Escher open hardware board mit FET Treiber
Problemstellung
In der Vergangenheit hat das Atelier Algorythmics bereits einige Erfahrung mit Hubmagnet-Steuerungen im Zuge des Baus der Autoklaviere gesammelt. Eine Tabakscheune (LxBxH=40mx20mx17m) in Ilz in ein Instrument zu verwandeln hat uns allerdings vor ganz neue Herausforderungen gestellt. Auf Grund der Größe der Scheune und der hohen Anzahl an Klopfern kam eine Lösung mit MIDI (Musical Instrument Digital Interface) oder serieller Übertragung (USB, Firewire, usw.) nicht mehr in Frage, da diese nicht für die notwendigen hohen Datenmengen oder entsprechend lange Leitungen konzipiert sind.
Bei der Suche nach einem passenden Datenbus hat sich schnell herauskristallisiert, dass Ethernet auf Grund seiner Eigenschaften und der weiten Verbreitung am besten für das Projekt geeignet wäre. Bei der Evaluierung nach bereits vorhandenen Lösungen mit Ethernet-Schnittstellen haben wir nichts passendes gefunden. Die "open hardware" Projekte, die es in diesem Bereich gibt, reichten für unsere Anforderungen nicht aus und die wenigen professionellen Lösungen die unseren Ansprüchen genügt hätten, hätten unser Budget um ein Vielfaches gesprengt.
Aus diesen Gründen haben wir uns dazu entschlossen, ein Mikrokontroller-Board zu entwickeln. In erster Linie sind wir beim Design natürlich auf das Projekt der "Klangscheune" eingegangen, allerdings sollte das Board auch flexibel für zukünftige Vorhaben gerüstet sein. Des weiteren wollen wir unsere Schaltung auch als offene Hardware unter der "creative commons license" veröffentlichen. Damit soll die Weiterentwicklung in einer internationalen community gesichert werden und ein Austausch zwischen den Projekten entstehen.
Mikrokontroller Board
Da wir in vergangenen Projekte gute Erfahrung mit PIC-Mikroprozessoren gemacht haben, war die Entscheidung auch hier einen PIC-Prozessor einzusetzen naheliegend, zumal schon Expertise vorlag. PIC Prozessoren zeigten sich gerade für robotische Lösungen als äusserst stabil und effizient. Auf Grund der nötigen Rechenleistung haben wir uns für einen 16 Bit Prozessor mit DSP-Erweiterung und vor allem "motor-control" Einheit entschieden, da die Hubmagnete PWM-gesteuert werden sollten. Das Layout für unser Board wurde mit dem Layoutprogramm Eagle erstellt, welches ein kommerzielles Produkt ist, jedoch als kostenlose Version eine Boardgröße von 100x80mm zulässt. Wir haben aus Gründen der Offenheit versucht diese Größe nicht zu überschreitenwobei wir einen 80-pin Chip aus der dsPIC33 Familie mit 128kB Flash und 16kB RAM dafür gewählt haben. Da es diese Chips nur mehr in SMD Ausführung gibt, wurde auch der Rest des boards möglichst mit SMD entworfen.
Für die Ethernetschnittstelle haben wurde dann auf den ENC28J60 Chip gesetzt, der ebenfalls von der Firma Microchip stammt.
Die anfängliche Überlegung zusätzlich einen USB-Anschluss in das Board zu integrieren, wurde verworfen, da dafür noch ein zusätzlicher controller nötig gewesen wäre, welcher aus Platz- und Kostengründen nicht realsierbar war und auch nicht als notwendig erschien. Für zukünftige Projekte haben wir uns dafür entschieden einen SD-Card Slot als Massenspeicher einzusetzen.
Um eine möglichst hohe Flexibilität zu erreichen wurden alle freien Pins des Prozessors als externe Schnittstellen raus-geführt. Jedes Board hat nun 56 digitale Ein-/Ausgänge, wovon 16 als Hardware PWM-Ausgänge und 18 als Analogeingänge verwendet werden können-
FET-Boards
Zusätzlich zu den Controllerboards, mussten die Hubmagneten für die Klopfer angesteuert werden. Da die Hubmagneten allerdings mit hohen Strom gespielt werden, die Ausgänge des Mikrokontrollerboards diese aber nicht liefern können, war es nötig für jeden Klopfer eine Leistungsstufe zu bauen.
Um auch hier die Kosten in Grenzen halten zu können, wurde ein zweites Board entwickelt auf dem 16 dieser Verstärkerstufen sitzen. Es können je zwei dieser Boards an einem Mikrokontrollerboard angebracht werden, so dass man bis zu 32 Klopfer damit spielen kann, wobei die Hälfte als Software PWM ausgeführt werden muss, wofür der dsPIC genügend rechenleistung bietet.
Projekt Escher
Die Tabakscheune als Holzgebäude mit mehreren Ebenen, vertikalen und Pseudosymmetrien legte bespielung in Konzepten Nahe wie es Escher in seinen Endlos-Bildern darstellte. Ein musikalisches Escher Gebäude zu errichten legte uns den Codenamen "escher" für das Projekt nahe. Dieser Name wurde dann auch für das Controllerboard als "escher V1.0" und "escher FET16" für die Leistungsendstufen verwendet.