RGB-BUS
Zentrale Lichsteuerung und Stromversorgung
Vor einiger Zeit habe ich begonnen, mich mit BUS-Systemen zu beschäftigen, um Daten zwischen Mikrocontrollern zu übertragen. Dieser Schritt war nötig geworden, um die vielen PWM-Kanäle der RGB-LED-Matrix ansteuern zu können.
Nebenbei hat es mich gestört, dass ich immer mehr Kabel für die Signale der Lichtorgel überall hin legen muss. Am Zielgerät werden diese Signale immer öfter von einem Mikrocontroller eingelesen, der diese entsprechend weiterverarbeitet, und dann einige LEDs ansteuert.
So kam mir die Idee, die Signale der Lichtorgel zentral zu digitalisieren und über ein BUS-System an die anderen Geräte zu verteilen. Dies sollte eine Menge Leitungen sparen.
MFLEGIII - Multifunktionslichteffektgerät V3
Aus dieser Idee heraus entstanden dann die ersten Ideen und Pläne für ein neues, vollständig per Mikrocontroller gesteuertes Lichteffektgerät.
Das neue Lichteffektgerät soll möglichst komfortabel zu bedienen sein. Außerdem soll es möglichst universell sein. Es sollen beliebige Effektgeräte angeschlossen werden können, ohne dass der Mikrocontroller des Lichteffektgeräts umprogrammiert werden muss.
Ich habe das so gelöst, dass jedes Effektgerät eine einmalige Gerätenummer bekommt. Das Lichtefektgerät kann bis zu 39 Geräte ansteuern (0 - 38). Gerät Null ist die Unterbodenbeleuchtung des Lichteffektgeräts selbst. Für jedes Gerät können drei Werte eingestellt werden: Programmnummer, Geschwindigkeit & Helligkeit. Das sollte eigentlich für fast alle denkbaren Szenarien ausreichend sein.
Neben den Signalen für die Lichtorgel werden auch noch die Werte für zwei zentral erzeugte RGB-Fader, sowie ein Stroboskop und die Raumhelligkeit übertragen. Die Raumhelligkeit wird über einen LDR (Fotowiderstand) erfasst und vom Mikrocontroller über einen ADC eingelesen. Mit diesem Wert wird vor allem die Helligkeit der Anzeige-LEDs gesteuert. Die zentralen Fader sind dazu gedacht, um es zu ermöglichen mehrere unabhängige Leuchten gemeinsam die Farbe wechseln zu lassen. Dabei erzeugt ein Fader einen Farbverlauf mit konstanter Helligkeit, der Andere einen Farbverlauf mit maximaler Helligkeit.
Es können bis zu acht mal sämtliche Einstellungen als Szene gespeichert werden. Diese können dann beliebig wieder aufgerufen werden, sodass man nicht immer alles neu einstellen muss. Programm Null wird beim Einschalten automatisch geladen. Die Szenen sollen automatisch, nach einstellbarer Zeit, durchwechseln können. Diese Funktion muss ich aber erst noch programmieren.
Sämtliche Werte werden über Drehencoder eingestellt und auf Siebensegmentanzeigen ausgegeben.
Hier mal eine Vorschau der Frontplatte mit allen Anzeigen und Bedienelementen:
Klick mich, dann werde ich ganz groß.
Die Maße habe ich dann auf das Holz (10mm Pappel) übertragen, gebohrt und ausgesägt.
Auf der Rückseite habe ich die Löcher für die Drehencoder, Potentiometer und Taster gesenkt, da deren Gewinde zu kurz ist, um sie ordentlich an der Dicken Frontplatte montieren zu können. Durch das Senken können diese Teile Problemlos verschraubt werden.
Danach habe ich die Frontplatte bestückt, und noch so manches Andere getan, wovon es aber keine Fotos der einzelnen Schritte gibt. Wenn es gerade gut läuft, vergesse ich das oft. Hier ein Foto, auf dem man die Frontplatte sehen kann. Die gelbe Platine rechts ist die Hauptplatine mit dem Mikrocontroller, der alles steuert. Die grüne Platine links an der Frontplatte ist die Lichtorgel. Die kleine grüne Platine ganz links ist die Steuerung für die RGB-LED-Matrix. Die Kästen drum herum habe mit dem eigentlichen Lichteffektgerät nichts zu tun. Diese sind Teil der neuen Zimmerstromversorgung, die mit in das Lichteffektgerät integriert wird. Dazu weiter Unten mehr.
Als nächstes habe ich die Bodenplatte für das Gehäuse vorbereitet. Ich habe Lüftungslöcher gebohrt und mit Lüftergitter versehen, Löcher für LEDs für die Unterbodenbeluchtung gebohrt und Füße montiert.
Die Löcher für die LEDs habe ich noch 45° gesenkt, damit das Licht besser austreten kann.
Die LEDs habe ich dann mit der Steuerplatine verbunden. Das ist die gleiche Platine, die auch die RGB-LED-Matrix steuert.
ZSV8 - Zimmerstromversorgung V8
Die neue Zimmerstromversorgung wird ebenfalls über den BUS gesteuert, vor allem, um Leitung zu sparen. Dies soll das allgemeine Kabelchaos etwas eindämmen. Dementsprechend sind die integrierten Netzteile nur für relativ geringe Leistung ausgelegt, sodass nur kleine Lasten direkt von der neuen Stromversorgung mit Kleinspannung versorgt werden können. Z.B. ein paar LEDs, Mikrocontroller und Schütze, die bei Bedarf eigene Netzteile für bestimmte Geräte zuschalten.
Die Netzteile habe ich in einen abgetrennten Bereich eingebaut, um die Netzspannung besser von der Kleinspannung zu trennen. Außerdem ist so auch eine gute Belüftung der Netzteile möglich. Verbaut habe ich zwei extra leise Lüfter, die abhängig von den Temperaturen der Netzteile geregelt werden. Im belüfteten Bereich befindet sich auch noch der Laderegler für den integrierten Akku.
Die Ausgangsspannungen der Netzteile werden über Hauptleitungen im Zimmer verteilt. An strategisch günstigen Stellen befindet sich eine Abzweigdose, an der die Spannungen mittels Steckverbinder abgegriffen werden können. So kann schnell irgendwo ein Gerät angeschlossen werden.
Zum verklemmen der Dosen habe ich Klapp-Wagos verwendet, weil diese Litze mit unterschiedlichem Querschnitt klemmen können. - Und das ohne Aderendhülsen!
Jede Dose bietet zwei Buchsen zum Anschließen von Geräten. Damit diese Buchsen nicht zu schnell knapp werden, habe ich vorgesehen, dass jedes Gerät neben einem Stecker auch eine Buchse bekommt. So ist es möglich mehrere Geräte hintereinander zu schalten.
Ursprünglich hatte ich die Idee die Hauptleitung direkt durch alle Geräte durchzuverbinden. Diese Idee verwarf ich aber wieder, da ich es nicht sinnvoll fand, an jedes Gerät zwei solch dicke Leitungen anzuschließen. Außerdem würde der Gesamtwiderstand durch die vielen Übergangswiderstande der Steckverbinder und der insgesamt lägeren Leitung zu hoch. Dadurch würde der Spannungsfall auf der Leitung zu groß, was dazu führen würde, dass die Geräte, die am Ende der Leitung angeschlossen sind, keine ausreichende Spannung mehr bekämen.
So habe ich eine relativ kurze Hauptleitung mit großem Querschnitt, um für einen geringen Spannungsfall zu sorgen. An die Hauptleitung werden dann die Geräte mit kurzen Leitungen geringeren Querschnitts angeschlossen.
Die an den Zimmerbus angeschlossenen Geräte können über drei Schaltstellen ein- und ausgeschaltet werden.
An die linke Buchse wird die Stromversorgung angeschlossen (Abzweig von der Hauptleitung). An die RJ45-Buchsen der BUS. Die Zweite Buchse dient zum Durchschleifen des BUS an das nächste Gerät. Über die Wannenstiftleiste ist die ISP-Schnittstelle vom integrierten Mikrocontroller herausgeführt, sodass ich diesen umprogrammieren kann, ohne die Schaltstelle aufschrauben zu müssen. Die Sub-D-Buchse befindet sich nur an dieser einen Schaltstelle. An ihr wird der Wecker angeschlossen. So benötigt dieser keinen eigenen BUS-Anschluss.
Die Steuerung sämtlicher Geräte übernimmt derselbe Mikrocontroller, welcher auch das Lichteffektgerät steuert.
Gesamtgerät
MFLEGIII und ZSV8 bilden gemeinsam die neue Licht-/ Zimmersteuerung. Im Wesentlichen werden auch beide Geräte vom selben Mikrocontroller gesteuert.
Hier zunächst mal ein Überblick über das Gesamtgerät:
Die Bedienelemente auf der Frontplatte dienen ausschließlich zuer Steuerung des Lichteffektgeräts, bzw. der angeschlossenen Effektgeräte. Der Stromversorgungsteil kann also nicht direkt am Gerät bedient werden. Dies ist aber auch nicht notwendig, denn dafür gibt es ja die Schaltstellen an komfortabel erreichbaren Positionen.
Links im Gerät befinden sich die Netzteile für die Kleinspannungsversorgung (5V, 12V & 24V), sowie die Ladeschaltung für den integrierten Akku mit eigenem Netzteil.
In der Mitte befinden sich einige Schütze, welche die Netzteile, sowie die Kaltgerätesteckdosen auf der Rückseite schalten.
Das Relais zwischen den Schützen ist bistabil, und wird vom Tiefentladeschutz eingeschaltet, wenn der Akku fast leer ist und keine Netzspannung verfügbar ist. Dadurch ist sichergestellt, dass bei Wiederkehr der Netzspannung sofort der Akku nachgeladen wird. Ohne Akku ist es nicht möglich das Gerät einzuschalten.
Im hinteren Teil des großen rechten Teils befindet sich die Verteilung der Kleinspannungen
An die Buchsen auf der Rückseite wird die Haup-Kleinspannungs-Leitung angeschlossen. Dies sind drei Stränge, um alle Bereiche des Zimmers mit möglichst kurzer Leitung zu erreichen.
Die sechs kleinen Platinen auf der rechten Seite sind Überspannungsschutzschaltungen für die 5V-Versorgung. Es ist sehr wichtig, dass hier Überspannungen abgeleitet werden, da im schlimmsten Fall sämtlich Mikrocontroller, die am BUS angeschlossen sind, zerstört werden könnten. Jeder 5V-Strang hat seine eigene Sicherung + Überspannungsschutz. Die kleine Platine links ist der Überspannungsschutz für 12V.
Das Schütz links im Bild schaltet die Ausgangsspannungen der Netzteile. Es ist Teil der Spannungsüberwachung.
Spannungsüberwachung
Vorne an der Frontplatte befindet sich der Master-Controller, dahinter der Controller für die Spannungsüberwachung:
Die Platine, die in der Mitte auf den Boden geschraubt ist, ist die Spannungsüberwachung. Diese schaltet die Netzteile nach Bedarf ein und aus und überwacht deren Spannungen. Bei Überspannung oder Unterspannung wird alles sofort abgeschaltet. Nicht, dass irgendwo etwas abraucht.
Der Controller übernimmt außerdem die Funktion des Tiefentladeschutzes für den Akku (rechts). Wenn der Akku langsam am leer werden ist, wird das Ladegerät zugeschaltet. Falls die Akkuspannung weiter sinkt (z.B. weil keine Netzspannung verfügbar ist), schaltet der Controller ein bistabiles Relais ein, welches das Ladegerät einschaltet, sodass das Ladegerät sofort aktiv wird, wenn wieder Netzspannung verfügbar ist. Danach schaltet der Controller mit einem weieren bistabilen Relais den Akku, und damit auch sich selbst, ab. Der Controller bekommt automatisch wieder Spannung, wenn das Ladegerät welche liefert und schaltet dann den Akku wieder zu.
Für die Spannungsüberwachung setze ich einen separaten Controller ein, da dieser auch mit Strom versorgt werden muss, wenn die Netzteile abgeschaltet sind. Wenn irgendein Taster betätigt wird, schaltet dieser die Netzteile zu. Außerdem ist der Controller niedriger getaktet, um weniger Strom aus dem Akku zu verbrauchen.
Bedienelemente
Das Lichteffektgerät, bzw. die angeschlossenen Effektgeräte können über die Bedienelemente auf der Frontplatte bedient werden.
Am rechten Teil der Frontplatte kann eingestellt werden, welches Effektgerät was tun soll.
Dazu wählt man mit dem Drehencoder "Gerät" aus, welches Gerät man einstellen möchte. Auf den drei rechten Displays werden sofort die aktuell eingestellten Werte des gewählten Geräts angezeigt. Durch Drehen an dem entsprechenden Drehencoder kann jetzt eingestellt werden, welches Effektprogramm auf dem gewählten Gerät ausgeführt werden soll. Änderungen werden sofort an das Gerät übertragen. Mit den beiden unteren Drehencodern können genauso die Effekthelligkeit, sowie ggf. die Geschwindigkeit eingestellt werden.
Die gesamten Einstellungen für alle Effektgeräte können gespeichert werden. Dazu wählt man mit dem Drehencoder "Sequenz" den gewünschten Speicherplatz aus, und speichert die Einstellungen dort durch betätigen des Tasters "speichern" ab. Die gespeicherten Einstellungen können wieder geladen werden, indem man den gewünschten Speicherplatz auswählt und den Taster "laden" betätigt. Beim Einschalten des Lichteffektgeräts werden automatisch die Einstellungen von Speicherplatz "0" geladen.
Auf dem linken Teil der Frontplatte befinden sich die Einstellungsmöglichkeiten für einige zentrale Effektgeräte, deren Ausgabe über den BUS an alle Geräte gesendet wird.
Auf der linken Seite befindet sich die Lichtorgel. Dies ist quasi das wichtigste Effektgerät überhaupt. Die Lichtorgel verfügt über drei Potentiometer zum Einstellen der Aussteuerung von Höhen, Mitten und Tiefen. Außerdem ein Potentiometer für den Gesamtpegel, sowie ein Weiteres für einen zusätzlichen Vorverstärker, sodass auch bei sehr geringer Lautstärke noch ein ausreichend hoher Eingangspegel für die Lichtorgel erzeugt werden kann. Die Lichtorgel selbst ist ein Bausatz von ELV und funktioniert sehr gut. Ich hatte Sie auch im alten Lichteffektgerät eingebaut.
Oben befindet sich ein LDR, der die Raumhelligkeit erfasst. Diese wird z.B. zur Helligkeitssteuerung der Anzeigen genutzt.
Rechts von der Lichtorgel befinden sich die Einstellmöglichkeiten für das Stroboskop. Hier können die Einschaltzeit, sowie die Ausschaltzeit jeweils von 1ms bis 999ms eingestellt werden.
Noch weiter rechts befinden sich die Einstellmöglichkeiten für zwei RGB-Fader (Farbwechsler). Hier kann jeweils die Geschwindigkeit eingestellt werden. Ein Fader hält eine konstante Helligkeit ein, der Andere fadet immer auf maximale Helligkeit. Dadurch sind die Mischfarben doppelt so hell als die Grundfarben.
Durch diese zentralen Effekt-Generatoren ist es möglich mehrere der angeschlossenen Effektgeräte synchron, z.B. in exakt der gleichen Farbe, leuchten zu lassen.
Hier die Frontplatte des fertigen Geräts in Betrieb:
Anschlüsse
Sämtliche Anschlüsse befinden sich auf der Rückseite des Geräts.
Hinten rechts befinden sich einige Sicherungen. Diese dienen zum Absichern des integrierten Akkus, sowie der einzelnen 5V-Stränge.
Daneben befinden sich die SPI-Schnittstellen der Mikrocontroller der Spannungsüberwachung, sowie des Master-Controllers. Darunter sind zwei RJ45-Buchsen zu sehen. Dort werden die Datenleitungen für den BUS angeschlossen. Dies sind einfache Cat5e-Patchkabel.
Die beiden Chinch-Buchsen dienen zum Einspeisen des Audiosignals für die Lichtorgel. Dieses greife ich am Verstärker ab. (Aufnahmeausgang für nicht vorhandenes Kassettendeck)
Die drei runden Buchsen unten sind die gleichen wie die in den Abzweigdosen. Hier können Geräte angeschlossen werden, die sich direkt in der Nähe des Masters befinden.
An die großen Steckverbinder weiter rechts werden die Hauptstromleitungen angeschlossen, die das gesamte Zimmer mit Kleinspannung versorgen.
Auf der linken Seite der Rückplatte befinden sich einige Kaltgerätesteckdosen zum Anschluss sämtlicher Geräte, sowie die Lüfter für die Netzteile.
Abschluss
Die Plan- und Bauzeit des Geräts betrug ca. vier Jahre. Daher kam hier in letzter Zeit auch nicht viel Neues. Während der Bauzeit gab es einige Hochs und Tiefs, was dazu führte, dass ich das Projekt zwischenzeitlich mal ein Jahr lang beiseite gelegt hatte. Nun ist es aber im wesentlichen fertiggestellt, und alle bisher programmierten Funktionen funktionieren inzwischen einwandfrei.
Ich habe bereits begonnen einige der vorhandenen Effektgeräte auf das neue BUS-System umzubauen. Die Vorgängergeräte MFLEGI, MFLEGII, sowie ZSV7 sind durch das neue, kombinierte Gerät abgelöst worden.
Die RGB-LED-Matrix kann hiermit erstmals regulär angesteuert werden, da ich bereits vor deren Fertigstellung entschieden hatte, sie für die Ansteuerung über den BUS auszulegen.
Ich denke, demnächst wird sich auf diesen Seiten wieder etwas mehr bewegen... 