PiXtend: Hardware für anspruchsvolle Projekte und Hausautomation

Der Raspberry Pi und viele andere Einplatinencomputer unterstützen eine Vielzahl an Programmiersprachen und bieten vielfältige Möglichkeiten für Bastler und Programmierer. Durch die vorhandenen GPIO Pins, welche beliebig beschalten werden können, ist der Raspberry Pi auch die optimale Grundlage für hardwarenahe Projekte. Doch gerade im Bereich der Hausautomation stößt man mit der Anzahl der zur Verfügung stehenden Pins schnell an die Grenzen des Pi.

Qube Solution bietet mit PiXtend ein umfangreiches Erweiterungsboard und somit die Basis für anspruchsvolle Projekte mit dem Raspberry Pi. Im fogenden Beitrag wird PiXtend, dessen Möglichkeiten, als auch deren Hardware-Varianten näher vorgestellt.

PiXtend: Jedes Projekt braucht eine solide Grundlage

PiXtend ist ein umfangreiches Erweiterungsboard für die Raspberry Pi Modelle B, B Plus, den Raspberry Pi 2 und den Banana Pi. Dabei vervielfacht PiXtend die Anschlussmöglichkeiten des Pi und unterstützt flexibel zahlreiche analoge und digitale Ein- und Ausgänge. Weiterhin werden serielle Schnittstellen, wie RS232, RS484 und CAN Bus über das Board bereitgestellt.

Standardmäßig werden vom PiXtend Erweiterungsboard 230 Volt Leistungsrelais, 433 MHz Sender und Empfänger, Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensoren vom Typ DHT11 / DHT22 / AM2302, als auch Modellbau-Servos unterstützt bzw. müssen nur angesteckt werden. Für den Anwender ergibt sich daraus eine Plattform für diverse gängige Hardwaremodule, die ohne lange Vorarbeit direkt genutzt werden können. Die damit verbundenen Einsatzmöglichkeiten sind nahezu grenzenlos und bieten dem Nutzer alle Freiheiten.

Die Hardware im Überblick

Raspberry Pi: Montage und Spannungsversorgung

Der Raspberry Pi wird über Abstandshalter auf dem PiXtend Board montiert und der GPIO Header ist über ein 26-poliges Flachbandkabel mit der Erweiterungsplatine verbunden. Grundsätzlich sind die Abstandshalter zur Montage in der Bohrschablone für den Raspberry Pi im Modell B ausgelegt. Mit Hilfe einer Zwischenplatine lassen sich aber auch die Modelle B, B Plus und 2, sowie der Banana Pi montieren.

Die Spannungsversorgung von Einplatinencomputer und PiXtend wird zentral über das Erweiterungsboard geregelt. Dabei muss das externe Netzteil eine Spannung von 7 – 9 V DC bei einer maximalen Stromstärke von 1,5 A liefern. PiXtend regelt die Eingangsspannung auf stabilisierte und kurzschlussfeste 5 Volt und versorgt damit alle Komponenten der PiXtend-Einheit. Weiterhin ist die Versorgungsspannung mit einem Verpolungsschutz bis -30 V beschalten. Die erzeugten 5 Volt von PiXtend versorgen außerdem den Raspberry Pi über die 26-polige Stiftleiste. Alternativ können PiXtend und Raspberry Pi auch getrennt versorgt werden. Dafür steht ein entsprechender Jumper auf dem Board bereit.

PiXtend Mikrocontroller

Das Herzstück von PiXtend ist der PiXtend-Controller. Dabei handelt es sich konkret um einen ATmega32A, also einen 8bit-RISC-Prozessor. Die grundlegende Idee dabei ist, dass der Raspberry Pi softwarseitig seine Aufgaben und Operationen auf den PiXtend-Controller auslagert. Der Mikrocontroller und der Einplatinencomputer sind über den SPI-Bus (Serial Peripheral Interface) miteinander verbunden. Dabei ist der Pi der Bus-Master und der ATmega der Slave. Die zur Anwendung kommende Firmware ist quelloffen und in der Programmiersprache C geschrieben. Im folgenden sind einge Aufgaben des PiXtend-Controllers aufgelistet.

• Ansteuerung von digitalen Ausgängen und Relais
• Einlesen von analogen und digitalen Eingängen
• Erzeugung und Ansteuerung von Servo- und PWM-Signalen
• Watchdog-Funktion und Spannungsüberwachung
• Bedienen von GPIOs als Ein-und Ausgang (Sensoren)

Über einen Jumper kann der SPI-Bus augetrennt werden. Damit ergibt sich die Möglichkeit den PiXtrend-Controller über einen 10-poligen Wannenstecker (ISP-Stecker) zu programmieren.

PiXtend: Aufbau

In der folgenden Abbildung ist der PiXtend Basic-Bausatz dargestellt. Alle auf dem Board befindlichen Komponenten für Ein- und Ausgabe von Signalen sind entsprechen gekennzeichnet.

PiXtend: Ein- und Ausgänge

PiXtend vervielfacht die Anschluss- und Einsatzmöglichkeiten des Raspberry Pi. Für alle Ein- und Ausgänge sind auf dem Board hochwertige Push-In-Anschlussleisten installiert. Diese ermöglichen einen werkzeuglosen Anschluss von Sensoren und weiteren Geräten.

Bei umfassenden Projekten mit dem Raspberry Pi ist der 3,3 Volt Pegel der GPIO-Pins meistens eine Einschränken, da bei entsprechender Beschaltung von Geräten eine Pegelwandlung notwendig ist. PiXtend hat in diesem Fall vorgesorgt:

Eingänge

PiXtend verfügt insgesamt über 8 digitale Eingänge, 4 analoge Eingänge und 4 GPIO-Pins. Die digitalen Eingänge sind dabei in 1-Draht-Anschlusstechnik ausgeführt und beziehen sich immer auf den allgemeinen Ground des Board. Mit einem Jumper lassen sich für die Eingänge einmal ein 24 Volt Bereich festlegen, als auch ein 5 Volt Bereich. Der 24 Volt Bereich entspricht der SPS-Norm IEC 61131-2 (Typ 1) und erkennt auch Signale mit einem 12 V Pegel. Überspannung und Verpolung bis maximal ± 30 Volt sind geschützt. Im 5 Volt Bereich kann der normale 5 Volt TTL Pegel genutzt werden. Gleichzeitig erkennt das Board auch 3,3 V CMOS Pegel. LEDs signalisieren den Zustand der Eingänge. Durch die beiden vorgestellten Spannungsbereiche mit den entsprechenden Eigenschaften unterstützt PiXtend eingangsseitig alle gängigen Pegelstufen und ist universell einsetzbar.

• Sensoren mit Schaltausgang
• Auswertung diverser Ausgänge anderer Geräte
• Verarbeitung von integrierten Schaltung auf TTL oder CMOS-Basis

Die vier analogen Eingänge haben ebenfalls Eigenschaften, die beachtet werden müssen. Zwei analoge Eingänge sind für Spannungsmessungen in den Bereichen 0-5 V und 0-10 V ausgeleigt. Die beiden anderen ermöglichen eine Strommessung im Bereich von 0-25 mA. Daraus ergeben sich zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, unteranderem im Bereich der Messtechnik.

• Auswertung diverser analoger Signale
• Erfassen von Potentiometer-Stellungen
• Allgemeine Strom-Spannungsmessung
• Spannungsüberwachung, z.B. Akku
• Sensorauswertung

Die vier GPIO-Pins auf dem PiXtend Board können beliebig verwendet und konfiguriert werden, also als Ein- oder Ausgang. Im Unterschied zum Pi sind die GPIOs allerdings für den Spannungsbereich von 0-5 V DC ausgelegt und können 20-30 mA treiben. Der dazugehörige Versorgungsanschluss neben den GPIO Pins bringt im Gegensatz dazu 100 mA und ist für die Versorgung von Sensoren und anderen Komponenten gedacht. Die Einsatzmöglichkeiten liegen hier primär auf der Anbindung von Sensorik (DHT11 / DHT22 / AM2302), LEDs und anderen Kleinverbrauchern.

Ausgänge

In Sachen Ausgänge verfügt PiXtend über 6 digitale Ausgänge, 2 mal PWM, 4 Leistungsrelais und 2 analoge Spannungsausgänge. Die digitalen Ausgänge sind dabei für das Schalten von Gleichstromverbrauchern mit Spannungen bis zu 30 V / 3 A ausgelegt (Open Drain) und sind kurzschluss- und überlastfest. Dadurch können zum Beispiel Schütze geschalten oder DC-Motoren betrieben werden. Heizelemente, Gebläse und Lampen können im Bereich der Hausautomation problemlos mit PiXtend verbunden werden. Auch hier signalisieren LEDs den Zustand der einzelnen Ausgänge.

Mit Hilfe der 4 Leistungsrelais können diverse Gleichstrom- und Wechselstromverbraucher potentialfrei geschalten werden. Die Relais verfügen jeweils über einen Wechselkontakt (drei Anschlüsse). Auch hier sind den Anwendungsmöglichkeiten keine Grenzen gesetzt und mit PiXtend kann man ohne viel Vorarbeit 230 Volt Verbraucher steuern. Die maximale Stromstärke eines Relais liegt bei 6 A.

Zwei analoge Spannungsausgänge ermöglichen jeweils die Realisierung einer Spannung im Bereich von 0-10 V. Die Auflösung kann dabei in 10 mV Schritten geschalten werden. Durch diese 2 analogen Ausgänge kann mit PiXtend das Versorgen und Steuern kleiner Lasten bis hin zur Umsetzung eines Funktionsgenerator in viele Richtungen gearbeitet werden.

PiXtend: Alle technischen Daten auf einen Blick

Die in diesem Artikel vorgestellten Informationen zu PiXtend sind als Überblickswissen mit vielen konkreten Fakten anzusehen, jedoch decken diese nicht alle Details und Möglichkeiten ab. Auf der Webseite von PiXtend findet man ausführliche Informationen zum Erweiterungsboard. Besonders zu empfehlen ist das technische Datenblatt zu PiXtend. In diesem werden alle Hardwarekomponenten, deren Eigenschaften und interne sowie externe Prinzipschaltungen vorgestellt.

Viele weitere Informationen rund um PiXtend findet man auf der PiXtend-Webseite. Im Downloadbereich sind einige einführende und beschreibende Dokumente zur Hardware und zur Inbetriebnahme frei zugänglich.

PiXtend Hardware: Varianten und Bausätze

Nicht nur bei den Einsatzmöglichkeiten, sondern auch bei der Hardware-Ausstattung des Boards lässt PiXtend dem Anwender viele Freiheiten. Die PiXtend Hardware ist in verschiedenen Varianten und in verschiedenen Bausätzen erhältlich. Diese werden im Folgenden überblicksweise vorgestellt.

Variante 1: Leiterplatte

Die PiXtend-Roh-Leiterplatte kann in der einfachsten Ausbaustufe erworben werden. Dabei erhält man die blanke, zweilagige Leiterplatte. Diese ist elektrisch geprüft und bereit zum Löten. Bauteile sind hier bei nicht enthalten. Der Vorteil der Roh-Platine ist, dass man bereits zu Hause vorhandene Bauteile bzw. nur die Bauteile drauflöten kann, die man auch benötigt für sein Projekt. Alle Freiheiten sind bei dieser Variante gegeben.

Variante 2: Basic- und Full-Bausatz

Neben der Roh-Leiterplatte ist PiXtend in zwei Bausatz-Varianten erhältlich. Dabei werden die unbestückte Leiterplatte und dazu die entsprechenden Bauteile zum selberlöten ausgeliefert. PiXtend ist in einem Basic-Bausatz und in einem Full-Bausatz erhältlich. Die Roh-Platine ist bei beiden Varianten die gleiche, mit dem Unterschied, dass der Basic Bausatz nicht komplett bestückt ist. In der folgenden Tabelle sind die beiden Bausätze im Vergleich.

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Zum Vergleich kann die Gesamtansicht zu Beginn des Artikels betrachtet werden. Dabei handelt es sich um den Basic-Bausatz: Wie deutlich wird fehlen auf der Platine einige wenige Bauteile.

Variante 3: ARTC-Bausatz (Almost Ready to Control)

In einer dritten Variante kann PiXtend bereits fertig gelötet erworben werden. Im Vergleich zu den vorherigen Bausätzen sind hier bereits alle Lötarbeiten erledigt und die Bauteile fertig installiert. Es müssen lediglich die mitgelieferten ICs in die entsprechenden Sockel platziert werden. Das PiXtend ARTC-Paket ist vollständig ausgerüstet und daher gleichwertig mit dem Full-Bausatz. Der fertige Bausatz ist optimal für Anwender die direkt loslegen möchten, oder nicht über eine Lötausrüstung verfügen.

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Erforderliche Lötkenntnisse

Wenn man sich für einen Bausatz zum selberlöten entscheidet benötigt man neben einem entsprechendem Lötkoblen mit Zubehör auch einige Lötkenntnisse. Wer PiXtend dauerhaft im Einsatz haben wird, sollte vorher schon einige Erfahrungen bezüglich Lötarbeiten gesammelt haben. Prinzipiell handelt es sich ausschließlich um Durchstecktechnik die installiert werden muss. Besonders bei der Bestückung der digitalen Ein- und Ausgänge, als auch beim Löten der ICs stecken die größten Hürden, da dort die zu setzenden Lötpunkte verhältnismäßig nah liegen. Für ungeübte Personen am Lötkolben empfehlen wir das Kontrollieren durch eine erfahrene Fachkraft. Für geübte Bastler mit Lötkolben sollte das Löten der Einzelteile gut von der Hand gehen.

Aus einer anderen Perspektive ist anzumerken, dass das PiXtend-Board ideal für ungeübte Löter hinsichtlich Übungs- und Lehrzweck geeignet ist. Der Umfang der Platine, als auch der Schwierigkeitsgrad ist nahezu ideal um verschiedene, aber dennoch gängige Bauteile, zu installieren.

Software

Neben der Hardware bringt PiXtend die entsprechende Software mit notwendigen Treibern mit sich. Auch hier werden dem Anwender mehrere Möglichkeiten zur softwareseitigen Ansteuerung des Board gegeben.

Raspbian mit Linux-Tools

Bei der ersten Möglichkeit können zwei in C geschriebene Linux-Konsolen-Tools für die Arbeit mit PiXtend genutzt werden. Im Downloadbereich ist ein aktuelles Raspbian-Image mit den vorinstallierten Tools pixtendtool und pxauto.

Das pixtendtool ist angelehnt an ein gewöhnliches Linux-Konsolenprogramm, welches durch Übergabe entsprechender Parameter bei Aufruf die Operation ausführt. Pxauto ist an dieser Stelle etwas komfortabler: Das Tools bietet eine “grafische” Oberfläche in der Konsole und tauscht zyklisch Daten mit dem PiXtend Board aus. Dadurch können die einzelnen Zustände der Ein- und Ausgänge live betrachtet werden. Beide Tools arbeiten mit der WiringPi-Bibliothek.

Insgesamt sind die Linux-Tools für den Einstieg und Tests bestens geeignet. Ein großer Vorteil ist außerdem, dass sich die beiden Tools in eigene Programme bequem implementieren lassen.

CODESYS

Neben der Lösung mit Raspbian und den Linux-Tools kann CODESYS verwendet werden. CODESYS V3 ist eine hardwareunabhängige Programmiersystem von der Firma 3S-Smart Software GmbH. Dabei wird das PiXtend-Board in gängigen Programmiersprachen für speicherprogrammierbare Steuerungen (ST, AWL, KOP, FUP) entwickelt. Weiterhin bringt die Umgebung eine eigene Webvusalisierung mit, welche beliebig angepasst werden kann.

Die Programmierung mit CODESYS läuft über eine Programmieroberfläche an einem Windows PC. Die Übertragung des entwickelten Quellcodes wird dann über Ethernet auf den Raspberry Pi erledigt.

Im Downloadbereich von PiXtend steht dazu das Packet CODESYS Control for Raspberry Pi bereit, welches alle entsprechenden Softwaremodule mitbringt. Neben der Software findet man auf der Downloadseite von PiXtend zahlreiches Informationsmaterial, die die Installation und Einrichtung von PiXtend beschreiben.

Im nächsten Artikel zu PiXtend steht die Software und die Inbetriebnahme von PiXtend im Vordergrund. Also dran bleiben :)

Schlusswort

Unterm Strich ist PiXtend die ideale Grundlage für umfassende Projekte mit dem Raspberry Pi. Besonders im Bereich der Hausautomation bietet das Board alle notwendigen Komponenten um verschiedenste Geräte anzusteuern. Darüber hinaus sind oft benutzte Bauteile am Raspberry, wie 433 MHz Sender, durch die Platine vorbereitet und müssen lediglich angesteckt werden. Die Verarbeitung der Platine ist hochwertig und robust. Die Ausführung der Schaltung zeichnet sich durch Verpolung-, Kurzschluss- und Überspannungsschutz aus.

Ein großer Pluspunkt sind außerdem die verfügbaren Ein- und Ausgänge: Neben der großen Anzahl bzw. Verfügbarkeit an Schnittstellen, überzeugen die digitalen Baugruppen durch die Unterstützung mehrerer Spannungspegel. Damit sind eine Vielzahl an Geräten kompatibel zu PiXtend und lassen sich zentral ansteuern. Durch die Bereitstellung der seriellen Schnittstellen und der genannten Spannungspegel kann PiXtend auch in Zusammenhang mit industriellen Steuerungen agieren.

Bildergalerie

Quellen für Inhalt und Bilder: PiXtend