Freitag, 28. September 2018

Schmartwatch [09]: Energieverbrauch

Ich habe jetzt Urlaub und was bietet sich da besser an, als ein Laufzeit Experiment. Die Uhr ist mit der aktuellen Software ausgestattet, das Softdevice ist initialisiert, aber nicht aktiv. Ich habe eine neue Batterie eingelegt und lasse die Uhr jetzt einfach liegen. Dank des E-Ink Displays kann man genau sehen, wie lange die Uhr lief, bevor kein Update mehr kam. Das Foto zeigt die Uhr kurz nach dem Start beim Updaten der Minute.

Testbedingungen

Test startete am  28.09.2018 19:56
Git Revision 0c692ed

Hardware:

  • FR4 Prototyp mit Display Adapter Platine
  • J-Link Adapter mit Diode
  • CR2032 Lithium Knopfzelle von EDEKA zuhause MHD: 12-2022


Zum Schluss noch einige Messungen während die Uhr läuft:
Zustand der Spule am Schaltpunkt des DCDC-Konverters während des Ruhe Betriebs. Dieser Spannungsverlauf hat eine Einschaltdauer von 15%.

Zustand der Spule am Schaltpunkt des DCDC-Konverters während einer Aktualisierung.

Spannung an der Batterie während des Ruhe Betriebs.

Spannung an der Batterie während einer Display Aktualisierung.

Donnerstag, 27. September 2018

Schmartwatch [08]: BOM Management in KiCad

Um eine elektronische Baugruppe herstellen zu können benötigt man neben einer Leiterplatte elektronische Komponenten. Diese haben spezifische Werte, um die gewünschte Funktion zu erzielen. Spezifiziert werden die Werte beim Eingeben des Schaltplans. In KiCad geht das mit dem Programm Eeschema. Anhand der Funktion und angegebenen Parametern kann eine Auswahl getroffen werden, welche Bauteile von welchem Hersteller für eine Komponenten im Schaltplan verwendet werden können. Ähnlich wie bei der Herstellung von Leiterplatten können dann verschiedene Gründe, wie Lieferzeit und Preis, die Auswahl beeinflussen. Betrachtet man diese Schaltung, zeigt sich dass hier folgende Komponenten verwendet werden:
Zwei Widerstände, eine Spule , zwei Kondensatoren, drei Schottky Dioden und ein Transistor. Im Schaltplan sind alle wichtigen Informationen eingeblendet um die Schaltung ausreichend zu spezifizieren. Der Transistor ist angegeben als Si1308EDL. Dieser wird von der Firma Vishay hergestellt und ist nur im SOT-323 Package zu bekommen. Für die Schottky Dioden ist eine Typenbezeichnung angegeben: MBR0530. Ebenso eine Gehäuseform: SOD-123. Somit kann als Bauteil eine Diode von ON Semi oder MCC eingesetzt werden. Bei den Kondensatoren, Widerständen und Spule ist die Auswahl noch größer. Die Kondensatoren haben als Werte die Kapazität, Gehäusegröße und maximal Spannung angegeben. Mit diesen Werten bieten sich mehrere Hersteller an. Hier sind zum Beispiel Murata, Yageo oder TDK zu nennen. Jeder der Kondensatoren, der die angegebenen Werte erfüllt ist geeignet in dieser Schaltung verwendet zu werden. Die Spule ist ähnlich wie die Kondensatoren mit drei Charakteristiken spezifiziert. Der Induktivität, dem maximalen Strom und der Bauform. Mit diesen Parametern bieten sich Spulen der Hersteller Taiyo Yuden oder TDK an. Beide Spulen sind geeignet.
Bei den Widerständen sind lediglich die Gehäuseform (0603) und der Ohmsche Widerstandswert angegeben. Daher bieten sich eine Vielzahl an Herstellern an, z.B. Stackpole, Bourns, Vishay, Yageo oder Susumu.

Wie zu sehen ist, stehen für viele Komponenten der Schaltung Alternativen zur Verfügung. Diese sind grundsätzlich alle geeignet um eine funktionierende Baugruppe zu bilden. Beim Herstellen kann also die günstigste oder kurzfristig beschaffbare Variante gewählt werden. Das ganze zu verwalten nennt man BOM-Management (Bill of Material). In größeren Unternehmen sind ganze Abteilungen damit beschäftigt, die Verfügbarkeit von Alternativen für die Bestückung der Leiterplatte zu sichern. Im kleinen Rahmen reicht aber eine solche Tabelle völlig aus.
Im aktuellsten KiCad (5.0.0) ist das Management der BOM nicht ganz ausgereift, aber dennoch brauchbar. Die Tabelle wird dynamisch mit den Komponenten im Schaltplan aktualisiert und kann auch die einzelnen Gruppen als ganzes bearbeiten. So sind zum Beispiel alle Kondensatoren  mit 100nF gruppiert. Wenn in der Gruppe ein Feld geädert wird, ändert sich auch jede Komponente in der Gruppe. So kann nach der Schaltplaneingabe schnell eine Zuordnung der einzelnen Komponenten zu Bestellnummern (MPN) hergestellt werden. Das Feld Price habe ich noch zusätzlich eingefügt, um einen groben Überblick über die Kosten zu behalten. Wenn in der Tabelle die Felder fehlen, kann einem beliebigen Bauteil das Feld im Eigenschaften-Dialog hinzugefügt werden. Danach sthet es allen Komponenten zur Verfügung.

Mit diesen Feldern in den Eigenschaften der einzelnen Komponenten kann eine Stückliste erzeugt werden, die viele Informationen für eine Bestellung beinhaltet. Über den BOM Ausgabedialog kann das Plugin bom_csv_grouped_by_value ausgeführt werden. Wenn das in der Auswahl nicht aufgeführt ist, aknn es über Add Plugin hinzugefügt werden. Im Ordner "C:\Program Files\KiCad\bin\scripting\plugins" befindet sich das Script.
Weiterhin sollte in der Kommandozeile das %O durch ein %O.csv ersetzt werden, wie in der Abbildung zu sehen. Dadurch wird der erzeugten Datei die Endung .csv gegeben anstatt keiner.

Nachdem die BOM generiert wurde, findet ihr die Ausgabe im Projektordner mit den Namen des Projekts und wenn die Kommandozeile angepasst wurde mit Endung .csv. Hier sind die Werte der Tabelle als Text abgespeichert und können in einer Tabellenkalkulation bearbeitet werden. Diese Liste kann auch dem Hersteller der Baugruppe übergeben werden. Eventuell müssen hier noch Komponenten gelöscht werden um mögliche Verwirrungen zu vermeiden.
Um Signale an der Flachbaugruppe gut messen zu können, werden Testpunkte in der Schaltung verwendet. Diese sind zwar Komponenten im Schaltplan, haben aber kein Bauteil, das bestückt werden muss. Daher kann in der Stückliste die Zeile entfernt werden. gleiches gilt für die Widerstände, die als DNP (Do Not Place) markiert sind. Auch einer der Steckverbinder soll nicht verlötet werden, daher kann er aus der Liste gestrichen werden.

Was jetzt übrig bleibt, ist eine vollständige Stückliste mit alternativen Bauteilen, wenn möglich, aus der jeder Hersteller ein Angebot für die Baugruppe erstellen kann.

Samstag, 8. September 2018

Schmartwatch [07]: Erstes Watchface -> 7-Segment-Circuit

Auf meiner Pebble Smartwatch wird die aktuelle Uhrzeit mit dieser Watchface angezeigt. Die gefällt mir so gut, dass ich mich davon inspirieren ließ und für meine Schmartwatch eine 7-Segment Watchface entworfen habe.


Die Uhr ist im Moment nur in der Lage das Display komplett anzusteuern. Das heißt, es wird jede Minute das komplette Display neu gezeichnet. Der Prozess dauert einige Zeit und benötigt während der Aktualisierungsphase wesentlich mehr Strom als im Standby / Power-off Zustand. Um von der aktuell geringen Batterielaufzeit (einige Tage) auf eine bessere Laufzeit (einige Monate) zu kommen, sollte ein komplettes Update des Displays so selten wie möglich gemacht werden. Dazu mehr, wenn es um das partielle Update geht.

Die Watchface ist nach dem folgenden Muster aufgebaut:
  • Die RTC löst einen "Minute hat sich geändert" Alarm aus.
  • Lösche den Framebuffer.
  • Zeichne den Hintergrund.
  • Schaue, ob sich der Monat geändert hat, wenn ja, aktualisiere den Bereich im Framebuffer.
  • Schaue, ob sich der Tag geändert hat, wenn ja, aktualisiere den Bereich im Framebuffer.
  • Schaue, ob sich die Stunde geändert hat, wenn ja, aktualisiere den Bereich im Framebuffer.
  • Schaue, ob sich der Minute geändert hat, wenn ja, aktualisiere den Bereich im Framebuffer.
  • Wecke das Display aus dem Energiesparmodus.
  • Warte, bis das Display bereit ist.
  • Schreibe den Framebuffer in das RAM des Displays und starte ein volles Update.
  • Warte, bis das Update fertig ist.
  • Setzte das Display in den Energiesparmodus.

Als Hintergrund Bild ist dieses binäre Bitmap hinterlegt. Es ist 152x152 Pixel groß und nimmt somit das komplette Display ein.
Bei dieser Größe hat das Bild 23.104 Pixel. Es benötigt also 2.888 Byte Programmspeicher und RAM. Der erste Schritt diesen Speicherbedarf zu kürzen ist, den großen Anteil weiß in der Mitte des Bildes auszulassen, das Bild also in zwei Teile zu zerlegen. Diese sind dann nur 45 Pixel hoch, benötigen also nur 855 Byte je Bild macht also eine Speicherersparnis von ca 30%.
Bei weniger komplexen Grafiken kann es sogar effizienter sein, die Grafik bei Bedarf in den Framebuffer zu zeichnen. Genau das ist nämlich die 7-Segment Anzeige. Die Segmente sind simple Grafiken, die bei Bedarf gezeichnet, oder weggelassen werden können. Wie die Abbildung zeigt, ist ein Segment nichts weiter als ein gefülltes Rechteck, an dessen Stirnseite je eine kürzere Linie gezeichnet wird. Die Grafik wurde mit dem Simulator Tool erzeugt, der den gleichen Render-Code besitzt, wie die Uhr. Allerdings sind die Pixel um das Zweifache vergrößert dargestellt. Das hilft beim Erstellen der Grafiken enorm. Da das Display ziemlich klein ist, ist ein einzelnes Pixel schwierig zu erkennen.


Eine Zahl im Sieben-Segment Display wird dann aus waagerechten oder senkrechten Elementen gezeichnet und so müss nicht jede Zahl von 0 bis 9 als Bitmap im RAM vorgehalten werden.

Wenn man den oben beschriebenen Ablauf genauer betrachtet, kann man erkennen, dass ein partielles Update des Displays relativ einfach zu bewerkstelligen sein sollte. Jedesmal wenn sich ein Wert geändert hat, wird die betroffene Fläche mit einem partiellen Update aktualisiert. Die Dokumentation des Displays ist leider nicht sehr aussagekräftig, was den Ablauf des Updates betrifft. Daher wird dieses Thema ein eigenes Kapitel bekommen.