Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen

DEUTSCHE
GESELLSCHAFT FÜR
ZERSTÖRUNGSFREIE
PRÜFUNG E.V.
ZfP-Sonderpreis der DGZfP beim Landeswettbewerb Jugend forscht
BAYERN
Entwurf und Aufbau einerSchaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
Johannes Obermayer
Schule:
Dom-Gymnasium
Domberg 5
85354 Freising
Jugend forscht 2010
Dom Gymnasium Freising
Kollegstufenjahrgang 2008/2010
Facharbeit aus der Physik
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen
Datenübertragung mit einem Laser
Verfasser:
Leistungskurs:
Kursleiter:
Abgabetermin:
Johannes Obermaier
Physik (PH)
StD Sonner
29.01.2010
Inhaltsverzeichnis
1
Allgemeine Anmerkungen
3
2
Einleitung
2.1 Geschichte der Informationsübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Begründung zur Themenentscheidung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
4
4
3
Systemvergleich: Warum optischer Richtfunk?
3.1 Kabelverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Klassische Funkverbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Optischer Richtfunk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
5
5
5
4
Spezifikationen
7
5
Theoretische Grundlagen der Sende- und Empfangstechnik
5.1 Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2 Empfängerdioden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3 Datenübertragung und Kodierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
8
9
10
6
Die Module: Schaltpläne und Beschreibungen
6.1 Mikrocontroller/ Hauptsteuerplatine . . .
6.2 Spannungsversorgung . . . . . . . . . . . .
6.3 Sendemodul (extern) . . . . . . . . . . . . .
6.4 Leistungsmessung . . . . . . . . . . . . . .
6.5 Stromsteuerung + Modulator . . . . . . . .
6.6 Empfangsdioden + 1. Verstärker . . . . . .
6.7 2. Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.8 Verstärkungssteuerung . . . . . . . . . . . .
6.9 Komparator . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.10 Komparator-Referenzspannung . . . . . . .
6.11 Latch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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35
39
Erreichte Leistung der Schaltung
7.1 Test der Sende- und Empfangselektronik
7.2 Test der maximalen Baudrate . . . . . . .
7.3 Reichweitentests . . . . . . . . . . . . . . .
7.4 Praxistest der Schaltung . . . . . . . . . .
7.5 Bewertung der Ergebnisse . . . . . . . . .
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Schlusswort
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9
Quellen-, Software-, Abbildungsverzeichnis und sonstiges
47
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
1
3
Allgemeine Anmerkungen
Der Großteil der heutzutage hergestellten Bauelemente hat seinen Ursprung im englischen Sprachraum,
daher haben einige, nicht SI-konforme Bezeichnungen, sowohl in Datenblättern, als auch in Software,
eine weite Verbreitung gefunden. Hierzu zählt beispielsweise die Bezeichnung V für Spannungen, obwohl das SI-System U vorschreibt. Es wird daher festgelegt, dass folgende Benennungen als gleichwertig anzusehen sind.
Bezeichnungen für Spannungen:
U sei gleich V
Dies gelte ebenfalls für Uin /Vin , Ucc /Vcc , AUcc /AVcc etc.
Bezeichnung für die Temperatur:
ϑ sei gleich T für Temperaturen in ◦ C
Die Schnittstellenbezeichnung TWI (Two Wire Interface) steht für das gleiche Bussystem wie die Bezeichnung I2 C (Inter Integrated Circuit). Erstere Bezeichnung wurde vor allem von Atmel verwendet,
als das Patent von Philipps bzw. NXP auf I2 C noch nicht abgelaufen war. Technisch sind beide Systeme
identisch.
Folgende Bezeichnungen seien so definiert:
H sei HIGH sei 1 sei +5 V
L sei LOW sei 0 sei 0 V
Auf einen gedruckten Anhang wurde aus Platzgründen verzichtet. Sämtliche Quellcodes, Datenblätter,
Messdaten usw. befinden sich auf der CD im jeweils angegebenen Verzeichnis.
Beim Betrieb der Schaltung sind alle vorgeschriebenen Sicherheitsvorkehrungen, insbesonders im
Bezug auf Laserstrahlung, zu beachten!
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
2
4
Einleitung
2.1
Geschichte der Informationsübertragung
Die Kommunikation untereinander hatte für den Menschen seit jeher eine große Bedeutung. In sozialen
Gemeinschaften ist es unentbehrlich sich austauschen, beraten und verständigen zu können. So lässt
sich auch die Entwicklung der Sprache durch die Evolution des Menschen erklären, da er so zu einem
sozialen Wesen wurde und ihm das große Vorteile verschaffte. Die Sprache lässt sich wohl als das erste
konkrete Medium zur Verständigung ansehen. Schon bald reichte dies aber nicht mehr aus, besonders
dann, als sich Staaten herausbildeten, die immer größer wurden, und dadurch auch der Kommunikationsbedarf über weite Strecken stieg. Der Mensch lernte es, Briefe zu schreiben und damit hohe Distanzen zu überbrücken. Der Nachteil: Dies war alles andere als schnell. Zumindest für militärische Zwecke
hatten die Griechen eine Möglichkeit gefunden, schnell Informationen übermitteln zu können. Dieses
System funktionierte über Fackeln und Spiegel und war damit zwar durchaus effektiv, aber konnte
dennoch nicht allzugroße Strecken überbrücken, da bei dieser Methode eine direkte Sichtverbindung
unabdinglich war. Eine sehr lange Zeit entwickelte sich dieses System nur gering weiter, und selbst gegen Ende des 18. Jahrhunderts verwendete man, beispielsweise in Preußen, immer noch Semaphoren1 ,
Morselampen und Flaggenzeichen. Im 19. Jahrhundert wurden dann die eigentlichen Telegrafen, unter
anderem von Samuel Finley Morse, entwickelt, nachdem man näher erforscht hatte, wie sich elektrischer
Strom über weite Strecken durch Kabel leiten lässt. Hiermit waren auch erstmals die direkten Sichtverbindungen hinfällig. Dies stellt den Anfang aller weiteren Entwicklungen, wie beispielsweise auch des
Telefons, dar und schon um das Jahr 1900 herum wurde mit ersten drahtlosen „Funkenverbindungen2 “
experimentiert, die die Grundlage vieler heutiger Übertragungstechniken, wie WLAN, darstellen. Alle
diese Techniken wurden verfeinert und weiterentwickelt, so dass es heutzutage eine Vielzahl an Variationen der drei wichtigsten Übertragungsmöglichkeiten gibt. Hierzu zählt die elektrische Übertragung
durch Kabel (z.B. LAN, USB), die drahtlose Funkübertragung (z.B. WLAN, GSM) und die optische Übertragung, meist durch Lichtwellenleiter in Glasfasernetzen (z.B. FDDI). Das funktioniert mit meist nicht
sichtbarem Licht im infraroten Bereich zwischen 800 nm und 1600 nm. Verfahren ohne Lichtwellenleiter,
bei denen die Übertragung durch direkte Sichtverbindung abläuft, werden z.B. bei IrDA oder normalen Infrarotfernbedienungen verwendet. Erst in den letzten Jahren wurde es, durch die Entwicklung
von LEDs und den damit verwandten Laserdioden, möglich, sogenannte „optische Richtfunkstrecken“
aufzubauen, die hohe Datenraten erzielen und große Entfernungen überbrücken können.
2.2
Begründung zur Themenentscheidung
In dieser Facharbeit soll ermittelt werden, ob und wie es möglich ist, ein Gerät zur optischen Datenübertragung mittels Laser im Eigenbau umzusetzen. Ich habe mich für dieses Thema entschieden, da
es sowohl einen theoretischen, als auch, sogar noch wichtigeren, praktischen Teil beinhaltet. Dies gibt
mir auch die Möglichkeit, dass ich mich weiter in Schaltungstechnik und Mikrocontrollerprogrammierung einarbeite und weitere Erfahrungen über Elektronik sammle. Ebenfalls ist es mir sehr wichtig, die
Funktionsweise der Datenübertragung zu verstehen, die man meist täglich in Form von Handys und
Internet benutzt, ohne sich wirklich darüber bewusst zu sein, welche technologischen Entwicklungen
dahinter stehen.
1 Signalflügel
2 Funkwellen wurden früher mit 2 Elektroden erzeugt indem man große Spannungen anlegte, die Luft ionierte und den Lichtbogen wieder abreissen ließ
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
3
5
Systemvergleich: Warum optischer Richtfunk?
Bei der Fülle an Variationen der Übertragungstechniken stellt sich die Frage, worin die entscheidenden
Vor- und Nachteile der einzelnen Verfahren liegen und wofür sie jeweils am besten geeignet sind.
Abbildung Nr. 1:
LAN-Verkabelung
3.1
Abbildung Nr. 2:
WLAN-Router
Abbildung Nr. 3:
Opt. Richtfunk
Kabelverbindungen
Verglichen mit normalen Kabelverbindungen, liegt ein Vorteil darin, dass keine Kabel benötigt werden
und daher keinerlei Kosten für die sie selbst, die Verlegung und Instandhaltung anfallen. Oftmals ist
auch das Verlegen von Kabeln technisch nicht möglich bzw. sogar verboten, falls beispielsweise eine
Verbindung zwischen zwei Häusern hergestellt werden soll, aber ein fremdes Grundstück dazwischen
liegt oder aber die Strecke so lang ist, dass das Kabel unter der Eigenlast reissen würde. Das Verlegen
kann, je nach Umgebung, auch sehr aufwändig ausfallen, falls Löcher gebohrt oder ganze Wände aufgerissen werden müssen. Dazu wird eine Menge von sichtbaren Kabeln auch von vielen Menschen als
unschön und störend eingestuft.
3.2
Klassische Funkverbindung
Die klassischen drahtlosen Funkverbindungen, die mit Frequenzen im Bereich von MHz bis GHz arbeiten, weisen ebenfalls große Nachteile auf. In stark besiedelten Bereichen ist der Einsatz von WLAN
oftmals nicht möglich, da die Anzahl der Kanäle stark begrenzt ist und es, durch die mehrfache Verwendung des gleichen Frequenzbereichs, leicht zu Problemen kommen kann. Die rechtliche Situation
ist auch abhängig vom Einsatzland, so gibt es beispielsweise für Deutschland, Japan und den USA
verschiedene Richtlinien bezüglich Sendeleistung und der freigegebenen Frequenzen, so dass vor dem
Betrieb der Funkstrecken auch immer die rechtliche Lage zu beachten ist. Es gibt von manchen Personen
außerdem starke Bedenken bzgl. der Schädlichkeit bzw. Unschädlichkeit dieser Art von Strahlung. Zusätzlich kann die Sicherheit der Daten nur schlecht gewährleistet werden, da keine Antenne, praktisch
gesehen, nur auf einen einzigen Punkt gerichtet werden kann und deshalb immer auch Abstrahlungen in andere Richtungen auftreten. Diese Daten können, von fremden Personen empfangen werden,
sogar ohne dass der Betreiber dies feststellen kann und ggf. mitgelesen werden, falls keine oder nur
eine schlechte Verschlüsselung verwendet wird. Ein weiteres Problem ergibt sich durch Interferenzen
die zwangsweise immer, z.B. an Hauswänden, auftreten und so die Signalqualität stark abschwächen
können. Obwohl eine direkte Sichtverbindung vorhanden ist, kann oftmals keine Verbindung hergestellt werden, wobei die Fehlersuche nur schlecht möglich ist, da die Gründe wie z.B. Störungen durch
andere Benutzer der Frequenz, vor allem Funkkameras, Wettereinflüsse und Interferenzen oftmals nicht
eindeutig zu bestimmen sind.
3.3
Optischer Richtfunk
3.3.1
Vorteile des optischen Richtfunks
Die Meisten dieser zuvor genannten Nachteile sind bei optischem Richtfunk nicht vorhanden. Der Einsatz von Licht ist, solange die Strahlung entweder nicht zugänglich oder nur sehr schwach ist, als ungefährlich anzusehen. Die Fehlersuche erleichtert sich auch dahingehend, dass, falls sichtbares Licht verwendet wird, einfach festgestellt werden kann, ob der gesendete Strahl auch wirklich ankommt oder,
aufgrund von Fehljustage, neben den Empfänger fällt. Durch die starke Richtwirkung ist das Mithören
dieser Verbindung auch kaum möglich, da man zur Auskopplung eines Strahlteils dazu direkt in diesen
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
6
eingreifen müsste und das entweder in großer Höhe praktisch unmöglich ist bzw. schnell auffallen würde. Der Aufbau dieser Verbindung ist sehr schnell möglich und ein Verlegen langer Kabel entfällt, dazu
ist es auch oft möglich eine Übertragung durch geschlossene Fenster aufzubauen, da das Glas die meiste
Strahlung durchlässt. Ein großes Problem ist, dass eine direkte Sichtverbindung zwingend notwendig
ist, notfalls lässt sich das durch Spiegel bewerkstelligen.
3.3.2
Betrachtung der Fresnelzone
Einer der entscheidenden Vorteile ist die bei Lichtstrahlung praktisch nicht vorhandene Fresnelzone.
Die von WLan im b/g-Band verwendete Wellenlänge ist mit 12,5 cm (2.4 GHz) deutlich länger als die
Wellenlänge roten Lichtes mit ca. 650 nm, daher fällt die Fresnelzone viel größer aus.
Der Radius der Fresnelzone, sie besteht aus einem Rotationsellipsoid in deren Brennpunkte sich Sender/Empfänger befinden (siehe Abbildung Nr. 4), lässt sich über die folgende Formel berechnen.
Abbildung Nr. 4: Fresnelzone: Beeinträchtigung durch Baum, trotz Sichtverbindung
r
r
=
n · λ · ds · de
d
Die überwiegende Teil der Sendeleistung befindet sich in der 1. Frenelzone (n = 1). Die maximale
Ausdehnung ist in der Mitte zwischen Sender und Empfänger:
ds
=
1
d
2
de =
1
d
2
Der Abstand zwischen Sender und Empfänger sei nun 100 m. Hieraus folgt für die maximale Ausdehnung der 1. Fresnelzone für WLan bzw. rotes Licht:
rmax(WLan)
rmax(rotesLicht)
r
1 · 12 cm · 50 m · 50 m
≈ 1, 72 m
100 m
r
1 · 650 · 10−9 m · 50 m · 50 m
≈ 0, 004 m
100 m
=
=
Bei halber Verdeckung der 1. Fresnelzone erfolgt eine Signaldämpfung um 6 dB, 50 Prozent der Sendeleistung geht folglich verloren. Für Richtfunkstrecken im MHz-Bereich steigt die Ausdehnung noch
weiter an, gleiches gilt für größere Entfernungen. Dies kann, besonders wenn sich Sender und Empfänger in Bodennähe befinden (=∼Verdeckung der unteren Hälfte), oder wenn Bäume, Häuser usw. in die
Fresnelzone hineinreichen, zu einer zu starken Dämpfung führen. Für rotes Licht ist die Fresnelzone so
klein, dass sie praktisch gesehen keinen Einfluss hat. Deshalb kann, im Gegensatz zu oben genannten
Richtfunkstrecken, bei Richtfunk über Licht angenommen werden, dass bei direkter Sichtverbindung
auch die Herstellung einer Datenverbindung möglich ist.
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
4
7
Spezifikationen
Am Anfang jedes Projekts müssen die Spezifikationen möglichst genau festgelegt werden, um eindeutige Ziele zu setzen. Die Themenstellung „Entwurf und Aufbau“ verlangt, dass zuerst theoretische Vorüberlegungen und Planungen durchgeführt, und schließlich diese funktionsfähig umgesetzt werden.
Ein wichtiger Punkt ist die Übertragungsgeschwindigkeit. Zu Beginn wurde geplant, dass sie ca. 10.00020.000 Baud bzw. Bit/s3 betragen sollte. Schon bald zeigte sich aber, dass diese Einschränkung ungeeignet ist, da deutlich mehr möglich sein dürfte. Als Ziel galt es von da an, dass versucht werden soll, eine
möglichst hohe Baudrate zu erreichen. Als Anhaltspunkt wurde festgelegt, dass versucht werden soll,
möglichst nah an eine Baudrate von 100.000 heranzukommen oder diese sogar zu überschreiten. Das
entspricht ca. 12 KB/s an Nutzdaten, der Rest wird vom Overhead benötigt, der Steuerdaten wie z.B.
Prüfsumme und Pakettyp beinhaltet, die nicht zu den eigentlichen Nutzdaten gehören. Die maximale
Übertragungsgeschwindigkeit muss nach der Fertigstellung der Geräte experimentell ermittelt werden,
da sie nicht berechnet werden kann.
Ähnlich verhält es sich auch mit der Reichweite. Sie sollte mindestens 5 Meter betragen, und wird später
experimentell bestimmt.
Übertragungen sollen in beide Richtungen, im Vollduplexmodus, möglich sein, so dass beide Seiten
gleichzeitig sowohl Daten senden, als auch empfangen können. Die Schaltungsteile für den Empfang
und das Senden sind folglich je einmal pro Gerät, ingesamt also zwei mal, vorhanden.
Die maximale Ausgangsleistung des Lasers soll 5 mW betragen, da das mit nahezu allen erhältlichen
Laserdioden möglich ist. Mehr Leistung sollte, vor allem aus Sicherheitsgründen, nicht verwendet werden. Da 5 mW nach DIN EN 60825 4 in Laserklasse 3R fällt und nicht mehr als augensicher eingestuft
ist, wird sich die Ausgangsleistung auf <1 mW (Laserklasse 2) beschränken lassen, die als augensicher
gilt. 5 mW sollten nur unter besonderen Sicherheitsvorkehrungen für Reichweitentests verwendet werden. Für kleinere Entfernungen bringt die Begrenzung auf <1 mW keine Einschränkungen. Die Wellenlänge wird im roten Bereich zwischen etwa 600 nm und 700 nm liegen. Infrarote Laser sind zwar bei
gleicher Ausgangsleistung geringfügig günstiger, die Strahlung ist dann aber nicht wahrnehmbar und
deshalb für das Experimentieren, besonders aus Sicherheitsgründen, nicht geeignet. Grüne und blaue
Laser bringen ebenfalls keinen Vorteil, da sie sehr teuer sind und und schlecht für Bastler erhältlich sind.
Die bessere Sichtbarkeit von grünen Lasern bei gleicher Leistung beruht nur auf der höheren Empfindlichkeit des menschlichen Auges5 für diese Wellenlänge. Bei optischen Sensoren, wie Photodioden, liegt
der Bereich der höchsten Empfindlichkeit meist im roten bis infraroten Bereich6 . Für die Übertragung
der Daten soll ein eigenes Protokoll entworfen werden, welches auf diese Anwendung angepasst ist. Es
muss sowohl ein Protokoll für die Übertragung per Kabel von einem externen Gerät zum Sendemodul,
wie auch ein Protokoll für die Übertragung per Laser entworfen werden. Eine Übertragung der Daten
mit einer Prüfsumme ist notwendig, um Pakete aussortieren zu können, die fehlerhaft empfangen wurden.
Die Anbindung von externen Geräten muss über eine, im Mikrocontrollerbereich gebräuchliche, Schnittstelle erfolgen, damit die Ansteuerung und Verwendung der Schaltung durch möglichst viele externe
Geräte möglich ist. Zum Testen der Schaltung wird ein Testgerät7 aufgebaut, mit dem es möglich ist
kurze Textnachrichten zu schreiben.
3 Da
ein binäres Modulationsverfahren mit nur 2 Zuständen verwendet wird, gilt in diesem Spezialfall Bit/s=Baud
Auflistung der Laserklassen und Sicherheitsvorschriften befindet sich unter docs/Leitfaden-Laserstrahlung.pdf
5 Siehe Helligkeitsempflindlichkeitskurve des menschlichen Auges im Anhang unter docs/farbwahrnehmung.png
6 siehe Datenblatt BPW34: datasheets/bpw34.pdf
7 Die Schaltpläne und Sourceodes befinden sich im Anhang unter i2c-chat/schematics und i2c-chat/source
4 Eine
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
5
8
Theoretische Grundlagen der Sende- und Empfangstechnik
Vor dem Aufbau der Schaltung muss man sich zuerst mit den theoretischen Grundlagen für das Senden
und den Empfang der Daten vertraut machen. Die dafür notwendigen Bauteile, Laser und Photodioden,
gehören in dieser Schaltung zu den wichtigsten Bauteilen, ihr Einsatz ist allerdings keinesfalls trivial.
Es werden die physikalischen Grundlagen näher erläutert, und es wird auch auf die Theorie der Datenübertragung an sich eingegangen. Schieberegister, Operationsvertärker und Ähnliches werden in den
jeweiligen Unterkapiteln zu den Schaltungsteilen, in denen sie eingesetzt werden, näher erläutert.
5.1
Laser
Abbildung Nr. 5: Offene Laserdiode
Abbildung Nr. 6: Laserdiode
Abbildung Nr. 7: Schaltsymbol
Es existieren verschiedene Arten von Lasern, beispielsweise Diodenlaser, Farbstofflaser und Gaslaser.
Für diese Anwendung kommen nur Diodenlaser in Frage, da sie im Gegensatz zu den anderen Lasertypen, relativ günstig, nicht sehr groß und gut erhältlich sind. Laserdioden beinhalten einen Halbleiterkristall (LD), wie beispielsweise Aluminiumgalliumindiumphosphid (AlGaInP)8 , der im Gegensatz zu
normalen Dioden, Licht emittiert, wenn er von Strom durchflossen wird. Der Laserkristall selbst ist ca.
0,1 mm hoch, 1 mm breit und 1 mm lang und besitzt verspiegelte Kantenflächen vorne und hinten, die
eine stehende Welle innerhalb des Kristalls erzeugen. Für seine Länge muss gelten:
d
= n·
λ
2
n = 0, 1, 2, 3, ...
Abbildung Nr. 9: Welle im Kristall
Abbildung Nr. 8: Laserkristall
Ein großer Teil der Strahlung tritt nach vorne aus der Laserdiode aus, ein kleinerer Teil strahlt nach
hinten auf die Monitordiode (PD), die zur Messung der Ausgangsleistung verwendet wird.
Der Vorgang im Laserkristall muss auch teilchentheoretisch betrachtet werden: Strahlung tritt dann auf,
wenn Elektronen von höheren Energieniveaus aus dem Leitungsband, in niedrigere Energieniveau, ins
Valenzband, wechseln und die Energiedifferenz in Form eines Photons abgeben. Durch die Wahl von
geeigneten Halbleitermaterialien, lässt sich die Bandlücke zwischen beiden Energieniveaus so wählen,
dass die abgegebenen Photonen eine Energie besitzen, die einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich entspricht. Diese Eigenschaft wird sowohl bei Lasern, als auch bei LEDs ausgenutzt, die beide auf die
Emittierung von, meist sichtbarem, Licht ausgelegt sind. Nachdem ein Elektron durch Stromfluss angeregt wurde, fällt es innerhalb kurzer Zeit wieder zurück und erzeugt ein Photon. Der Vorgang wird als
8 Siehe
Datenblatt der verwendeten Laserdiode ADL-65075TL unter datasheets/adl-65075tl.pdf
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
9
spontane Emission bezeichnet, da sie nach einer nicht eindeutig festgelegten Zeit auftritt und unabhängig von anderen Emissionprozessen abläuft. Ähnlich dazu ist die Absorption von Photonen, sie tritt auf,
wenn ein Photon auf ein Elektron trifft und genau die Energie besitzt, die benötigt wird, um das Elektron
anzuregen. Die spontane Emission ist für die Lichtstrahlung von LEDs, Glühlampen und den meisten
anderen Leuchtmitteln verantwortlich. Charakteristisch für spontane Emission ist, dass die Photonen in
alle Richtungen abgegeben werden, oft unterschiedliche Energien besitzen und weder polarisiert, noch
koherent sind. Hier wird die Besonderheit von Laserstrahlung deutlich: Die Photonen werden nur in
eine Richtung emittiert, die Strahlung ist monochromatisch, polarisiert und besitzt eine hohe Koherenzwellenlänge. Die Entstehung dieser Art von Strahlung beruht auf stimulierter / induzierter Emission.
Abbildung Nr. 10:
Spontane Emission
Abbildung Nr. 11:
Absoption
Abbildung Nr. 12: Induzierte Emission
Trifft ein Photon auf ein angeregtes Elektron, welches zuvor um die Energiedifferenz angehoben wurde,
die auch das Photon besitzt, so fällt das Elektron sofort auf das niedrigere Energieniveau zurück und
erzeugt ein Photon. Die beiden Photonen besitzen die exakt gleiche Wellenlänge, Richtung und Polarisation. Durch die verspiegelten Kanten werden die Photonen mehrmals durch den Kristall geleitet und
lösen viele induzierte Emissionen aus. Dieser Vorgang findet sehr oft statt und erzeugt genau gleiche
Photonen, aus welchen die charakteristische Laserstrahlung besteht. Für das Auftreten von induzierter
Emission ist es notwendig, dass sich viele Elektronen im angeregten Zustand befinden, damit Photonen auch auf jene Elektronen treffen können. Der angeregte Zustand ist sehr kurzlebig, es muss daher stets Energie zugeführt werden um die Besetzungsinversion beizubehalten. Bei Diodenlasern wird
dies durch Stromfluss bewirkt. Bis zu einem bestimmten Strom tritt nur spontane Emission auf, da die
Anzahl der angeregten Elektronen zu gering ist. Beim Erreichen der Laserschwelle tritt die induzierte
Emission in den Vordergrund und das abgegebene Licht wird erst jetzt zur Laserstrahlung, die danach
noch durch eine Linse fokussiert werden muss. Eine kleine Menge an spontaner Emission ist aber dennoch zum Starten des Vorgangs notwendig! Ein Diagramm mit Strom zu Ausgangsleistung lässt sich in
Kapitel 6.4 finden.
Nach Erreichen der Laserschwelle ist die Ausgangsleistung nahezu direkt proportional zum Strom
durch die Laserdiode. Die abgegebene Leistung darf aber nicht zu groß sein, da mit ihr auch die Belastung der verspiegelten Flächen steigt, die dadurch leicht zerstört werden können. Es kommt schon
nach kürzester Zeit zum COD9 und die Laserdiode ist irreperabel beschädigt und unbrauchbar, da nur
noch sehr wenig induzierte Emission auftritt. Zur Leistungsmessung und zur Verhinderung einer Überlastung gibt es die Monitordiode, die einen zur Ausgangsleistung proportionalen Strom liefert. Da die
Ausgangsleistung bei konstantem Strom auch von der Temperatur abhängig ist und eine Überlastung
verhindert werden muss, benötigt man eine spezielle Steuerschaltung. Eine normale, käuflich erhältliche Stromregelung für Laserdioden hat keinen Modulationseingang. Es muss deshalb selbst eine solche
Schaltung aufgebaut werden, die einen Laser auch modulieren kann. Das ist eine der Hauptherausforderungen beim Aufbau der Schaltung.
5.2
Empfängerdioden
Die Laserstrahlung muss mit einem geeigneten Bauteil aufgefangen und wieder in elektrische Signale zurückgewandelt werden. Es gibt hierfür verschiedene Bauteile, wie z.B. LDRs10 und Photodioden,
allerdings sind nur Letztere schnell genug, um Frequenzen im KHz-Bereich erkennen zu können. Elektrisch gesehen handelt es sich um normale Dioden, wobei diese so aufgebaut sind, dass sie durch Photonen beeinflusst werden können. Sie bestehen aus einem Halbleitermaterial und besitzen eine Bandlücke
zwischen dem Valenz- und Leitungsband. Photodioden lassen sich in verschiedenen Betriebsarten betreiben. Die in dieser Schaltung verwendete Art entspricht dem Kurzschlussbetrieb, bei der die Anode
9 catastrophic
10 Light
optical damage
Dependent Resistor = Lichtabhängiger Widerstand
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
10
mit der Kathode der Photodiode verbunden ist. Die Spannung an der Diode beträgt 0 V. Beim Auftreffen
eines Photons auf die Photodiode tritt mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit der innere photoelektrische Effekt auf. Das Photon benötigt dazu eine Energie, welche der Energiedifferenz zwischen dem
Valenz- und Leitungsband mindestens entsprechen muss. Die verwendete Photodiode BPW34 besitzt eine Quanteneffizienz von 0,9, es kommt daher in 90% der Fälle zu folgendem Vorgang: Das Photon wird
absorbiert und regt mit seiner Energie ein Elektron an. Dieses wechselt ins Leitungsband und „schiebt“
ein Elektron weiter und hinterlässt selbst eine „Lücke“. Normalerweise würde sich die Diode nun bis
zu einer bestimmten Spannung aufladen. Durch den Kurzschlussbetrieb können diese Ladungen aber
sofort in Form eines Stroms im Bereich weniger mA abfließen. Der Strom wird mit einem geeigneten
Verstärker in eine Spannung umgewandelt und kann dann in der Schaltung weiter verarbeitet werden.
Es ergeben sich folgende Zusammenhänge:
Ein einzelnes Photon besitzt die Energie Eph = h · f
P sei die eingestrahlte Leistung, η ist die Quanteneffizienz, Nph ist die Zahl der Photonen, Ne− ist die
Zahl der ausgelösten Elektronen, e ist die Elementarladung, I ist der messbare Strom.
Eph
= h· f = h·
1W
= 1
NPh
=
NeI
=
=
I
= η·e·
c
λ
J
s
P
Eph
NPh · η
Ne- · e
P
h·c
λ
= η·e·
P·λ
η·e·P·λ
=
h·c
h·c
Man erkennt, dass die eingestahlte Leistung direkt proportional zum messbaren Strom ist. Um einen Laserstrahl gut empfangen zu können ist es wichtig, dass möglichst viel Leistung auf die Photodiode fällt.
Man kann mehrere zu diesem Zweck parallel schalten, so dass sie sich wie eine große Empfängerfläche
verhalten. Die BPW34 Photodiode ist dafür besonders geeignet, da eine Diode alleine bereits eine Fläche
von 7 mm2 besitzt, wobei die meisten anderen erhältlichen Photodioden oftmals kleinere Flächen von
weniger als 1 mm2 haben. Man setze die Werte P = 5 mW; η = 0, 9; λ = 650 nm, die für die aufgebaute
Schaltung gelten, in obige Formel ein:
I
=
0, 9 · 1, 6 · 10−19 C · 5 · 10−3 W · 650 · 10−9 m
= 2, 4 mA
6, 6 · 10−34 Js · 3 · 108 ms
Der maximale Strom beträgt also, falls der Laser mit 5 mW betrieben wird, 2,4 mA, bei 1 mW wird er
nur ca. 0,5 mA betragen. Es ist aber davon auszugehen, dass der wirklich messbare Strom nur ein Bruchteil davon ist, da viel Leistung durch Folgendes verloren geht: Die Linse lässt weniger als 90% des Lichts
durch, Staub in der Luft blockiert die Strahlung und schon todiodenfläche ist. Dies ist besonders für den
Empfangsteil der Schaltung wichtig, denn dieser muss die empfangenen Lichtimpulse, auch wenn sie
schwach sind, noch gut in Daten zurückwandeln können.
Wie schon in 5.1 beschrieben, enthält die Laserdiode eine Photodiode zur Messung des Ausgangsstroms.
Wie in obiger Formel gezeigt wurde, verhält sich der Monitordiodenstrom direkt proportional zur auftreffenen Strahlungsleistung. Diese Tatsache wird zur Regelung der Ausgangsleistung der Laserdiode
genutzt, wie in 6.4 beschrieben wird.
5.3
Datenübertragung und Kodierung
Um die Daten erfolgreich übertragen zu können, muss festgelegt sein, wie sie kodiert sind und wie das
Übertragungsprotokoll aufgebaut ist. Im analogen Bereich gibt es zwei gut bekannte Verfahren: Die Amplitudenmodulation (AM) und die Frequenzmodulation (FM). Im digitalen Bereich entspricht das der
Amplitudenumtastung (ASK11 ) und der Frequenzumtastung (FSK12 ). Bei Ersterem befinden sich die
Daten in der Amplitude, bei Letzterem werden die Informationen durch eine Frequenzänderung übermittelt. Beide Verfahren besitzen Vor- und Nachteile, für diese Anwendung ist FSK nicht so geeignet, da
eine Frequenzänderung nicht allzu einfach zu erzeugen und zu erkennen ist und sich die Rückgewinnung der digitalen Daten schwer gestaltet. Bei ASK ist dies einfacher, da für diese Schaltung festgelegt
11 Amplitude
12 Frequency
Shift Keying
Shift Keying
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
11
sei, dass ein empfangener Lichtstrahl einer 1 entspricht, ein abgeschalteter, und damit nicht empfangbarer Strahl, stellt eine 0 dar. Eine solche Modulation ist gut umzusetzen und auch zu erkennen; es ist
aber dennoch nicht trivial, da ASK sehr anfällig für Störeinflüsse wie Umgebungslicht ist und auch bei
starkem Sonnenschein das Signal noch erkannt werden muss.
Die nächste Herausforderung ist es, die einzelnen Bits voneinander trennen zu können. Bei Schnittstellen wie I2 C oder der PS/2 Schnittstelle älterer Tastaturen gibt es zwei Leitungen, eine für die Daten, eine
für das Taktsignal. Eine steigende bzw. fallende Flanke des Taktes zeigt ein gültiges anliegendes Bit an.
Hier ist die Erkennung einzelner Bits unproblematisch, da genau feststellbar ist, wann man das nächste
Bit einlesen darf.
Abbildung Nr. 13: Übertragung mit Takt (I2 C)
Abbildung Nr. 14: Übertragung ohne Takt
(EIA-232)
Bei der Übertragung über Laser, kann man allerdings kein Taktsignal mitlaufen lassen, da man nur eine
„Leitung“ bzw. einen Strahl hat. Man geht hier so vor, dass sowohl der Sender, als auch der Empfänger
wissen, wie lange ein einzelnes Bit dauert. Nach der Erkennung des Startbits, welches 1 sein muss, da
eine 0 am Anfang nicht erkennbar ist, weiß das sendende Gerät, wann es das nächste Bit anlegen muss,
das empfangende Gerät weiß, wann das nächste Bit einzulesen ist. Bei einer Übertragung mit einem
Taktsignal ist es nicht sehr wichtig, dass die Taktsignalfrequenz gleich bleibt, das sendende oder empfangende Gerät kann sogar die Übertragung abbremsen, falls es mit der Verarbeitung der Daten nicht
nachkommt. Bei der Übertragung über Laser gibt es diese Möglichkeit nicht. Die Sendefrequenz muss
exakt gleich bleiben und auch der Empfänger muss stets bereit sein, Daten einlesen zu können. Wenn
es zu größeren Verzögerungen kommt und dadurch auch nur ein Bit falsch erkannt wird, so schlägt
die ganze Übertragung fehl. Zusätzlich ist es auch noch sehr wichtig, dass beide Geräte die Zeit zwischen den Bits exakt messen können. Sollte Eines zu schnell oder zu langsam laufen, so wird es nach
wenigen Bits dazu kommen, dass im falschen Moment gesendet oder empfangen wird und somit das
Datenpaket verloren geht. Dies wird vom Mikrocontroller erkannt, da jedes Datenpaket eine Prüfsumme beinhaltet, die bei einer fehlerhaften Übertragung nicht mehr stimmt. Die Frequenzstabilität kann,
wie sich in Experimenten13 gezeigt hat, nicht durch den integrierten Takterzeuger eines Mikrocontrollers gesichert werden. Bei Temperaturveränderungen, schwankt die Taktfrequenz des Mikrocontrollers
um bis zu mehreren dutzend KHz. Bei einem externen Quarz tritt dieses Problem kaum auf.
Zusammengefasst lässt sich sagen, dass die Signalerzeugung und Rückgewinnung zu den größten Herausforderungen beim Aufbau dieser Schaltung gehört. Die Signale müssen genau im richtigen Moment
gesendet und empfangen werden und es muss stets genügend freie Rechenzeit für diese Vorgänge bereitstehen. Fremdlicht muss effektiv ausgeblendet werden und auch bei schwachen Lichtimpulsen, z.B.
wegen großen Abständen, sollte das Signal erfolgreich zurückgewonnen werden können.
Für die Übertragung per Laser wurde ein eigenes Protokoll entworfen, das in der Kürze erklärt wird:
Die Startbits sind 1 und 0 aufeinanderfolgend. Im ersten Byte gibt das erste Bit den Typ des Pakets an.
1 entspricht einem Datenpaket, 0 zeigt ein Steuerpaket an. Die nächsten 7 Bits beinhalten die Länge
der Nutzdaten. Diese, sie können 0 bis 63 Byte groß sein, folgen danach. Das letzte Byte ist die XORPrüfsumme über alle Bytes, mit dem Startwert 170. Es folgen noch zwei Stopbits, die 0 sind und einen
Abstand zum nächsten Paket herstellen und so eine Neusynchronisation des Empfängers erleichtern.
Zur Bestätigung von korrekt empfangenen Daten wird ein Steuerpaket gesendet. Dies ist insgesamt
(ohne Start und Stopbits), genau 1 Byte lang. In ihm ist nur das 6. Bit gesetzt. Wird diese Bestätigung
innerhalb einer bestimmten Zeitspanne nicht empfangen, so wird das zuvor übertragene Datenpaket
erneut gesendet. Somit wird sichergestellt, dass keine Daten verloren gehen.
Die Daten zwischen dem Sende- bzw. Empfangsgerät und einem Eingabegerät werden über Kabel per
I2 C übertragen. Die genaue Schnittstellenbeschreibung und Pinbelegung lässt sich den Schaltplänen
und Quellcodes im Anhang entnehmen und wird hier aus Platzgründen nicht näher erläutert.
13 Ausführliche
Beschreibung im Anhang unter docs/frequenzstabilitaet.pdf
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
6
12
Die Module: Schaltpläne und Beschreibungen
Das Foto zeigt die fertig aufgebaute Schaltung. Der externe Teil beinhaltet den Sender und Empfänger und wurde, damit er besser platzierbar und ausrichtbar ist, über ein längeres Kabel angeschlossen.
Sämtliche Platinen wurden selbst geätzt.
Abbildung Nr. 15: Eines der beiden fertig aufgebauten Geräte
Die Grafik zeigt eine Zusammenfassung aller zum Betrieb des Gerätes notwendigen Schaltungsteile,
die im Folgenden erklärt werden.
Jedes Modul hat eine Verbindung zu 5 V und GND / 0 V, diese wurde aber aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen. Für die Farben gelten folgende Entsprechungen:
rot: Spannungsversorgung
violett: Lichtsignale
grün: Analoge Signale
blau: Digitale Signale
grau: Einzelmodule (jeweils 1 Platine)
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
13
Abbildung Nr. 16: Zusammenfassung aller notwendigen Schaltungsteile
Das Senden der Daten verläuft auf diese Weise:
Nach dem Anschalten des Gerätes stellt der Mikrocontroller das Stromsteuermodul ein und misst dabei
die Ausgangsleistung des Lasers. Die passende Konfiguration bleibt im Modul gespeichert. Die einzelnen Bits, welche dann gesendet werden, leitet der Mikrocontroller an den Modulator weiter, der den
Stromfluss durch den Laser zulässt und blockiert.
Der Empfang gestaltet sich komplizierter. Am Anfang konfiguriert sich die Schaltung selbst und ist
dann bereit Daten zu empfangen. Die über die Photodiode ankommenden Lichtimpulse werden im
1. Verstärker verarbeitet und an den 2. Verstärker weitergegeben. Dessen Verstärkung kann über die
Verstärkersteuerung vom Mikrocontroller konfiguriert werden. Das Signal wird an den Komparator
weitergeleitet, der die Umwandlung vom analogen in ein digitales Signal vornimmt. Die Schaltschwelle wird über den Spannungserzeuger eingestellt. Als Nächstes übernimmt der Latch die einzelnen Bits
und speichert jeweils Eines so lange, bis es der Mikrocontroller verarbeitet hat.
Die genaue Funktionsweise wird auf den Seiten zu den jeweiligen Modulen näher erläutert. Die Schaltpläne befinden sich im Anhang im Ordner laser/schematics.
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
6.1
Mikrocontroller/ Hauptsteuerplatine
Abbildung Nr. 17: Schaltplan: Hauptsteuergerät mit Mikrocontroller
14
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
15
Pinbelegung:
A: Statusleds + 1 digitaler I/O-Pin
B: Versorgungsspannung + Reset
C: digitale I/O-Pins
D: reserviert für Erweiterungen
E: Spannungsausgang 5 V / 0 V
F: I2 C / Steuerleitungen
G: JTAG
H: Analoge Eingänge
Abbildung Nr. 18: Hauptsteuermodul
6.1.1
Atmega16
Der Mikrocontroller, ein Atmega 16, übernimmt die Steuerung der Schaltung. Die maximale Taktfrequenz beträgt 16 MHz, sie wird über einen externen Quarz erzeugt. Es sind nützliche andere Hardwaremodule enthalten: Das integrierte I2 C Modul wird für den Datentransport über Kabel verwendet. Mit
dem 16-bit Timer lassen sich die exakten Zeitabstände für das Senden und Empfangen über den Laser erzeugen. Im 512 Byte EEPROM werden die Einstellungen wie die Übertragungsgeschwindigkeit,
Adressen usw. gespeichert und bleiben auch nach dem Abschalten des Gerätes erhalten. Im 1024 Byte
SRAM befinden sich u.a. Systemvariablen, vor allem werden hier aber die Datenpakete während dem
Senden und Empfangen zwischengespeichert. Für das Einlesen von analogen Spannungen wird der
integrierte 10-bit ADC (Analog Digital Converter) verwendet. Er funktioniert so, dass er einen, zur Eingangsspannung zwischen 0 und 5 V direkt proportionalen, Wert von 0 bis 210 erzeugt. Die Software
wurde direkt in Assembler selbst programmiert, das bringt eine sehr schnelle Ausführungsgeschwindigkeit mit sich und verringert die Codegröße. Der Code befindet sich im 16 KByte Flashspeicher. Für
das Debugging und zur Übertragung der Software ist ein JTAG-Interface vorhanden. Als Debugger
wird der von Atmel entwicklte AVR Dragon verwendet, der mit dem PC über USB verbunden wird.
6.1.2
Schnittstelle zu externen Geräten
Zum Datenaustausch mit externen Geräten wird die I2 C Schnittstelle mit zusätzlichen Steuerleitungen
(F) verwendet. Über sie können Geräte Daten an die Schaltung übertragen, die dann über den Laser
gesendet werden. Empfangene Daten werden ebenfalls wieder an diese Geräte weitergeleitet. Dieser
Teil der Übertragung läuft direkt über ein angeschlossenes Kabel. Da I2 C sehr weit verbreitet und gut
einzusetzen ist, ergibt sich die Möglichkeit, dass man leicht Geräte bauen kann, die diese Schaltung für
ihre Datenübertragung benutzen können. Diese Schnittstelle dient somit als Verbindung nach Außen,
wodurch man die Schaltung dann direkt mit dem Testgerät ausprobieren kann.
6.1.3
Software
Die Software selbst besteht aus mehreren tausend Programmzeilen und ist sehr komplex. Sie verwendet, vereinfacht gesagt, 4 Zwischenspeicher für die Daten die verarbeitet werden. 2 davon sind für das
Senden, 2 für das Empfangen. So können beim Senden über den Laser, während die Daten aus dem 1.
Zwischenspeicher gesendet werden, gleichzeitig schon die nächsten Daten in den 2. Zwischenspeicher
geladen werden. Danach wird der 2. Zwischenspeicher übertragen und hierbei wieder der 1. Zwischenspeicher gefüllt. Das gleiche Prinzip wird auch beim Empfangen angewandt und so ein Datenstau verhindert. Es sind zusätzlich 2 kleinere Zwischenspeicher für zu sendende Systemdaten vorhanden, wie
beispielsweise Acknowledgment (ACK)-Befehle, die einen erfolgreichen Datenempfang bestätigen.
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
16
Abbildung Nr. 19: Ablauf Senden / Empfangen
Das Senden dieser speziellen Daten wie ACKs wird immer bevorzugt bearbeitet, um einen schnellen
Datenfluss zu gewährleisten. Jedes Datenpaket wird, eine Ausnahme sind Systemdaten, sofern es korrekt empfangen wurde, mit einem ACK-Paket bestätigt. Sollte die Bestätigung nicht innerhalb einer
festen Zeitspanne empfangen werden, so wird das Datenpaket erneut übermittelt. Die Software verwendet zur Messung der Zeitpunkte die integrierten Timer. Mit diesen wird ebenfalls der Zeitpunkt
des Startbits ermittelt und durch geeignete Algorithmen werden die exakten Abstände zwischen den
Bits berechnet und diese im richtigen Moment eingelesen.
Eine andere Aufgabe der Software liegt auch darin, die Module beim Hochfahren der Schaltung zu
konfigurieren, indem die Ausgangsleistung, die Verstärkung des Verstärkers usw. selbstständig einstellt
wird. Die genaue Funktionweise wird in den Abschnitten zu den jeweiligen Modulen näher erläutert.
Beim Hochfahren wird auch die Stabilität und Höhe der Eingangsspannung in mehreren Schritten überprüft. Eine zu hohe oder zu niedrige Spannung führt, genauso wie starke Schwankungen, zu Störungen.
Die interne Bandabstandsreferenz (1,22 V) wird über den ADC eingelesen und die Software erhält somit das Verhältnis zwischen dieser Spannung und der Versorgungsspannung. Es muss spätestens nach
einigen Sekunden eine Spannung, die weniger als 0,25 V von 5 V abweicht, erreicht werden, ansonsten
wird ein Fehler gemeldet. Die erreichte Spannung muss danach für eine Sekunde innerhalb eines kleineren Bereichs bleiben, damit mit dem Hochfahren der Schaltung fortgefahren wird.
Der kommentierte Quellcode befindet sich im Anhang unter laser/source
6.1.4
Beschaltung
Die einzelnen Bauteile auf der linken Seite des Mikrocontroller im Schaltplan werden nach den Vorgaben des Datenblatts14 und diversen Application Notes verwendet. Alle Pins für die Versorgungsspannung sind über 100 nF Kondensatoren gegen kleinere Spannungsschwankungen abgesichert. Diese sogenannten Abblockkondensatoren, die auch in der Nähe aller anderen ICs plaziert wurden, erhöhen die
Betriebssicherheit der Schaltung. Die analoge Versorgungsspannung AUcc wurde zusätzlich mit einer
10 µH Spule gegen Spannungsschwankungen abgesichert und erhöht damit die Genauigkeit des ADCs.
Die digitalen Ausgänge werden mit 10 kΩ Widerständen auf einen fest definierten Pegel gelegt, damit
es, während der Mikrocontroller die Ausgänge, beispielsweise kurz nach dem Anschalten, noch nicht
initialisiert hat, zu keinen Problemen kommt. Die digitalen Ein- und Ausgänge wurden so angeordnet,
dass sich die Leitbahnen möglichst gut verlegen ließen und sinnvoll zusammengefasst sind. Die Wahl
der Pins ist teils frei möglich, es gibt nur einige Beschränkungen: Die beiden I2 C Leitungen müssen mit
den richtigen Pins verbunden sein, das JTAG-Interface hat fest zugewiesene Pins, ebenso der ADC. Zusätzlich sollten am Port A, welcher zum ADC gehört, keine schnell schaltenden digitalen Signale anliegen, um die Messungen nicht zu beeinträchtigen. Die Pins des verwendeten 16-bit Timers sind ebenfalls
festgelegt. Über die restlichen Pins werden die digitalen Signale eingelesen und ausgegeben und so die
Module gesteuert. R5, R6, R7 und R8 bilden 2 Spannungsteiler und erzeugen eine Referenzsspannung
für den integrierten Komparator, der die Ausgangsleistung des Lasers überwachten kann.
14 Das
Datenblatt des Mikrocontrollers befindet sich im Anhang unter datasheets/atmega16.pdf
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
6.2
17
Spannungsversorgung
Abbildung Nr. 20: Schaltplan: Spannungsversorgung
Pinbelegung:
1: +5 V
2: GND / 0 V
3: Uin (+12 V)
Abbildung Nr. 21: Spannungsversorgungsmodul
Die Schaltung arbeitet mit einer Gleichspannung von 5 V, diese ist für alle verwendeten Bauteile passend. Oftmals steht einem aber gerade kein Netzteil mit genau dieser Ausgangsspannung zur Verfügung bzw. es besteht die Gefahr irrtümlich eines mit einer zu hohen Spannung anzuschließen oder es
falsch eingestellt zu haben. Es liegt deshalb nahe, eine Lösung zu wählen, die die Flexibilität und Sicherheit erhöht. Ein Spannungsregler, z.B. der Typ 7805, ist sehr günstig erhältlich, zuverlässig und gibt
bei Eingangsspannungen von bis über 20 V, immer 5 V bei einem Strom von bis zu 1 A aus. Für den
zuverlässigen Betrieb sind mehrere Kondensatoren erforderlich, die 100 nF Kondensatoren die sehr nah
(an der Unterseite der Platine) am IC angebracht sind, verhindern das Schwingen, die 2200 µF Kondensatoren sind für die Spannungsglättung zuständig. Der maximale Ausgangsstrom von 1 A ist für die
Schaltung, die nicht mehr als 200 mA benötigt, mehr als ausreichend. Zum Schutz gegen Kurzschlüsse
und ähnliche Probleme wird eine 250 mA Sicherung (Flink) dazwischengeschalten. Der Nachteil eines
Spannungsreglers ist, dass er sehr viel Abwärme produziert. Bei einer Eingangsspannung von 12 V
beträgt der Spannungsabfall am Spannungswandler 7 V. Wenn die Schaltung 200 mA zieht, werden
7 V · 0, 2 A = 1, 4 W in Wärme umgesetzt. Es gibt auch die Möglichkeit Schaltregler zu verwenden, die
einen weitaus höheren Wirkungsgrad haben. Sie sind komplizierter einzusetzen und erzeugen mehr
Rippelstrom, ein dem Gleichstrom überlagerter kleiner Wechselstrom, der in dieser Anwendung störend ist. Es zeigte sich, dass ein Spannungsregler deshalb die bessere Wahl ist. Die Abwärme muss aber,
wie sich zeigt, mit einem kleinen Kühlkörper abgeführt werden. Die folgende Rechnung zeigt dies für
die Eingangsspannung von 12 V und einem maximalen Strom von 200 mA. Als Umgebungstemperatur
werden 25 ◦ C angenommen.
Uin = 12 V
Ucc = 5, 0 V
Imax = 200 mA
ϑamb = 25 ◦ C
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
18
Pverlust = (Uin − Ucc ) · Imax
Pverlust = (12 V − 5, 0 V) · 0, 2 A = 1, 4 W
Der Wärmewiderstand des TO-220 Gehäuses zur Umgebungsluft beträgt 65
RθJA = 65
K
W
∆T = RθJA · Pverlust
∆T = 65
K
W.
K
W
ϑ1 = ϑamb + ∆T
· 1, 4 W = 91 K
ϑ1 = 25 ◦ C + 91 K = 116 ◦ C
Das Bauteil würde sich auf 116 ◦ C erwärmen. Der Wert dürfte in der Realität noch viel höher liegen, da
das geschlossene Gehäuse, Bauteile in der Umgebung etc. die Konvektion der Luft, und damit den Abtransport der Wärme, behindern. Die maximale Betriebstemperatur liegt nur knapp oberhalb bei 125 ◦ C.
Es kann daher ohne Kühlkörper nicht gewährleistet werden, dass das Bauteil zuverlässig arbeiten wird.
Eine hohe Temperatur lässt zusätzlich das Bauteil schneller altern und die Ausfallswahrscheinlichkeit
steigt sehr stark an.
Es reicht schon aus, einen kleinen Kühlkörper einzusetzen. Der Kühlkörper15 PR19/20/SE hat einen
K
K
, die Verbindungsstelle zum TO-220 Gehäuse hat 5 W
, es ergibt so sich
Wärmewiderstand von 13,5 W
K
ein Gesamtwärmewiderstand von 18,5 W . Für die Erwärmung folgt nun:
∆Tβ = ( RθJC + RθHS ) · Pverlust
∆Tβ = (5
K
W
+ 13, 5
K
W ) · 1, 4
ϑ2 = ϑamb + ∆Tβ
W
∆Tβ = 25, 9 K
ϑ2 = 25 ◦ C + 25, 9 K = 50, 9 ◦ C
Diese Temperatur ist akzeptabel und verursacht keine Probleme.
15 Datenblatt
im Anhang: datasheets/pr1920se.pdf
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
6.3
19
Sendemodul (extern)
Abbildung Nr. 22: Schaltplan: Sendemodul
Pinbelegung:
1: +5 V
2: Gctrl
3: Imonitor
3: Laser-Kathode
Abbildung Nr. 23: Sendemodul; links: von hinten; rechts: von vorne
Das Sendemodul ist zusammen mit dem Empfänger auf einer Platine außerhalb des eigentlichen Gehäuses angebracht. Diese Umsetzung ist dahingehend sinnvoll, da somit die genaue Justierung und
Platzierung von Sender und Empfänger einfacher wird.
Die Laserdiode hat die Bezeichnung ADL-65075TL16 . Sie hat eine maximale Ausgangsleistung von
10 mW und gibt Licht der Wellenlänge 650 nm ab. Es wurde eine Laserdiode mit einer höheren Maximalleistung gewählt, da sie, im Gegensatz zu welchen mit 5 mW, kaum teurer ist und ebenfalls problemlos mit 5 mW betrieben werden kann. Es ergibt sich zusätzlich der Vorteil, dass, falls man aus
Versehen eine etwas zu hohe Ausgangsleistung einstellt, die Laseriode noch keinen Schaden nimmt.
Zusätzlich besteht die Möglichkeit, später, unter Beachtung zusätzlicher Sicherheitsvorkehrungen, mit
mehr Strahlungsleistung, beispielsweise für Reichweitentests, experimentieren zu können.
Bevor die Schaltung das erste Mal in Betrieb gehen kann, muss die Leistung der Laserdiode eingestellt
werden. Für diesen Zweck gibt es ein Trimmpotentiometer, das direkt darüber angebracht ist. Der erste Schritt ist, die Schaltung zu starten und die manuelle Kontrolle über sie mithilfe des Debuggers zu
übernehmen. Die Stromsteuerung der Laserdiode wird auf die geringste Stufe eingestellt und danach
der Laser eingeschaltet. Man kann nun den Strom langsam erhöhen und so auch die Ausgangsleistung
16 Das
Datenblatt befindet sich im Anhang unter datasheets/adl-65075tl.pdf
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
20
regeln. Währenddessen muss man eine Photodiode so vor den Laser halten, dass möglichst die komplette Strahlung eingefangen wird. Geeignet dazu ist die BPW34 Photodiode17 , da sie eine große Fläche
hat. Bei einer Ausgangsleistung von 5 mW ergibt sich ein Photostrom von etwas mehr als 2 mA. Man
sollte aber darauf verzichten die Ausgangsleistung bis zum Maximum hochzufahren, da man beachten
muss, dass immer ein geringer Teil des Lichts neben den Sensor fällt und diese Messanordnung nicht
ganz exakt arbeitet. Um eine Beschädigung der Laserdiode zu vermeiden sollte man kurz vor dem Erreichen von 2 mA damit aufhören den Strom zu erhöhen.
Sλ = 0, 62
Abbildung Nr. 24:
A
W
Srel(650nm) ≈ 0, 7
P = 5 mW
I5mW = Sλ · Srel(650nm) · P
I5mW = 0, 62
A
W
· 0, 7 · 0, 005 W = 2, 17 mA
Abbildung Nr. 25:
Sehr auffällig ist, dass der Laser anfangs zwar ein wenig leuchtet, aber sich die Ausgangsleistung beim
Erhöhen des Stroms nahezu nicht ändert. Wenn nun aber der Strom weiter ansteigt, so tritt plötzlich eine
starke Erhöhung der Helligkeit und Ausgangsleistung auf. Dieser Punkt wird Laserschwelle genannt,
an ihm beginnt die Laserdiode so zu arbeiten, dass der Großteil der Strahlung durch induzierte Emission erzeugt wird. Ein noch weiteres Erhöhen des Stroms führt zum direkt proportionalen Ansteigen
der Ausgangsleistung. Beim Aufzeichnen mehrerer I-P Kurven zeigt sich zusätzlich, dass diese stark
temperaturabhängig sind. Geringere Temperaturen führen zu einem schnelleren Einsetzen der Laserstrahlung, wohingegen bei höheren Temperaturen deutlich mehr Strom nötig ist:
Abbildung Nr. 27: Laser mit Linse
und Warnsymbol
Abbildung Nr. 26: Verlauf Strom-Ausgangsleistung
Nach dem manuellen Einstellen der Ausgangsleistung auf 5 mW, muss als nächster Schritt das Potentiometer eingestellt werden. Dies wird in 6.4 näher beschrieben.
Als letzten Schritt ist es noch notwendig, die Linse am Laser anzubringen. Da sie sowohl sicher halten
soll, aber auch justierbar sein soll, musste viel experimentiert werden, um zu einer passenden Lösung
zu kommen. Die verwendete Linse hat einen Außendurchmesser von 6,28 mm und muss ca. 1 cm vom
Laserkristall entfernt montiert werden. Die Bezeichnung der Linse ist LEN10018 , sie ist einfach erhältlich
und lässt sich erfahrungsgemäß gut verwenden. Sie wird in ein Aluminiumrohr gesteckt, dessen Innendurchmesser geringfügig größer ist als der Außendurchmesser der Linse. Um sie gegen Herausfallen zu
sichern wird sie mit 1-2 Schichten dünnem Klebeband am Rand umwickelt. Mit leichtem Druck ist die
Linse verschiebbar, von selbst verrutscht sie aber nicht. Das Rohr wird daraufhin mit Sekundenkleber
auf der Platine befestigt und die Linse wird solange nach innen geschoben, bis sich ein möglichst klei17 Das
18 Das
Datenblatt befindet sich im Anhang unter datasheets/bpw34.pdf
Datenblatt befindet sich im Anhang unter datasheets/len100.pdf
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
21
ner Punkt auf einer mehrere Meter entfernten Fläche ergibt. Es ist empfehlenswert an einer geeigneten
Stelle ein Laserwarnsymbol anzubringen um auf die Gefahr durch Laserstrahlung hinzuweisen.
6.4
Leistungsmessung
Abbildung Nr. 28: Schaltplan: Leistungsmessung
Pinbelegung:
1: Uout
2: 0 V
3: Imonitor
4: +5 V
Abbildung Nr. 29: Modul zur Leistungsmessung
Das Modul zur Leistungsmessung wandelt den Monitordiodenstrom der Laserdiode in ein analoges
Spannungssignal um, mit dem der Mikrocontroller die aktuelle Ausgangsleistung bestimmen kann.
Ein Operationsverstärker wird durch geeignete Beschaltung als Transimpedanzvertärker eingesetzt. Zusammengefasst und vereinfacht ergibt sich die folgende Schaltung. Die Spannungsdifferenz zwischen
invertierndem und nichtinverterendem Eingang ist 0 V, es fließt weder Strom in die Eingänge, noch aus
den Eingängen heraus. In dieser Anwendung ist die Näherung verwendbar, da die wirklichen Spannungen und Ströme fast unmessbar gering sind und keinen relativen Einfluss haben.
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
22
Für einen Operationsverstärker gilt:
U− − U+ = 0 V
I+ = 0 A I− = 0 A
Da U+ = +5 V ist gilt: U− = +5 V
Es muss für die Spannung an der Diode D1 gelten:
UD1 = 0 V => Kurzschlussbetrieb
Abbildung Nr. 30: Transimpedanzverstärker
Bei Lichteinfall zieht die Photodiode aus U− Elektronen ab und erzeugt eine gegenüber U+ positive
Spannung. Die Spannungsdifferenz beträgt nun ungleich 0 V, durch die Gegenkopplung ergreift der
Operationsverstärker Maßnahmen um die Spannungsdifferenz auszugleichen. Da kein Strom aus oder
in den invertierenden Ausgang fließen darf, kann der Stromfluss nur über den Widerstand und den Ausgang des Operationsverstärkers erfolgen. Nach der kirchhoffschen Knotenregel muss in einem Punkt
einer Schaltung die Summe der zufließenden Ströme gleich der Summe der abfließenden Ströme sein.
Der Strom durch die Diode ist somit betragsgleich mit dem Strom durch den Widerstand. Der Strom,
welcher aus dem Ausgang herausfließt, trägt ein negatives Vorzeichen, da im Gegensatz zu ihm der
Strom an der Diode in selbige hineinfließt.
Daraus folgt: Iout = − ID1
Für den Strom gilt allgemein: I = U
R => U = R · I
In diesem Fall: Uout(5V ) = R · Iout => Uout(5V ) = −( R1 · ID1 )
Da sowohl der invertierende als auch der nichtinvertierende Eingang auf +5 V liegen, muss der Operationsverstärker auch alle Spannungen bzgl. +5 V ausgeben. Folgendes Beispiel macht es deutlich was
dies bedeutet: Falls D1 keinen Strom liefert, wird die Spannung von U− = 5 V nicht verändert. Es
darf über R1 kein Strom fließen, die Spannung an R1 muss folglich 0 V betragen. In diesem Fall ist
Uout(5V) = U− = 5 V. Im Operationsverstärker beziehen sich daher, alle Spannungen auf 5 V, der Mikrocontroller misst allerdings gegen GND bzw. 0 V. Es müssen daher 5 V auf die Ausgangsspannung
addiert werden:
Uout = 5 V − ( R1 · ID1 )
ID1 ist, wie bereits gezeigt, direkt proportional zur Strahlungsleistung die auf die Photodiode fällt.
In der Schaltung wurde ein OPA340 Operationsverstärker19 verwendet, da dieser eine hohe slew-rate
V
von 6 µs
hat und somit sehr schnell schaltet. Ein Rail-to-Rail Verstärker war nötig, da andere normale
Operationsverstärker meistens nicht bis auf 0 V und 5 V kommen, sondern die Grenze bei der maximalen Aussteuerung beispielsweise schon bei 0,7 V und 4,3 V liegt.
R1 wird, nachdem die in 6.3 genannten Schritte ausgeführt wurden, genau eingestellt. Der Widerstand
regelt die Verstärkung des Monitordiodenstroms durch den Transimpedanzverstärker. Es wurde definiert, dass eine Ausgangsspannung von 0,5 V einer Ausgangsleistung von 5 mW entspricht. Mithilfe
eines Schraubendrehers wird das Potentiometer eingestellt und danach mit einem Tropfen Klebstoff gegen unbeabsichtigtes Verstellen gesichert.
Beim Hochfahren der Schaltung erhöht der Mikrocontroller solange den Strom der Laserdiode, bis erneut die 0,5 V beim Leistungsmessmodul erreicht sind. Die Schaltung kann sich dadurch selbst einstellen, auch Veränderungen des Schwellenstroms aufgrund von Temperaturunterschieden machen kein
Problem.
19 Das
Datenblatt findet sich im Anhang unter datasheets/opa340.pdf
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
6.5
23
Stromsteuerung + Modulator
Abbildung Nr. 31: Schaltplan: Stromsteuerung + Modulator
Pinbelegung:
1: Modulation
2: Laser3: Clock
4: Data
5: 0 V
6: +5 V
Abbildung Nr. 32: Stromsteuermodul + Modulator
Dieses Modul übernimmt die Stromsteuerung und Modulation der Laserdiode. Für die Regelung des
Stroms verfügt es über 8 verschiedene Widerstände (R0-R7), welche es, je nach Bedarf, einzeln parallel
schaltet, und so den Gesamtwiderstand steuern kann. Die Widerstände sind an der Kathode der Laserdiode angeschlossen. Nach ihnen kommt je ein Transistor (T0-T7), der entweder einen Stromfluss
zulässt oder ihn blockiert. Im ersten Fall ist der Transistor so niedrigohmig, dass nur der Wert des vorgeschalteten Wiederstands relevant ist, im zweiten Fall ist der Transistor so hochohmig, dass er und sein
vorgeschalteter Wiederstand bei der Berechnung des Gesamtwiderstands vernachlässigt werden können. Durch eine geeignete Wahl von R0-R7 wird erreicht, dass der Strom sehr fein eingestellt werden
kann. Die Transistoren T0-T7 werden über ein Schieberegister des Typs 74HC16420 gesteuert.
20 Das
Datenblatt befindet sich im Anhang unter datasheets/74hc164.pdf
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
6.5.1
24
Steuerung durch Schieberegister
Ein Schieberegister ist intern aus D-Flipflops aufgebaut und kann 8 Bit speichern, die es über die Ausgänge QA bis QH ausgibt. Bei einer steigenden Flanke an Clock schiebt es alle Datenbits um eins weiter,
(QG nach QH, QF nach QG, ..., QA nach QB), und speichert das über A · B21 anliegende Bit in QA.
Für das komplette Befüllen eines Schieberegisters sind 8 Schiebevorgänge nötig. Zuerst legt man das
Bit an, welches in QH geladen werden soll und erzeugt eine steigende Flanke, danach das Bit für QG
usw. Nach 8 Schiebevorgängen wurden die über den Dateneingang eingelesenen Bits an ihre richtige
Position geschoben.
Im folgenden Beispiel soll 53 (00110101) in das Schieberegister geladen werden. Es ist zu beachten, dass
das Bit, welches als erstes hineingeschoben wird, später bis an die letzte Stelle (QH) geschoben wird. Im
Folgenden wird das Byte vom Ende her eingelesen, man könnte es aber auch vom Anfang her einlesen.
Es ist nicht festgelegt, ob QA nun dem ersten Bit oder dem letzten Bit des Bytes entsprechen muss. Man
sollte sich nur immer im Klaren sein, welche der beiden Reihenfolgen man verwendet und die Schaltung dahingehend korrekt planen und aufbauen.
Nr.
1
2
3
4
5
6
7
8
Data
1
0
1
0
1
1
0
0
QA
1
0
1
0
1
1
0
0
QB
−
1
0
1
0
1
1
0
QC
−
−
1
0
1
0
1
1
QD
−
−
−
1
0
1
0
1
QE
−
−
−
−
1
0
1
0
QF
−
−
−
−
−
1
0
1
QG
−
−
−
−
−
−
1
0
QH
−
−
−
−
−
−
−
1
Wie man sieht, befindet sich nach dem 8. Schiebevorgang das komplette Byte, das im Folgenden mit
ℵ bezeichnet wird, im Schieberegister. Wenn ein Ausgang auf 1 gesetzt ist, so liefert er 5 V Spannung,
wenn er auf 0 gesetzt ist, so hat er 0 V. Im ersten Fall fließt Strom über die Basis des Transistors und dieser
schaltet durch. Der Vorwiderstand der Basis begrenzt den Strom, für einen Transistor des Typs BC847C22
sind 10 kΩ erfahrungsgemäß geeignet. Ube beträgt ca. 0,7 V, die Verstärkung hFE ist mindestens 420. Aus
diesen Daten folgt ein Basisstrom Ib von 0,43 mA und theoretisch damit ein maximal schaltbarer Strom
von ca. 180 mA. Dieser Transistor ist für höchstens 100 mA ausgelegt, die wirkliche Belastung liegt aber
weit darunter, so dass die Dimensionierung bei Weitem ausreichend ist.
6.5.2
Herleitung der Formel des Gesamtwiderstands
Abbildung Nr. 34:
Abbildung Nr. 33:
Die Widerstände sind zueinander parallel geschalten, daher lässt sich der Gesamtwiderstand für Abbildung Nr. 33 über die folgende allgemeine Formel berechnen:
21 Intern
22 Das
1
Rges
=
Rges
=
1
1
1
1
+
+
+ ... +
R0
R1
R2
Rn
1
1
R0
+
1
R1
+
1
R2
+ ... +
1
Rn
wird das Eingangssignal von A und B über ein AND-Gatter zusammengefasst
Datenblatt befindet sich im Anhang unter datasheets/bc847.pdf
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
25
Im Folgenden werden die Ausgänge des Schieberegisters nicht mehr als QA, QB, ..., sondern als Q0 ,
Q1 , ... bezeichnet um eine einheitliche Indizierung zu erhalten. Stark vereinfacht lässt sich die Schaltung
wie Abbildung Nr. 34 betrachten. Die Schalter entsprechen den jeweiligen Schieberegisterausgängen.
Die Formel ändert sich dahingehend, dass nun nicht mehr alle Widerstände in die Berechnung mit
einbezogen werden müssen, sondern nur diejenigen, dessen Schalter geschlossen ist bzw. deren Schieberegisterausgang auf 1 liegt.
Für 0 ≤ n ≤ 7 und n ∈ N0 gilt:
Qn = {0; 1}
Es folgt für den Gesamtwiderstand von Abbildung Nr. 34:
Rges =
1
R0
Q0 ·
1
R1
+ Q1 ·
1
+ Q2 ·
1
R2
+ ... + Q7 ·
1
R7
Es zeigt sich durch Überlegungen und Experimente, dass es sehr sinnvoll ist, die Widerstände so zu
wählen, dass der nächste Widerstandstandswert jeweils die Hälfte des Vorhergehenden ist.
R n +1 =
Rn
2
Allgemein gilt daher:
R0
2n
Rn =
In der oben genannten Formel lassen sich so R1 bis R7 durch R0 ausdrücken:
=
Rges
=
Rges
Q0 ·
1
R0
20
1
+ Q2 ·
1
+ Q1 ·
R0
21
1
R0
22
+ ... + Q7 ·
1
R0
27
1
Q0 ·
20
R0
+ Q1 ·
21
R0
+ Q2 ·
22
R0
+ ... + Q7 ·
Durch Ausklammern von
Rges
=
Rges
=
1
R0
· ( Q0
Q0
· 20
· 20
+ Q1
+ Q1
· 21
· 21
1
R0
27
R0
ergibt sich:
1
+ Q2 · 22 + ... + Q7 · 27 )
R0
+ Q2 · 22 + ... + Q7 · 27
Die Binärdarstellung einer positiven 8-bit Zahl ist die Summe aus den Bitwertigkeiten der jeweils gesetzten Bits. Der Zustand eines Bits wird durch Qn dargestellt, die Bitwertigkeit ist 2n .
7
∑ (Qn · 2n ) = Q0 · 20 + Q1 · 21 + Q2 · 22 + ... + Q7 · 27
n =0
Die Formel für den Gesamtwiderstand lässt sich umschreiben, indem man den Nenner als die Binärdarstellung einer 8-bit Zahl betrachtet:
R0
Rges =
7
∑ ( Q n · 2n )
n =0
Die Ausgänge des Schieberegisters entsprechen ebenfalls der Binärdarstellung des Bytes (ℵ), welches
hineingeladen wurde, wie sich in der Tabelle erkennen lässt.
7
ℵ=
∑ ( Q n · 2n )
n =0
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
26
Es ergibt sich der Gesamtwiderstandswert23 in Abhängigkeit von ℵ:
Rges (ℵ) =
R0
ℵ
Der Strom ist allgemein:
I=
U
R
Die Spannung UR die an den Widerständen abfällt ist die Versorgungsspannung Ucc abzüglich des Spannungsabfalls Ufwd an der Laserdiode.
ILaser (ℵ)
=
ILaser (ℵ)
=
Ucc − Ufwd
Rges (ℵ)
UR
R0
ℵ
⇒ ILaser
ℵ · UR
R0
∼ ℵ
ℵ ∈ N0
0
ILaser (ℵ)
=
≤ ℵ ≤ 255
Der Strom durch den Laser, und so auch die Ausgangsleistung, lässt sich linear über den ins Schieberegister geschriebenen Wert ändern. Bei der Wahl des Widerstands R0 muss bedacht werden, welchen
maximalen Strom man erreichen will. Die verwendete Laserdiode benötigt etwa 30 mA, damit die Schaltung aber flexibel bleibt, wird R0 so gewählt, dass bis zu ca. 45 mA möglich sind.
ILaser (ℵ)
=
R0
=
ℵ · UR
R0
ℵ · UR
ILaser (ℵ)
Der Strom ILaser ist für ℵ=255 maximal.
R0
R0
R0
ℵmax · UR
Imax
255 · 2, 8 V
=
0, 045 mA
≈ 16 kΩ
=
Die Werte der Widerstände R1 bis R7 sind in der Tabelle unter α aufgelistet. Es sind in der Praxis aber
nicht beliebige Widerstandswerte erhältlich, daher ist es meistens notwendig einen Widerstand β mit
einem möglichst ähnlichen Wert zu verwenden.
Rn
R0
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
α
16 kΩ
8, 0 kΩ
4, 0 kΩ
2, 0 kΩ
1, 0 kΩ
500 Ω
250 Ω
125 Ω
β
16 kΩ
8, 2 kΩ
4, 3 kΩ
2, 0 kΩ
1, 0 kΩ
510 Ω
270 Ω
130 Ω
Abweichung
0, 0 %
+2, 5 %
+7, 5 %
0, 0 %
0, 0 %
+2, 0 %
+8, 0 %
+4, 0 %
Die verwendeten Widerstände haben von sich aus Toleranzen von bis zu ±5 %, die geringen zusätzlichen Abweichungen haben einen kleinen negativen Einfluss auf die Linearität. In der Anwendung führt
das aber nicht zu Problemen.
Beim Starten der Schaltung wird das Stromsteuerungsmodul auf den richtigen Wert eingestellt. Zu Beginn wird ℵ auf 0 gesetzt und dann solange erhöht, bis die richtige Ausgangsleistung gemessen werden
kann. Dieser Wert bleibt dauerhaft im Schieberegister gespeichert, bis die Schaltung erneut hochgefahren, und der Laser neu eingestellt wird.
23 Für
ℵ = 0 sei der Widerstand ∞
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
6.5.3
27
Modulation
Die Amplitudenmodulation der Laserdiode wird über T9 gesteuert. Über diesen Transistor kann der
Stromfluss verhindert oder zugelassen werden. Ein eingeschalteter Strahl entspricht einer 1, ein abgeschalteter Strahl stellt eine 0 dar. Der Modulationseingang des Moduls ist mit dem OC1A-Pin des
Mikrocontrollers verbunden. OC1A ist ein Ausgang des Timer1, der im CTC-Modus betrieben wird.
Der Zähler des Timers (TCNT1) wird jeweils nach einer bestimmten Anzahl von Takten um 1 erhöht.
Beim Erreichen des im OC1A Register gespeicherten Wertes führt der Timer eine Aktion aus. Wenn
man COM1A1 auf 1 setzt, kann man in COM1A0 das Bit schreiben, welches als Nächstes gesendet werden soll. Nach dem Ablauf der Zeitspanne im Timer, die der Dauer eines einzelnen Bits beim Senden
über Laser entspricht, wird der sich in COM1A0 befindende Zustand durch die Timerhardware über
OC1A ausgegeben. Bei diesem Ereignis wird gleichzeitig ein Interrupt ausgelöst, der der Software das
Signal gibt, das nächste Bit vorzubereiten und in COM1A0 zu laden. Die Bits werden somit genau zum
richtigen Zeitpunkt und nahezu verzögerungslos gesendet. Die Abbildung Nr. 35 zeigt den Ablauf schematisch.
Abbildung Nr. 35: Sendevorgang
Es fällt auf, dass sich sowohl bei COM1A0, als auch bei SRAM jeweils graue Flächen befinden. Zu
diesen Zeitpunkten ist der Zustand des Bits nicht definiert, da es gerade durch die Software geladen
wird. In der letzten Stufe ist der Zustand stets definiert, da die Hardware das Bit, welches in COM1A0
anliegt, auf den Ausgangspin übernimmt. Die Software benötigt einige Mikrosekunden um den Programmteil zum Laden auszuführen, das Hardwaremodul des Timers erledigt seine Aufgabe hingegen
selbstständig. Das Vorladen der Bits muss nicht zu exakten Zeitpunkten erfolgen, es reicht aus, wenn
die Bits beim Auftreten des nächsten Interrupts bereit sind.
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
6.6
28
Empfangsdioden + 1. Verstärker
Abbildung Nr. 36: Schaltplan: externer Empfänger
Pinbelegung:
1: 0 V
2: +5 V
3: Amp2 Out
4: Amp2 - R
5: Amp1 Out
Abbildung Nr. 37: Empfänger
Das Empfängermodul befindet sich, wie auch das Sendemodul, welches in 6.3 beschrieben ist, auf der
Platine des externen Schaltungsteils. Zur Signaldetektion werden vier parallel geschaltete BPW34 Photodioden verwendet, die zusammen eine lichtempfindliche Fläche von insgesamt 28 mm2 besitzen. Sie
sind, ähnlich wie die Monitordiode in 6.4, an einen Transimpedanzverstärker angeschlossen. Es wurde
ein OPA2340 verwendet, der zwei voneinaner unabhängige Rail-to-Rail Operationsverstärker beinhalV
tet. Die slew-rate beträgt 6 µs
, er ist gut geeignet zur Erkennung schneller Signale.
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
6.6.1
29
Anschluss der Dioden an den Transimpedanzverstärker
Abbildung Nr. 38: Transimpedanzverstärker
Im Vergleich zum Modul für die Leistungsmessung, gibt es hier allerdigns einige Unterschiede. Der
nicht-invertierende Eingang liegt nicht auf 5 V, sondern ist mit GND verbunden. Die Photodiode ist umgepolt und die Kathode hat eine Verbindung zu GND. Sie erzeugt einen negativen Strom. ID1 ≤ 0 A Die
Elektronen fließen in Richtung des invertierenden Eingangs. Der Ausgang des Operationsverstärkers
gibt daher, aufgrund der Gegenkopplung, eine positive Spannung aus, um den Strom auszugleichen
und die Spannung zwischen invertierendem und nicht-invertierendem Eingang auf 0 V zu halten. Die
Elektronen fließen aus der Photodiode hinaus und in den Operationsverstärker hinein, die Vorzeichen
der Ströme sind verschieden. − ID1 = IOpAmp Die Spannung am Widerstand ist U = R1 · IOpAmp =>
U = −( R1 · ID1 ). Die Ausgangsspannung ist folglich direkt proportional zum Widerstand und Photostrom, welcher ebenfalls direkt proportional zur Anzahl der auftreffenden Photonen ist. In dieser Anordnung misst sowohl der Operationsverstärker, als auch Mikrocontroller die ausgegebene Spannung
gegen 0 V. Es hat zuerst, aufgrund des negativen Vorzeichens, den Anschein, dass die ausgegebene
Spannung negativ wäre. Aufgrund dessen, dass ID1 ≤ 0 A, wird die schließlich gemessene Spannung
positiv.
R1 beträgt in diesem Modul 10 kΩ, die Verstärkung ist folglich 10 000.
6.6.2
Frequenzkompensation
Abbildung Nr. 39: Phasendrehung
Abbildung Nr. 40: Realer Operationsverstärker
Der Kondensator C1, welcher auch in 6.4 zu finden ist, dient der Frequenzkompensation. Der Eingang
des Operationsverstärkers besitzt in der Realität eine nicht vernachlässigbare Kapazität. Auch der Ausgang weißt einen Widerstand und eine Kapazität auf. Es ergeben sich hieraus 2 RC-Glieder (rot und
blau). Der rote Widerstand ist Teil der Gegenkopplung und steuert die Verstärkung. Der blaue Widerstand und beide Kondensatoren sind nicht direkt beeinflussbar, da diese der Operationsverstärker beinhaltet. An den RC-Gliedern kann, speziell bei hohen Frequenzen, eine Phasendrehung von mehr als 90◦
auftreten. In diesem Fall entsteht eine Gegenspannung und die Gegenkopplung wird zur Mitkopplung.
Dies hat zur Folge, dass der Operationsverstärker mit einer kaum vorhersehbaren Frequenz zu schwingen beginnt. Eine geeignete Gegenmaßnahme ist es, dem Widerstand, der die Verstärkung steuert, einen
kleinen Kondensator im pF-Bereich parallel zu schalten. Da bei hohen Frequenzen der Widerstand des
Kondensators gering ist, wird die Gesamtverstärkung abgeschwächt und das Schwingen verhindert.
Der exakte Wert des Kondensators muss experimentell ermittelt werden. Es bietet sich ein Drehkondensator mit einer ungefähren Kapazität zwischen 10 pF und 100 pF an. Experimente haben ergeben,
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
30
dass eine eindeutige Signalerkennung erst ab ca. 50 pF möglich ist und bei ca. 100 pF die Schaltung sehr
stabil läuft.
Abbildung Nr. 41: Frequenzkompensation
Es wird in diesem Versuch getestet, welchen Einfluss die Wahl der Kapazität auf die Schwingneigung
des Operationsverstärkers hat.
Das Testsignal (1) besitzt eine Frequenz von 50 KHz und wird über einen roten Laser auf die Empfängerfläche gestrahlt. Von (2) bis (4) wurde die Kapazität schrittweise von zuerst ca. 10pF über 30pF bis
auf 90pF erhöht. Bei (2) lässt sich sehr deutlich erkennen, dass der Operationsverstärker schwingt und
kein korrektes Signal liefert. Bei (3) tritt dieses Verhalten nur in zwei Fällen auf. In den anderen Dreien schwächt sich die Schwingung ab. Dennoch ist noch kein guter Empfang möglich, da die Schaltung
noch zu instabil ist. Durch weitere Erhöhung der Kapazität wird bei (4) die Schwingung nahezu komplett unterdrückt, dies geht aber auf Kosten der Schaltgeschwindigkeit. Die Flankensteilheit ist geringer,
aber durchaus noch akzeptabel und das Rechteckssignal ist problemlos rekonstruierbar.
6.6.3
Abschirmung gegen Fremdlicht
Beim Experimentieren trat nach kurzer Zeit das Problem auf, dass der Operationsverstärker, trotz ausreichender Frequenzkompensation, offenbar zu schwingen anfängt. Bei sehr schwachen Lichtsignalen,
die etwa an der Grenze des gerade noch Erkennbaren liegen, wechselt der Zustand des erkannten Signals sehr schnell zwischen H und L. Es wurde vermutet, dass in diesem Fall der Transimpedanzverstärker Probleme bereitet und zu schwingen beginnt. Eine Veränderung des Widerstands der Gegenkopplung brachte keine Besserung. Auch die Erhöhung des Kondensators zur Frequenzkompensation
änderte nichts am Problem. Eine nähere Untersuchung des Ausgangssignals ergab, dass es sich um ein
Rechteckssignal handelt, welches eine Frequenz von ca. 100 Hz besitzt. Es liegt nahe, dass das Stromnetz
und das Schaltnetzteil diese Störungen hervorrufen. Durch den Einsatz eines Akkus als Spannungsversorgung konnte auch diese Fehlerquelle ausgeschlossen werden. In weiteren Messungen wurde aber
dennoch ein konkreter Zusammenhang zwischen der Netzfrequenz und der auftretenden Schwingung
gemessen. Diese Versuche wurden alle zu einer späteren Uhrzeit durchgeführt, bei der es notwendig war, auf künstliches Licht zurückzugreifen. Wie sich herausstellte tritt das fehlerhafte Verhalten
nicht auf, wenn als Arbeitsplatzbeleuchtung nur das natürliche Tageslicht benutzt wird und man auf
Glühlampen verzichtet. Eine bisher nicht beachtete Fehlerquelle ist die ungleichmäßige Emission von
Licht durch Glühlampen. Die Beleuchtung des Zimmers besteht aus mehreren Halogenlampen, die mit,
zuvor von 230 V auf 12 V, transformiertem Wechselstrom betrieben werden. Im Bereich des Nulldurchgangs der Spannung kühlt die Glühwendel geringfügig ab und ändert dadurch das Emissionsspektrum
und die abgegebene Leistung sinkt ebenfalls ein wenig ab. Mit bloßem Auge ist dieser Vorgang nicht
erkennbar, da die Leistungsschwankung dafür zu gering ist, sie reicht aber dennoch aus, um von der
Schaltung registriert zu werden. Es handelt sich hier also keinesfalls, wie Anfangs vermutet, um einen
Fehler, sondern die Schaltung arbeitet „zu genau“. Durch eine Absenkung der Empfindlichkeit bzw.
Verstärkung kann man das Auftreten dieses Fehlers verhindern. Ein weiteres Problem in Verbindung
mit Licht ist, dass bei direkter Sonneneintrahlung der Operationsverstärker übersteuert wird und nicht
mehr korrekt arbeitet. Eine naheliegende, und schließlich auch erfolgreich eingesetzte, Lösung für beide Probleme ist es, die Empfängerdioden am Ende eines ca. 15 cm langen Metallrohrs unterzubringen,
welches am Sendemodul befestigt wird.
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
31
Abbildung Nr. 43: Dioden im Metallrohr
Abbildung Nr. 42: Störungen
6.7
2. Verstärker
Der 2. Verstärker ist Teil des externen Empangsmoduls. Er verarbeitet das vom Transimpedanzverstärker ausgegebene Signal. Die Besonderheit ist aber, dass die Verstärkung vom Mikrocontroller zwischen
1 und 16 eingestellt werden kann. Der Vorteil ist, dass bei viel Licht eine Übersteuerung des Verstärkers
verhindert werden kann und bei wenig Licht die Verstärkung höher eingestellt werden kann, was sich
positiv auf die Empfindlichkeit auswirkt. In diesem Modul ist der Operationsverstärker als nichtinvertierender Verstärker, auch Elektrometerverstärker genannt, verschaltet.
Abbildung Nr. 44: nichtinvertierenderVerstärker
An den nichtinvertierenden Eingang wird das Signal des Transimpedanzverstärkers angelegt. R1 ist
festgelegt als 10 kΩ, R2 kann der Mikrocontroller steuern und so die Verstärkung einstellen. Die Ausgangsspannung wird über den Spannungsteiler R1 R2 teils auf den invertierenden Eingang zurückgeführt. Wie bei jedem Operationsverstärker beträgt auch hier die Spannungsdifferenz zwischen beiden
Eingängen 0 V. Wenn die Spannung an U+ erhöht wird, muss auch die Spannung an U− steigen. Der
Operationsverstärker muss folglich eine höhere Spannung ausgeben um U− an U+ anzugleichen. Die
an R2 abfallene Spannung liegt an U− an. Die Teilspannung an R2 lässt sich wie folgt berechnen:
R2
R1 + R2
( R + R2 )
U = UR2 · 1
R2
R
U = UR2 · (1 + 1 )
R2
UR2 = U ·
Die Spannung am Widerstand R2 ist gleich der Spannung am invertierenden Eingang und somit gleich
der Spannung die am nichtinvertierenden Eingang anliegt.
Uout = Uin · (
R1
+ 1)
R2
Die Ausgangsspannung ist, im Vergleich zur Eingangsspannung, um das Verhältnis von R1 zu R2 + 1
verstärkt. Da R2 steuerbar ist, kann der Mikrocontroller die Verstärkung einstellen.
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
6.8
32
Verstärkungssteuerung
Abbildung Nr. 45: Schaltplan: Verstärkungssteuerung
Pinbelegung:
1: +5 V
2: Clock
3: 0 V
4: Data
5: Widerstand
Abbildung Nr. 46: Verstärkersteuerung
Der Widerstand R2 von 6.7 wird über dieses Modul gesteuert. Wie auch die Stromsteuerung (siehe
6.5), verfügt es über ein Schieberegister an welches Widerstände verschiedener Werte über Transistoren
angeschlossen sind und parallel geschaltet werden können. Relevant sind nur die Ausgänge Q0 bzw.
QA bis Q3 bzw. QD, da der Rest nicht beschaltet ist. Man erhält für die Formel:
Rges =
Q0 ·
1
R0
+ Q1 ·
1
R1
1
+ Q2 ·
1
R2
+ Q3 ·
1
R3
Auch hier bietet es sich an, die Widerstände nach der gleichen folgenden Formel zu wählen:
Rn =
R0
2n
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
33
Man drückt R1 , R2 , R3 durch R0 aus:
Rges
=
Rges
=
1
Q0 ·
Q0
20
R0
· 20
21
R0
+ Q1 ·
+ Q1
· 21
+ Q2 ·
22
R0
+ Q3 ·
23
R3
R0
+ Q2 · 22 + Q3 · 23
Eine 4-bit Zahl, hier die Zahl in den ersten 4 Bit des Schieberegisters, kann ausgedrückt werden durch:
3
ℵ =
∑ (Qn · 2n ) = Q0 · 20 + Q1 · 21 + Q2 · 22 + Q3 · 23
n =0
0
ℵ ∈ N0
≤ ℵ ≤ 15
Für Rges folgt:
Rges
=
R0
3
∑ ( Q n · 2n )
n =0
Rges (ℵ)
=
R0
ℵ
Man kann diese Formel in die Formel für die Verstärkung einsetzen. R1 ∗ und R2 ∗ entsprechen den
beiden Widerständen des vorherigen Kapitels.
R2 ∗
Uout
Uout (ℵ)
=
Rges (ℵ)
R1 ∗
+ 1)
R2 ∗
R ∗
Uin · ( R1 + 1)
= Uin · (
=
0
ℵ
R1 ∗
) + 1)
R0
Uout (ℵ)
= Uin · ((ℵ ·
Uout (ℵ)
= Uin · (ℵ · (
Uout (ℵ)
=
Man setze R1 ∗ = R0 . Es folgt:
R0
) + 1)
R0
Uin · (ℵ + 1)
Wie zu sehen ist, ist das Ergebnis nicht von R0 abhängig. Der Wert für R0 kann daher frei gewählt
werden. Er sollte aber nicht zu niedrig sein, da sonst die Verlustleistung hoch wäre. Erfahrungsgemäß ist
ein Wert von 10 kΩ geeignet. Für die Widerstände errechnen sich folgende Werte α. β ist der verwendete
Wert, der dem berechnetem am nächsten kommt:
Rn
R0
R1
R2
R3
α
10 kΩ
5 kΩ
2, 5 kΩ
1, 25 kΩ
β
10 kΩ
5, 1 kΩ
2, 7 kΩ
1, 2 kΩ
Abweichung
0, 0 %
+2, 0 %
+8, 0 %
−4, 0 %
Nach dem Einschalten setzt der Mikrocontroller ℵ = 0. Solange die Ausgangsspannung des 2. Verstärkers unter ca. 2, 5 V bleibt, wird ℵ weiter erhöht, bis es maximal 15 erreicht. Bei sehr wenig Umgebungslicht ist die Verstärkung am Höchsten eingestellt. Bei einer hellen Umgebung muss die Verstärkung
geringer sein, um den Operationsverstärker nicht zu übersteuern. Das Umgebungslicht kann so effektiv
ausgeblendet werden, da der Mikrocontroller die Empfindlichkeit bzw. Verstärkung selbst regeln kann.
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
6.9
34
Komparator
Abbildung Nr. 47: Schaltplan: Komparator
Pinbelegung:
1: 0 V
2: In+
3: In4: Out
5: +5 V
Abbildung Nr. 48: Komparator
Der Komparator wandelt das analoge Signal des 2. Verstärkers in ein digitales Signal um, welches vom
Mikrocontroller verarbeitet werden kann. Das Eingangssignal besteht aus einer Spannung, die sich je
nach einfallender Lichtstärke verändert. Die genaue Höhe der Eingangsspannung ist je nach Umgebung unterschiedlich, so erhöht sowohl ein Laserstrahl, aber auch Umgebungslicht, die Spannung. Es
geht darum eine Spannungveränderung, wie sie ein Laserstrahl hervorruft, sicher zu erkennen und
Fremdlicht zu ignorieren. Die Stärke des Laserlichts kann dabei nur ein Bruchteil der Stärke des Umgebungslichts sein, dennoch sollten keine Probleme auftreten. Die Signale, die durch den Laser übermittelt werden, unterscheiden sich vom restlichen Licht dadurch, dass sie sich sehr schnell verändern,
wohingegen das Fremdlicht keine hohen Frequenzen beinhaltet. Die wirkliche Spannungshöhe ist nicht
relevant, wichtiger ist die Spannungsveränderung. Ein Komparator ist geeignet eine sehr geringe Spannungsdifferenz zu erkennen. Technisch gesehen handelt es sich dabei um einen Operationsverstärker,
der über keine Rückkopplung verfügt und mit einer sehr hohen Verstärkung arbeitet. Es ist ihm nicht
möglich, die Spannung zwischen seinen beiden Eingängen auszugleichen. Die Ausgangsspannung nä-
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
35
hert sich daher der oberen bzw. unteren Grenze der Versorgungsspannung und der Komparator geht in
die Sättigung. Wenn die Spannung am positiven nichtinvertierenden Eingang größer ist, so ist die Ausgangsspannung maximal. Wenn die Spannung am negativen invertierenden Eingang größer ist, dann
ist die Ausgangsspannung minimal. Am positiven Eingang wird eine Referenzspannung angelegt, die
der Mikrocontroller steuern kann. Am negativen Eingang liegt das Spannungssignal aus dem 2. Verstärker an. Ein Laserstrahl erhöht die Spannung am negativen Eingang geringfügig, so dass sie über die
Spannung am positiven Eingang steigt und so den Komparator umschalten lässt.
Es wurde als Komparator der LM31124 eingesetzt. Er hat Schaltzeiten von einigen hundert Nanosekunden und erkennt Spannungsdifferenzen von wenigen Millivolt. Da er einen Open-Collector Ausgang besitzt, muss dieser mit einem Widerstand an die gewünschte obere Spannungsgrenze, hier 5 V,
angeschlossen werden. Solange die Spannung am positiven Eingang größer ist, verändert er die Ausgangsspannung nicht. Sobald aber die Spannung am negativen Eingang größer ist, verbindet er den
Ausgang niedrigohmig mit der negativen Versorgungsspannung, die hier GND bzw. 0 V ist, und lässt
damit die Ausgangsspannung auf ca. 0 V fallen. Die erhaltene Spannung kann als digitales Signal interpretiert werden, da sie, unter normalen Bedingungen, nur zwei Zustände, 5 V und 0 V, haben kann.
Dieses Signal könnte der Mikrocontroller schon ohne weitere Veränderungen über einen digitalen Eingang einlesen.
6.10
Komparator-Referenzspannung
Abbildung Nr. 49: Schaltplan: Referenzspannung
24 Das
Datenblatt befindet sich im Anhang unter datasheets/lm311.pdf
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
36
Pinbelegung:
1: 0 V
2: +5 V
3: Data
4: Clock
5: Uout
Abbildung Nr. 50: Referenzspannung
Dieses Modul ist für die Erzeugung der Referenzspannung für den Komparator zuständig. Wie auch
andere Module, verfügt es über ein Schieberegister, welches vom Mikrocontroller gesteuert wird. Im
Gegensatz zu den anderen Schaltungsteilen sind die Widerstände nicht über Transistoren, sondern direkt angeschlossen. Ein H-Pegel (1) gibt 5 V aus, ein L-Pegel (0) legt den Ausgang auf 0 V. Es ergibt sich
zum Beispiel dadurch folgende Beschaltung:
Abbildung Nr. 52: Vereinfacht
Abbildung Nr. 51: Widerstandsbeschaltung
Abbildung Nr. 51 lässt sich zu Abbildung Nr. 52 umschreiben bzw. vereinfachen. Es handelt sich um
eine Reihenschaltung von zwei Gruppen von parallel geschalteten Widerständen. Die erste Gruppe, die
mit 5 V verbunden ist, wird im Folgenden als Rα bezeichnet. Die zweite Gruppe ist R β . Beide Widerstände sind abhängig vom Wert im Schieberegister und werden durch die Funktionen Rα (ℵ) und R β (ℵ)
dargestellt.
1
=
R
1
Ra
+
1
Rb
1
+
1
Rc
+ ...
Mit dieser Formel lässt sich allgemein der Gesamtwiderstand von parallel geschalteten Widerständen
berechnen. Der Wert von in Reihe geschalteten Widerständen berechnet sich über die Formel:
R = R a + Rb + Rc + ...
Die Teilspannung (hier Ur ) lässt sich bestimmen durch die Formel:
Ur = 5 V ·
Rb
R a + Rb
Abbildung Nr. 53: Teilspannung
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
37
Für diese Schaltung folgt:
Uout (ℵ) = 5 V ·
R β (ℵ)
Rα (ℵ) + R β (ℵ)
Rα lässt sich hier ähnlich ausdrücken, wie auch in den vorherigen Kapiteln. Die ausführlichen Schritte
zur Herleitung sind dort zu finden.
Rα =
Q0 ·
1
R0
+ Q1 ·
1
R1
1
+ Q2 ·
1
R2
+ ... + Q7 ·
1
R7
Die Widerstände werden nach der gleichen Formel gewählt:
Rn =
R0
2n
Man erhält:
Rα =
R0
Q0 · 20 + Q1 · 21 + Q2 · 22 + ... + Q7 · 27
Indem der Nenner als Darstellung einer 8-bit Zahl angesehen wird, erhält man:
Rα (ℵ) =
R0
=
7
∑ ( Q n · 2n )
R0
ℵ
n =0
R β besteht aus allen Widerständen, die nicht in Rα enthalten sind. Jeder Widerstand gehört entweder Rα
oder R β an, nie jedoch beiden gleichzeitig oder keiner beider Gruppen. Jeder Widerstand, der nicht in
Rα enthalten ist, muss folglich R β angehören. In der Formel ist also nicht Q0 , Q1 , ..., Q7 zu verwenden,
sondern Q0 , Q1 , ..., Q7 .
Qn = ¬ Qn
Da Qn nur die Zustände 0 und 1 haben kann, folgt:
Qn = 1 − Qn
Man erhält für R β :
Rβ
=
Rβ
=
Q0
· 20
+ Q1
R0
· 21
R0
+ Q2 · 22 + ... + Q7 · 27
7
∑ ( Q n · 2n )
n =0
7
∑ ( Q n · 2n )
=
Q0 · 20 + Q1 · 21 + Q2 · 22 + ... + Q7 · 27
=
(1 − Q0 ) · 20 + (1 − Q1 ) · 21 + (1 − Q2 ) · 22 + ... + (1 − Q7 ) · 27
=
(1 · 20 + 1 · 21 + 1 · 22 + ... + 1 · 27 ) −
n =0
−( Q0 · 20 + Q1 · 21 + Q2 · 22 + ... + Q7 · 27 )
7
∑ ( Q n · 2n )
=
255 −
=
255 − ℵ
=
R0
255 − ℵ
n =0
R β (ℵ)
Man setzt Rα (ℵ) und R β (ℵ) in die Gleichung für Uout (ℵ) ein:
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
Uout (ℵ)
= 5V·
= 5V·
38
R0
255−ℵ
R0
R0
ℵ + 255−ℵ
R0
255−ℵ
R0 ·255−ℵ· R0 +ℵ· R0
255·ℵ−ℵ2
R0 · (255 · ℵ − ℵ2 )
( R0 · 255) · (255 − ℵ)
R0 · ℵ · (255 − ℵ)
5V·
R0 · 255 · (255 − ℵ)
ℵ
5V·
255
= 5V·
=
Uout (ℵ)
=
Die Ausgangsspannung ist direkt proportional zu ℵ, und kann in Schritten von ca. 0,02 V eingestellt
werden. Auffallend ist, dass sich in diesem Schaltungsteil R0 herausgekürzt hat und somit die Wahl
des Widerstands R0 die Ausgangsspannung, theoretisch zumindest, nicht beeinflusst. Bei sehr niedrigen Werten würde die Verlustleistung sehr stark ansteigen und das Schieberegister überlasten. Zu hohe
Werte machen einen Spannungsteiler empfindlich gegenüber den minimalen Strömen, die aus Eingängen herausfließen und somit die Referenzspannung verfälschen. Für R0 wurde 902, 4 kΩ gewählt.
α ist der errechnete Widerstand, β ist der verwendete Widerstand, der mit möglichst geringer Abweichung gewählt wurde:
Rn
R0
R1
R2
R3
R4
R5
R6
R7
α
902, 4 kΩ
451, 2 kΩ
225, 6 kΩ
112, 8 kΩ
56, 4 kΩ
28, 2 kΩ
14, 1 kΩ
7, 05 kΩ
β
910, 0 kΩ
470, 0 kΩ
220, 0 kΩ
110, 0 kΩ
56, 0 kΩ
27, 0 kΩ
15, 0 kΩ
6, 8 kΩ
Abweichung
+0, 8 %
+4, 0 %
−2, 6 %
−2, 6 %
−0, 7 %
−4, 4 %
+6, 0 %
−3, 7 %
Diese geringen Abweichungen haben keinen großen Einfluss auf die Ausgangsspannung. Sie wird dadurch bestimmt, dass ℵ so lange erhöht wird, bis die Spannung den Soll-Wert erreicht hat. Abweichungen in der Linearität beeinflussen die Funktion also nicht signifikant.
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
6.11
39
Latch
Abbildung Nr. 54: Schaltplan: D-Latch
Pinbelegung:
A
1: 0 V
2: +5 V
B
1: Out
2: Data
3: Clock
Abbildung Nr. 55: D-Latch
Der D-Latch ist die letzte Verarbeitungsstufe für ankommende Daten vor dem Mikrocontroller. Er dient
als Zwischenspeicher und speichert einzelne empfangene Bits, bis sie der Mikrocontroller eingelesen
hat. Der D-Latch besteht aus vier NAND-Gattern, zwei davon bilden ein RS-Flipflop, die anderen Beiden sind für den Taktzustandseingang.
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
A
L
L
H
H
B
L
H
L
H
Y
H
H
H
L
Abbildung Nr. 56: NAND-Gatter
D
H
L
H
L
C
H
H
L
L
40
Q
H
L
Q0
Q0
Abbildung Nr. 57: D-Latch
Der Dateneingang (D) ist mit dem Ausgang des Komparators verbunden. Der Takteingang (C) wird
vom Mikrocontroller gesteuert. Während der Eingang C auf High liegt, werden alle Änderungen am
Eingang D direkt auf den Ausgang Q übernommen. Dieser Zustand wird als transparent bezeichnet, da
der Latch die Daten nicht beeinflusst und direkt von D nach Q weiterleitet. Wird C auf Low gesetzt, so
wird der aktuelle Zustand des Ausgangs Q vom RS-Flipflop gespeichert. Eine Änderung von D wird
nicht mehr an Q weitergeleitet. Um die Halte-Phase aufzuheben, muss C wieder auf High gesetzt werden. In vielen Büchern25 ist zu lesen, dass es ein Nachteil sei, dass, wenn C auf High ist, die Änderungen
von D sofort nach Q übernommen werden. Dies trifft durchaus auf viele andere Schaltungen zu, hier
wird diese besondere Eigenschaft allerdings genutzt. Der Ausgang Q ist mit dem ICP (Input Capture)
Pin des Mikrocontrollers verbunden. Solange keine Datenübertragung läuft, liegt C auf High. Wenn nun
von der Empfängerelektronik ein Startbit empfangen wird, kommt es nahezu verzögerungsfrei am Mikrocontroller an. Dieser kann über die Input Capture Funktion den Zeitpunkt des Startbits sehr genau
bestimmen. Daraus werden die Zeitpunkte der nächsten Bits, die zu empfangen sind, errechnet. T sei
die Zeitspanne zwischen zwei Bits. Nach dem Erkennen des Startbits, muss eine Zeit von (1 + 0, 5) T
abgewartet werden. Durch Verzögerungen in der Empfängerelektronik ist der Zustand nach genau 1T
nicht definiert, da evtl. gerade ein Wechsel zwischen 2 Zuständen stattfindet oder sich das Senden eines
Bits geringfügig verzögert hat. Es ist somit sicherer, zeitlich gesehen in die Mitte eines Bits zu treffen.
Würde man das Einlesen nur der Software überlassen, so käme es an dieser Stelle erneut zu Verzögerungen, da der Mikrocontroller manchmal gerade noch andere Berechnungen durchführen muss. Dies
ist der Punkt an dem der Latch gebraucht wird: Er ist an den OC1B-Ausgang des Timer1 angeschlossen.
Das Einlesen der Daten soll beim Erreichen des Wertes, der im OC1B-Register gespeichert ist, geschehen.
Sobald der Timer diesen Wert erreicht, wird ein Interrupt ausgelöst und, durch geeignete Konfiguration der COM1B0 und COM1B1 Bits des Timers, der Latch in die Halte-Phase versetzt. Das Umschalten
des OC1B-Pins von High auf Low wird von der Hardware übernommen und ist unabhängig von der
Software und damit nahezu verzögerungsfrei. Der Mikrocontroller kann den definierten Zustand am
Ausgang des Latchs nach dem Aufrufen des Interrupts einlesen und ihn danach wieder für das nächste
Bit freischalten. Es ist damit nicht so wichtig, dass das Bit genau im richtigen Moment von der Software
eingelesen wird, da es der Latch zwischenspeichert. Nachdem alle Bits übertragen wurden, wird der
Latch wieder komplett freigegeben, so dass das nächste Startbit erkannt werden kann.
25 Beispielsweise
in „Elektronik mit Halbleiterbauelementen“ S. 181 (siehe Quellenverzeichnis)
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
Abbildung Nr. 58: Ablauf: Datenempfang
41
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
7
42
Erreichte Leistung der Schaltung
Nach erfolgreichem Aufbau der Schaltung muss diese getestet werden, um zu überprüfen, ob sie wie
geplant funktioniert und die in der Spezifikation festgelegten Leistungen erreicht. Es bieten sich mehrere Tests an: Grundlegend für eine gute Übertragung ist es, dass die Sende- und Empfangselektronik
wie gewünscht arbeitet. Eine genauere Untersuchung lässt Rückschlüsse darauf zu, ob Probleme zu erwarten sind und wie gut die Verbindung sein wird. Im Weiteren muss ebenfalls getestet werden, wie
groß die maximale Baudrate und die größte Entfernung ist, über die man gerade noch Daten versenden
kann.
7.1
Test der Sende- und Empfangselektronik
Mit den Tests wurde schon nach der Fertigstellung des Ersten der beiden Geräte begonnen. Es wird ein
Spiegel verwendet, um den ausgesendeten Laserstrahl zu reflektieren und ihn wieder mit dem gleichen
Gerät empfangen zu können. Mit dieser Methode lässt sich sehr effektiv die höchstmögliche Belastung
für die Elektronik und Software herbeiführen, da gleichzeitig gesendet und empfangen werden muss.
Das Oszilloskopbild zeigt eine Übertragung der Buchstabenfolge “jo„ mit 100.000 Baud. Die gesendeten
Signale sind rot gekennzeichnet, die empfangenen Signale, die am Ausgang des Komparators gemessen
werden, sind blau.
Abbildung Nr. 59: Senden + Empfangen
Man betrachte zunächst nur die gesendeten Informationen. (1) sind die beiden Startbits 1 und 0, die
den Beginn des Pakets anzeigen. (2), das 10000010 bzw. 130 ist, gibt an, dass es ein Datenpaket mit der
Länge zwei ist. (3) und (4) beinhaltet die zwei Datenbytes, 106 (“j„) und 111 (“o„). Das Prüfsummenbyte
(5) ist 45. Er ist ersichtlich, dass gilt:
170 ⊕ 130 ⊕ 106 ⊕ 111 ⊕ 45
= 0
Wenn das Paket richtig empfangen wird, so führt diese Berechnung auf der Empfängerseite zum gleichen Ergebnis. Wenn nur 1 Bit anders ist, so wird das Ergebnis ungleich 0 sein. Dies wird vom Mikrocontroller zuverlässig erkannt und er wird das Paket verwerfen. Nachfolgend zum Prüfsummenbyte,
werden die zwei Stopbits (6) gesendet und die Übertragung beendet. Das Datenpaket ist zu diesem Zeitpunkt komplett gesendet. Nach kurzer Zeit wird, wenn das Paket vom Empfänger richtig empfangen
wurde, die Empfangsbestätigung gesendet. Diese besteht aus dem Startbit (7) und dem darauf folgenden Steuerbyte (8) 01000000. Das Senden und Empfangen läuft stets nach diesem Muster ab, wobei die
Pakete deutlich länger sind und bis zu 63 Byte enthalten können.
Betrachtet man nun auch die empfangenen Informationen im Vergleich zu den gesendeten Informationen, so ist es auffällig, dass es kaum Abweichungen gibt. Es tritt nur eine sehr geringe Verzögerung auf,
die von der Elektronik hervorgerufen wird und sich nicht weiter negativ auswirkt. Das nahezu perfekte
Übereinstimmen des roten und blauen Signalverlaufs ist ein deutlichen Zeichen dafür, dass die Elektronik genau so arbeitet wie es vorgesehen war. Durch die Wahl von geeigneten Bauteilen und deren
passende Beschaltung ist erreicht worden, dass selbst Übertragungsraten von 100.000 Baud noch sehr
gut verarbeitet werden können. Es ist anzunehmen, dass man mit dieser Sende- und Empfangselektronik deutlich höhere Datenraten erreichen kann.
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
7.2
43
Test der maximalen Baudrate
Der nächste Schritt ist, dass die maximale Übertragungsrate experimentell ermittelt wird. Man muss
dabei unterscheiden, ob nur ein Gerät sendet und das Andere empfängt, oder ob beide gleichzeitig
senden und empfangen müssen. Letzteres stellt, wie im vorhergehenden Abschnitt beschrieben, die
größere Belastung dar. Liefert entweder die Elektronik keine passenden Eingangssignale mehr, oder
kommt die Software nicht mit der Verarbeitung der Daten nach, so schlägt die Übertragung fehl. Da
die Sende- und Empfangselektronik weitaus besser als nötig funktioniert, liegt an der Geschwindigkeit
der Software, wie schnell man das Gerät maximal einstellen darf. Der verwendete Mikrocontroller läuft
mit 16 MHz, er erreicht bis zu 16 MIPS26 . Viele Befehle benötigen nur einen Takt. Andere, wie SRAMZugriffe brauchen zwei Takte. Sprungbefehle und Funktionsaufrufe benötigen drei bis vier Stück. Die
wirkliche Anzahl an Befehlen pro Sekunde beträgt ca. die Hälfte. Man muss nun betrachten, wieviele
Takte für die Verarbeitung eines einzelnen Bits zur Verfügung stehen.
Man kann dies näherungsweise berechnen über die folgende Formel. Es wird angenommen, dass im
gleichen Moment gesendet und empfangen wird.
NTakte
≈
f Controller
2 · Bitrate
Für eine Bitrate von 100.000 folgt, dass durchschnittlich nur 80 Takte pro Bit zur Verfügung stehen. Davon fallen ca. 20-30 Stück für den Interruptaufruf und das Sichern von Registern auf den Stack weg.
Es bleiben gut 50 Takte übrig. In diesen muss das Bit verarbeitet werden. Auf Senderseite bedeutet es,
dass die Bytes in Bits zerlegt werden, und diese dann an die Sendesteuerung übergeben werden müssen. Der Empfänger muss die einzelnen Bits einlesen, wieder zu Bytes zusammenfügen, die Prüfsumme
berechnen, den Latch steuern usw. Um das alles in einer solch kurzen Zeitspanne zu schaffen, bekam
das Schreiben einer effektiven Software eine große Bedeutung. Durch die ausschließliche Verwendung
von Assemblercode wurde die benötigte Schnelligkeit erreicht.
Die höchste Bitrate lässt sich mathematisch nicht exakt berechnen und muss experimentell ermittelt
werden, da noch weitere Vorgänge im Hintergrund ablaufen, wie z.B. Datenübertragungen über I2 C,
die auch Rechenzeit benötigen. Die Bitrate wird im Versuch so lange erhöht, bis die Software überlastet
ist und damit die Datenübertragung fehlschlägt.
In diesem ersten Versuch wird mithilfe eines Spiegels simuliert, dass das Gerät in der gleichen Zeit, in
der es sendet, auch Daten empfangen muss. Es ist zeigt sich, dass es möglich ist, die Bitrate auf 115.000
zu erhöhen, ohne dass es größere Probleme gibt. Bei einer weiteren Steigerung treten Übertragungsfehler häufiger auf, bis bei ca. 120.000 gar keine stabile Verbindung mehr hergestellt werden kann. Ein guter
Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit besteht im Bereich von 110.000 bis 115.000
Bit/s.
Abbildung Nr. 60: Baudraten / Übertragungsqualität
Das in den Spezifikationen geforderte Ziel, eine Bitrate von 100.000, wurde erreicht und sogar um 15 %
überschritten. Dieses Ergebnis ist nur für die Betriebsart gültig, in der gleichzeitig gesendet und empfangen wird.
Werden die Geräte aber so betrieben, dass Eines nur senden oder empfangen muss, nie aber beides
gleichzeitig, so dürfte sich eine noch höhere Bitrate erreichen lassen. Es ist dann pro Bit deutlich mehr
Rechenzeit verfügbar, wie die folgende grobe Näherung zeigt:
NTakte(senden) ≈
f Controller
Bitrate
oder
NTakte(empfangen) ≈
f Controller
Bitrate
Da aber der Rechenaufwand beim Empfangen ein wenig höher ist, als beim Senden, da die Synchronisation zu Beginn sehr aufwendig ist, kann die Bitrate, im Vergleich zum vorhergehenden Experiment,
vermutlich nicht ganz verdoppelt werden. In diesem zweiten Versuch werden beide Geräte benötigt und
so aufgestellt, dass sie Daten über die Laserverbindung zum jeweils anderen Gerät versenden können.
Dies ist die normale Betriebsart für die Geräte. Im Oszilloskopbild lässt sich eine beispielhafte Datenübertragung zwischen beiden Geräten erkennen. Es wurde am Gerät gemessen, welches der Sender ist.
Die gesendeten Signale sind rot, die empfangenen Signale sind blau. Das Senden läuft wie schon zuvor
26 Million
Instructions Per Second
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
44
beschrieben ab und die Daten (rot) werden vom anderen Gerät empfangen. Da es diese erfolgreich erkannt hat und verarbeiten konnte, kommt nach sehr kurzer Zeit die Empfangsbestätigung (blau) zurück.
Abbildung Nr. 61: Datenübertragung zwischen zwei Geräten
Diese Übertragung wurde mit einer Bitrate von 100.000 durchgeführt. Die Übertragungsgeschwindigkeit wird im Versuch weiter erhöht, bis die Übertragung fehlschlägt und keine Empfangsbestätigungen
zurückkommen.
Es zeigt sich, dass die Bitrate problemlos auf bis zu 160.000 erhöht werden, darüber steigt die Zahl der
Übertragungsfehler stark an, ab 165.000 ist gar keine Übertragung mehr möglich. Der optimale Bereich
für eine hohe Geschwindigkeit, als auch gute Zuverlässigkeit, liegt bei 150.000 - 160.000 Bit/s.
Abbildung Nr. 62: Baudraten / Übertragungsqualität
Wie auch hier zu sehen ist, wurde die in der Spezifikation geforderte Bitrate von 100.000 um 60 %
überschritten. Insgesamt lässt sich für die Übertragungsgeschwindigkeit sagen, dass sie deutlich höher einstellbar ist, als zu Beginn vermutet wurde. Durch einen geeigneten Schaltungsaufbau und einer
schnellen Software wurden solch hohe Übertragungsraten erst ermöglicht. Das Ziel, eine Schaltung zu
bauen, welche die Daten mit hoher Geschwindigkeit überträgt, wurde somit sehr erfolgreich erledigt.
7.3
Reichweitentests
Entscheidend für das Funktionieren der Schaltung ist aber auch ihre Reichweite. Sie wird in diesem
Versuch bestimmt, indem man den Abstand zwischen beiden Geräten solange weiter erhöht, bis keine
Daten mehr übertragen werden können. Durch die nicht vollkommen exakte Fokussierung des Strahls,
besitzt er die Form eines Kegels. Je weiter man sich also von der Linse entfernt, desto weniger Leistung
pro Fläche ist verfügbar. Diese sogenannte Flächenleistungsdichte nimmt mit der Entfernung quadratisch ab. Verdoppelt man den Abstand zwischen beiden Geräten, so sinkt die empfangbare Leistung auf
ein Viertel.
Abbildung Nr. 63: Abnahme der Leistung pro Fläche
In einer bestimmten Entfernung wird sie so schwach sein, dass die Schaltung sie nicht mehr erkennen kann. Für diesen Versuch wird in den 5 mW Modus geschalten, bei dem, aufgrund der höheren
Laserklasse, die entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen unbedingt einzuhalten sind.
Es wird mit einer Entfernung von wenigen Metern begonnen, die dann schrittweise erhöht wird. Es ist
möglich mehr als 60 Meter zu erreichen. Äußere Einflüsse wie Regen, Schneefall oder das Flimmern von
warmer Luft können aber die Verbindung stören. Die in der Spezifikation angegebene Mindestreichweite von 5 Meter wurde sehr deutlich überschritten. Das Ziel ist damit als erreicht anzusehen.
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
7.4
45
Praxistest der Schaltung
Für das Testen der Schaltung gibt es zwei zusätzliche selbstgebaute Geräte. Sie bestehen jeweils aus
einem Display, einer Tastatur, Elektronik und einer Schnittstelle, mit welcher sie über ein Kabel an die
Schaltung angeschlossen werden können. Die Software läuft auf einem Mikrocontroller und beinhaltet
unter anderem einen selbstgeschriebenen Tastatur- und Displaytreiber der zusammen mit der restlichen
Software für die Steuerung zuständig ist. Über die Tastatur des Gerätes lässt sich Text eingeben, der nach
Betätigung der Enter-Taste an die Schaltung per I2 C übertragen und dann per Laser an das andere Gerät gesendet wird. Sowohl der eingegebene als auch der empfangene Text wird dann auf dem Display
angezeigt. Es ist somit möglich kleine Textnachrichten zwischen den beiden Geräten zu versenden und
sich dadurch zu unterhalten. Es wurde bewusst diese spezielle Umsetzung eines Testgerätes gewählt,
da mit ihr sehr anschaulich die Funktion der aufgebauten Schaltung demonstriert werden kann.
Abbildung Nr. 64: Das Testgerät wird an die aufgebaute Schaltung angeschlossen
Der Betrieb der Testgeräte an der aufgebauten Schaltung ist problemlos möglich und sie funktioniert
wie geplant. Der geschriebene Text wird sehr schnell an das andere Gerät übertragen. Fehlerhafte Übertragungen werden sehr zuverlässig erkannt und aussortiert. Die zu übermittelnde Nachricht geht aber
dennoch nie verloren, weil sie erneut gesendet wird, wenn sie nicht fehlerfrei angekommen ist. Bei
hohen Baudraten lässt sich keinerlei Verzögerung bei der Nachrichtenübermittelung feststellen. Die gesendete Nachricht wird innerhalb weniger Millisekunden komplett übermittelt und angezeigt. Es wird
ersichtlich, dass die Schaltung nicht nur auf theoretischen Überlegungen basiert oder nur auf dem Papier existiert, sondern dass sie auch wirklich funktionsfähig aufgebaut und verwendet werden kann.
7.5
Bewertung der Ergebnisse
Insgesamt lässt sich feststellen, dass die Schaltung alle geforderten Punkte der Spezifikation erfüllt und
die Meisten von ihnen sogar noch weit übertrifft. Sämtliche wichtigen Eigenschaften wie Bitrate, Reichweite und Zuverlässigkeit der Verbindung waren weitaus besser, als zu Beginn der Tests erwartet wurde. Dies wurde durch eine genaue Vorplanung und sorgfältiges Arbeiten erreicht, mit dem aber auch
ein sehr großer Zeitaufwand einherging. Der Entwurf und Aufbau einer solcher Schaltung war eine sehr
große Herausforderung und benötigte manchmal auch einiges an Optimismus. Umsomehr ist das Ergebnis sehr motivierend und erfreulich, da am Schluss alles so wie erhofft funktioniert und sogar noch
die Erwartungen weit übertroffen werden. Es geht in dieser Arbeit aber keinesfalls ausschließlich darum, nur möglichst große Zahlenwerte zu erreichen, sondern die Aufgabe an sich, selbst etwas Neues zu
entwickeln, steht im Vordergrund. Die Schaltung kann zwar nicht mit den weit verbreiteten aktuellen
Übertragungsmethoden mithalten, andere, etwas ältere Systeme, übertrifft sie allerdings. Im Vergleich
zu den alten Modem- und ISDN-Verbindungen kann die Schaltung deutlich schneller übertragen. Die
Infrarotschnittstelle von Handys übertrifft sie vor allem in der Reichweite. Ein direkter Vergleich ist aber
nicht wirklich möglich, da die Schaltung eine Neuentwicklung darstellt und auch ihr Anwendungsgebiet ein Anderes ist: Mit ihr kann man sehr leicht eine drahtlose Verbindung zwischen (selbstgebauten)
Geräten herstellen und sie miteinander kommunizieren lassen. Es wurde in dieser Facharbeit bewiesen,
dass der Selbstbau einer solchen Schaltung, wenn auch mit einigem Aufwand, möglich ist.
Unter Berücksichtigung der erreichten Leistung der Schaltung, die hier experimentell bewiesen wurde,
kann man daher mit gutem Gewissen behaupten, dass die gestellte Aufgabe, der „Entwurf und Aufbau
einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser“, erfüllt wurde.
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
8
46
Schlusswort
Wie in dieser Facharbeit ersichtlich wurde, ist es keinesfalls trivial, eine Schaltung zu optischen Datenübetragung selbst aufzubauen. Es ist nötig sich viel mit der Theorie zu beschäftigen und auch lange
experimentieren und herumprobieren zu wollen. Man darf sich dabei auch von Rückschlägen nicht aus
der Bahn werfen lassen und muss stets optimistisch an die Aufgabe herangehen. Ich hatte mich bewusst für dieses sehr anspruchsvolle Thema entschieden, da ich eine große Herausforderung suchte.
Im Nachheinein gesehen war es keinesfalls die falsche Wahl und ich habe meine Entscheidung nicht
bereut. Insbesondere der praktische Teil der Arbeit machte mir sehr viel Spaß und ich habe sie stets
mit großer Motivation durchgeführt. Seit einigen Jahren betreibe ich das Elektronikbasteln intensiv als
Hobby und hatte durch die anspruchsvolle Aufgabenstellung die Möglichkeit, mich weiter einzuarbeiten und neue Erfahrungen zu sammeln. So musste ich viel Assemblercode programmieren, dutzende
Seiten englischer Datenblätter lesen und selbst Platinen herstellen, bestücken und löten. Man kann sich
auf diese Weise sehr gut neues Wissen erarbeiten und man fängt an zu verstehen, welche großen technischen Entwicklungen sich wirklich hinter den Geräten verbergen, die wir täglich benutzen. Wenn wir
mit dem Handy telefonieren, eine Email schreiben oder auch einfach nur fernsehen, so vergessen wir
sehr leicht, welche nahezu unvorstellbaren Vorgänge, von uns total unbemerkt, im Hintergrund perfekt ablaufen müssen. Man schimpft schnell über Geräte, wenn sie mal nicht so funktionieren wie sie
es sollten, aber wenn sie problemlos laufen, so würdigt man sie nahezu nie mit auch nur einem positiven Gedanken. Die Erfahrungen die ich mit dieser Facharbeit gesammelt habe helfen mir, dass ich viele
technische Grundlagen, die unter anderem auch für die Datenübertragung nötig sind, besser verstehen
kann. Mein Interesse an Technik wurde gestärkt und es verfestigte sich so auch die Entscheidung, nach
der Schulzeit ein technisches Studium zu beginnen.
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
9
47
Quellen-, Software-, Abbildungsverzeichnis und sonstiges
9.1 Quellenverzeichnis
Erich Mollwo / Wittich Kaule: Maser und Laser; 2. Auflage; Hochschultaschenbücher-Verlag; Mannheim 1968
Karlheinz Albrecht / Max-Ulrich Farber: Elektronik mit Halbleiter-Bauelementen; 2. Auflage; Aulis Verlag Deubner & Co KG; Köln 1974
BAuA (Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin): Leitfaden Nichtionisierende Strahlung / Laserstrahlung;
http://www.baua.de/nn_5846/de/Themen-von-A-Z/Optische-Strahlung/pdf/Leitfaden-Laserstrahlung.pdf;
16.7.2008 13:37
9.2 Software
Schaltpläne, Platinen:
Eagle 5.5.0 (www.cadsoft.de)
Programmierung:
AVR Studio 4 (www.atmel.com)
Oszilloskopbilder:
SP107E (www.hameg.com)
Versionsverwaltung (Quellcode):
Tortoisesvn (tortoisesvn.tigris.org)
Subversion (subversion.tigris.org)
9.3 Abbildungsverzeichnis
Abbildung Nr. 1
Abbildung Nr. 2
Abbildung Nr. 3
Abbildung Nr. 4
Abbildung Nr. 5
Abbildung Nr. 6
Abbildung Nr. 7
Abbildung Nr. 8
Abbildung Nr. 9
Abbildung Nr. 10
Abbildung Nr. 11
Abbildung Nr. 12
Abbildung Nr. 13
Abbildung Nr. 14
Abbildung Nr. 15
Abbildung Nr. 16
Abbildung Nr. 17
Abbildung Nr. 18
Abbildung Nr. 19
Abbildung Nr. 20
Abbildung Nr. 21
Abbildung Nr. 22
Abbildung Nr. 23
Abbildung Nr. 24
Kabelverbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
WLAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Opt. Richtfunk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Fresnel Zone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Offene Laserdiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Laserdiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schaltsymbol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Laserkristall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Welle im Kristall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Spontane Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Induzierte Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Übertragung mit Takt (I2 C) . . . . . . . . . . . . .
Übertragung ohne Takt (EIA-232) . . . . . . . . . .
Fertig aufgebautes Gerät . . . . . . . . . . . . . . .
Schaltungsübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schaltplan: Hauptsteuergerät mit Mikrocontroller
Hauptsteuermodul . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ablauf Senden / Empfangen . . . . . . . . . . . .
Schaltplan: Spannungsversorgung . . . . . . . . .
Spannungsversorgungsmodul . . . . . . . . . . . .
Schaltplan: Sendemodul . . . . . . . . . . . . . . .
Externes Sendemodul . . . . . . . . . . . . . . . . .
Messanordnung 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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20
Entwurf und Aufbau einer Schaltung zur optischen Datenübertragung mit einem Laser
Abbildung Nr. 25
Abbildung Nr. 26
Abbildung Nr. 27
Abbildung Nr. 28
Abbildung Nr. 29
Abbildung Nr. 30
Abbildung Nr. 31
Abbildung Nr. 32
Abbildung Nr. 33
Abbildung Nr. 34
Abbildung Nr. 35
Abbildung Nr. 36
Abbildung Nr. 37
Abbildung Nr. 38
Abbildung Nr. 39
Abbildung Nr. 40
Abbildung Nr. 41
Abbildung Nr. 42
Abbildung Nr. 43
Abbildung Nr. 44
Abbildung Nr. 45
Abbildung Nr. 46
Abbildung Nr. 47
Abbildung Nr. 48
Abbildung Nr. 49
Abbildung Nr. 50
Abbildung Nr. 51
Abbildung Nr. 52
Abbildung Nr. 53
Abbildung Nr. 54
Abbildung Nr. 55
Abbildung Nr. 56
Abbildung Nr. 57
Abbildung Nr. 58
Abbildung Nr. 59
Abbildung Nr. 60
Abbildung Nr. 61
Abbildung Nr. 62
Abbildung Nr. 63
Abbildung Nr. 64
Messanordnung 2 . . . . . . . . . . . . . . .
Verlauf Strom-Ausgangsleistung . . . . . .
Laserdiode mit Linse . . . . . . . . . . . . .
Schaltplan: Leistungsmessung . . . . . . . .
Leistungsmessungsmodul . . . . . . . . . .
Transimpedanzverstärker . . . . . . . . . .
Schaltplan: Stromsteuerung + Modulator .
Stromsteuerungmodul + Modulator . . . .
Parallelschaltung . . . . . . . . . . . . . . .
Parallelschaltung . . . . . . . . . . . . . . .
Sendevorgang . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schaltplan: Empfänger . . . . . . . . . . . .
Empfänger . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Transimpedanzverstärker . . . . . . . . . .
Phasendrehung . . . . . . . . . . . . . . . .
Realer Operationsverstärker . . . . . . . . .
Frequenzkompensation . . . . . . . . . . .
Störungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Empfänger mit Rohr . . . . . . . . . . . . .
Störungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schaltplan: Empfänger . . . . . . . . . . . .
Verstärkersteuerung . . . . . . . . . . . . .
Schaltplan: Komparator . . . . . . . . . . .
Komparator . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schaltplan: Komparator . . . . . . . . . . .
Referenzspannung . . . . . . . . . . . . . .
Widerstandsbeschaltung . . . . . . . . . . .
Vereinfacht . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Teilspannung . . . . . . . . . . . . . . . . .
Schaltplan: D-Latch . . . . . . . . . . . . . .
D-Latch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
NAND-Gatter . . . . . . . . . . . . . . . . .
D-Latch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ablauf: Datenempfang . . . . . . . . . . . .
Senden + Empfangen . . . . . . . . . . . . .
Baudraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Datenübertragung zwischen zwei Geräten
Baudraten . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Abnahme der Leistung pro Fläche . . . . .
Testgerät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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9.4 sonstiges
Ich erkläre hiermit, dass ich die Facharbeit ohne fremde Hilfe angefertigt und nur
die im Literaturverzeichnis angeführten Quellen und Hilfsmittel benützt habe. Dies
gilt auch für sämtliche Schaltpläne, Platinen und alle Schaltungsteile, die in eigener
Arbeit entworfen und aufgebaut wurden.
Paunzhausen, den 10.01.2010