Entwicklung und Realisierung einer industriefähigen Erweiterungsplatine mit digitalen sowie analogen Ein- und Ausgängen für den Raspberry Pi
Autor: Mark Schmiedel
Einleitung
Heutzutage gelten Elektronikgeräte wie z.B. Computer als Unterstützung des Menschen im Alltag sowie in der Industrie. Darunter fällt ebenfalls der kleine Einplatinencomputer Raspberry Pi, der aufgrund seiner Größe und des geringen Anschaffungspreises von anderen vollwertigen Computer hervorsticht. Weitere Merkmale wie z.B. die geringe Stromaufnahme, Internetfähigkeit sowie die Programmierfähigkeit der digitalen Ein- und Ausgabepins (sogenannte GPIO – Pins) zeichnen diesen besonders aus. Durch das zunehmende Interesse an der „Homeautomatisierung“, insbesondere bei der Heimsteuerung, wird der Markt an Erweiterungsplatinen für den Raspberry Pi regelrecht überschwemmt. Dies ist ein weiteres Pro Argument, das für den Mini-Computer spricht.
Problematisch ist, dass die meisten „Shields“ den Einplatinencomputer nur mit einer zusätzlichen Baugruppe erweitern, beispielsweise mit digitalen Ausgängen. Daher stammt die Motivation eine Platine zu entwickeln, die digitale sowie analoge Ein- und Ausgänge aufweist. Zudem sollten die jeweiligen Potentiale der Baugruppen getrennt werden um somit einen Schutz vor Überspannung und zu hoher Stromaufnahme für den Raspberry Pi zu gewährleisten. Folglich wäre die Erweiterungsplatine industrietauglich und in Kombination mit dem „kreditkartengroßen“ Computer in der Industrie 4.0-konform.
Anforderungen
Nach umfangreicher Recherche und Beobachtung des Zubehörmarktes bzw. der schon bereits vorhandenen „Shields“, soll eine Platine entwickelt werden, die die Funktionen mehrerer Erweitungsplatinen vereint. Daraus haben sich folgende Anforderungen ergeben.
Digitale Eingänge
- acht digitale Eingänge
- Schaltspannung 24 V
- Isolationsspannung mind. 500 V (AC)
- Digitalschnittstelle galvanisch getrennt von den Eingängen
- Verpolungsschutz
- Überspannungsschutz bzw. Überstromschutz
- LED soll signalisieren, ob Eingang getrieben (HIGH) wird
Digitale Ausgänge
- acht digitale Ausgänge
- Strom pro Ausgang mind. 500 mA
- Schaltspannung 24 V (extern)
- Isolationsspannung mind. 500 V (AC)
- Digitalschnittstelle galvanisch getrennt von den Ausgängen
- LED soll signalisieren, ob Ausgang geschaltet (HIGH) ist
Analoge Eingänge
- vier analoge Eingänge
- Digitalschnittstelle galvanisch getrennt von den Eingängen
- Isolationsspannung mind. 500 V (AC)
- Auflösung 12 Bit
- Software, Möglichkeit der Kalibrierung mittels einer externen Referenz
- Spannungs-/Stromeingänge
- Von den vier analogen Eingängen sollen drei eine Spannung messen
- Spannungsbereich 0 … +10 V
- Per Bestückungsoption kann der Messbereich auf Stromeingang umgestellt werden (0 … 20 mA)
- PT100-Eingang
- Der vierte Eingang soll ein PT100-Eingang werden
- Einfache Zweidrahtmessung
- Linearisierung der typischen PT100-Kennlinie soll in Hardware erfolgen
- Messbereich: -40 °C … 200 °C
Analoge Ausgänge
- Digitalschnittstelle galvanisch getrennt von den Ausgängen
- Isolationsspannung mind. 500 V (AC)
- Ausgangsspannungsbereich: -10 … +10 V
- Kurzschlussfest
- Nach dem Einschalten 0 V an allen Ausgängen, auch wenn der Raspberry Pi das Board nicht anspricht
- Auflösung 16 Bit
- Software, Möglichkeit der Kalibrierung mittels eines externen Messgerätes