Unterschiede

Hier werden die Unterschiede zwischen zwei Versionen angezeigt.

--- legomindstorms:inhalt [2015-11-30 22:33] – [Sensor-Erkennung und -Einstellung] rainer
+++ legomindstorms:inhalt [2015-11-30 23:11] (aktuell) – rainer
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 Für beide gibt es auf [[http://www.lego.com/de-de/mindstorms/downloads]] einen Hardware-Developer Kit mit Schaltplänen der Bricks und etlicher Sensoren, die sehr hilfreich, aber offenbar nicht auf dem aktuellen Stand sind (s.u.).
+Hier ist zunächst eine Zusammenfassung der [[sensorhardware|Sensor-Hardware]].
-===== Generationen =====
-Es gibt derzeit drei Generationen (siehe auch [[wp>lego_mindstorms]]):
-  - RCX mit 2-Draht Anschlüssen (2 Aktoren, 3 Sensoren)
-  - NXT mit 6-Draht Anschlüssen (3 Aktoren, 4 Sensoren)
-  - EV3 mit kompatiblen Anschlüssen (4 Aktoren, 4 Sensoren)
-Alle können mit 6 Batterien à 1.5V, also nominell 9V, betrieben werden.
-Dies ergibt als Maximalspannung bei frischen Batterien 9.6V.
-Bei Verwendung von Ni-Akkumulatoren ist die Minimalspannung pro Zelle 1.2V, also zusammen 7.2V.
-Am häufigsten werden Li-Akkumulatoren verwendet, deren Nominalspannung 8.4V beträgt.
-===== Sensor-Interface =====
-Das Sensor-Interface von NXT und EV3 verwendet 6 Leitungen:
-  - RCX kompatibler Analog-Eingang (s.u.)
-  - Masse (GND) bei NXT, Auto-ID Eingang beim EV3
-  - GND
-  - +5V, max. 20mA (+4.3V bei NXT lt. Manual, gemessen 4.75V)
-  - SCL für I²C, Digital Ein-/Ausgang
-  - SDA für I²C, Digital Ein-/Ausgang, Analogeingang beim EV3
-Dabei sollte der RCX-Analogeingang auf Pin 1 lt. Hardware-Beschreibung bei beiden die nachfolgend für den RCX dargestellte
-Schaltung verwenden, bei der die Batteriespannung über eine 20mA-Strombegrenzung angeschaltet wird.
-Messungen ergaben jedoch, dass dies nicht der Fall ist. Da nur der Ultraschall-Sensor diese Versorgung benutzt und seine Resultat über I²C übergibt, wird die Stromquelle offenbar nur hier eigeschaltet.
-==== Sensor-Erkennung und -Einstellung ====
-Während für den NXT der Typ des Sensors manuell eingestellt werden muss,
-enthält der EV3 enthält eine Sensor-Erkennung nach folgender Tabelle
-in der notierten Reihenfolge (s. S. 7 des Handbuchs).
-Ob dies auch bei neueren Ständen der NXT-Firmware erfolgt, ist unbekannt.
-^ 1 ^ 2 ^ 3 ^ 4 ^ 5 ^ 6 ^  ^
-|   | L |   |   | H | H | I²C Sensor |
-|   | L |   |   | L |   | NXT Helligkeitssensor |
-| <0.1V  | L |   |   |   |   | NXT Farbsensor |
-|   | L |   |   |   |   | NXT Schalter (Touch) |
-| <0.1V  | H |   |   |   |   | EV3 Digitalsensor |
-| <3.1V  | H |   |   |   |   | EV3 Einfachsensor |
-| >4.8V  | H |   |   |   | H  | EV3 Farbsensor |
-Das Prinzip scheint recht einfach zu sein:
-    * Wenn der Sensor I²C verwendet, sind durch 82kΩ-Pullups die Pins 5 und 6 auf High. Sodann muss eine I²C Kommunikation erfolgreich sein.
-    * Da beim NXT die Pins 2 und 3 beide GND sind und in den Sensoren verbunden sind, zeigt Pin 2 Low einen NXT-Sensor an.
-    * Ist Pin 2 nicht verbunden, was bei allen verfügbaren Sensor-Schaltplänen der Fall ist, und somit nicht Low, dann handelt es sich um einen EV3-Sensor.
-    * Innerhalb der EV3-Familie entscheidet Pin 1 über den Sensor.
-Allerdings passt der Schaltplan des EV3 nicht ganz hierzu. Dort wird Pin 2 durch einen Spannungsteiler von 10kΩ/18kΩ an 5V im unbeschalteten Zustand auf 3.2V eingestellt; dies wäre sinnvoll, wenn die Sensoren drei Fälle durch offenlassen, Verbinden mit Masse und Verbinden mit +5V codieren würden.
-In allen veröffentlichen Schaltplänen für EV3-Sensoren ist jedoch Pin 2 offen, und Pin 1 an Masse, mit der Ausnahme des Schalters (Touch), der Pin 1 über 910Ω an Masse legt.
-Ferner sind die  82kΩ-Pullups für den I²C bereits in der Steuerung vorhanden und nicht auf den Sensoren.
-Zudem sind in der Tabelle zwei Zeilen als redundant wegelassen worden;
-und der EV3-Farbsensor ist ein I²C-Sensor, der Pin 1 auf Low legt.
-Damit der NXT-Helligkeitssensor im EV3 richtig erkannt wird, muss lt. Tabelle Pin 5 auf digital Low liegen.
-Er ist jedoch über 10kΩ mit der Basis eines Transistors verbunden, der weitere 10kΩ parallel liegen.
-==== RCX-Sensoren ====
-Das Sensor-Interface des RCX kann mit einer 2-Draht Verbindung sowohl passive als auch aktive Sensoren betreiben.
-Diese Schnittstelle ist auch in den Nachfolgern noch auf Pin 1 und 2 verfügbar und erlaubt sehr einfache Sensoren.
-Aktoren (Motoren) wurden gleichfalls über 2-Draht-Verbindungen angeschlossen.
-Aus den Unterlagen zum NXT geht hervor, dass die Verbindung auch die Betriebsspannung für aktive Sensoren bereitstellt, indem über einen schaltbaren Strombegrenzer für 20mA die Batteriespannung verfügbar ist.
-Diese wird für 0.1ms unterbrochen; ein aktiver Sensor muss die Spannungsversorgung entsprechend puffern (10µF).
-Während der Unterbrechung liegt die Betriebsspannung über 10kΩ an der Batteriespannung,
-und es wird die analoge Spannung mit dem Maximalwert von 5V mit 10 Bit Auflösung, also ca. 5mV, gemessen.
-Durch eine passende Belastung wird die Spannung geringer, und der Messwert ist das analoge Eingangssignal.
-Lt. Schaltplan des NXT sollte die Spannung über 1kΩ mit einer Si-Doppeldiode (1PS226) geklemmt werden, also ca. 5.7V betragen;
-dies ist jedoch nicht der Fall, s.u.
-=== Schalter- (Touch-) Sensor ===
-Der einfachste Sensor ist ein Schalter, der im eingeschalteten Zustand einen Widerstand von 2,2kΩ zwischen beide Pole legt,
-die ansonsten offen sind.
-Dann liegt die gemessene Spannung zwischen 1,3V und 1,8V (266..368, bei einem Strom von 0,6mA und 0.8mA), sonst auf Maximalwert 5V (1024).
-Offensichtlich kann auch ein Optokoppler verwendet werden, wenn eine galvanische Trennung benötigt wird. In der Regel reicht dafür ein Strom von 1mA im Eingangskreis aus.
-=== Analoge Sensoren ===
-Durch entsprechende Belastung des 10kΩ-Widerstands in den Messpausen können analoge Spannungen eingestellt und an den Brick übertragen werden.
-Im einfachsten Fall ist das ein Widerstand, dessen Wert aus der Batteriespannung und der gemessenen Spannung bestimmt werden kann.
-Durch die wenig genaue bekannte Betriebsspannung (bis zu 20% unter dem Nominalwert von 9V) sind die Messwerte gleichfalls recht ungenau, so dass Relativwerte bevorzugt werden sollten.
-Im einfachsten Fall ist das ein Fotowiderstand mit 10kΩ Normalwert, dessen Dunkelwiderstand ca. 1MΩ beträgt und bei hellem Licht auf ca. 1kΩ sinkt.
-Da die Pausen, in denen gemessen wird, vom Sensor schlecht erkennbar sind, versucht der Sensor kontinuierlich, sein Messergebnis einzustellen.
-Hierzu sind mindestens (9.6V-5V)/10kΩ = 0.46mA und höchstens 1mA notwendig.
-Eine Begrenzung ist notwendig, um den Stromverbrauch nicht unnötig groß zu machen;
-dies kann durch einen 1kΩ-Widerstand erfolgen; dann liegt die kleinste Messpannung bei ca. 1V, also bei 20% vom Endwert.
-Mit erheblichem Schaltungsaufwand kann dieser Wert auf vielleicht 0.25V, also 10% vom Endwert, verbessert werden,
-was wohl meistens nicht sinnvoll ist.
-Allerdings wird weder vom NXT noch vom EV3 normalerweise die Stromquelle von 20mA zur Batterie eingeschaltet,
-so dass, wie im folgenden dargestellt, die Verwendung wesentlich einfacher ist.
-==== NXT Sensoren ====
-Am NXT und
-An einem NXT wurden jedoch statisch 4.96V im Leerlauf und 1.24V bei Anschluss von 3.3kΩ gegen Massse gemessen,
-was auf einen Widerstand von 10kΩ gegen +5V schließen läßt und die Beschaltung erheblich vereinfacht.
-=== Widerstandsmessung ===
-Legt man eine Widerstand R an, dann ist die Spannung `U_x=U_v*(R_x/(R_x+R_v))`.
-Ist, wie beim NXT experimentiell ermittelt, `U_v=5V` und damit gleich der Referenzspannung des A/D-Wandlers,
-dann ist der angezeigte Wert `alpha = 1024*R_x/(R_x+R_v)` mit `R_v`=10kΩ.
-=== Spannungsmessung ===
-Wenn