Mit wenig Aufwand und einem Pi Zero realisieren Sie einen mobilen Zweikanal-Spannungsprüfer.
Schaltungstechnisch lässt sich ein DVM relativ einfach realisieren. Ein Analog-Digital-Konverterchip (ADC) wandelt die analoge Spannung in einen digitalen Wert um, ein angeschlossener RasPi liest den Chip regelmäßig aus und rechnet den digitalen Wert wieder zurück in die gemessene Spannung.
Die eigentliche Herausforderung beim geplanten Projekt liegt in der kompakten Bauweise, denn die Schaltung soll die Größe des RasPi nicht überschreiten. Wir wollen einen pHat (Abbildung 1) oder µHat bauen, wie der Formfaktor jetzt auch heißt, und das, ohne eine spezielle Platine ätzen zu müssen. Der Vorteil der kompakten Bauweise liegt auch darin, dass der RasPi samt pHat mobil ist. Er lässt sich problemlos über eine kleine Powerbank speisen.
Abbildung 1: Der fertige pHat lässt sich problemlos mit einer kleinen Powerbank betreiben und damit mobil einsetzen.
Die Hardware
Zum Umwandeln analoger Signale (Spannung) in digitale Werte verwenden wir den MCP3002 [1], einen kleinen Zweikanal-ADC mit SPI-Anschluss. Neben Spannung und Masse bringt der Chip zwei Eingänge mit. Die restlichen vier Pins dienen der Kommunikation mit dem RasPi, der zwei SPI-Busse bereitstellt. Allerdings ist der zweite standardmäßig nicht aktiviert; wir nutzen für den pHat ganz normal den ersten Bus.
Der korrekte Anschluss des Chips an den Pi Zero erfordert etwas Übersetzungsarbeit: VSS bezeichnet die Masse und VDD/VREF die Spannungsversorgung (3,3 Volt). Die Eingänge heißen CH0 und CH1. Der Chip-Select-Pin (CS) heißt beim RasPi Chip Enable und lässt sich auf Pi-Seite wahlweise an CE0 (Pin 24) oder CE1 (Pin 26) anschließen.
Den Taktgeber CLK verbinden Sie am Pi mit SCLK (Pin 23). Da der RasPi den Chip aktiv abfragt, arbeitet er als Master und der ADC als Slave. Demzufolge kommt der Pin DOUT (Data-Out) des Chips auf der RasPi-Seite an den Master-In-Slave-Out-Pin (MISO, Pin 21). Analog kommt DIN (Data-In) an Master-Out-Slave-In (MOSI, Pin 19) (Abbildung 2).
Abbildung 2: Die Pinbelegung des Zweikanal-ADC MCP3002. (Quelle: Datenblatt)
Die Schaltung verwendet die 3,3-Volt-Schiene des RasPi für die Referenzspannung. Das hat zwei Nachteile: Zum einen reduziert es den Messbereich, zum anderen sollte die Referenzspannung eigentlich möglichst stabil sein, was streng genommen für die 3,3-Volt-Schiene nicht gilt. Den ersten Nachteil gleichen wir durch einen geeigneten Spannungsteiler aus, den zweiten nehmen wir zugunsten des kompakten Designs inkauf.
Der Spannungsteiler
Die Messeingänge binden wir nicht direkt an die CH-Pins an, sondern bauen noch je einen Spannungsteiler mit einem 10K- und 15K-Widerstand davor (Abbildung 3). Das vergrößert den Messbereich um den Faktor (10+15) / 15 = 5/3. Er beträgt dann 5,5 Volt, was zum Vermessen von Schaltungen ausreicht.
Abbildung 3: Der Spannungsteiler sorgt dafür, dass sich der Messbereich vergrößert.
Die Anzeige
Zum Darstellen der Messwerte nutzen wir ein Mini-OLED-Display, das es für wenige Euro bei allen gängigen Versendern von Elektronikzubehör gibt. Achten Sie darauf, dass ein SSD1306-Chip das Display antreibt. Es hängt per I2C am RasPi und ist nur wenig größer als eine Ethernet-Buchse. Dennoch nimmt es zusammen mit dem Breakout-Board überraschend viel Platz auf dem pHat ein – daran wäre das Projekt beinahe gescheitert.
Gehen Sie bei der Montage des Displays vorsichtig vor: Einmal eingelötet, verdeckt es sowohl die 40-polige Buchse auf der Unterseite des pHATs als auch die Montagelöcher des RasPi. Das erste Problem lösen Sie dadurch, dass Sie zuerst die Buchse anlöten. Alternativ verwenden Sie eine “weibliche” Buchsenleiste auf der Platine, in die Sie das Display stecken. Das bringt auch den Vorteil mit sich, dass sich das Display leicht tauschen lässt. Dadurch fällt der pHat allerdings auf der Display-Seite deutlich höher aus.
Dass der Mini-Bildschirm die Montagelöcher des RasPi verdeckt, lässt sich verschmerzen, da die Buchse schon für eine ausreichend stabile Verbindung sorgt.
Sonstiges
Neben den beschriebenen Hauptkomponenten gibt es einen Start/Stop-Taster, mit dem Sie die Messung anstoßen oder beenden. Eine LED zeigt dabei den Betriebszustand an. Nach dem Booten leuchtet sie bei Betriebsbereitschaft auf, während des Messens blinkt sie. Aus Platzmangel auf der Platine musste der geplante große Taster einem kleineren Exemplar weichen.
Als pHat-Basis verwendet das Projekt Adafruits Perma-Proto-Bonnet [2]. Die Bezeichnung Bonnet (Kappe) spielt darauf an, dass es sich hier nicht um einen vollwertigen µHAT handelt: Der Platine fehlt das EEPROM, das echte HATs zum Speichern von Konfigurationsdaten verwenden.
Eine Motivation für das Projekt war, an einem echten Beispiel die Eignung des Bonnets zu testen. Es bricht die zwei parallel angeordneten GPIO-Reihen des RasPi in eine einzelne lange Reihe auf, was das Löten vereinfacht. Außerdem verfügt es über die von Breadboards bekannten verbundenen Löcher sowie je eine Reihe von verbundenen Masse- und Spannungspins mit 3,3 und 5 Volt.
Die Montage
Vor der Montage der Schaltung auf der Platine steht das Prototyping auf dem Breadboard an (Abbildung 4). Das Ganze sieht zwar wegen der vielen Verbindungen fast zu komplex aus, stellt aber trotzdem sicher, dass die Bauteile tatsächlich funktionieren.
Abbildung 4: Um alle Komponenten auf ihre Funktion zu prüfen, gilt es zunächst, die Schaltung auf einem Breadboard nachzubauen.
Für das endgültige Layout gibt es zwei Möglichkeiten. Auf ein DIN-A4-Blatt passen ohne Probleme drei vergrößerte Screenshots der Platine; hier lassen sich mit einem Stift die möglichen Layouts durchprobieren. Mit der Platinenlayout-Software Fritzing [3] haben Sie es noch einfacher: Adafruit bietet eine Bibliothek von Bauteilen an [4], in der Sie unter anderem das Bonnet und das Display finden. Ein weiterer Vorteil von Fritzing liegt darin, dass fast alle Bauteile die korrekten Größen aufweisen, was das Layout sehr vereinfacht (Abbildung 5).
