LED Cube/Die Elektronik verstehen - Versionsgeschichte

Cyela4t am 3. Mai 2012 um 15:21 Uhr

2012-05-03T15:21:11Z

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	~~{{SmallAttention\|under construction}}~~

	{{LED Cube Series/de}}		{{LED Cube Series/de}}
	Diese Seite soll dir die Arbeitsweise des LED-Cubes vermitteln. Wir versuchen üblichen Elektronikslang zu vermeiden, um die Erklärungen besonders für Menschen verständlich zu machen, die sich nicht so sehr mit Elektronik auskennen. Hast Du hingegen Ahnung, wirf einfach einen Blick auf den Schaltplan und den Cube, diese sind nicht sehr komplex.		Diese Seite soll dir die Arbeitsweise des LED-Cubes vermitteln. Wir versuchen üblichen Elektronikslang zu vermeiden, um die Erklärungen besonders für Menschen verständlich zu machen, die sich nicht so sehr mit Elektronik auskennen. Hast Du hingegen Ahnung, wirf einfach einen Blick auf den Schaltplan und den Cube, diese sind nicht sehr komplex.

Cyela4t: /* USB */

2012-05-03T15:20:39Z

USB

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	===USB===		===USB===
	[[File:Ucper-02.png\|thumb\|300px]]		[[File:Ucper-02.png\|thumb\|300px]]
	~~The~~ USB ~~part is more interesting~~. ~~We are using the~~ [http://www.obdev.at/products/vusb/index.html V-USB Stack], ~~a very nice,~~ open source USB ~~stack for hobby projects~~. ~~However, the~~ USB ~~hardware implementation is not much more than a hack~~. ~~With our~~ LED ~~cube we have quite a problem here~~: ~~To use the internal switches of the microcontoller~~, ~~we have to operate it at~~ 5 V. ~~However, the~~ USB ~~data lines do not tolerate much more than~~ 3.3 V. ~~This is the reason for the two diodes directly behind the~~ USB ~~connector~~: ~~They limit the voltage we get from the microcontroller to acceptable levels~~.		Der USB-Teil ist interessanter. Wir benutzen den [http://www.obdev.at/products/vusb/index.html V-USB Stack], einen sehr hübschen open source USB-Stack für Hobbyprojekte. Die USB-Hardwareimplementation ist nicht viel mehr als ein Hack. Mit unseren LED-Cubes haben wir hier immernoch ein Problem: Um die internen Schalter des Microcontrollers zu verwenden, müssen wir mit 5 V arbeiten. Die USB-Datenleitung tolleriert jedoch nicht viel mehr als 3.3 V. Das ist der Grund für die beiden Dioden direkt hinter dem USB-Anschluss: Sie limitieren die Spannung die wir vom Microcontroller bekommen auf ein akzeptables Level.

	~~Then there are three resistors~~: ~~Two times~~ 68 ~~Ohms are used for the voltage limiting and are "termination resistors"~~. ~~What this means is quite complex to explain~~, ~~if you do not have some basic background in electronics~~. ~~Maybe you remember~~ an ~~experiment about waves from your physics classes~~: ~~If you lay a long rope on the ground and excite it~~, ~~a wave will traverse this rope~~. ~~When it reaches the end~~, ~~it will come back to you!~~ (~~see~~ [http://www.youtube.com/watch?v=aVCqq5AkePI]) ~~The same thing happens~~, ~~if you tighten the end of the rope to a fixed object~~, ~~but this time it is mirrored~~ (~~see~~ [http://www.youtube.com/watch?v=LTWHxZ6Jvjs]). ~~If you could find something between a loose rope end and a fixed rope end~~, ~~there will be no reflection~~. ~~Transmission lines experience a similar behaviour as the rope~~: ~~The~~ 68 Ohm ~~resistors prevent reflections~~.		Dann sind da noch drei Widerstände: Zwei Mal 68 Ohm werden für die Strombegrenzung gebraucht und sind Abschlusswiderstände.? Was das bedeutet ist schwer zu erklären, wenn Du noch keine Elektronikgrundkenntnisse hast. Vielleicht erinnerst Du dich an ein Experiment mit Wellen aus deinem Physikunterricht: Wenn ein langes Seil auf den Boden gelegt und in Schwingung versetzt wird, werden die Wellen das Seil entlanglaufen. Wenn sie das Ende des Seils erreichen, kommen sie zurück zu dir (siehe auch [http://www.youtube.com/watch?v=aVCqq5AkePI]). Es wird das Gleiche passieren, wenn Du die Enden des Seils an einem festen Objekt befestigst, aber dieses Mal verhält es sich spiegelverkehrt (siehe [http://www.youtube.com/watch?v=LTWHxZ6Jvjs]). Wenn Du etwas zwischen dem losen Seilende und dem festen Seilende finden kannst, wird es keine Reflexion geben. Übertragungsleitungen zeigen ein ähnliches Verhalten wie das Seil: Das 68 Ohm Widerstand verhindert Reflexionen.

	~~At last there is one~~ 1.5 kOhm ~~resistor~~. ~~Once a cube is connected to a~~ USB ~~port~~, ~~one data line will automatically assume nearly the potential of the supply voltage~~. ~~This is used to signal the~~ USB ~~host that there is a~~ USB ~~device connected on this port~~. ~~Once the host and the device assume normal operation modes~~, ~~this resistor has nearly no impact~~.		Als Letztes ist da noch ein 1.5 kOhm Widerstand. Wenn ein Cube mit einem USB-Port verbunden ist, wird eine der Datenleitungen automatisch das Potential der Versorgungsspannung annehmen. Das passiert, um dem USB-Host zu signalisieren, das ein USB-Gerät an dem Port angeschlossen ist. Sobald der Host und das angeschlossene Gerät den normalen Oerationsmodus annehmen, hat dieser Widerstand nahezu keine Bedeutung mehr.

Cyela4t: /* Transistor Array */

2012-05-03T14:52:33Z

Transistor Array

← Nächstältere Version		Version vom 3. Mai 2012, 14:52 Uhr
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	In der Nähe des USB-Sockets befinden sich vier adjazente Pins, die keine Komponenten haben. Diese Pins gehen direkt zum Microcontroller und können für andere Dinge verwendet werden. Besonders interessant ist, dass es sehr einfach möglich ist diese Pins für eine Verbindung zum Computer via USB-UART-Kabel zu verwenden.		In der Nähe des USB-Sockets befinden sich vier adjazente Pins, die keine Komponenten haben. Diese Pins gehen direkt zum Microcontroller und können für andere Dinge verwendet werden. Besonders interessant ist, dass es sehr einfach möglich ist diese Pins für eine Verbindung zum Computer via USB-UART-Kabel zu verwenden.

	===~~Transistor Array~~===		===Transistorarray===
	~~The aforementioned transistor array, which contains the "blue" switches for the planes is connected to three microcontroller pins~~. ~~These three pins control which switch is currently closed~~.		Das Transistorarray wurde bereits erwähnt. Es enthält die blauen Schalter für die Ebenen und ist mit den Microcontrollerpins verbunden. Diese drei Pins kontrollieren welche Schalter zu einem Zeitpunkt geschlossen sind.

	===USB===		===USB===

Cyela4t: /* Serial Connector */

2012-05-03T14:46:08Z

Serial Connector

← Nächstältere Version		Version vom 3. Mai 2012, 14:46 Uhr
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	Ein sehr wichter Teil am Cube ist der Bootloaderjumper, der dem Microcontroller sagt ob er ein Update annehmen, oder mit der alten Software weiterlaufen soll. Dies funktioniert sehr ähnlich wie der Resetpin. Wenn der Jumper zu dem Zeitpunkt des Einschaltens mit dem Resetpin und der positiven Versorgungsspannung verbunden ist, wird das Programm ausgeführt. Wenn er mit der negativen Versorgungsspannung verbunden ist, startet der Bootloader.		Ein sehr wichter Teil am Cube ist der Bootloaderjumper, der dem Microcontroller sagt ob er ein Update annehmen, oder mit der alten Software weiterlaufen soll. Dies funktioniert sehr ähnlich wie der Resetpin. Wenn der Jumper zu dem Zeitpunkt des Einschaltens mit dem Resetpin und der positiven Versorgungsspannung verbunden ist, wird das Programm ausgeführt. Wenn er mit der negativen Versorgungsspannung verbunden ist, startet der Bootloader.

	===~~Serial Connector~~===		===Serieller Anschluss===
	In der Nähe des USB-Sockets befinden sich vier adjazente Pins, die keine Komponenten haben. Diese Pins gehen direkt zum Microcontroller und können für andere Dinge verwendet werden. Besonders interessant ist, dass es sehr einfach möglich ist diese Pins für eine Verbindung zum Computer via USB-UART-Kabel zu verwenden.		In der Nähe des USB-Sockets befinden sich vier adjazente Pins, die keine Komponenten haben. Diese Pins gehen direkt zum Microcontroller und können für andere Dinge verwendet werden. Besonders interessant ist, dass es sehr einfach möglich ist diese Pins für eine Verbindung zum Computer via USB-UART-Kabel zu verwenden.

Cyela4t: /* Serial Connector */

2012-05-03T14:45:12Z

Serial Connector

← Nächstältere Version		Version vom 3. Mai 2012, 14:45 Uhr
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	===Serial Connector===		===Serial Connector===
	~~Near the~~ USB ~~sockey~~, ~~you will find four adjacent pins which don't hold components~~. ~~These pins are going directly to the microcontroller and can be used for other stuff~~. ~~Especially interesting should be that you can very easily use this connector to connect to your PC~~ via a USB UART ~~cable~~.		In der Nähe des USB-Sockets befinden sich vier adjazente Pins, die keine Komponenten haben. Diese Pins gehen direkt zum Microcontroller und können für andere Dinge verwendet werden. Besonders interessant ist, dass es sehr einfach möglich ist diese Pins für eine Verbindung zum Computer via USB-UART-Kabel zu verwenden.

	===Transistor Array===		===Transistor Array===

Cyela4t: /* Bootloader Jumper */

2012-05-03T14:39:56Z

Bootloader Jumper

← Nächstältere Version		Version vom 3. Mai 2012, 14:39 Uhr
Zeile 73:		Zeile 73:
	Der adjazente Widerstand wird "reset pullup" genannt. Im normalen Betrieb wird er Microcontroller den Resetpin auf "logisch high" halten, was der positiven Versorgungsspannung entspricht. Wenn der Resetpin auf "logisch low" gezogen wird, was einer sehr viel niedrigeren Spannung entspricht, hört der Microcontroller mit seinen Operationen auf, bis an dem Pin wieder high anliegt.		Der adjazente Widerstand wird "reset pullup" genannt. Im normalen Betrieb wird er Microcontroller den Resetpin auf "logisch high" halten, was der positiven Versorgungsspannung entspricht. Wenn der Resetpin auf "logisch low" gezogen wird, was einer sehr viel niedrigeren Spannung entspricht, hört der Microcontroller mit seinen Operationen auf, bis an dem Pin wieder high anliegt.

	===~~Bootloader Jumper~~===		===Bootloaderjumper===
	~~One very important part is of course the bootloader jumper~~, ~~which tells the microcontroller to accept an update or to run the old software~~. ~~It works very much like the reset pin~~. ~~If at the time of power-on the jumper connects the reset pin to the positive supply voltage~~, ~~it runs the program~~. ~~If it connects to the negative supply voltage~~, ~~the bootloader starts~~.		Ein sehr wichter Teil am Cube ist der Bootloaderjumper, der dem Microcontroller sagt ob er ein Update annehmen, oder mit der alten Software weiterlaufen soll. Dies funktioniert sehr ähnlich wie der Resetpin. Wenn der Jumper zu dem Zeitpunkt des Einschaltens mit dem Resetpin und der positiven Versorgungsspannung verbunden ist, wird das Programm ausgeführt. Wenn er mit der negativen Versorgungsspannung verbunden ist, startet der Bootloader.

	===Serial Connector===		===Serial Connector===

Cyela4t: /* Programming Header und Resetwiderstand */

2012-05-03T14:35:19Z

Programming Header und Resetwiderstand

← Nächstältere Version		Version vom 3. Mai 2012, 14:35 Uhr
Zeile 68:		Zeile 68:
	Auf jeder Seite des Microcontrollers kanns Du einen 100 nF Kondensator finden. Der Grund weshalb diese Kondensatoren dort sind, hat auch mit der Synchonität des Microcontrollers zu tun: Dadurch dass alles zum gleichen Zeitpunkt passiert ist die Energie die zu dieser Zeit gebraucht wird sehr hoch im Vergleich zum durchschnittlichen Energieverbrauch des Microcontrollers. Diese Energie durch das lange USB-Kabel bereitzustellen würde aus vielen Gründen nicht so gut funktionieren. (Um drei zu nennen: Widerstand, Induktion des USB-Kabels und die limitierte Geschwindigkeit des Lichtes.) Die beiden Kondensatoren sind dafür da, um dieses Problem zu lösen. Sie speichern etwas Energie, die dann direkt am Microcontroller zur Verfügung steht, sobald sie benötigt wird.		Auf jeder Seite des Microcontrollers kanns Du einen 100 nF Kondensator finden. Der Grund weshalb diese Kondensatoren dort sind, hat auch mit der Synchonität des Microcontrollers zu tun: Dadurch dass alles zum gleichen Zeitpunkt passiert ist die Energie die zu dieser Zeit gebraucht wird sehr hoch im Vergleich zum durchschnittlichen Energieverbrauch des Microcontrollers. Diese Energie durch das lange USB-Kabel bereitzustellen würde aus vielen Gründen nicht so gut funktionieren. (Um drei zu nennen: Widerstand, Induktion des USB-Kabels und die limitierte Geschwindigkeit des Lichtes.) Die beiden Kondensatoren sind dafür da, um dieses Problem zu lösen. Sie speichern etwas Energie, die dann direkt am Microcontroller zur Verfügung steht, sobald sie benötigt wird.

	===~~Programming Header~~ und Resetwiderstand===		===Programmierstecker und Resetwiderstand===
	Vielleicht sind dir die großen unbestückten 2 * 5 Pinreihen auf deinem Board aufgefallen, die einen adjazenten 10 kOhm Widerstand haben. Diese		Vielleicht sind dir die großen unbestückten 2 * 5 Pinreihen auf deinem Board aufgefallen, die einen adjazenten 10 kOhm Widerstand haben. Diese Steckerreihen können dafür benutzt werden neue Programme auf den Microcontroller zu flashen (dies kann auch per USB geschehen), oder zusätzliche Dinge an den Cube anzuschliessen, wie zum Beispiel größeren Speicher.

	You have probably noticed the big unpopulated 2 * 5 pin area on your board with an adjacent 10 kOhm resistor. This header can be used to upload new programs (which you can also do via USB) to the microcontroller or connect additional devices to it, like a bigger memory, for example		Der adjazente Widerstand wird "reset pullup" genannt. Im normalen Betrieb wird er Microcontroller den Resetpin auf "logisch high" halten, was der positiven Versorgungsspannung entspricht. Wenn der Resetpin auf "logisch low" gezogen wird, was einer sehr viel niedrigeren Spannung entspricht, hört der Microcontroller mit seinen Operationen auf, bis an dem Pin wieder high anliegt.

	~~The adjacent resistor is called~~ "reset pullup". ~~In normal operation of the microcontroller it will keep the reset pin at~~ "~~logic~~ high", ~~which is the positive supply voltage~~. ~~If the reset pin would actually go to~~ "~~logic~~ low", ~~which is at a much lower voltage~~, ~~the microcontroller would stop its operation until the pin assumes a "logic~~ high~~" status~~.

	===Bootloader Jumper===		===Bootloader Jumper===

Cyela4t: /* Programming Header and Reset Resistor */

2012-05-03T14:28:36Z

Programming Header and Reset Resistor

← Nächstältere Version		Version vom 3. Mai 2012, 14:28 Uhr
Zeile 68:		Zeile 68:
	Auf jeder Seite des Microcontrollers kanns Du einen 100 nF Kondensator finden. Der Grund weshalb diese Kondensatoren dort sind, hat auch mit der Synchonität des Microcontrollers zu tun: Dadurch dass alles zum gleichen Zeitpunkt passiert ist die Energie die zu dieser Zeit gebraucht wird sehr hoch im Vergleich zum durchschnittlichen Energieverbrauch des Microcontrollers. Diese Energie durch das lange USB-Kabel bereitzustellen würde aus vielen Gründen nicht so gut funktionieren. (Um drei zu nennen: Widerstand, Induktion des USB-Kabels und die limitierte Geschwindigkeit des Lichtes.) Die beiden Kondensatoren sind dafür da, um dieses Problem zu lösen. Sie speichern etwas Energie, die dann direkt am Microcontroller zur Verfügung steht, sobald sie benötigt wird.		Auf jeder Seite des Microcontrollers kanns Du einen 100 nF Kondensator finden. Der Grund weshalb diese Kondensatoren dort sind, hat auch mit der Synchonität des Microcontrollers zu tun: Dadurch dass alles zum gleichen Zeitpunkt passiert ist die Energie die zu dieser Zeit gebraucht wird sehr hoch im Vergleich zum durchschnittlichen Energieverbrauch des Microcontrollers. Diese Energie durch das lange USB-Kabel bereitzustellen würde aus vielen Gründen nicht so gut funktionieren. (Um drei zu nennen: Widerstand, Induktion des USB-Kabels und die limitierte Geschwindigkeit des Lichtes.) Die beiden Kondensatoren sind dafür da, um dieses Problem zu lösen. Sie speichern etwas Energie, die dann direkt am Microcontroller zur Verfügung steht, sobald sie benötigt wird.

	===Programming Header ~~and Reset Resistor~~===		===Programming Header und Resetwiderstand===
			Vielleicht sind dir die großen unbestückten 2 * 5 Pinreihen auf deinem Board aufgefallen, die einen adjazenten 10 kOhm Widerstand haben. Diese

	You have probably noticed the big unpopulated 2 * 5 pin area on your board with an adjacent 10 kOhm resistor. This header can be used to upload new programs (which you can also do via USB) to the microcontroller or connect additional devices to it, like a bigger memory, for example		You have probably noticed the big unpopulated 2 * 5 pin area on your board with an adjacent 10 kOhm resistor. This header can be used to upload new programs (which you can also do via USB) to the microcontroller or connect additional devices to it, like a bigger memory, for example

Cyela4t: /* Der Microcontoller und seine Peripherie */

2012-05-03T14:22:15Z

Der Microcontoller und seine Peripherie

← Nächstältere Version		Version vom 3. Mai 2012, 14:22 Uhr
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	Der Microcontroller ist ein synchones Bauteil und als solches benötigt es einen Taktgeber. Was synchron bedeutet ist zur Zeit fast irrelevant, ausßer dass dieses Wort impliziert, dass alles synchron, also zur gleichen Zeit, passiert. Das ist der Grund, weshalb dieser Taktgeber benötigt wird, er gibt die Signale, wann etwas passieren soll.		Der Microcontroller ist ein synchones Bauteil und als solches benötigt es einen Taktgeber. Was synchron bedeutet ist zur Zeit fast irrelevant, ausßer dass dieses Wort impliziert, dass alles synchron, also zur gleichen Zeit, passiert. Das ist der Grund, weshalb dieser Taktgeber benötigt wird, er gibt die Signale, wann etwas passieren soll.

	~~The clock for the microcontroller is provided by a crystal~~. ~~To see how such a crystal works~~, ~~have a look at~~ [http://www.youtube.com/watch?v=1pM6uD8nePo]. ~~The microcontroller basically excites a device like a tuning fork which then gives it a fairly accurate frequency~~. (~~There is much more behind that~~, ~~but let's leave it at that~~.) ~~It may be interesting to note that the fork is oscillating at~~ 16 MHz, ~~that are sixteen million oscillations per second~~.		Dieser Taktgeberjob wird für den Microcontroller von einem Kristall übernommen. Um zu sehen wie ein solcher Kristall funktioniert, schau dir [http://www.youtube.com/watch?v=1pM6uD8nePo] an. Der Microcontroller versetzt ein Bauteil in Schwingung, wie eine Stimmgabel, um ihm eine bestimmte Frequenz zu geben. (Dahinter steckt noch einiges mehr, aber lasst es uns dabei belassen.) Es ist vielleicht interessant zu wissen, dass die Stimmgabel bei 16 MHz schwingt, das sind sechtzehnmillionen Schwingungen pro Sekunde.

	===~~Decoupling Capacitors~~===		===Entkoppelte Kondensatoren===
	~~On each side of the microcontroller, you find a~~ 100 nF ~~capacitor~~. ~~The reason for these capacitors also has to do with the synchronousity of the microcontroller~~: ~~As everything happens at the same time, the energy required at that time is really large compared to the average energy consumption of the microcontroller~~. ~~Supplying this energy via the long~~ USB ~~cable would not work very good due to many reasons~~. (~~To name three~~: ~~Resistance and Inductance of the~~ USB ~~line and the limited speed of light~~.) ~~Thus these two capacitors are used to store some energy~~, ~~which is available when required~~, ~~directly at the microcontroller~~.		Auf jeder Seite des Microcontrollers kanns Du einen 100 nF Kondensator finden. Der Grund weshalb diese Kondensatoren dort sind, hat auch mit der Synchonität des Microcontrollers zu tun: Dadurch dass alles zum gleichen Zeitpunkt passiert ist die Energie die zu dieser Zeit gebraucht wird sehr hoch im Vergleich zum durchschnittlichen Energieverbrauch des Microcontrollers. Diese Energie durch das lange USB-Kabel bereitzustellen würde aus vielen Gründen nicht so gut funktionieren. (Um drei zu nennen: Widerstand, Induktion des USB-Kabels und die limitierte Geschwindigkeit des Lichtes.) Die beiden Kondensatoren sind dafür da, um dieses Problem zu lösen. Sie speichern etwas Energie, die dann direkt am Microcontroller zur Verfügung steht, sobald sie benötigt wird.

	===Programming Header and Reset Resistor===		===Programming Header and Reset Resistor===

Cyela4t: /* The Microcontoller and Its Periphery */

2012-05-03T14:10:09Z

The Microcontoller and Its Periphery

← Nächstältere Version		Version vom 3. Mai 2012, 14:10 Uhr
Zeile 57:		Zeile 57:
	[[File:cube-structure-09.png]]		[[File:cube-structure-09.png]]

	==~~The~~ Microcontoller ~~and Its Periphery~~==		==Der Microcontoller und seine Peripherie==
	[[File:Ucper-01.png\|thumb\|415px]]		[[File:Ucper-01.png\|thumb\|415px]]
	~~There is not as much to understand about the microcontroller than about the cube~~. ~~However, there are some things we can show you~~:		An dem Microcontroller gibt es nicht viel mehr zu verstehen, als an dem restlichen Cube. Es gibt einige Sachen die wir dir erklären wollen:
	===~~The Oscillator~~===		===Der Oszillator===
	~~The microcontroller is a synchronous device - and as such it requires a clock~~. ~~What synchronous means~~, ~~is actually fairly irrelevant~~, ~~but implied by the word: Everything happens synchronously - at the same time~~. ~~This is the reason this clock is required - as a signal when "things" should happen~~.		Der Microcontroller ist ein synchones Bauteil und als solches benötigt es einen Taktgeber. Was synchron bedeutet ist zur Zeit fast irrelevant, ausßer dass dieses Wort impliziert, dass alles synchron, also zur gleichen Zeit, passiert. Das ist der Grund, weshalb dieser Taktgeber benötigt wird, er gibt die Signale, wann etwas passieren soll.

	The clock for the microcontroller is provided by a crystal. To see how such a crystal works, have a look at [http://www.youtube.com/watch?v=1pM6uD8nePo]. The microcontroller basically excites a device like a tuning fork which then gives it a fairly accurate frequency. (There is much more behind that, but let's leave it at that.) It may be interesting to note that the fork is oscillating at 16 MHz, that are sixteen million oscillations per second.		The clock for the microcontroller is provided by a crystal. To see how such a crystal works, have a look at [http://www.youtube.com/watch?v=1pM6uD8nePo]. The microcontroller basically excites a device like a tuning fork which then gives it a fairly accurate frequency. (There is much more behind that, but let's leave it at that.) It may be interesting to note that the fork is oscillating at 16 MHz, that are sixteen million oscillations per second.