Mit dem RasPi zu Halloween richtig spuken

© Sandra Cunningham, 123RF

Süßes oder Saures

Zu Halloween geht es diesmal richtig gruselig zu, denn die Gespenster bekommen digitale Unterstützung von einem Raspberry Pi.

Am Abend vor Allerheiligen ziehen vielerorts Kinder auf der Jagd nach Süßem oder Saurem durch die Straßen. Der Brauch hat sich auch in Deutschland geradezu seuchenartig verbreitet, obwohl er eigentlich aus Irland stammt und durch Einwanderer in den USA sehr populär wurde. Wer einen RasPi sein Eigen nennt, der hat die Möglichkeit, diesem alten Brauch einen modernen Anstrich zu verpassen: mit einem digitalen Gespenst, das nicht nur schaurig mit den Augen funkelt, sondern dazu passend heult und stöhnt.

Augen und Mund

Für die Augen und den Mund kommt ein fertig aufgebautes LED-Modul zum Einsatz, das aus dem MAX7219 und einer LED-Matrix mit 8 x 8 Dioden besteht. Dieses Bauteil gibt es unter anderem bei Ebay [1]. Dabei lohnt es sich, darauf zu achten, dass der Versand aus Europa stattfindet – aus China dauert die Anlieferung mitunter vier Wochen.

Das Modul verfügt über eine SPI-Schnittstelle, über die Sie es ohne zusätzliche Bauelemente an den Raspberry Pi anschließen. Sollten Sie mit dem SPI-Interface nicht vertraut sein, werfen Sie einen Blick in den Kasten "SPI-Schnittstelle". Der Schaltplan in Abbildung 1 zeigt, wie Sie die Module verschalten müssen; Sie finden ihn auf der Heft-DVD in den Formaten gEDA und EPS. Damit die Module einen stabilen Halt bekommen, verwenden Sie als Basis eine handelsübliche Lochraster-Europlatine.

Abbildung 1: Der Schaltplan für das komplette Halloween-Gespenst.

Abbildung 2 zeigt, wie das Gespenstergesicht hinter den Kulissen aussieht. Falls die Module mit abgewickelten Pfostensteckern ausgestattet sind, sollten Sie diese durch gerade Pfostenstecker austauschen. Damit befestigen Sie die Module dann einfach über Buchsenleisten [2] auf der Platine. So lassen sich die LED-Module bei Bedarf später auch leichter in anderen Projekten recyceln.

Abbildung 2: Das Gesicht unseres Gespenstes. Hier sehen Sie, wie die LED-Module auf der Europlatine angeordnet sind.

SPI-Schnittstelle

Das Serial Peripheral Interface (SPI) stammt aus den Labors von Motorola, wo es entwickelt wurde, um unterschiedliche Peripheriebausteine ("Slaves") an einen Busmaster anzuschließen. Die Kommunikation erfolgt seriell und synchron, was bedeutet, dass der Busmaster über die mit CLK bezeichnete Leitung einen festen Takt für die Datenübertragung vorgibt. Neben der Leitung für den Takt gibt es noch die Leitungen MOSI ("Master Out, Slave In") und MISO ("Master In, Slave Out"), über die die Daten laufen.

Die einzelnen Teilnehmer erhalten keine festen Adressen, sondern schieben die Daten einfach zum nächsten Slave weiter. Damit funktioniert der SPI-Bus wie ein langes Schieberegister. Damit die Slaves sich vom konsistenten Zustand der Schieberegister vergewissern können, gibt es noch die Leitung CE ("Chip Enable"). Sobald der Master alle Daten an die richtigen Stellen geschoben hat, setzt er dieses Signal, damit die Slaves wissen, dass sie jetzt den Bus lesen oder schreiben dürfen.

Damit dieses Verfahren fehlerfrei funktioniert, muss der Busmaster die komplette Topologie des Busses kennen. Daten für den letzten Teilnehmer wandern durch alle anderen Teilnehmer auf dem Bus. Normalerweise verfügen die Slaves über eine Funktion NOOP ("No Operation"), die sie dazu veranlasst, nichts mit den Daten zu machen.

Um den SPI-Bus einzusetzen, gilt es, die Steuersoftware exakt an die Hardware anzupassen. Dazu sollten Sie die Datenblätter der einzelnen Teilnehmer auf dem Bus sorgfältig studieren. Der SPI-Bus kommt oft in Displays zum Einsatz, da hier immer eine große Datenmenge am Stück anfällt. In Fällen, in denen Sie oft verschiedene I/O-Bausteine einzeln auslesen oder beschreiben, bietet der I2C-Bus gegenüber SPI zahlreiche Vorteile.

Die Arme

Um die Arme in Bewegung zu versetzen, erhält die Konstruktion zwei kleine Servomotoren. Die Arme selbst bestehen aus einfachem Spanndraht, wie Sie ihn für Zäune verwenden würden. Als Hände kommen, wie sich in Abbildung 3 unschwer erkennen lässt, einfache Latex-Handschuhe aus dem Erste-Hilfe-Kasten zum Einsatz. Einen Knackpunkt im wahrsten Sinne des Wortes stellt die Befestigung des Servomotors dar: Die Arme üben einen langen Hebel aus, daher gilt es, hier auf eine stabile Verbindung zu achten.

Abbildung 3: Der Aufbau für die Arme des Gespensts mitsamt der Servomotoren und Latex-Hände.

Haben Sie kein Netzteil mit der passenden Spannung für den Servo parat, hilft ein DC-DC-Wandler [3] weiter. Allerdings verursachen die Servomotoren oft Störungen in der Spannungsversorgung, daher empfiehlt es sich, ein zusätzliches Netzteil zu betreiben. Die Leitungen für die Signale an die Servos trennen Sie über Optokoppler galvanisch, damit darüber keine Störungen bis zum RasPi durchkommen. Achten Sie darauf, die Leitungen für Masse nicht zu verbinden, um die galvanische Trennung zu gewährleisten. Sie sehen die beiden Optokoppler im unteren Teil des Schaltplans.

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