Elektronik

Computer

Um ein möglichst autarkes System anbieten zu können, soll das STM möglichst allein durch einen in den Aufbau integrierten Computer bedienbar sein. Ansprüche an diesen sind unteranderem:

• genügend Rechenpower für die Datenverarbeitung
• Interface zur Bedienung
• eventuell kleines Display zur instantanen Anzeige von Steuerungs- und Tunnelströmen und eine Vorschau des Scans.

Momentan gibt es verschiedene Möglichkeiten für den Computer:

V1

Micromedia STM32F407
Preis ~ 250€
Vorteile:

• Display (direkte Vorschau für den Scan und momentan Werte der Ströme)
• Touchpad (angenehme Steuerung)
• Steckplätze für ADC und DACs (Click-System von Microe ca. 100€ für DACs und ADC zusätzlich) => relativ wenig Lötarbeit

Nachteile:

• aufwendiger Schaltkreis zur Summierung der Steuerungsströme
• teuer

zwar bequemste und unaufwändigste Variante, allerdings eventuell außerhalb des Budgets. Möglich wäre auch eine kleinere Variante diese Chipes mit kleinerem Display und 100€ günstiger, allerdings sind dort keine Steckplätze und Bedienung auch nicht äquivalent möglich => keine nenneswerte Vorteile gegenüber V2

V2

STM32F405
Preis ~ 25€ Vorteile:

• günstig

Nachteile:

• nur externe Anzeige und Steuerung (zB. mit LabVIEW)
• keine Steckmöglichkeiten für ADC und DACs => löten

=> nur eine relevante Möglichkeit, falls eine nahe zu Live-Verbindung zwischen Board und externem Computer möglich ist

V3

M5 Stack
ca. 40-50€ Vorteile:

• günstiger leistungsfähiger Computer
• Drei Knöpfe für simple Menüführung
• Display
• eventuell über W-Lan Verbindung Streaming möglich

Nachteile:

• nur 4 Ansteckbereiche für DACs/ADCs => aufwendiger Schaltkreis zur Summation der Steuerungsströme

Fazit:

Der STM32F407 ist sicherlich der komfortabelste Aufbau und führt (Aufbau von Alex Meier) zu guten Resultaten. Dieser hält den Spulenstrom sehr konstant und hat auch schon die ersten erfolgreichen Scans ergeben. Allein der Preis ist in dem momentanen Budget von 500€ noch zu hoch.
Der STM32F405 könnte technisch die gleichen Leistungen wie der STM32F407 erreichen und würde zusätzlich den Preisrahmen erfüllen, jedoch ist der Aufbau durch die zusätzliche Lotarbeit deutlich aufwendiger und auch die Bedienung des STMs ist nicht autark, sondern muss über bspw. LabView erfolgen.

Steuerungspläne

Signalplan

Prinzipieller Signalplan nach Dan Berard

STM32F407 von unten mit aufgesteckten DACs und ADC

Nebenstehendes Bild zeigt den prinzipiellen Signalplan für die Verwendung eines STM32 als Computer. Da dieser nur 4 Ein-/ Ausgänge besitzt, müssen die DACs und der ADC sinnvoll verteilt werden. Bis jetzt sieht die Lösung vor jeweils einen Ausgang mit jeweils einer der drei Raumdimensionen zu belegen. Um eine vernünftige Steuerung der Spitze durch den Piezo zu erhalten, müssen die Ströme noch addiert werden. So wird die Z-Komponente auf jedes Viertel des Piezos gelegt, X- und Y-Komponente wird dann wie im Schaubild aufaddiert. Abhängig welcher Piezo verwendet wird, ergibt das dann einen unterschiedlichen Hub (siehe Piezo)
Der verbleidende Eingang wird für die Erfassung des Tunnelstroms verwendet. An diesen wird ein ADC geschaltet der den Tunnelstrom für den Computer quantifizierbar macht.
Kosten für ADC + DACs liegt ca. bei 100€

Addition der Steuerungsströme

Vogelperspektive auf die Schaltung zur Addition der Steuerungsströme

Die bequemste Möglichkeit den Piezo anzusteuern wäre jedes Viertel mit einer Schnittstelle an den Computer anzuschließen und rechnerisch die einzelnen Ströme für jedes Viertel zu bestimmen. Da jedoch nur beschränkt viele Schnittstellen für DACs an dem Computer bestehen, ist die Lösung nicht für jedes System möglich. Aus diesem Grund wird nur für jede Raumdimension ein Ausgang belegt und die einzelnen Ströme in einem Schaltkreis zu summiert und auf den Piezo aufgeteilt, dass ein Bewegung im dreidimensionalen möglich ist. Die praktische Umsetzung siehe rechts.