Als Controller sind die Raspberry Pi Versionen 3, 4, 5 sowie das Raspberry Pi Zero 2w eingesetzt. Diese können auf den gleichen Stecker aufgesteckt werden, da sie Pin kompatibel sind. Die Lernplattform kann entweder über das Raspberry Pi oder über eine der 5V Anschlussklemmen gespiessen werden.
Die Lernplattform verfügt über verschiedene Kommunikationsschnittstellen. Diese sind:
- CAN
- SPI
- I2C
- RS-485
Die Treiber für CAN und RS-485 sind direkt auf der Lernplattform integriert. Jeweils neben den Anschlussklemmen für die Schnittstellen befinden sich 5V und 3.3V Anschlussklemmen, um das Verbinden von Modulen zu erleichtern.
Um höhere Leistungen zu schalten sind fünf Power MOSFETS auf der Lernplattform vorhanden. Die Source und Drain Anschlüsse können via Schraubklemmen an externe Elektronik angeschlossen werden.
Die PWM Outputs an den Schraubklemmen besitzen alle eine 5V Spannung. Sie werden von den ursprünglichen 3.3V Signalen auf die 5V Signale Level geshiftet. Ist ein 3.3V PWM Signal gewünscht kann dieses von der Stiftleiste abgegriffen werden.
Es existieren zwei 230V/3A Relais auf der Lernplattform. Die Schraubklemmen dieser können an der Grösse identifiziert werden, da sie grösser sind als der Rest.
Sechs Optische Output und acht Inputs bilden die Eingänge für logische Signale. Diese wurden optisch umgesetzt, um eine galvanische Trennung zu gewährleisten. Dies erlaubt es Peripherie zu steuern, welche nicht am gleichem Potenzial liegt.
Als letzte Eingänge gibt es noch acht analoge Eingänge, welche es erlauben acht externe Signale zu messen.
Alle oben genannten Eingänge/Ausgänge sind durch Anschlussklemmen am Rand der Leiterplatte anschliessbar, wie in Abbildung 1 ersichtlich. Weiters sind diese durch Dioden vor Verpolung geschützt, sodass ein verkehrtes anschliessen nicht zur Zerstörung des Einganges führt. Um den Gebrauch der Lernplattform zu erleichtern, sind alle Signalnamen der Eingänge auf dem Bestückungsdruck der Leiterplatte ersichtlich.
Abbildung 1: 3D Modell der Lernplattform
Die Nachfolgenden Schaltungsteile sind alle im inneren der Leiterplatte und werden nicht nach aussen verbunden.
Um Werte und Zustände anzuzeigen, verfügt die Lernplattform über verschiedene optische Feedback Elemente. Um den Status des Raspberry Pi anzuzeigen, sind drei Outputs auf eine RGB LED verbunden. Eine weiter RBG LED kann über den PWM Controller angesteuert werden. Um sonstige Zustände anzeigen zu können, stehen jeweils acht rote/grüne LEDs zur Verfügung. Zweistellige Zahlen können über die 7-Segment Anzeige angezeigt werden. Falls Grafiken oder aktuelle Messwerte gezeigt werden sollen, kann dies über das OLED Display geschehen.
Zur Interaktion mit dem Benutzer stehen weitere Input Optionen zur Verfügung. Es können jeweils acht Taster/Schalter von dem Benutzer bedient werden. Das Raspberry Pi kann, wenn richtig konfiguriert, über den Powerbutton ausgeschaltet werden. Weiters gibt es einen Inkrementalgeber, welcher zur Auswahl von Menüs verwendet werden kann. Und zuletzt besitzt die Lernplattform einen Joystick, um etwas bewegliches zu steuern.
Der Beschleunigungssensor LIS3DH ist der einzige Sensor auf der Lernplattform. Dieser kann die Beschleunigung in der X-, Y- und Z-Achse messen und die drei Potenziometer via analogen Eingängen einlesen.
Die oben genannten Schaltungen wurden getestet und funktionieren. Es gab Fehler auf der Lernplattform, welche jedoch korrigiert werden konnten.
Die Lernplattform wird für den Transport in ein eigens dafür designtes Gehäuse geschraubt. Dies wurde 3D gedruckt und mit einem TEKO logo versehen. Das Gehäuse besitzt die Masse 231mmx161mmx52mm. Als Schliessmechanismus dient ein Klettverschlussband, welches um das Gehäuse führt und auf der Rückseite mit sich selbst verklebt wird.
In den nächsten Schritten wird eine neue Version der Lernplattform ausgearbeitet, welche die gefundenen Fehler korrigiert. Diese Version soll dann an Studenten gegeben werden, welche es testen indem sie damit arbeiten. Durch den Gebrauch können weitere Wünsche oder Probleme zum Vorschein kommen. Dieses Feedback fliesst dann wieder in ein neues Design ein. Das Projekt wird also fortgesetzt und weiter ausgearbeitet.
In der nachfolgenden Bilderserie können die einzelnen Punkte begutachtet werden. Sie zeigt die Lernplattform im Betrieb, das dazugehörige Gehäuse und die einzelnen Schaltungsteile.
Umgesetzte Lernplattform
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