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 zwei Varianten für den Microcontroller. In der einen Variante wird ein STM32F407 als Controller benutzt und in der anderen ein ESP32 im M5-Stack. Für die Konstruktion des restlichen Aufbaus hat die Wahl des Microcontrollers keine weitere Folgen. Einzig und Allein die Anbindung der Digital-Analog-Converter (DAC) und Analog-Digital-Converter (ADC) an den Computer und die Bedienung des Computers erfolgt unterschiedlich. Unten sind beide Varianten umfassend dargestellt und Vor- und Nachteile der beiden Möglichkeiten werden vorgestellt.

1. Variante: Micromedia STM32F407

Übersicht

Display des STM32F407 (Hauptmenü der Version von Alex Meier)

Bei dieser Variante handelt es sich um Mikrocontrollerboards mit integriertem Display. Auf dieses kann eine Erweiterungsplatine (Shield) aufgesteckt werden, auf die sich 4 weitere Module (Click Boards) aufstecken lassen. Click Boards gibt es vom Hersteller mit zahlreichen Funktionen, wie z.B. Digital-Analog-Converter (DAC) oder Analog-Digital-Converter (ADC). Der Vorteil des Systems ist die entsprechend einfache und schnelle Erstellung. Zwar ergibt sich Dank der hohen Kompatibilität und Standardisierung der Kommunikation zwischen Microcontroller und DACs/ ADC ein einfacher Zusammenbau, da allerdings die Bauteile über einen SPI-BUS kommunizieren, ist nur möglich vier Module gleichzeitig an das Board zu stecken. Es wäre für das Piezoelement zwar hilfreich für jedes Viertel einen Steuerungsstromausgang zu haben, jedoch, da ein Eingang für den Tunnelstrom verwendet wird, sind nur drei Ausgänge für die Steuerung des Piezo möglich. Jeder Ausgang wird deshalb mit einer Raumrichtung belegt und im Nachhinein werden die Steuerungsströme durch einen Piezotreiber entsprechend aufsummiert. Preislich liegt diese Variante inklusive Erweiterungsboard, DACs und ADC bei ca. 270€.

Vorteile:

• großes 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:

• nur 4 Ansteckbereiche für DACs/ADCs => Schaltkreis zur Aufsummierung der Steuerungsströme ist notwendig (s. unten)
• teuer

Aufbau der Komponenten

Prinzipiell ist der Aufbau des STM32 sehr einfach, da die Teile fast nur zusammengesteckt werden müssen. Für den Aufbau des Controllers ist folgendermaßen vorzugehen:

• Zuerst muss das Erweiterungsboard (Shield) an dem STM32 Board befestigt werden.
  

Dazu müssen die dem Shield beiliegenden Stiftleisten, an der Unterseite des Boards angelötet werden. Dabei ist zu achten, dass sie auf die Rückseite der Seite mit dem Display zeigen, ansonsten, kann das Display sobald das Shield draufgesteckt ist, natürlich nicht mehr benutzt werden.

• Sobald die Stiftleisten angelötet sind, kann das Shield auf diese gesteckt werden.
• Bevor die DACs auf das Shield gesteckt werden, müssen bei den DAC Click Boards der Widerstand zur Auswahl der Referenzspannung von VCC auf die interne Referenzspannung von 4.096V umgelötet werden, um einen konstanteren Strom und somit einen genaueren Scan zu bieten. Da diese Lötarbeit auf sehr beschränktem Platz abläuft, ist hier besondere Vorsicht geboten, um das DAC-Board nicht zu zerstören. Folgende Galerie schildert das Vorgehen:

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  So sieht das DAC-Board original aus, wenn man es kauft.

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  Rot markiert ist auf diesem Bild der Widerstand, den es im ersten Schritt abzulöten gilt.

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  Rot markiert ist die Stelle, an der der Widerstand umgesetzt worden ist. Anstatt bei VCC ist er nun bei 4.096 V angelötet. Nach diesem zweiten Schritt ist die Bearbeitung vollendet

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  So sieht das bearbeitete DAC-Board aus

Auf diesem Bild sieht man die Unterseite des STM32 und die Anordnung der DACs und des ADC; die DACs sind von links nach recht mit x-,y- und z-Raumrichtung belegt.

• Zuletzt werden die bearbeiteten DACs und der ADC auf das Shield geklickt. Dabei ist darauf zu achten, dass folgende Belegung der Module von links nach rechts gewählt wird (vergleiche Bild rechts):
  

- Modul 1: DAC2 – Piezo X
- Modul 2: ADC8 – vom Ausgang des Vorverstärkers (PIN 3) an Eingang A0 des ADC8
- Modul 3: DAC2 – Piezo Y
- Modul 4: DAC2 – Piezo Z

Liste der Bauteile

• STM32F407:
  

1x Mikromedia Plus for STM32 (mikroe-1397), USD 199,00
1x Mikromedia Plus for STM32 Shield (mikroe-1417), USD 35,00

• DAC von Microe:
  

3x DAC 2 Click (mikroe-1918), USD 19,00

• ADC:
  

1x ADC 8 Click (mikroe-3394), USD 21,00

2. Variante: ESP32 im M5-Stack

M5-Stack

Übersicht

Das M5Stack BASIC Kit vereint alle für den Betrieb des RTMs nötigen Eigenschaften. Es ermöglicht durch die Steckmechanik eine einfache Handhabung und ist gegebenenfalls erweiterbar. Der M5Stack wird über einen USB Typ-C Anschluss zum Programmieren mit dem Rechner verbunden und auch auf diese Weise mit Spannung versorgt. Außerdem verfügt er über einen 150mAh LiPo Akku, der für dieses Projekt jedoch eher ungeeignet ist. Der interne ESP32 Mikrocontroller ist für die Steuerung des RTMs verantwortlich und ermöglicht die WLAN Verbindung für einen Webserver, an dem leicht die Scanparameter eingestellt werden können. Er verarbeitet das über den 16 Bit Analog-Digital Converter (ADC) eingelesene Signal und regelt daraufhin mit den 16 Bit Digital-Analog Convertern (DAC) für X-, Y-, und Z-Achse die Einstellung der Messspitze. Auch dieser Controller gibt einen Steuerungsstrom pro Raumrichtung aus, der anhand eines Piezotreibers entsprechend auf die vier Bereiche auf dem Piezoelement verteilt werden Das LC-Display des M5Stack stellt die Benutzeroberfläche des RTMs dar, mit der, zusammen mit den drei Tasten, alle Funktionen gesteuert werden können. Der gesamte Aufbau wird abschließend durch ein Kartenslot für die zusätzliche Datensicherung auf einer SD-Karte komplettiert. Dabei ist zu beachten das sowohl Analog-Digital Converter (ADC), als auch Digital-Analog Converter (DAC) externe Bauteile sind; in dieser Realisierung werden die Click-Boards von Microe verwendet. Die Ankopplung der DACs und des ADCs erfolgt dabei über einen Schaltkreis; für nähere Ausführungen siehe unten.

Preislich liegt dieser Controller bei ca. 40-50€. Zusätzlich sind noch die Preise der DACs und des ADC zu rechnen, also ca. 80€ dazu.

Vorteile:

• günstiger Computer
• Drei Knöpfe für simple Menüführung
• kleines Display (Anzeigen einer ersten Auswertung des Scans)
• Über W-Lan Verbindung Steuerung des Computers möglich

Nachteile:

• nur 4 Ansteckbereiche für DACs/ADCs => Schaltkreis zur Summation der Steuerungsströme
• mehr Lötarbeit bei dem Anschluss der DACs/ADC

Ankopplung der DACs und ADC

Im Gegensatz zu dem STM32F407 besitzt der M5-Stack keine vorgefertigten Steckplätze für die DACs und den ADC. Aus diesem Grund müssen diese mit Hilfe eines Schaltkreises an die Ausgänge des M5-Stacks verbunden werden. Um dabei aufwändige und Fehler provozierende Lötarbeit umgehen zu können, ist eine sehr bequeme Möglichkeit, sich eine Schaltplatine drucken zu lassen. In der Galerie stehendes Bild zeigt den Schaltplan einer solchen Schaltplatte, auf dem zu erkennen ist, welcher Pin mit welchem verbunden werden soll. Die genaue Installation ist unten in der Anleitung beschrieben. Günstig erweist sich für den Platinendruck zum Beispiel JL CPCB, auf deren Website nur die Baupläne für die Platine hochgeladen werden müssen und für wenige Euro sich die Platine in mehrfacher Ausführung bestellen lässt. DIE DATEN UND ANLEITUNG ZUM DRUCK FINDEN SICH HIER. Auf dieser Platine können die DACs und der ADC aufgesteckt werden. Dabei ist folgendermaßen vorzugehen:

• Zuerst müssen in die Kontakte der Platine Buchsenleisten gesteckt und von unten angelötet werden, so dass die DACs und der ADC in diese gesteckt werden können. Dabei können beliebige Buchsenleisten verwendet werden, wichtig ist das Rastermaß von 2.54 mm. Diese können in Reihen gekauft werden und auf die benötigte Breite gebrochen werden. In der Galerie ist ein Bild von einem Aufbau mit korrekter Installation.
  
  
• Als Zweites können die DACs und der ADC von Microe auf die Pins gesteckt werden.
  

Dabei ist die Position auf dem Board entscheidend, da die Software des Controllers bestimmte Ausgänge mit den Raumrichtungen und dem Tunnelstrom erwartet. Die Kommunikation zwischen DAC, ADC und Computer erfolgt dabei über den Microe-BUS-Standart, also über einen SPI-BUS. Es ist also wichtig, dass die passende Zuweisung der Chip Selects (CS) an die DACs und den ADC gewählt werden. Im Schaltplan erkennen sich auf der Platine mit grauer Schrift als Socket 1 bis 4 beschriftete Zonen. An diese werden die DACs und der ADC angeschlossen, so dass der ADC an Socket 1 angeschlossen wird und die DACs an Socket 3 bis 4. Da die DACs für die verschiedenen Raumrichtungen die gleichen sind, zählt hier die Reihenfolge nicht. Entscheidend ist nur in der weiteren Verkabelung, dass Socket 2 für die Z-Raumrichtung, Socket 3 für die X-Raumrichtung und Socket 4 für die Y-Raumrichtung gilt. Im Besonderen ist bei der Verbindung zu dem Piezotreiber darauf zu achten, siehe dazu die Seite Piezo Treiber. Zum Vergleich siehe Bild.

• Sobald die DACs und der ADC an der Platine befestigt sind, kann der M5-Stack mit der Platine verbunden werden. Nebenstehender Schaltplan der Platine benennt die einzelnen Kontakte. Unter dem Segment X4 finden sich die allgemeinen Kontakte, die mit dem M5-Stack verbunden werden müssen. Unter dem Segment X5 finden sich die für die DAC spezifischen Kontakte (Chip Select). Die einzelnen Kontakte auf der Platine werden mit Kabel mit dem M5-Stack verbunden. Dabei ist zu beachten, dass die Kabel manchmal defekt sind, also eine Quelle für Fehler sein können. Bei etwaigen Problemen sollte dies also in Betracht gezogen werden. Aus diesem Grund lohnt es sich bessere Kabel zu kaufen.
  

Diese Tabelle führt alle Kontakte auf der Platin auf, die mit folgenden Ein- und Ausgängen des M5-Stacks verbunden werden müssen:

Kontakt an der Platine	Kontakt am M5-Stack
Socket 2 (z-Richtung)	26
Socket 3 (x-Richtung)	17
Socket 4 (y-Richtung)	16
MOSI	23
MISO	19
SCK	18
GND	G
5V	5V
3V3	3V3

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  Schaltplan für die Ankopplung der DACs und des ADC
  

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  Dieses Bild zeigt eine Platine mit angeschlossenen DAC und ADC
  

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  Auf diesem Bild ist die Beschriftung der Kontakte auf der Platine besser sichtbar.
  

Stromversorgung

Die Stromversorgung des M5-Stacks erfolgt über ein USB-Kabel entweder mit einem Netzteil oder an einem Computer.

Liste der Bauteile

• ESP32 im M5-Stack:
  

ESP32 Basic Core IoT Development Kit, 27€

• DAC:
  

3x DAC 2 Click (mikroe-1918), USD 19,00

• ADC:
  

1x ADC 8 Click (mikroe-3394), USD 21,00

• Schaltboard zur Verbindung von DAC/ADC und M5-Stack
  

Beispielsweise von JL CPCB

• Buchsenleisten zum Verbinden der DAC und ADC mit dem Board
  

Beispielsweise bei Conrad von MPE Garry

• Kabel zum Verbinden

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 M5 Stack ist deutlich preisgünstiger, allerdings existiert noch kein vollständiger Aufbau, in dem ein M5 Stack integriert ist.

Weiterführende Seiten

Um mit der Konstruktion des STMs fortzufahren, empfiehlt es sich beispielsweise mit dem Piezotreiber