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Dienstag, 31. Juli 2018

Schmartwatch [04]: Firmware Blinky

Der Erste Schritt zur Inbetriebnahme einer Leiterplatte ist die Validierung der Stromversorgung.
Die Leiterplatten sind geliefert worden und ich habe eine teilweise bestückt. Ich habe zuerst den 3,3V Boost Regler installiert. Mit einem Oszilloskop habe ich die Spannung am Ausgang des Reglers bewertet. Mit einer Last, die dem Regler 15mA konstant abverlangte, kam ich auf einen Ripple von 20mV auf der Ausgangsspannung. Dieser Ripple änderte sich nicht, egal ob die Ausgangsspannung mit nur 1mA oder mit 100mA belastet wurde. Daher habe ich als nächstes das Funkmodul bestückt. Mit dem bestückten Funkmodul war ich dann in der Lage eine Verbindung mit dem Debugger herzustellen. Als Debugger verwende ich einen  JLink Pro von der Firma Segger. Nordic Semiconducters hat für diese Serie an Debuggern einen hervorragend Support.

Nachdem auch der Debugger mit dem Funkmodul in Betrieb genommen war, habe ich die restlichen Bauteile für die Ansteuerung des Displays aufgelötet. Das Display hat im Controller einige Reglerfunktionen integriert und kann sich eigene Hilfsspannungen erzeugen, dazu braucht es lediglich ein paar Kondesatoren, einen Transistor und einige SPI Befehle. Das Footprint des Transostors im Layout der Leiterplatte ist fehlerhaft, die Pins Gate und Drain sind vertauscht. Ein einfaches drehen des Transistors hat das aber wieder repariert.

Ohne angeschlossenes und konfiguriertes Display ist also die Schaltung nicht funktionsfähig. Trotzdem kann sie mit einem einfachen Toggle Signal an allen betroffenen IO-Pins auf Funktionalität und Kurzschlüsse getestet werden.
Kurzschlüsse auf Pins des Displays zeichnen sich hauptsächlich durch die Verlust der Signalqualität am Display Stecker aus. Wenn also ein Output Pin des Funkmoduls, der ein High Signal liefern soll, versucht gegen ein kurzgeschlossenes Low-Signal zu treiben, wird sich die Spannung ungefähr in der Hälfte des erwarteten Wertes befinden.
Nach Beseitigung der Kurzschlüsse am Displaysteckverbinder kann die Inbetriebnahme des Displays beginnen. Dazu habe ich eine Testsoftware geschrieben, die das Display startet und Werte anzeigen soll. Mit Hilfe der verfügbaren Ressourcen auf dem Funkmodul wird ein Bild erstellt, dass dem Display Pixel für Pixel übergeben wird. Danach wird gefragt, ob das Display bereit ist und wenn das der Fall ist, wird das nächste Bild übertragen.

Aktuell startet das Display die Hilfsspannungen nicht von alleine und es zeigt nichts an. Dieser Zustand benötigt viel (relativ zum normalen Betrieb) Strom, sodass das Display spürbar wärmer wird.

Wie genau sich die Ansteuerung in dieser Schaltung zu der Ansteuerung auf dem Eval-Board unterscheidet, wird sich zeigen, wenn das Evalboard den langen weg aus China zu mir gefunden hat.
Bis dahin stehen noch weitere Peripherien zur Verfügung die gerne in Betrieb genommen werden möchten. Darunter fallen:

  • I2C Bus für Echtzeituhr
  • I2C Bus für Bewegungssensor
  • Applikationsstruktur der Firmware (nachladbare Code Teile)
  • BLE Softdevice 
Im Moment können wir lediglich davon ausgehen, dass alle Pins des Funkmoduls korrekt gelötet und bisher keine Kurzschlüsse auf der Leiterplatte sind. 



Montag, 23. Juli 2018

Schmartwatch [03]: Firmware - Mockup

Die Entwicklung von Firmware für eine Hardware, die noch nicht im finalen Design vorliegt, oder überhaupt in Realität verfügbar ist, ist schwierig. Ebenso verhält es sich mit der Schmartwatch Firmware. Die Hardware ist in der Prototypenphase bestellt. Das heißt aber nicht, dass mit der Firmwareentwicklung gewartet werden muss. Ich habe vor so wenig Bibliotheken wie möglich einzubinden und viele Funktionen selbst zu schreiben. Das soll mehr zum Üben und Lernen dienen als zeiteffizient zu entwickeln.

Um die Funktionen testen zu können, werden sie in verschiedenen Abstraktionsebenen entwickelt.
Die grundlegende Ebene ist die direkte Hardware-Ebene; die CPU. Dort werden die Register der einzelnen Peripherien angesprochen. Das werde ich über die bereits verfügbare Hersteller SDK Schnittstelle machen. Auch den Bluetooth Stack des Herstellers werde ich übernehmen. Denn die Programmierung der Hardware Funktionen sind von Hersteller zu Hersteller, machmal auch von Chip zu Chip unterschiedlich. Einen Bluetooth-LE Stack selbst zu schreiben finde ich auch keine sinnvolle Beschäftigung. Vor allem, wenn das Ziel ist eine Smartwatch zu programmieren.

Eine der selbst geschriebenen Funktionen wird jedoch die Erstellung von Bildschirm Inhalten sein. Die Uhr besitzt ein 3-Farben e-ink Display. Rot, Schwarz und Weiß. Damit bieten sich verschiedene Möglichkeiten an, um Grafiken anzuzeigen. Ich habe mich für folgende Zeichenfeatures entschieden:

  • Einzelne Pixel
  • Linien
  • Rechtecke
  • Rechteckige Flächen
  • Rechtecke mit runden Ecken
  • Rechteckige Flächen mit runden Ecken
  • Kreisringe
  • Kreisförmige Flächen
Gezeichnet werden kann in den drei Fraben und transparent. Transparent bedeutet, dass die an dieser Stelle vorhandene Farbe beibehalten werden soll. Um noch weitere Elemente auf das Display zu zeichnen, werden diese Funktionen zur Verfügung stehen:
Diese Grundfunktionen zu grafischen Darstellung auf dem Display kann ich testen, ohne eine echte Hardware auf dem Tisch zu haben. Dazu schrieb ich eine Windows Software, die das Display der Uhr in 2-facher Vergrößerung anzeigt und alle die Funktionen meiner Grafik Bibliothek verwendet.

Um ein Bild für das Display zu zeichnen, befindet sich im RAM der Smartwatch ein Framebuffer, das ist ein Speicherbereich, der Informationen zu allen Pixeln des Displays beinhaltet. Mit dem 'render' Befehl, werden alle Daten aus dem RAM in das Display kopiert und angezeigt. So können Bildteile verändert werden, ohne dass von Außen eine Änderung auf dem Display sichtbar ist. Erst wenn der Bildschirm fertig erzeugt ist, wird er an das Display übertragen und in einem Rutsch dargestellt.

Die Übertragung und das Rendern der Bilddaten ist eine Hardware abhängige Funktionalität. Das Schreiben auf den Framebuffer hingegen kann unabhängig der Hardware passieren. Das machen wir uns hier zu nutze. Die Windowsanwendung nutzt die Schmartwatch Funktionen der eigenen Grafik Bibliothek um auf ein Framebuffer zu schreiben. Eine Renderer Funktion der Windows Anwendung kopiert dann den Framebuffer in ein Windows geeignetes Speicherformat und gibt es um den Faktor 2 vergrößert am Monitor aus.


Hier sehen wir einen Screenshot der Anwendung. Die schwarzen und roten Rechtecke gehören zur Displayfläche dazu. Es werden zwei Texte gezeichnet, die einer Uhrzeit entsprechen, zwei unterschiedlich farbige Linien und ein Kreis, sowie eine große schwarze Fläche. Die Grafik rechts inclusive Text ist ein monochromes Bild, das ebenfalls als schwarz / transparent gerendert wird.

Transparent ist die virtuelle vierte Farbe des Displays. Sie bedeutet, dass für dieses Pixel der bereits im Framebuffer liegende Wert beibehalten werden soll. Somit können Bilder übereinander dargestellt werden. Das wird in der Phase der Watchface Programmierung noch häufiger genutzt werden. Die Schriftarten, die standartmäßig in dem Betriebsystem der Uhr verwendet werden, sind natürlich von der Größe her begrenzt. So bietet es ich an, für die Anzeige der Uhrzeit Bitmaps zu verwenden. Auch grafische Effekte können mit mehreren Layern erzeugt werden.

Der Windows Simulator hat den Vorteil, dass im PC nahezu unbegrenzte Rechenkapaität zur Verfügung steht. Im vergleich zu einer Embedded CPU in unserer Smartwatch, versteht sich. Daher kann der Bildschirminhalt so schnell wie möglich immer wieder komplett geschrieben werden. Für eine spätere Implementierung mit e-Paper ist es wichtig die Aktualisierungsrate der Frames gering zu halten. Wenn möglich soll nur ein Teil des Displays aktualisiert werden. Wie genau das funktioniert und wie performant sich das lösen lässt, wird sich zeigen, wenn das Display des ersten Prototyps angesteuert wird.

Die Lieferung mit den FR4 Prototypen ist heute eingegeangen. Jetzt kann die Bestückung beginnen ind die Inbetriebnahme der Hardware, sowie die ersten Funktionen der Firmware.

Sonntag, 15. Juli 2018

Schmartwatch [02]: Prototyp Layout

Mit den Anforderungen aus Teil 1 habe ich mich an eine Prototypen Layout gesetzt. Prototyp deshalb, weil es auf normalem FR4 gefertigt ist. Um die Schaltung zu validieren, die später auf Flex material gefertigt werden soll ist das völlig ausreichend. FR4 ist ein Material, dass wesentlich hitzestabieler ist als das Polyamid des Flex PCB. Das heißt, auf dem normalen Board kann man besser löten als auf dem Plastik des Flex Boards. Weiterhin ist ein FR4 Board weitaus günstiger.
Das Design soll von der Form her so sein, wie in Artikel 1 gezeigt. Das Display ist dort bereits eingezeichnet. Wenn später die Leiterplatte aus flexiblem material gefertigt wird, kann sie einfach gebogen werden.

Die Schaltung darf nur auf der Vorderseite des Boards platziert werden. Das heißt die Batterie und alle anderen Bauelemente kämpfen um den Platz unterhalb des Displays. Es sind zwar einige Bauelemente nötig, doch sie passen alle mehr oder weniger unter das Display.

Das Layout der Leitungen darf maximal zwei Lagen nicht überschreiten eine 4 Lagen Flex Leiterplatte ist wesentlich teurer als zwei Lagen. Weiterhin sollen 3,3V und GND als Fläche ausgelegt werden, wo immer das möglich ist.
In Lila ist der Stiffener eingezeichnet, eine Fläche aus stabilem Kunststoff, die auf das Polyamid der Flex-Leiterplatte aufgeklebt wird um an dieser Stelle eine stabile Ebene zu bilden. Als
Schnalle für das Armband habe ich mit eine Steckverbinder für Flex Literplatten ausgesucht, der
505147-0490 und 505148-0408 sollen den Schließmechanismus der Uhr bilden.

Das fertige Layout der Armbanduhr sieht für den Prototypen dann wie folgt aus. Einige Verbindungen haben sich für die Flex Variante allerdings geändert, da ich de Piezo Buzzer erst nachträglich in die Anforderungen aufgenommen habe.
Vorderseite (rot) und Rückseite (grün) des Prototypen Designs
Hier kann man im Design gut erkennen, dass die Richtung der Leitungen auf der Vorder- und Rückseite waagerecht, bzw. senkrecht ausgelegt sind. Dadurch verhindert man, dass sich die Netze zu sehr verheddern und man später überhaupt nicht mehr entflechten kann.
Die GND Fläche auf der Rückseite wird von den Leitungen zum Display durchschnitten. Um ein schwanken des Bezugspotentials zu verhindern, werden die beiden Teilflächen auf der Oberseite gebrückt. Gleiches ist bei dem Signal BATT+ zu sehen, das schneidet die 3V3 Fläche in zwei Teile. Auch hier wird über Brücken ein Potentialausgleich geschaffen. Die große violette Fläche ist eine Klebefläche für die Batteriehaltung. Beim Einlegen der Batterie werden ziemlich große Kräfte angewendet, dadurch können die Lötverbindungen kaputt gehen. Um das zu verhindern, werden die Kräfte hier über die Klebeverbindung auf die Leiterplatte gebracht.

Mit den FR4 Prototypen sind die Inbetriebnahme des DC/DC Boost Konverters, der MCU, IMU und des Displays möglich. Ebenso können Batterielaufzeit und allgemeine Performance des BLE Signals validiert werden.

Der nächste Teil wird sich dann mit den Grundfunktionen der Firmware beschäftigen.

Montag, 9. Juli 2018

Schmartwatch [01]: Smartwatch selbst gebaut

Das ist der erste Artikel in der Schmartwatch (sprich:  [ˈʃmaːɐ̯tˌvɔʧ]) Serie. In dieser Serie werden verschiedene Themen der Erstellung eines elektronischen Projekts angesprochen. Der erste Artikel beschäftigt sich mit der Idee und dem grundsätlichen Konzept

Ich besitze seit vielen Jahren die Pebble Smartwatch. Zuerst die Kickstarter Pebble, dann die Time und zum Schluss die Round. Die hat leider eine Fahrt in der Waschmaschine nicht überlebt.
Die Firma Pebble wurde von Fitbit gekauft und die Produktion der Uhren, sowie der Software-Support bis Juni 2018 eingestellt.
Das Beste Feature der Pebble ist, dass die Uhrzeit auf dem Display bei jedem Licht, zu jeder Zeit lesbar ist. Bei starkem Sonnenlicht kann das Display gelesen werden und bei Dunkelheit hilft die Beleuchtung. Bei vielen anderen Uhren, muss man das Display erst einschalten, um die Uhrzeit abzulesen. Das kann man zum Beispiel mit einem Schnick aus dem Handgelenk tun, oder über einen Touch am Display. Beides finde ich keine Option, um mal kurz auf die Uhr zu schauen. Weiterhin ist es für die Batterielaufzeit tödlich, wenn dauernd das Display an geht. Das passiert zum Beispiel, wenn der Untergrund beim Radfahren etwas holprig ist.

Meine Lösung: Eine Smartwatch mit langer Batterielaufzeit, ePaper-Display, Piepser, und Bluetooth-LE. Und ein besonders technisches Design. Dazu wird die Uhr aus einer Flex-Leiterplatte hergestellt, die gleichzeitig als Armband dienen soll. Wie und ob das funktioniert, wird sich herausstellen.

Hier sind die Features, für die ich mich entschieden habe:
  • nRF52832 im ISP1507-AX Modul
  • TPS610994 synchroner Boost-Converter
  • M41T62 RTC mit integriertem Kristall
  • LSM303AGR eKompass (Magnetfeld/Beschleunigung)
  • SMT-0940-T-3V-R Piezo Buzzer
  • GDEW0154Z17 ePaper Display
Die MCU ist ein Cortex-M4 mit vielen Peripherien auf dem Chip. Dazu auch ein BLE-Radio und NFC. Für die Uhr werden folgende Peripherien benötigt: BLE, I2C, SPI, NFC und einige GPIO Pins. Der Cortex-M4 mit Fließkomma Unterstützung läuft mit 64MHz. Dadurch kann er schnell auf Ereignisse reagieren und dann wieder in den Sleep-Modus wechseln. Je länger der Sleep-Modus ist, desto erheblicher kann Batteriekapazität gespart werden. Das RAM ist 64kb groß und bietet ausreichend Platz für die Display Daten, sowie BLE und Applikationen. Als Flash sind 512kb vorhanden, was ausreichend Platz für die Firmware, sowie Applikationen und Grafiken ist. Die MCU wird das "Gehirn" der Uhr.

Betrieben werden soll die Uhr mit einer CR2032 Batterie. Die liefert eine Spannung von 3V ... 1,8V. Um auf die Betriebsspannung von 3,3V zu kommen, muss ein Baustein her, der mit Hilfe einer Induktivität die Spannung hochsetzt. Dazu habe ich den Energiesparenden TPS61099 von Texas Instrument gewählt. Dieser Boost-Converter hat einen sehr kleinen Energiebedarf. Dadurch verbraucht der Regler kaum Energie für sich selbst und kann der nachfolgenden Schaltung die Energie zur Verfügung stellen. Eingeschaltet werden soll der Booster, wenn das Uhrband geschlossen wird. Das bedeutet, dass die Uhr keine Zeit anzeigt, wenn sie geöffnet ist. Ob das eine sinnvolle Funktion ist, wird sich im Alltag herausstellen.

Die M41T62 Echtzeituhr besitzt einen 32kHz Kristall und bringt alles mit, um die Uhrzeit auf +-5 Sekunden pro Monat genau zu halten. Angeschlossen wir die RTC über I2C und kann da bis zu 400kHz leisten. Das hilft, die Dauer der Kommunikation zwischen MCU und RTC kurz zu halten, denn auch hier ist die Zeit, die die CPU nicht schlafen kann und mehr Strom von der Batterie braucht unerwünscht.
Um die Schlafdauer zu maximieren, kann in der RTC ein Alarm programmiert werden, der die CPU dann aufweckt, wenn etwas abzuarbeiten ist. Somit muss die CPU nicht immer aufwachen und selbst nachschauen, ob etwas zu berechnen ist. Diese Funktion muss allerdings in der Software vorgesehen werden.

Um zu erkennen, ob die Uhr bewegt wird, wird ein elektronischer Kompass LSM303AGR verbaut. Dieser bietet Messwerte zur Beschleunigung und Magnetfelder in alle 3 Achsen. Dadurch können zum Beispiel ein Schrittzähler oder ein 'draufschau' Modus implementiert werden. Auch kann die Uhr erkennen, wie der Arm gehalten wird, dadurch können verschiedene Applikationen implementiert werden. Ein Beispiel ist eine Maussteuerung für den PC, oder ein umschalten des Dialogfelds, wenn der Arm auf 'wegschauen' gedreht wird.

Wie jede gute Uhr, soll auch meine Smartwatch piepen können. Der gewählte Piezo Buzzer ist mit 9 x 9mm sehr klein und passt unter das Display. Die Eigenfrequenz von 4kHz ist ein heller Pfeifton, aber er wird nur kurz zum Piepen verwendet. DerTon ist daher nicht so schmerzhaft, wie ein durchgehender Ton mit dieser Frequenz.

Zu guter Letzt das Display, mit dem eigentlich alles angefangen hat. Ich habe auf der Webseite AliExpress ein Display gefunden, dass die ideale Abmaße für eine Uhr hat und mich dann dazu entschlossen das Projekt Schmartwatch zu starten. Es hat eine Auflösung von 152x152 Pixel bei einer Größe von 1,54Zoll (39,11mm). Das ergibt eine Auflösung von ca. 5,5 Pixel pro mm. Ebenso hat das e-Paper zwei mögliche Farben, rot und schwarz, neben dem weißen Hintergrund.
Auf dem Display befindet sich ein zweiter Controller, der die Ansteuerung des Displays übernimmt. Dieser Controller ist auf dem Glas des Displays aufgeklebt und dann dort mit sehr feinen Golddrähten verbunden. Verbunden ist der Controller des Displays über den SPI Bus der MCU.

Der nächste wird sich mit der Erstellung der Prototypen Leiterplatte beschäftigen. Weitere Artikel werden dann die Software, Flex-Leiterplatte und Bestückung, sowie BOM-Management beinhalten.