Raspberry Pi steuert Fischertechnik-Roboter

Mit Fischertechnik bauen bereits kleine Kinder beeindruckende Robotermodelle. Wäre es nicht schön, diese Modelle mit dem Raspberry Pi anzusteuern? Mit einigen wenigen Bauteilen und etwas Geschick lässt sich die GPIO-Schnittstelle des RasPi genau zu diesem Zweck erweitern. Die dazu nötigen Bauteile kosten nur ein paar Euro, die Programme schreiben wir in C. Dabei kommt die Bibliothek WiringPi zum Einsatz, die eine hardwarenahe Programmierung ermöglicht.

Bevor Sie mit dem Löten und Programmieren beginnen, braucht es zunächst einige Grundlagen, unter anderem Wissen über die verwendeten Bauteile. Auch die Art der Programmierung bietet viel Neues, etwa zahlreiche interessante Schaltungen aus der Elektronik. Sie bekommen auch einen Einstieg in die Programmierung von Hardware-Interrupts.

Spannungsdifferenzen

Die GPIO des Raspberry Pi arbeitet bekanntlich mit 3,3 Volt, schon bei einer Spannung von 5 Volt können irreparable Schäden auftreten. Die Fischertechnik-Komponenten hingegen verwenden eine Betriebsspannung von 9 Volt – das übersteigt auf jeden Fall die Fähigkeiten des Raspberry Pi. Erschwerend kommt hinzu, dass die Fischertechnik-Motoren einen Strom von etwa 250 Milliampere benötigen. Diese Menge Strom können die GPIO-Ports des Raspberry Pi nicht bereitstellen.

Alles in allem scheinen das denkbar schlechte Ausgangsbedingungen, um die beiden Welten miteinander zu verbinden. In der Praxis stellt das Szenario allerdings kein größeres Problem dar. Da in der Elektronik schon immer Pegelanpassungen nötig waren, gibt es Bausteine von der Stange, die das für Sie übernehmen. Für das Anpassen der Eingangsspannung von 9 auf 3,3 Volt kommt der Baustein CD4010 zum Einsatz, ein klassisches Beispiel für das, was Elektroniker im Allgemeinen als Pufferbaustein bezeichnen.

Zum Ansteuern der Motoren müssen Sie hingegen zu einer andere Klasse Halbleiter greifen. Hier kommt der L293 zum Einsatz, ein Halbleiter, mit dem sich bis zu vier Gleichstrommotoren steuern lassen. Alternativ bietet der Baustein die Möglichkeit, H-Brücken aufzubauen. Was das genau bedeutet, klären wir, sobald wir uns genauer mit dem L293 beschäftigen.

CD4010

Der CD4010 verfügt über sechs Puffer, mit denen sich die Spannungspegel von digitalen Signalen anpassen lassen. Er arbeitet nicht invertierend in einem Spannungsbereich von 3 bis 15 Volt. Es existiert eine baugleiche invertierende Variante des Chips, der CD4009. Beide ICs sind intern mit Feldeffekttransistoren aufgebaut und benötigen daher nur wenig Energie, typischerweise ziehen sie rund 500 Milliwatt. Das Datenblatt zu zum CD4010 liefert zahlreiche weitere Informationen [1]. Die Pinbelegung des Bausteins zeigt Abbildung*1.

Abbildung 1: Pinout des CD4010.