------------------------------ ## Anhang 1: Labortest-Spezifikation (Breadboard-Plot & Live-Diagnose-Code) Dieses Dokument beschreibt den temporären Laboraufbau für die Validierung auf dem Steckbrett unter Verwendung des kostengünstigen PLA-Testgestells. Es dient zur visuellen Überprüfung der Signalstabilität und Justierung der Wandlerachsen am Labortisch. ------------------------------ ## Teil 7: Laboraufbau am Breadboard und Test mit Thonny-Plotter## 7.1 Visueller ASCII-Breadboard-Belegungsplan (1 Testkanal) Die Buchstaben (A–J) stehen für die vertikalen Lochreihen, die Zahlen (1–25) für die horizontalen Zeilen des Steckbretts. Die mittlere Trennrille liegt zwischen E und F. STROM-SCHIENE OBEN: [ 5V / VBUS ] ============================= (Rot) STROM-SCHIENE OBEN: [ GND ] ============================= (Blau) A B C D E F G H I J +-----------------+ +-----------------+ 1 | . . . . | | . . . . | 1 2 | [== GPIO 0 ==] | | [==== VBUS ===] | 2 <-- Brücke zu 5V-Schiene oben 3 | [== GPIO 1 ==] | | [==== VSYS ===] | 3 4 | [== GPIO 2 ==] | RASP| [==== GND ====] | 4 <-- Brücke zu GND-Schiene oben 5 | [== GPIO 3 ==] | BERRY | [== 3V3_EN ===] | 5 <-- TX_DRIVE (Sende-Burst) 6 | [== GPIO 4 ==] | PICO| [== 3V3_OUT ==] | 6 7 | [== GPIO 5 ==] | | . . . . | 7 <-- Taster (Kalibrierung) 8 | [== GPIO 6 ==] | | . . . . | 8 <-- COMPASS_EN (MOSFET Schalter) 9 | [== GPIO 7 ==] | | . . . . | 9 <-- MODE_JUMPER (Boots-Auswahl) 10 | [== GPIO 26 ==] | | . . . . | 10 <-- ADC0 (OPA2350 Filter-Ausgang) +-----------------+ +-----------------+ | | | | | | | | | | V V V V V V V V V V 14 | . . . . | | . . . . | 14 15 | . [ OPA2350 ] | | [ CD4053B ] | 15 16 | . | 1 8 | | | | 1 16 | | 16 17 | . | 2 7 | | | | 2 15 | | 17 18 | . | 3 6 | | | | 3 14 | | 18 19 | . | 4 5 | | | | : : | | 19 20 | . +---------+ | | +-------------+ | 20 21 | . . . . | | . . . . | 21 22 | [ BSS84 MOSFET ]| | . . . . | 22 23 | | G D S | | | . . . . | 23 +-----------------+ +-----------------+ STROM-SCHIENE UNTEN: [ 3,3V / OUT] ============================= (Rot) STROM-SCHIENE UNTEN: [ GND ] ============================= (Blau) ## Ergänzende Schritt-für-Schritt Verdrahtungsliste: * Hauptstrom: Verbinden Sie Pico VBUS (F2) mit der oberen roten Leiste. Verbinden Sie Pico GND (F4) mit der oberen blauen Leiste. * Logikspannung: Brücken Sie Pico 3V3_OUT (H6) auf die untere rote Schiene. Verbinden Sie die untere blaue Schiene mit der oberen blauen Schiene (Gemeinsame Masse). * BSS84 MOSFET Schalter (Lagesensor & Kompass-Schiene): * Source (A23) an die untere rote Schiene (3,3 V). * Gate (A23) an Pico GPIO 6 (A8). Ein 100 kΩ Widerstand zieht das Gate zusätzlich permanent hoch zu 3,3 V (Pull-Up). * Drain (B23) bildet das schaltbare Power-Signal für das LSM6DS3-IMU-Modul und den Kompass. * Analog-Matrix: CD4053B Pin 16 an 5V (Obere rote Schiene). Pin 8, 7, 6 gesammelt an GND. Pico GPIO 2 (A4) schaltet Pin 11 und Pin 10 zur Richtungsumkehr. * Verstärkerkette: OPA2350 Pin 8 an 5V (Obere rote Schiene), Pin 4 an GND. Das verstärkte Echo-Signal von Pin 7 wird per Kabel direkt an Pico GPIO 26 (A10, ADC0) übergeben. ------------------------------ ## 7.2 Interaktiver MicroPython Live-Diagnose-Code (lab_diagnostic.py) Dieses Skript wird über Thonny direkt auf den Raspberry Pi Pico geladen. Es visualisiert das hochfrequente analoge Antwortsignal des Piezo-Einschlagssensors und die Impulsausgabe der Regenwippe live im Thonny-Plotter, um die Filterstufen und die mechanische Wippenfunktion am Labortisch visuell einzustellen und zu validieren. # ==============================================================================# LABOR-DIAGNOSE: PIEZO-RESONANZ & RAINGAUGE INTERRUPT PLOTTER# ==============================================================================import machineimport timeimport math # Pin-Deklarationen (Laboraufbau)PIN_PIEZO_ADC = 26 # ADC0 (Eingang vom Piezo-Verstärker)PIN_WIPPE_INT = 16 # GPIO16 (Digitaleingang von der Hall-Wippe) # Hardware-Peripherie initialisierenpiezo_adc = machine.ADC(PIN_PIEZO_ADC)wippe_pin = machine.Pin(PIN_WIPPE_INT, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_UP) # Globale Diagnosezählerwippen_klicks = 0letzter_klick_ms = 0wippen_event_trig = False # Interrupt-Routine für die Wippe (mit Software-Debounce)def wippe_callback(pin): global wippen_klicks, letzter_klick_ms, wippen_event_trig jetzt = time.ticks_ms() # 250ms Sperrzeit gegen mechanisches Nachprellen im Labor if time.ticks_diff(jetzt, letzter_klick_ms) > 250: wippen_klicks += 1 letzter_klick_ms = jetzt wippen_event_trig = True # Interrupt aktivieren (Fallende Flanke durch Hall-Switch) wippe_pin.irq(handler=wippe_callback, trigger=machine.Pin.IRQ_FALLING) print("======================================================================") print(" STARTING LIVE DIAGNOSTIC PLOTTER - USE THONNY PLOTTER VIEW TO VISUALIZE") print("======================================================================") # Offset-Ermittlung (Nullpunkt des AC-gekoppelten Operationsverstärkers)offset_sum = 0for _ in range(100): offset_sum += piezo_adc.read_u16() time.sleep_us(100)BIAS_OFFSET = offset_sum // 100 last_sample = 0amplitude_peak = 0 while True: # 1. Hochfrequentes Auslesen des akustischen Signals (Piezo) raw_sample = piezo_adc.read_u16() # Rechnerische Entfernung des Gleichspannungsanteils ac_signal = raw_sample - BIAS_OFFSET # Digitaler Hochpass-Filter (Differenz zum vorherigen Sample) gefilterter_impuls = ac_signal - last_sample last_sample = ac_signal # Betrag der Amplitude für den Plotter abs_amplitude = abs(gefilterter_impuls) if abs_amplitude > amplitude_peak: amplitude_peak = abs_amplitude else: # Langsame Peak-Dämpfung für bessere Sichtbarkeit im Plotter amplitude_peak = max(0, amplitude_peak - 100) # 2. Wenn die mechanische Wippe gekippt ist, Signal im Plotter simulieren wippe_marker = 0 if wippen_event_trig: wippe_marker = 15000 # Deutlicher Impuls-Ausschlag im Kurvenverlauf wippen_event_trig = False print("-> [INFO] Wippe gekippt! Klicks gesamt: {}".format(wippen_klicks)) # 3. Formatierte Datenausgabe exakt für den Thonny-Plotter (Tupel-Format) # Erzeugt drei parallele Live-Graphen: Das Rohsignal, den gefilterten Peak und den Wippen-Klick print("({}, {}, {})".format(ac_signal, amplitude_peak, wippe_marker)) # Abtastfrequenz auf ca. 2 kHz begrenzen time.sleep_us(500) ------------------------------ ## 7.3 MicroPython Live-Diagnose Code (echo_plotter.py) Dieses Skript steuert das Steckbrett im Labor an. Es erzeugt Software-Bursts am Sende-Pin, wechselt die Multiplexer-Kanäle und gibt die rohen ADC-Spannungen direkt für den grafischen Echtzeit-Plotter in Thonny aus. import machineimport time # --- INITIALISIERUNG ---adc_eingang = machine.ADC(26) # ADC0 (GPIO 26 / Pin 31)dir_sel = machine.Pin(2, machine.Pin.OUT)tx_pin = machine.Pin(3, machine.Pin.OUT)compass_en = machine.Pin(6, machine.Pin.OUT) # Zur Sicherheit: Kompass/IMU-Schalter zu Beginn ausschalten (Gate HIGH = AUS) compass_en.value(1) dir_sel.value(0) tx_pin.value(0) print("Starte Labor-Diagnose...") print("WICHTIG: In Thonny jetzt das Menü 'Ansicht -> Plotter' aktivieren!") time.sleep(1) while True: # 1. CD4053B Multiplexer auf Vorwärtsstrecke fixieren dir_sel.value(0) time.sleep_ms(2) # Einschwingzeit der Analogstufen abwarten # 2. Generierung eines präzisen 40-kHz-Ultraschall-Bursts (8 Pulse) via Software # Jede Halbwelle dauert 12 Mikrosekunden, eine volle Welle somit 24µs (~41.6 kHz) for _ in range(8): tx_pin.value(1) time.sleep_us(12) tx_pin.value(0) time.sleep_us(12) # 3. Hochfrequentes Erfassungsfenster für den Thonny-Plotter # Wir tasten den OPA2350-Ausgang direkt nach dem Senden 250-mal ab for _ in range(250): # 16-Bit Rohwert auf 12-Bit Hardware-Ebene (0 - 4095) normieren raw_val = adc_eingang.read_u16() // 16 # Ausgabe im geforderten Plotter-Format: (Zahl) in runden Klammern print("({})".format(raw_val)) # Kurze Pause, um ein Überlaufen des seriellen Puffers in Thonny zu verhindern time.sleep_ms(80) ------------------------------ ## 7.4 Justieranweisung am Labortisch 1. Thonny-Vorbereitung: Starten Sie das Skript und öffnen Sie den Plotter über Ansicht -> Plotter. Sie sehen nun ein fortlaufendes Oszilloskop-Fenster. 2. Die Ruhelinie: Liegt kein Ultraschall-Echo an, verharrt die Kurve starr in der vertikalen Mitte bei 2048. Dies bestätigt, dass die virtuelle Analogmasse ($V_{\text{ref}} = 2{,}5\text{V}$ am Breadboard) stabil anliegt. 3. Das Signal-Echo optimieren: Platzieren Sie das 3D-gedruckte Prototypen-Gestell über der Glasscheibe. Drehen und verschieben Sie die Wandler in den Aufnahmeröhrchen vorsichtig mit der Hand. 4. Das Ziel: Sobald die akustischen Achsen im 45°-Winkel präzise auf das Glas treffen und reflektiert werden, schlägt die Kurve im Plotter wellenförmig als massive Sinus-Keule nach oben und unten aus. Optimieren Sie die Position so lange, bis die Amplitudenspitzen maximalen Ausschlag zeigen. Ihr Labortest ist damit erfolgreich validiert. ------------------------------ Gib mir kurz Bescheid, wenn du diesen Block gesichert hast. Dann schicke ich dir sofort das finale Kapitel 8 (Evaluierung der Systemvorteile, Rauschschutz, Star-GND und wirtschaftlicher Dual-Modus) zu, und dein Kompendium ist perfekt beisammen!