-Update geben.

Anzeige und Bedienung

Nach diesen Erklärungen sind das Display und die Bedienelemente hoffentlich einleuchtend.

Display und Bedienungselemente
Display und Bedienungselemente

Das 4-Zoll Display macht den Hauptteil der Frontseite aus. Es gibt dort zwei Bereiche: Auf der rechten Seite werden die aktuellen Messdaten für die laufende Minute gezeigt. Count steht für die Anzahl der registrierten Blitze in dieser Minute, und Sum für den Summenwerte über die gemessenen Maxima. Der Sekundenzähler unten in Bild läuft immer von 0 bis 60. Sobald die Minute voll ist, werden die aktuellen Daten übernommen und in den Verlauf eingefügt, der dabei um eine Reihe (= eine Minute) nach links verschoben wird.

Im rückblickenden Verlauf steht jede vertikale Linie für die Summe der Blitze während einer Minute. Am oberen Rand ist die Zeit-Skala angedeutet. Die kleinen Striche stehen für jeweils 15 Minuten, und der etwas größere Strich für eine Stunde. Man muss beachten, dass die vertikale Achse automatisch skaliert wird, um auch den größten gemessenen Wert sinnvoll abbilden zu können. Wenn z.B. der größte gemessene Wert 350 ist, dann wird die Skala bis 500 skaliert, usw.

Die gepunktete vertikale Linie zeigt das Zeitfenster für die Berechnung des Alarm-Levels. Alle Werte zwischen der gepunkteten Linie und dem rechten Rand (der aktuellen Zeit) werden für die Berechnung der Alarm-Level herangezogen. Wenn man im Konfigurations-Menü das Zeitfenster anders einstellet, wandert die gepunktete Linien an ihren neuen Platz.

Oben links im Display wird das Maximum (max) und der Durchschnittswert (avg) für das aktuelle gewählte Zeitfenster angezeigt.

Die restlichen Bedienelemente sind schnell erklärt. Die beiden gelben Leuchtdioden oben leuchten kurz auf (200 msec), sobald ein Blitz registriert wurde. Mit den beiden gelben Tasten lassen sich die Graphik-Bildschirme durchschalten. Man kann entweder die Anzeige der Summen oder die Anzeige der Anzahl der Blitze wählen. Schließlich ist die rote Taste ist für das Konfigurations-Menü vorgesehen.

Die Beleuchtung der Anzeige schaltet sich nach einiger Zeit ab, sofern kein Alarm-Level gesetzt ist. Wenn der neugierige Zeitgenosse trotzdem die aktuellen Daten sehen möchte, genügt ein Druck auf eine der Tasten, womit die Beleuchtung für 2 Minuten aktiviert wird.

Trend-Analyse

Interessanter als der Verlauf der letzten Minuten oder Stunden ist eigentlich das, was kommt. Wird das Gewitter noch stärker werden oder zieht es ab? In die Zukunft schauen kann der Gewitter Monitor natürlich nicht. Aber die Daten der Vergangenheit geben Anhaltspunkte. Zu dem Zweck habe ich eine Trend-Analyse in das Programm aufgenommen. Genaugenommen wird eine lineare Regression nach der Methode der kleinsten Quadrate über die Werte der letzten 45 Minuten (Regressions-Zeitfenster) berechnet und angezeigt. Die resultierende Gerade kann ansteigen oder abfallen, was sich in einem positiven oder negativen Steigungs-Koeffizienten erkennen lässt. Dieser Wert wird angezeigt – allerdings nur, wenn der Korrelations-Koeffizient grösser als 0.5 ist und somit einen sinnvollen Zusammenhang zeigt. Positive Werte bedeuten also, dass die Gewitter-Aktivität in den letzten 45 Minuten zugenommen hat, während negative Werte die Abnahme anzeigen. Wenn die Messwerte durchgängig bei 0 liegen oder wild streuen, so dass die Statistik keinen Trend erkennen lässt, dann wird im Display nur “–.-” angezeigt.

Trend-Analyse mit linearer Regression.
Das Schlimmste ist vorbei! Trend-Analyse mit linearer Regression.

Die Trend-Analyse kann jederzeit mit den Up– oder Down-Tasten dazu geschaltet werden. Die beiden gelben Tasten laufen hintereinander 4 verschiedene Darstellungen durch:

  • Zeitverlauf der Summenwerte (Flash Sum)
  • Zeitverlauf der Summenwerte zusätzlich mit Trend-Analyse (Flash Sum + Trend)
  • Zeitverlauf der Anzahl der Blitze pro Minute (Flash Count)
  • Zeitverlauf der Anzahl der Blitze pro Minute mit Trend-Analyse (Flash Count + Trend)

Auch hier gilt die oben gemachte Bemerkung, dass ich bisher noch keine Erfahrung mit dieser Funktion sammeln konnte. Der Sommer wird möglicherweise Software-Updates bringen.

Konfiguration

Wie oben beschrieben gibt es die Möglichkeit, die wichtigsten System-Parameter zu konfigurieren und an den Aufstellungsort und die Anwender-Vorlieben anzupassen. Ein langer Druck (> 3 sec) auf die rote Select-Taste führt in das Konfigurations-Menü.

Konfigurations-Menü
Konfigurations-Menü

Die Auswahl des gewünschten Parameters erfolgt über die Up– and Down-Tasten. Dann führt ein Druck auf die rote Select-Taste in die Einstellung für den gewählten Wert.

Editieren eines Konfigurations-Wertes
Editieren eines Konfigurations-Wertes

Mit den Up– und Down-Tasten kann der gewählte Werte verändert werden. Ein weiterer Druck auf Select übernimmt den neuen Wert und führt zurück zum Menü. Mit der Anwahl des letzten Eintrags, Exit, verlässt man das Konfigurations-Menü.

Alle Parameter haben Default-Werte, die bei dem ersten Programmstart eingestellt werden. Diese Werte haben sich bisher als eine gute Wahl während des Testbetriebs herausgestellt.

Hier eine kurze Zusammenfassung der Konfigurations-Parameter mit ihren Default-Werten

  • Trigger threshold ist die minimale Schrittgröße zwischen zwei aufeinander folgenden Messwerten, um eine ansteigende Flanke als Blitz zu interpretieren. Kleine Werte erhöhen die Empfindlichkeit aber auch die Anfälligkeit gegenüber Störsignalen.
    Default-Wert: 150
  • Alarm window ist die Anzahl der letzten, verstrichenen Minuten, die zur Berechnung des Alarm-Levels herangezogen werden.
    Default-Wert: 15
  • Alarm threshold selektiert den Algorithmus (Durchschnitt oder Maximum) und den Schwellwert für das Setzen der Alarm-Levels. Alarm-Level 1 wird beim Überschreiten des einfachen Schwellwertes aktiviert, Alam-Level 2 beim doppelten Wert, usw.
    Default-Wert: Avg 50
  • Display light setzt die Helligkeit des Displays. Die Werte reichen von 0 (= 0%, aus) bis 10 (= 100%, maximale Helligkeit).
    Default-Wert: 8
  • Startup screen selektiert die Graphik, die nach dem Einschalten des Geräts gezeigt wird. Mögliche Werte sind:
    Flash Sum
    Flash Sum + Trend
    Flash Count
    Flash Count + Trend
    Default-Wert: Flash Sum

Es bleibt noch zu erwähnen, dass alle Konfigurations-Parameter im EEPROM des Prozessors abgelegt werden. Damit bleiben die eingestellten Parameter auch nach dem Abschalten (oder beim Überwintern im Bastelkeller) erhalten – wie es sich für eine Anwendung dieser Art gehört.

Aufstellung und Einstellung

Zum Schluss ein paar Tips für die Inbetriebnahme. Das Gerät empfängt die magnetische Komponenten der elektromagnetische Schwingungen von Blitzen. Zum Glück sind die magnetischen Störfelder im Haus meist weniger stark ausgeprägt als die elektrischen Felder. Trotzdem reagiert das Gerät empfindlich auf Störsignale von manchen Schaltnetzteilen. Das ist natürlich insbesondere relevant für das Stecker-Netzteil, mit dem das Gerät betrieben wird. Hier gibt es deutliche Unterschiede. Im Zweifelsfall ist es keine schlechte Idee, etwas mehr Geld zu investieren. In meinem Fall steht das Gerät in einer Fensterecke, die sich ein bisschen abseits von den anderen Geräten befindet.

Es kann sinnvoll sein, das Gerät an eine Erdung (z.B. Wasserleitung, Heizung, etc.) anzuschliessen. In meinem Fall konnte ich dadurch den Störpegel deutlich reduzieren und die Empfindlichkeit weiter erhöhen. Das sollte aber nicht unbedingt notwendig sein.

Für die erste Inbetriebnahme sollte die Versorgungsspannung des Antennen-Moduls am Trimpoti auf 1.6V eingestellt werden. Für die Software empfehlen sich die Default-Parameter wie oben beschrieben.  Nach dem Einschalten – und in Abwesenheit von Gewittern – sollten die Blitz-Indikatoren nicht aufleuchten. Wenn es gelegentlich ein Signal gibt, dann ist das normal und kommt wahrscheinlich von technischen Geräten. In jedem Fall sollten die Werte aber deutlich unter der Schwelle für den ersten Alarm-Level liegen.

Zum Testen der Funktion nehme ich eine alte 9V-Batterie, die ich mit einem etwa 30 cm langen Drahtstück ein paar Mal kurz schließe. Wenn ich das in etwa 20 bis 30 cm Entfernung von der Antenne mache, sollte das Gerät dies als Blitze registrieren. Wenn das geklappt hat, ist alles in Ordnung und man kann entspannt auf die nächste gewittrige Wetterlage warten.

Es gibt zwei Optionen, die Empfindlichkeit zu verändern. Zuerst kann man mit dem Trimmpoti die Antennen-Spannungsversorgung vergrößern (höhere Empfindlichkeit) oder verkleinern (geringere Empfindlichkeit). Als zweite Option, und besonders um unerwünschte Störsignale heraus zu filtern, kann der Konfigurations-Parameter Trigger Threshold verkleinert (höhere Empfindlichkeit) oder vergrößert (geringere Empfindlichkeit) werden.  Tatsächlich ist eine sehr große Empfindlichkeit gar nicht wünschenswert. In Sommernächten kann das Gerät Reichweiten von vielen 100 km erreichen. Dann ist es fraglich, ob man sich ein Gewitter in den fernen Alpen anzeigen lassen möchte.

Zum Schluss

Ich hoffe, dass der neuen Gewitter Monitor v2 das Interesse des einen oder anderen Bastlers weckt. Wie immer freue ich mich über Rückmeldungen, Kommentare, Vorschläge oder Ideen. Natürlich bin ich auch gerne bereit, bei der Beschaffung von Komponenten zu unterstützen oder Prozessoren zu programmieren.

Die Software hat ein gewisses Mass an Komplexität erreicht – und wird sicherlich allerlei Fehler enthalten. Auch hierzu sind Rückmeldungen willkommen. Ich gehe davon aus, dass es bei Gelegenheit Updates geben wird, die – Arduino sei Dank – über die USB-Schnittstelle sehr einfach eingespielt werden können.

Die Software für dieses Projekt kann von der Ressourcen-Seite herunter geladen werden.

 

 

 

 

 

 

Nano-Scope: Oszilloskop mit Arduino und Graphic LC-Display

Kürzlich wurden in der Zeitschrift Elektor Mini-Oszilloskope besprochen. Es sind einfache Geräte, die im Kern einen Mikrocontroller mit schnellem Analog-Digital-Converter (ADC) aufweisen und mit einem einfach Display versehen sind. Die Ergebnisse sind durchaus beachtlich. Durch diesen Bericht animiert stellte ich mir die Frage: Kann man so etwas mit ganz einfachen Mitteln machen? Wie weit kommt man mit dem Arduino Nano, basierend auf einem ATmega32 mit 16MHz Taktfrequenz und einem I2C Graphic-LCD?

Die Frage lässt sich nur durch einen Test-Aufbau beantworten. Von Anfang an war klar, dass es kein “konkurrenzfähiges” Produkt werden soll. Die getesteten Mini-Oszilloskope sind so günstig zu kaufen, zum Teil als Bausatz, dass es keinen Sinn macht, ein vergleichbares Gerät selbst zu entwickeln. Hier geht es also um das Prinzip. Und wie immer gibt es dabei viel zu lernen.

Vorüberlegungen

Der ATmega32 hat einen ADC auf dem Chip, der bereits mit einer sample-and-hold Schaltung ausgerüstet und somit für die Erfassung dynamischer Spannungsverläufe gut geeignet ist. Die Grundidee ist ganz einfach: Ein regelmäßiger Timer-Interrupt liest mit Hilfe des ADC den aktuellen Spannungswert am Eingang ein. Mit einer Trigger-Logik wird festgestellt, ob ein (einstellbarer) Schwellwert (trigger threshold) überschritten wurde. Wenn das der Fall ist, erfolgt die Datensammlung in ein Array. Sobald das Array gefüllt ist, wird es als Kurve auf dem Display ausgegeben.

Die Auflösung des ADC beträgt 10 Bit, also Werte von 0 bis 1023, was mehr als genug ist für diese Anwendung. Tatsächlich ist das Display mit seinen vertikalen 64 Pixeln, also 6 Bit, der beschränkende Faktor. Im Programm wird die Auflösung in zwei Stufen reduziert. Zuerst einmal wird nur das höherwertige Byte des ADC ausgelesen. Das lässt sich einfach machen, indem das Flag for left adjusted result (ADLAR) gesetzt wird. Es bleiben also 8 Bit. Diese Auflösung wird für die Trigger-Logik verwendet. Für die Anzeige der Kurve auf dem Display wird der Wert dann noch einmal um 2 Bit nach rechts verschoben, wodurch der verbleibende Wertebereich 0 bis 63 beträgt und somit gut auf das Display passt.

Der ADC arbeitet hier mit der internen Spannungsreferenz des ATmega von knapp 1.1V, wodurch der Messbereich festgelegt ist. Für diese einfache Anwendung habe ich auf eine analoge Verstärkung oder Aufbereitung des Signals, wie es für ein praktisch einsetzbares Oszilloskop unabdingbar wäre,  verzichtet.

Eine kritische Frage ist die errechbare Geschwindigkeit des Daten-Samplings, ein wichtiges Qualitätsmerkmal jedes digitalen Oszilloskops. Der ADC des ATmega ist von einfacher Bauweise. Deshalb sollte man keine zu großen Ansprüche stellen. Der ADC wird mit einem internen Takt versorgt, der mit einem Vorteiler aus dem Systemtakt generiert wird. Das ATMEL Datenblatt empfiehlt Taktraten zwischen 50 und 200 kHz. Außerdem kann man dort erfahren, dass eine Umwandlung 13 Taktzyklen benötigt. Bei 200 kHz würde eine Umwandlung also 65µsec benötigen, was einer Sampling-Frequenz von 15 kHz entspricht. Geht es schneller? Das Datenblatt erwähnt, dass höhere Taktraten möglich sind, wenn man nicht die volle Auflösung von 10 Bit benötigt. Da in dieser Anwendung nur die höheren 8 Bit verwendet werden, habe ich mich für eine Taktrate von 500 kHz entschieden. Dadurch sinkt die Umwandlungszeit auf  26µsec, entsprechend 38kHz. Tatsächlich läuft die Abfrage des ADC mit einem Interrupt von 20kHz, was sich in den Experimenten als eine stabile Frequenz erwiesen hat. Man sollte aber nicht unterschätzen, dass der Prozessor damit unter signifikanter Systemlast steht.

Hardware

Der Aufbau ist minimalistisch und lässt sich schnell auf eine Steckbrett zusammen setzen. Im Zentrum stehen der Arduino Nano und das Graphik-Display, die über den I2C-Bus miteinander verbunden werden. Alle Details zum Graphik-Display sind an anderer Stelle beschrieben (Universelles I2C Interface für Graphik LC-Displays)  Die Stromversorgung kommt über den USB-Port des Arduino. Das zu messende Eingangssignal gelangt über einen Kondensator an den Analog-Port A0 des Arduino. Ein lineares 100kOhm-Poti fügt eine feste Gleichspannung hinzu, womit die vertikale Position eingestellt werden kann. Für die interne ADC Spannungsreferenz wird noch ein 100nF-Kondensator gegen Masse am Referenz-Pin benötigt.

Eine LED am digitalen Port D6 dient als Anzeige des Trigger-Modus. Schließlich gibt es noch vier Tasten an den digitalen Ports D2 bis D5, über die die horizontale Zeitachse und der Trigger-Level eingestellt werden können. Damit ist der Aufbau auch schon beschrieben.

Schaltplan des Arduino Nano-Oszilloskops
Schaltplan des Arduino Nano-Oszilloskops

Software

Der Arduino-Sketch sieht komplizierter aus als er ist. Allerdings habe ich für die Steuerung von Interrupt und ADC nicht die Arduino-Funktionen gewählt, sonder die ATmega-Register direkt angesprochen. So war es möglich, das enge Timing besser unter Kontrolle zu halten. Zum Glück ist all das innerhalb der Arduino-IDE ohne Probleme möglich.

Eine zentrale Funktion ist die Interrupt-Service-Routine (ISR), die mit 20kHz aufgerufen wird. In dieser Routine wir der ADC ausgelesen und gleich wieder gestartet für den nächsten Durchlauf. Darauf folgt die Trigger-Logik und bei gesetztem Trigger das Abspeichern der Daten im Array für die Anzeige. Im zweiten Teil der ISR werden die vier Tasten (im Programm-Code etwas hochtrabend als keyboard bezeichnet) abgefragt und entprellt. Es gibt sogar eine einfache Tasten-Repeat-Funktion.

Die Sampling-Frequenz lässt sich über die Tastatur herunter regeln, was einer langsameren Zeitachse entspricht. Die Tabelle sar_table enthält die möglichen Einstellungen. Die derzeitige Software erlaubt 7 verschiedene Werte. Die ISR läuft in jedem Fall mit 20kHz. Für langsamere Einstellungen werden mehrere ADC-Werte gemittelt wie in der Tabelle angegeben (interrupts per sample).

Einstellbereich der Zeitachse.
Einstellbereich der Zeitachse. Die Werte werden über die Taster angewählt. Der aktuelle Wert für die Dauer eines Rasterfeldes (time per grid) wird in der unteren, rechten Ecke des Displays angezeigt.

Die setup()-Funktion erledigt alle Systemeinstellung und zeichnet die statischen Elemente auf den Bildschirm. Die loop()-Funktion schließlich wartet auf das Signal von der Interrupt-Routine, dass Daten zur Anzeige bereitstehen, und erledigt dieses mit der glcd-Funktion draw_function(). Die Software ergänzt den Kurven-Verlauf mit einem Raster aus gepunkteten Linien. Außerdem werden im Hauptprogramm mögliche Aktivitäten des Keyboards ausgewertet.

Für die Datenanzeige gibt es noch eine erwähnenswerte Besonderheit. Bevor ein neuer Kurvenzug gezeichnet werden kann, muss vorher der bestehende, “alte” Kurvenzug gelöscht werden. In einer ersten Version des Programmes hatte ich dazu den Bildschirm vollständig gelöscht, was allerdings ein deutlich sichtbares Flackern zur Folge hatte. Eleganter geht das mit zwei Datenarrays. Eines enthält die vorherigen, “alten” Daten und wird zum Löschen benutzt, während das zweite die aktuellen, “neuen” Daten hat. Mit jedem Durchlauf wird zwischen den beiden Datenarrays hin- und hergeschaltet. Mit dieser Logik ist die Anzeige weitgehend frei von Flackern.

Anwendung

Die Anzeige ist einfach zu lesen. Die vertikalen, gepunkteten Linien sind das Raster für die Zeitachse. Die horizontale, gepunktete Linie zeigt den aktuelle Trigger-Wert. Am rechten Rand des Bildschirms befinden sich die eingestellten Parameter: der Trigger-Wert und die Zeitachse. Der Wert für die Zeitachse ist die Dauer eines Raster-Feldes in msec.

Zu beachten ist, dass das Gerät nur dann aktiv wird, wenn der Trigger eine ansteigende Flanke erkannt hat. Es gibt also keinen Auto-Modus wie bei anderen Geräten, in dem auch ohne Trigger der Signalverlauf angezeigt wird. Die LED, die bei jedem Trigger kurz aufleuchtet, erweist sich als ein gutes Hilfsmittel.

Anzeige des Nano-Scopes
Anzeige des Arduino Nano Oszilloskops. Der Messbereich liegt zwischen 0 und 1.1V. Die horizontale gestichelte Linie zeigt den aktuellen Trigger-Level, hier 0.1V, und die ms-Angabe am unteren rechten Rand die Zeitdauer eines Rasterfeldes, hier 10 msec.

Fazit

Das kleine Oszilloskop macht sich in der Praxis erstaunlich gut, sofern die vergleichsweise niedrige Abtastrate kein Problem ist. Frequenzen von einigen 100Hz lassen sich sehr gut darstellen. Auch bei 2000Hz (entspricht 10 Datenpunkte pro Schwingung) bekommt man noch einen brauchbaren Eindruck der Signalform. Darüber ist aber kein sinnvolles Arbeiten mehr möglich. Ein schnellerer ADC wäre wünschenswert. Auch die vertikale Auflösung des Displays setzt klare Grenzen. Trotzdem ist es beeindruckend, was mit diesem geringen Materialaufwand und der einfachen Software machbar ist.

Download

Sketch des Arduino Nano Scope: Arduino_Nano_Scope (03-Jan-2018)

 

 

Smart I2C GLCD am Arduino: Ein einfaches Beispiel

Das Smart I2C Graphic LCD kommt inzwischen öfter am Arduino zum Einsatz, wodurch Arduino-Projekte leicht mit graphischen Ausgaben bereichert werden können.

Hier ein einfaches Beispiel: Ein Analogwert – in diesem Fall ein Potentiometer zwischen Masse und Betriebsspannung – wird mit dem ADC ausgelesen und als horizontaler Balken angezeigt.

Horizontale Balken-Anzeige mit dem GLCD
Ein analoger Wert wird als horizontaler Balken angezeigt

Hardware

Für diese Demo verwende ich einen Arduino Nano. Der Aufbau lässt sich schnell auf einer kleinen Lochraster-Platine realisieren. Die Stromversorgung kommt vom USB-Anschluss des Arduinos und versorgt auch gleich das Display mit 5V. Wir brauchen vier Anschlüsse zum Display: +5V, Masse und die beiden I2C-Anschlüsse SCL und SDA. Das Potentiometer wird mit dem analogen Port A0 des Arduino verdrahtet. Damit ist der Aufbau fertig.

Aufbau für das GLCD-Beispiel
Aufbau für das GLCD-Beispiel

Software

Um das GLCD über den Arduino anzusprechen, wird eine Bibliothek gebraucht, die die Graphik-Funktionen bereitstellt. Die glcd-Bibliothek besteht aus 3 Dateien im Ordner glcd_functions:

  • glcd_functions.cpp beinhaltet den Programm-Code für die Graphik-Funktionen. Die Logik ist sehr einfach. Im Prinzip werden die Parameter, z.B. Koordinaten der Linien und Rechtecke, übernommen und mit den entsprechenden Instruktions-Token an die I2C-Schnittstelle gesendet.
  • glcd_functions.h ist die zugehörige Header-Datei und beinhaltet die Definitionen der Graphik-Funktionen
  • keywords.txt listet die Schlüsselwörter der Bibliothek, so dass sie im Arduino-Editor farblich markiert werden

Der Folder glcd_functions mit diesen drei Dateien wird in den Folder libraries der Arduino-Umgebung kopiert. Damit ist alles vorbereitet.

glcd-Bibliothek im Libraries-Folder der Arduino-Umgebung
glcd-Bibliothek im Libraries-Folder der Arduino-Umgebung

Im eigentlichen Programm für diese Beispiel, es ist der Sketch glcd_demo.ino, wird ganz am Anfang die glcd-Bibliothek mit dem entsprechenden #include-Statement eingebunden. Außerdem wird eine Instanz des Graphik-Displays als globale Variable initiiert. Dabei wird die I2C-Adresse, in diesem Fall hexadezimal 20, übergeben. Damit sind alle Graphik-Funktionen verfügbar.

#include <glcd_functions.h>

glcd my_gd(0x20);   //instance of the graphic display

Für den Bar-Graphen gibt es eine Datenstruktur bar_graph, die alle wichtige Daten zusammenfasst, z.B. Koordinaten der linken, oberen Ecke, Länge und Breite, und der aktuell angezeigte Wert. Dazu sind zwei Funktionen vorhanden: draw_bar_graph_frame() zeichnet einen Ramen mit einer Skala von 0 bis 100. Diese Funktion wird ganz am Anfang im setup()-Block aufgerufen. Die zweite Funktion refresh_bar_graph() erzeugt dann den Balken mit dem aktuellen Wert, der vom ADC kommt. Diese Funktion wird im loop()-Block aufgerufen. Schließlich sorgt der Aufruf von delay(100) dafür, dass die Loop etwa 10 mal pro Sekunde durchlaufen wird.

Neben den verschiedenen Zeichenfunktionen zeigt dieses Beispiel auch die Möglichkeiten, die Hintergrund-Beleuchtung zu steuern, wie es z.B. zum Stromsparen bei Batterie-Betrieb notwendig sein kann. Solange der ADC-Wert unverändert bleibt, wird nach Ablauf einer voreingestellten Zeit (verwaltet mi dem Zähler delay_cnt) das Display mit der Funktion dim_on()  dunkel geschaltet. Sobald sich der ADC-Wert verändert, wird die Display-Beleuchtung mit dim_off() wieder auf ihren ursprünglichen Wert zurück gesetzt.

Fazit

Dieses Beispiel soll zeigen, dass das Display sehr einfach in eine Arduino-Anwendung einzubinden ist. Der Aufwand für Hardware und Software ist gering und eröffnet viele Möglichkeiten für ansprechende Darstellungen.

Downloads

  • Arduino-Sketch: adc_bar_graph (28-Dec-2017)
  • Arduino glcd-Bibliothek: siehe Ressourcen, Smart I2C Display, Arduino

 

Arduino Schnupperkurs

Im Juli dieses Jahres hatte ich die Gelegenheit, zusammen mit Elias Haller, Lehrer an der FES Lörrach, einen dreitägigen Arduino Schnupperkurs für Schüler zu leiten. Der Kurs fand im Rahmen der Projekttage 2017 an der FES statt.

Für viele der Teilnehmer war es die erste Begegnung mit Elektronik und Programmieren. Deshalb setzte der Kurs keine Vorkenntnisse voraus. Es ging darum, mit Neugier und Spielfreude Erfahrung mit der Thematik zu sammeln und schnell zu Erfolgserlebnissen zu kommen.

Als Plattform wählten wir den Arduino Nano, der auf einem kleinen Bread-Board mit allerlei Peripherie verschaltet und mit der Arduino-IDE programmiert wurde. Leuchtdioden wurden zum Blinken gebracht,  Töne mit dem Lautsprecher produziert und Helligkeitswerte von einem LDR eingelesen und ausgewertet. Der Materialaufwand beschränkte sich auf etwa 15 Euro pro Kit (Stand Juli 2017).

Wir hatten viel Spaß an den drei Tagen und konnten eine ganze Reihe von blinkenden und tönenden Gerätschaften produzieren. Ganz nebenbei wurden erste Schritte in die Programmierung mit C gemacht oder weiter vertieft. Es war immer wieder motivierend zu erleben, wie die Kombination von Soft- und Hardware zu funktionierenden Aufbauten führte.

Arduino Kurs Juli 2017

Das Kurs-Skript führt durch 11 Experiment von der blinkenden LED bis zur musikalischen Lichtorgel. Das Kurs-Skript und die zugehörige Software sind zum Download verfügbar:

Kurs-Skript Arduino Schnupperkurs FES Juli 2017

Programme zum Kurs: