Wir wollen hier genau erklären, wie Exponiert funktioniert. Entwickelt haben wir das System, weil uns viele gebastelte Lösungen für Mikrocontroller zu unzuverlässig waren und Industrie-Technik zu teuer und nie richtig passte.

Mit Exponiert können diverse Signale abgefragt werden, auch analoge und über einige Meter Distanz. In der Regel wird es um Tasten und Drehknöpfe gehen. Aber auch Näherungssensoren und andere exotische Hardware lässt sich anschließen. Als Ausgabe werden meistens LEDs gedimmt und blinken gelassen. Auch analoge Zeigerinstrumente oder Motoren sind kein Problem. Ein oder zwei Monitore, bei Bedarf mit Touchscreen, sind immer Teil von Exponiert.

Breakout Board

Das Exponiert Breakout Board wird an der GPIO-Schnittstelle des Raspberry Pi angeschlossen. Es enthält drei Anschlüsse für den Exponiert-Bus und eine 1A-Sicherung.

Digital

Das Digital-Board hat mit zwei Chips PCA9532 insgesamt 32 Ein- und Ausgänge für Schaltaufgaben. 16 davon sind fest als Ausgänge vorgesehen, da sie direkt auf dem Board verstärkt werden. Die Verstärker sind wahlweise ULN2803 oder A2982. Nach der Verstärkung sind sie bis 50V 500mA belastbar.

Die verbleibenden 16 Ein- und Ausgänge sind mit 5V 20mA belastbar, was für LEDs immer noch reicht. Im Normalfall werden sie aber wohl als Eingänge verwendet. Mögliche angeschlossene Geräte: Lampen, LEDs, Tasten, Schalter, digitale Drehgeber, Motoren, Münzprüfer, Ganghebel.

Das Digital-Board hat zwei Buchsen für den Exponiert-Bus, es kann also ein weiteres Board angehängt werden.

Analog

Das Analog-Board hat acht Eingänge für Signale zwischen 0 und 5V. Die Abtastung geschieht mit 8 Bit. Zusätzlich gibt es zwei analoge Ausgänge 0..5V. Mögliche angeschlossene Geräte: Potis, Schieberegler, Schubhebel, Entfernungssensor, Drehspulinstrument, Gaspedal, Sensoren für die Umgebung.

Exponiert-Bus

Der Exponiert-Bus verbindet die ganzen Platinen. Die Hardware bilden vierpolige Mini-Din-Stecker, auch S-VHS genannt. Die Pinbelegung ist: Ground, +5V, Clock, Data. Die Spannungsversorgung mit 5V ist bis 1A belastbar. Clock und Data bilden im Grunde den überall verbreiteten I2C-Bus. Allerdings musste der Strom von den laut Standard zulässigen 3mA auf 23mA erhöht werden, um Störungen in langen Kabeln zu vermeiden. Alle Exponiert-Boards haben deshalb den Chip PCA9600, der zwischen den Stromstärken konvertiert.

So sind Leitungen von 20m kein Problem. Das Signal bleibt im Oszilloskop sauber. Auf dem Bild ist die Übertragung der binären Zahlenfolge 01010101 zu sehen, erkennbar an den vier schmalen Spitzen für jedes 1-Bit. Der kleine Impuls in der Mitte vom Bild ist keine Ungenauigkeit, sondern die perfekte Übergabe der Datenleitung zwischen zwei Sendern.

Alternativen

Uns ist kein Projekt bekannt, das an einer ähnlichen Technik für Museen arbeitet.Exponiert ist vielseitig, es kann mit kleinen und großen Leistungen, digital und analog arbeiten. Eine Alternative könnten Baugruppen mit RS485 sein. Da sind uns aber nur sehr teure bekannt. Außerdem wären das Zusammenspiel mit Monitor und weiteren Anforderungen an Exponate weiter problematisch. Weiterhin ist Exponiert relativ wenig von Herstellern abhängig, weil alles aus einfachen Komponenten selbst gebaut und ersetzbar ist.

Im Bereich der Arcarde-Maschinen gibt es interessante Projekte. Besonders aufgefallen ist uns Ultimarc, das mit ähnlichen Boards die Hardware mit dem Rechner verbindet. Hier sind Mikrocontroller im Einsatz, die extra programmiert werden müssen. Dafür können sie sehr viel. Exponiert verwendet außerhalb des Rechners nur fertige Chips, die lediglich über Jumper konfiguriert werden. Als Bus verwendet Ultimarc USB.

Details

Wie alles zusammenkommt
Schaltpläne und Oszilloskop-Bilder
Die verwendeten Schaltkreise
Beispielcode für Node-Server und Browser
Raspberry Pi einrichten
Stabiler Drehknopf
Stabiler Schieberegler

Text und Fotos: The MIT License 2021 Kastanie Eins GmbH