# Hardware-Konzept

Dieses Dokument beschreibt die physischen Komponenten des Lasertag-Systems. Alle Knoten basieren auf dem Nordic nRF52840 SoC.

**Ziele:** robuste Outdoor-Tauglichkeit, klare Rollen-Trennung (Waffe/Weste/Leader), einfache Wartung (Steckverbinder, modulare Boards) und reproduzierbare Reichweite über saubere Stromversorgung.

## 1. Geräteübersicht

### 1.1 Waffe (Weapon Unit)

Die Waffe ist das primäre Interaktionsgerät. Sie muss robust und reaktionsschnell sein.

* **Controller:** nRF52840 (Dongle oder Modul).
* **IR-Sender:** High-Power IR-LED (940nm oder 850nm) mit Optik/Linse und Treiberstufe (Reichweite > 50m).
* **Feedback:** Muzzle Flash (helle LED), Solenoid (6V Open Frame, Rückstoss), Audio (Schussgeräusche, "Leer"-Klicken).
* **Eingabe:** Abzug (Trigger), Nachladen (Taster), optionaler Schalter für Feuermodus.
* **Stromversorgung:** 2S LiPo (7.4V) mit Buck auf 5V, nRF52840 mit interner 3.3V-Regelung.

### 1.2 Weste (Player Hub)

Die Weste ist die zentrale Recheneinheit des Spielers und trägt die Sensorik.

* **Controller:** nRF52840 DK oder Custom Board.
* **Sensorik (IR-Empfänger):** Verteilte Sensoren für 360° Abdeckung (Kopf, Brust/Rücken, Schultern).
* **Beleuchtung:** Adressierbare RGB-LEDs (WS2812B) an den Sensor-Positionen für Teamfarbe/Treffer.
* **Audio:** Leistungsstarker Lautsprecher für Sprachausgabe.
* **Verbindung:** Zentrale Box am Rücken mit Steckverbindern zu den Sensorgruppen.

### 1.3 Leader Box (Game Controller)

Die Leader Box dient zur Spielsteuerung und als Infrastruktur-Knoten.

* **Controller:** nRF52840.
* **Modi (Hardware-Schalter):** 2 DIP-Schalter zur Wahl von Leader / Repeater / Base.
* **Ausstattung:** IR-Empfänger, RGB-LEDs, Bluetooth-Gateway zur Smartphone-App.
* **Stromversorgung:** Großer Akku für lange Laufzeit.

### 1.4 Power-Up-Stationen (Deckel-Boxen)

Physische Gegenstände, die Spieler aktivieren, um Power-Ups auszulösen.

* **Controller:** nRF52840 Modul oder DK.
* **Sensoren:** Magnetschalter oder Druckschalter (unter Deckel) zur Erkennung von "Deckel offen".
* **Aktor:** IR-LED-Treiber (ähnlich zur Waffe) – sendet Power-Up-Codes.
* **Feedback:** RGB-LED (Status: Idle grün, aktiv blinkend, Cooldown rot).
* **Kommunikation:** Optional Thread (CoAP) für Logging an Leader ("Station XYZ wurde von Spieler 3 aktiviert").
* **Stromversorgung:** 2S LiPo oder USB-betrieben (wenn stationär).
* **Cooldown:** Hardware oder Software gesteuert (z.B. 30s nach Aktivierung).

### 1.5 Buzzer-Power-Ups

Kompakte passive Power-Up-Geräte mit Druckschalter.

* **Controller:** nRF52840 Modul.
* **Eingabe:** Einfacher Druckschalter (Buzzer-Button).
* **Aktor:** Schwacher IR-LED-Sender (kurze Reichweite ~2-3m, breiter Strahl) für Power-Up-Code.
* **Feedback:** Cooldown-LED (Rot = kann nicht drücken, Grün = aktiv).
* **Kommunikation:** Optional Thread (nur für Admin-Logging, nicht kritisch für Gameplay).
* **Stromversorgung:** 2S LiPo mit Schutzschaltung.
* **Cooldown:** Intern gesteuert (z.B. 15s zwischen Aktivierungen).

## 2. Energieversorgung & Verkabelung

### 2.1 Akkusystem

**Standard:** 2S LiPo (7.4 V nominal, 8.4 V voll geladen, 6.0 V Entladungsschutz).  
**Alternative:** 1S nur für Tests oder Low-Power-Prototypen – ungeeignet für hohe IR-LED-Ströme (siehe Abschnitt 4.1).

**Schutz & Laden:**

- **Zellenschutz-IC:** HY2120-CB + FS8205A (Dual-FET) – schützt vor Über-/Unterspannung, Überstrom, Kurzschluss.
- **Lade-IC:** IP2326 (2S Balancing, USB-C) – ermöglicht einfaches Laden ohne externe Balancer.
- **Fuel Gauge:** Spannungsteiler-basierte ADC-Messung (R1=100k, R2=47k) → Software-Mapping auf Ladestand (6.0 V = 0 %, 8.4 V = 100 %).

!!! info "Warum 2S?"
    2S-Systeme bieten ausreichend Headroom für IR-LED-Konstantstromquellen (>4.8 V nötig bei 3A) und stabile Versorgung auch bei hoher Last. 1S-Zellen brechen unter 1A+ schnell auf 3.4–3.6 V ein.

### 2.2 Spannungsebenen & Wandler

**Primär-Rail (Batterie, 6.0–8.4 V):**  
Direkt gespeist: IR-LED-Treiber, Muzzle-Flash-LED, Solenoid 6V (Open Frame, taktiles Feedback Rückstoss).

**Sekundär-Rail (5.0 V, ~1.5 A):**  
Buck-Converter (z.B. MP2315, TPS62130) für Audio-IC (MAX98357A), adressierbare LEDs (WS2812B) und nachgeschalteten LDO. Hohe Schaltfrequenz gewünscht (geringe Induktivität, kompakte Bauform).

**Tertiär-Rail (3.3 V, ~30 mA):**  
LDO (z.B. MCP1826, AMS1117-3.3) aus 5V Buck-Ausgang für nRF52840 und QSPI Flash. Geringer Dropout (5V → 3.3V = 1.7V) reduziert Wärmeentwicklung; Low-Noise-Design minimiert Störungen auf der RF-Schaltung.

**IR-Empfänger (5V mit Level-Shift):**  
TSOP48xx-Module laufen an 5V (besserer SNR, robuster gegen Sonnenlicht). Output-Signal wird per **AO4300A N-Channel MOSFET** (Open-Drain) auf 3.3V gewandelt → invertierendes Level-Shifting. Software kompensiert Invertierung mit `GPIO_ACTIVE_LOW`.

**Verkabelung Weste:**  
Sternförmige Abgänge zu Sensor-Modulen (Kopf/Brust/Schultern); jeweils 5V + GND + WS2812-Data; verriegelnde Stecker (JST-XH o.ä.), Polyfuse pro Ast, Verpolschutz (Diode/FET).

### 2.3 Leistungsbilanz (Weste)

Die Weste hat durch LEDs und Audio den höchsten Verbrauch; hier die Peak-Abschätzung:

**5V-Rail (Buck-Converter):**

| Komponente | Zustand | Strom | Leistung |
| :--- | :--- | ---: | ---: |
| Audio (MAX98357A) | Volllast (3W @ 90% η) | ~670 mA | 3.35 W |
| WS2812B LEDs (5×) | 100 % Weiß | 300 mA | 1.50 W |
| IR-Empfänger (5×) | Dauerbetrieb @ 5V | ~50 mA | 0.25 W |
| LDO 3.3V (Durchleitung) | 30 mA @ 3.3V | ~30 mA | 0.15 W |
| **Gesamt 5V (Peak)** | | **~1.05 A** | **5.25 W** |

**3.3V-Rail (LDO aus 5V Buck):**

| Komponente | Zustand | Strom | Leistung |
| :--- | :--- | ---: | ---: |
| nRF52840 | BLE+Thread aktiv | ~15 mA | 0.05 W |
| QSPI Flash | Read/Write Burst | ~15 mA | 0.05 W |
| **Gesamt 3.3V (Peak)** | | **~30 mA** | **0.10 W** |

**Auslegung:**  
- **Buck-Regler:** 1.5 A Nennstrom (30 % Reserve), hohe Schaltfrequenz (>1 MHz) für kompakte Drossel/Kondensatoren.  
- **LDO:** 100 mA Nennstrom ausreichend; Verlustleistung bei 30 mA: $P_{loss} = (5V - 3.3V) \cdot 30mA = 51 mW$ (unkritisch). Low-Noise-Design (< 50 µVrms) für sauberen RF-Betrieb.

### 2.4 Blockschaltbild Energieversorgung

```mermaid
flowchart TD
    BAT["2S LiPo<br/>6.0–8.4V"] <--> PROT["Zellenschutz<br/>HY2120+FS8205A"]
    CHG["USB-C Lader<br/>IP2326"] --> PROT
    
    PROT --> BUCK["Buck 5.0V<br/>MP2315/TPS62130<br/>1.5A"]
    PROT --> IR_DRV["IR-LED<br/>Konstantstromquelle"]
    PROT --> MUZZLE["Muzzle Flash<br/>LED-Treiber"]
    PROT --> SOL["Solenoid 6V<br/>Open Frame"]
    
    BUCK --> AUDIO["Audio Amp<br/>MAX98357A"]
    BUCK --> LED["WS2812B LEDs<br/>mit Level Shift"]
    BUCK --> IR_RX["IR-Empfänger<br/>TSOP48xx (5V)"]
    BUCK --> LDO["LDO 3.3V<br/>MCP1826/AMS1117<br/>100mA"]
    
    LDO --> NRF["nRF52840<br/>3.3V"]
    LDO --> FLASH["QSPI Flash<br/>3.3V"]
    
    IR_RX -->|"AO4300A<br/>MOSFET Shifter"| NRF
```

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## 3. Stückliste (Übersicht)

Diese Tabelle gibt einen Überblick über die groben Komponenten pro Einheit. Detaillierte Part Numbers und Bezugsquellen folgen in separaten Docs.

| Komponente | Waffe | Weste | Leader | Menge | Anmerkung |
| :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- |
| nRF52840 (SoC/Modul) | ✓ | ✓ | ✓ | 1/Gerät | Zephyr SDK Support |
| IR-LED (High-Power) | ✓ | | | | 940nm, > 50m Reichweite |
| IR-Empfänger (38kHz) | | ✓ | ✓ | 5–10 | Verteilt auf Kopf/Torso/Schulter |
| RGB-LED (WS2812B) | | ✓ | ✓ | 1–3 | Teamfarbe + Status |
| Solenoid (6V Open Frame) | ✓ | | | | Taktiles Feedback Rückstoss |
| Lautsprecher | ✓ | ✓ | | | Schussgeräusche + Sprachausgabe |
| 2S LiPo Akku | ✓ | ✓ | ✓ | 1 | 7.4V, ggf. unterschiedliche Kapazität |
| Lade-IC (IP2326) | ✓ | ✓ | ✓ | 1 | 2S Balancing |
| Zellenschutz (FS8205A) | ✓ | ✓ | ✓ | 1 | Verpolschutz + OV/UV |
| Spannungsteiler-ADC | ✓ | ✓ | ✓ | 1 | Fuel Gauge (R1=100k, R2=47k) |
| Taster (Trigger/Reload) | ✓ | | | | Auch optional Dip-Switch für Leader |
| USB-C / Pogo-Pad | ✓ | ✓ | ✓ | 1 | Laden + Debug-Konsole |
| Steckverbinder (JST-XH) | ✓ | ✓ | | | Modular aufgebaut |

## 4. Schaltungskomponenten (Detail)

### 4.1 IR-LED-Treiber (Konstantstromquelle)

#### Funktionsprinzip

Hybride PNP/NPN-Topologie für präzisen, modulierten IR-Puls (38 kHz). Die Stromquelle stellt sicher, dass bei wechselnder Batteriespannung der LED-Strom konstant bleibt (→ reproduzierbare Reichweite).

![LED DRIVER](../img/concept_hardware_led_driver.svg)

#### Stromeinstellung

Der Sollstrom wird über $R_{set}$ definiert:

$$R_{set} = \frac{0,65\,\text{V}}{I_{\text{LED}}}$$

**Beispiele:**

| $I_{\text{LED}}$ | $R_{set}$ | Einsatz |
| :--- | :--- | :--- |
| 0,5 A | 1,30 Ω | Standard/Nahkampf |
| 1,0 A | 0,65 Ω | Hohe Reichweite (SFH 4550) |
| 2,0 A | 0,33 Ω | Pulsbetrieb (extreme Leistung) |
| 3,0 A | 0,22 Ω | Scharfschütze (Oslon Black) |

**Thermik:** Bei 38-kHz-Modulation (Duty-Cycle ~30 %) ist $P_{\text{avg}} = R_{set} \cdot I^2_{\text{LED}} \cdot DC$ → deutlich unter Peak. $R_{set}$ muss aber Spitzenstrom verkraften → impulsfeste Typen (Metallschicht, Drahtwiderstand).

#### Headroom & Akkuwahl

Minimalspannung für stabile Regelung:

$$V_{\text{CC,min}} = V_{f(\text{LED})} + 0,65\,\text{V} + 1,0\,\text{V}_{\text{Headroom}}$$

| $I_{\text{LED}}$ | $V_f$ (typ.) | $V_{\text{CC,min}}$ | Akku |
| :--- | :--- | :--- | :--- |
| 0,5 A | 2,0 V | 3,65 V | 1S (nur voll geladen) |
| 1,0 A | 2,4 V | 4,05 V | 2S empfohlen |
| 2,0 A | 2,8 V | 4,45 V | 2S erforderlich |
| 3,0 A | 3,2 V | 4,85 V | 2S erforderlich |

!!! warning "1S ungeeignet für >1A"
    1S-Akkus brechen unter Last auf 3,4–3,6 V ein → Regelung versagt, Reichweite bricht ein. 2S liefert auch bei Teilentladung (7,0 V) genug Headroom.

### 4.2 Adressierbare LEDs (WS2812B)

**Anforderung:** 5V-Versorgung, aber Daten-Pegel kompatibel mit nRF52840 (3.3V Logic).

**Level-Shift:** SN74AHCT1G125 (3.3V → 5V, Single-Gate); schnell genug für WS2812-Timing (800 kHz).  
**Serienwiderstand:** ~330 Ω nach dem Shifter → dämpft Reflexionen auf der Data-Leitung, verhindert Überschwinger.

**Layout:** Data-Leitung kurz halten; bei mehreren LEDs in Serie: Bypass-Kondensator (100 nF + 10 µF) pro 3–5 LEDs.

### 4.3 Audio-Verstärker (MAX98357A)

**Ziel:** Klare Schuss- und Sprach-Ausgabe mit minimalem Aufwand und geringer CPU-Last.

**Architektur:** I2S Class-D Verstärker – DAC + Endstufe integriert, filterlose Topologie (wenige Bauteile).

* **Schnittstelle:** I2S (digital); Audio-Stream per EasyDMA vom nRF52840 → CPU bleibt frei für Game Logic.
* **Leistung:** ~3.2 W @ 4Ω – laut genug für Outdoor-Einsatz.
* **Effizienz:** ~90 % → Akku-schonend; geringer Ruhestrom im Idle.
* **Layout:** Kurze, symmetrische Leitungen zu Speaker-Terminals; separate Ground-Plane; Entkopplung (10 µF + 100 nF) nahe VDD-Pin.

### 4.4 Flash-Speicher (QSPI)

**Aufgabe:** Audio-Files (Schuss-FX, Ansagen) und Spiel-Logs (optional Treffer-Historie).

* **Technik:** QSPI-NOR-Flash (z.B. W25Q128JV, GD25Q16C); 1.8 V oder 3.3 V; XIP-fähig (Execute-in-Place für Code möglich).
* **Kapazität:** 8–16 MB; reicht für ~3 min @ 22 kHz oder ~1.5 min @ 44 kHz (16 bit mono). Empfehlung: 22 kHz – höhere Sample-Rate bringt bei Outdoor-Speaker kaum Mehrwert.
* **Interface:** QSPI (4-Bit parallel); nRF52840 unterstützt DMA-basierten Zugriff → schnelle Reads ohne CPU-Last.
* **Layout:** Flash nahe am MCU (< 5 cm Leitungslänge); Differenzen in Trace-Längen < 1 mm; saubere Ground-Plane; JEDEC-ID beim Boot prüfen.

### 4.5 Akku-Überwachung (Fuel Gauge)

**Prinzip:** Spannungsteiler + ADC für 2S-Akkus (0–8.4 V) → Software-basierte Ladezustandsschätzung (kein dediziertes Fuel-Gauge-IC nötig).

**Schaltungskomponenten:**

| Bauteil | Wert | Funktion |
| :--- | :--- | :--- |
| $R_1$ | 100 kΩ | Spannungsteiler – oberer Zweig |
| $R_2$ | 47 kΩ | Spannungsteiler – unterer Zweig (→ ADC) |
| $C_1$ | 100 nF | Tiefpass-Glättung am ADC-Eingang |

**Softwarelogik:**

1. **ADC-Konvertierung:** 12-bit ADC liest $V_{\text{div}}$ (max. 3.3 V bei VRef = 3.3 V).
2. **Rückrechnung:** $V_{\text{bat}} = V_{\text{adc}} \cdot \frac{R_1 + R_2}{R_2} = V_{\text{adc}} \cdot 3.13$
3. **Mapping:** Lookup-Table oder linear interpoliert:
   - 8.4 V → 100 % (voll geladen)
   - 7.4 V → ~50 % (nominal)
   - 6.0 V → 0 % (Schutzschaltung aktiv)

**Kalibrierung:** Einmalig bei Produktion: Spannung an bekanntem Referenzpunkt messen, Offset/Gain in NVS speichern.

---

## 5. Bauteil-Übersicht & Empfehlungen

Konsolidierte Liste der Schlüsselkomponenten mit konkreten Part-Vorschlägen. Detaillierte BOMs folgen in separaten Docs (Waffe/Weste/Leader).

| Kategorie | Bauteil/Funktion | Vorschlag | Alternativen | Anmerkung |
| :--- | :--- | :--- | :--- | :--- |
| **MCU** | Mikrocontroller | nRF52840 | — | Zephyr-Support, BLE+Thread |
| **Energie** | 2S-Akku | Li-Po 7.4V, 1000–2000 mAh | — | Kapazität je nach Gerät |
| | Zellenschutz | HY2120-CB + FS8205A | DW01A + 8205A | OV/UV/OC-Protection |
| | Lade-IC | IP2326 (2S Balancing) | TP4056 (nur 1S) | USB-C, Balancing integriert |
| | Buck 5V | MP2315, TPS62130 | — | 1.5 A, >1 MHz Schaltfrequenz |
| | LDO 3.3V | MCP1826, AMS1117-3.3 | XC6206P332MR | Low-Noise für RF, < 0.5V Dropout |
| **IR** | IR-LED | SFH 4550, Oslon Black | TSAL6400 | 940 nm, >50 m Reichweite |
| | IR-Empfänger | TSOP4838, TSOP38438 | VS1838B | 38 kHz Demodulator, 5V Supply |
| | LED-Treiber | PNP/NPN diskret | IRL530 (Logic-FET) | Konstantstrom, PWM-fähig |
| | Level-Shifter IR | AO4300A (N-Ch MOSFET) | BSS138, 2N7002 | 5V → 3.3V, invertierend |
| **LED** | Adressierbare | WS2812B (5050) | SK6812, APA102 | 5V, ~60 mA/LED @ weiß |
| | Level-Shift | SN74AHCT1G125 | 74HCT245 (8-Kanal) | 3.3V → 5V, single-gate |
| **Audio** | Class-D Amp | MAX98357A | PAM8302, TPA2005D1 | I2S, 3.2W @ 4Ω |
| | Speaker | 4Ω, 3–5W | 8Ω (lower SPL) | Outdoor-tauglich |
| **Speicher** | QSPI Flash | W25Q128JV (16 MB) | GD25Q16C (2 MB) | NOR-Flash, 3.3V |
| **Feedback** | Solenoid | 6V Open Frame | — | Rückstoss direkt ab Batterie |
| | Muzzle LED | Weiß/Gelb, 1W+ | Cree XP-E2 | Sichtbar bei Tag |
| **Passiv** | $R_{\text{set}}$ (IR) | 0.22–1.3 Ω, 3W | Metallschicht, Draht | Impulsfest |
| | Spannungsteiler | 100k + 47k, 1% | 0.1% für Präzision | Fuel Gauge |
| **Mechanik** | Stecker | JST-XH (2.54mm) | Molex PicoBlade | Verriegelnd, 3–5 Pole |
| | Taster | Omron B3F, Alps SKQG | Cherry MX (größer) | Trigger, Reload |

**Hinweise:**

- **IR-LED:** Oslon Black für extreme Reichweite (3A-Betrieb), SFH 4550 für Standard (1–2A).
- **Audio:** MAX98357A ist quasi-Standard; Alternativen (PAM8302) haben höheren THD, aber OK für SFX.
- **Flash:** 16 MB erlauben ~6 min Audio @ 22 kHz – gut für zukünftige Erweiterungen (z.B. mehrsprachige Ansagen).
- **Stecker:** JST-XH ist weit verbreitet und günstig; Molex PicoBlade kompakter, aber teurer.

### 5.1 IR-LEDs

| Typ | Leistung |Bemerkungen |
|-----|----------|------------|
| **SFH 4725S** | 3W | Standardmodell für 940nm<br>**Vorteile:** Sehr bewährt, gute Effizienz |
| **SFH 4726S** | 3W | Ähnlich wie die 4725S, aber oft mit einer leicht anderen internen Linsencharakteristik (breiterer Abstrahlwinkel ohne externe Optik). |
| **SFH 4727AS** | 5W | Das 940-nm-Gegenstück zu deiner 4715AS. <br>**Vorteil:** Für deine 3-A-Pulse im Outdoor-Modus die stabilste Wahl. Sie verträgt die hohen Pulsströme thermisch am besten.|
|**SFH 4725AS**| 3W | Eine neuere "A"-Revision mit verbesserter Wärmeableitung.|

Es wird empfohlen, entsprechende "STAR"-Aluplatinen zu verwenden, um die Wärmeableitung zu garantieren.

### IR-Empfänger

| Typ | Bemerkungen |
|-----|------------|
| **TSOP34456 / TSOP38456** | Der Standard für 56 kHz.<br>**Charakteristik**: Besitzt eine sehr agressive **AGC (Automatic Gain Controll)**<br>**Problem:** Bei extrem starken Signalen im Nahbereich kann die AGC "zumachen" und die Hüllkurve verzerren. |
| **TSSP4056 / TSSP77056** | **Vorteil:** Er hat eine **feste Verstärkung (Fixed Gain)**. Er regelt also nicht ab, wenn das Signal stark wird.<br>**Nutzen:** Das Signal bleibt viel konstanter als bei bei einem TSOP.|


*Stand: 04.01.2026*