diff --git a/doc/docs/konzept/hardware.md b/doc/docs/konzept/hardware.md index f0404ff..867f30b 100644 --- a/doc/docs/konzept/hardware.md +++ b/doc/docs/konzept/hardware.md @@ -12,9 +12,9 @@ Die Waffe ist das primäre Interaktionsgerät. Sie muss robust und reaktionsschn * **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), Vibrationsmotor, Audio (Schussgeräusche, "Leer"-Klicken). +* **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 Step-Down auf 3.3V. +* **Stromversorgung:** 2S LiPo (7.4V) mit Buck auf 5V, nRF52840 mit interner 3.3V-Regelung. ### 1.2 Weste (Player Hub) @@ -35,12 +35,69 @@ Die Leader Box dient zur Spielsteuerung und als Infrastruktur-Knoten. * **Ausstattung:** IR-Empfänger, RGB-LEDs, Bluetooth-Gateway zur Smartphone-App. * **Stromversorgung:** Großer Akku für lange Laufzeit. -## 2. Energie & Verkabelung +## 2. Energieversorgung & Verkabelung -* **Akkus:** 2S LiPo (7.4V) als Standard; 1S nur für Tests/Low-Power-Aufbau. -* **Spannungswandler:** Abwärtswandler auf 3.3V für Logik, separater Treiberpfad für IR-LEDs (hoher Pulsstrom, niedriger Duty-Cycle). -* **Verkabelung Weste:** Sternförmige Abgänge zu Sensorgürteln (Kopf, Brust/Rücken, Schultern) mit verriegelnden Steckern; Datensignal (LED) + Versorgung gebündelt. -* **Absicherung:** Polyfuse pro Ast empfohlen, Verpolschutz an jedem Modulanschluss. +### 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 nRF52840 (3.3V intern geregelt). Hohe Schaltfrequenz gewünscht (geringe Induktivität, kompakte Bauform). + +**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 (5V-Rail, Weste) + +Die Weste hat durch LEDs und Audio den höchsten Verbrauch; hier die Peak-Abschätzung: + +| 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 | +| nRF52840 | BLE+Thread aktiv | ~15 mA | 0.08 W | +| QSPI Flash | Read/Write Burst | ~15 mA | 0.08 W | +| IR-Empfänger (5×) | Dauerbetrieb | ~50 mA | 0.25 W | +| **Gesamt (Peak)** | | **~1.05 A** | **5.26 W** | + +**Auslegung:** Buck-Regler mit 1.5 A Nennstrom (30 % Reserve), hohe Schaltfrequenz (>1 MHz) für kompakte Drossel/Kondensatoren. + +### 2.4 Blockschaltbild Energieversorgung + +```mermaid +flowchart TD + BAT["2S LiPo
6.0–8.4V"] <--> PROT["Zellenschutz
HY2120+FS8205A"] + CHG["USB-C Lader
IP2326"] --> PROT + + PROT --> BUCK["Buck 5.0V
MP2315/TPS62130
1.5A"] + PROT --> IR_DRV["IR-LED
Konstantstromquelle"] + PROT --> MUZZLE["Muzzle Flash
LED-Treiber"] + PROT --> SOL["Solenoid 6V
Open Frame"] + + BUCK --> AUDIO["Audio Amp
MAX98357A"] + BUCK --> LED["WS2812B LEDs
mit Level Shift"] + BUCK --> NRF["nRF52840
3.3V intern"] + + NRF --> FLASH["QSPI Flash
3.3V"] + NRF --> IR_RX["IR-Empfänger
TSOP48xx"] +``` + +--- ## 3. Stückliste (Übersicht) @@ -52,7 +109,7 @@ Diese Tabelle gibt einen Überblick über die groben Komponenten pro Einheit. De | IR-LED (High-Power) | ✓ | | | | 940nm, > 50m Reichweite | | IR-Empfänger (38kHz) | | ✓ | ✓ | 5–10 | Verteilt auf Kopf/Torso/Schulter | | RGB-LED (WS2812B) | | ✓ | ✓ | 1–3 | Teamfarbe + Status | -| Vibrationsmotor | ✓ | | | | Taktiles Feedback Schuss | +| 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 | @@ -62,111 +119,134 @@ Diese Tabelle gibt einen Überblick über die groben Komponenten pro Einheit. De | USB-C / Pogo-Pad | ✓ | ✓ | ✓ | 1 | Laden + Debug-Konsole | | Steckverbinder (JST-XH) | ✓ | ✓ | | | Modular aufgebaut | -## 4. Schaltungskomponenten +## 4. Schaltungskomponenten (Detail) -### 4.1 LED-Treiber +### 4.1 IR-LED-Treiber (Konstantstromquelle) -#### Grundkonzept +#### Funktionsprinzip -Der LED-Treiber realisiert eine präzise Konstantstromquelle als Hybridschaltung aus PNP- und NPN-Transistoren. Diese Architektur ermöglicht eine stabile und effiziente Ansteuerung von Infrarot-Leuchtdioden mit definierten Stromwerten. +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 Zielstrom wird über den Messwiderstand $R_{set}$ eingestellt. Die Berechnung folgt der Formel: +Der Sollstrom wird über $R_{set}$ definiert: -$$R_{set} = \frac{0,65V}{I_{LED}}$$ +$$R_{set} = \frac{0,65\,\text{V}}{I_{\text{LED}}}$$ -Die folgenden Tabelle zeigt typische Stromwerte, die erforderlichen Widerstände und die entsprechenden Anwendungsfälle: +**Beispiele:** -| Stromstärke ($I_{LED}$) | Widerstand ($R_{set}$) | Ausgangsleistung ($P_{min}$) | Einsatzbereich | -| :--- | :--- | :--- | :--- | -| 0,5 A | 1,30 $\Omega$ | 0,5 W | Standard / Nahkampf | -| 1,0 A | 0,65 $\Omega$ | 1,0 W | Hohe Reichweite (SFH 4550) | -| 2,0 A | 0,33 $\Omega$ | 2,0 W | Extrem hohe Leistung (Pulsbetrieb) | -| 3,0 A | 0,22 $\Omega$ | 3,0 W | Scharfschützen-Modus (Oslon Black) | - -#### Thermische Betrachtung - -Im Lasertag-Betrieb werden die Infrarot-Signale hochfrequent moduliert (beispielsweise mit 38 kHz). Dies führt zu einem signifikant geringeren mittleren Wärmeeintrag in den Messwiderstand als eine kontinuierliche Strombelastung suggeriert: - -$$P_{avg} = (R_{set} \cdot I_{LED}^2) \cdot \text{Duty Cycle}$$ - -!!! info "Bedeutung der Widerstandsspezifikation" - Obwohl die Duty-Cycle-Modulation die durchschnittliche Verlustleistung reduziert, müssen Widerstände für $R_{set}$ für die auftretenden Stromspitzen ausgelegt sein. Wir empfehlen impulsfeste Typen (Metallschicht- oder Drahtwiderständen), um die Stromspitzen bis zu 3 A ohne Materialermüdung zu verkraften. - -#### Spannungsversorgung und Headroom-Anforderungen - -Die Konstantstromquelle benötigt eine Mindestverspannung zwischen Versorgung und Ausgang, um präzise die Sollstromstärke zu halten. Diese sogenannte Headroom-Spannung errechnet sich aus: - -$$V_{CC} > V_{f(\text{LED})} + 0,65V + 1,0V_{\text{Headroom}}$$ - -**Kritischer Aspekt bei Lithium-Ionen-Akkus:** Die Akkuspannung sinkt während der Entladung kontinuierlich. Unterschreitet $V_{CC}$ den erforderlichen Schwellwert, bricht die Regelung zusammen und der LED-Strom kann die Sollvorgabe nicht mehr erreichen. Dies führt zu einer drastischen Reduktion der Reichweite des Senders. - -Die Minimalspannung für stabilen Betrieb wird bestimmt durch: - -$$V_{CC,\text{min}} = V_{f(\text{LED})} + V_{R_{set}} + V_{\text{Headroom}}$$ - -Die folgende Tabelle zeigt die erforderlichen Minimalspannungen für verschiedene Stromvorgaben und die Eignung unterschiedlicher Akkusysteme: - -| Stromstärke ($I_{LED}$) | Typ. LED-Spannung ($V_{f}$) | Erforderliche Spannung ($V_{CC,\text{min}}$) | Akku-Empfehlung | -| :--- | :--- | :--- | :--- | -| 0,5 A | ~2,0 V | 3,65 V | 1S (nur bei voller Ladung) | -| 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-System: Einschränkungen unter Last" - Ein einzelner 1S Li-Po Akku sinkt unter hohen Stromlasten schnell auf 3,4 V bis 3,6 V ab. Für konstante Reichweite bei Strömen ab 1 A ist ein 2S-System daher technisch überlegen. - -#### 2S-Akkusystem: Komplexität und Lösungsansätze - -Ein 2S-Akkusystem bietet zwar Spannungsstabilität, erfordert jedoch anspruchsvollere Schutz- und Überwachungsfunktionen: - -- **Laden:** Moderne 2S-Ladechips mit integriertem Balancing (beispielsweise der IP2326) ermöglichen vereinfachte Ladevorgänge. -- **Zellenschutz:** Ein Zellenschutz-IC wie der HY2120-CB in Kombination mit einem Dual-Channel MOSFET (beispielsweise FS8205A) verhindert Über- und Unterspannungszustände. -- **Fuel Gauge:** Spezielle Fuel-Gauge-ICs für 2S-Systeme sind selten oder komplex. Als praktische Alternative wird eine Spannungsteiler-ADC-Messung zur Ladezustandsabschätzung eingesetzt. Der Spannungsteiler muss durch ein Schaltgattersystem steuerbar sein. - -### 4.2 Audio-Driver -Um Audio (z. B. Schussgeräusche, Sprachansagen) von einem externen Flash abzuspielen, ohne die CPU zu belasten, müssen wir auf Hardware-DMA-Transfer setzen. - -Die beste Lösung für ein kompaktes, batteriebetriebenes System wie eine Lasertag-Waffe ist ein I2S Class-D Verstärker. Dieser kombiniert DAC und Verstärker in einem Chip und wird digital angesteuert. - -Der "Industriestandard" für Mikrocontroller ist da der MAX98357A: - -* **Schnittstelle**: I2S (Digital) -* **Leistung**: 3.2W an 4Ω (sollte mehr als genug laut sein) -* **Vortiele**: - * Kein externer DAC nötig - * Direkter Anschluss an den Lautsprecher - * Extrem Energieeffizient (schont die Akkus) - * Filterlose Class-D Architektur (wenige Bauteile) -* **CPU-Last**: Minimal, da der nRF52840 die Daten per EasyDMA schickt (zur Anpassung der Lautstärke wird etwas Rechenleistung benötigt) - -### 4.3 Akku-Überwachung (Fuel Gauge) - -#### Spannungsmessung bei 2S-Akkus - -Für 2S-Akkusysteme mit Spannungen bis 8,4 V wird die Akkuspannung über einen Spannungsteiler auf den ADC-Eingangspegel reduziert. Dieser Messwert dient zur Ladezustandsabschätzung und Fehlerdiagnose. - -#### Schaltungskomponenten - -| Komponente | Wert | Funktion | +| $I_{\text{LED}}$ | $R_{set}$ | Einsatz | | :--- | :--- | :--- | -| $R_1$ | 100 k$\Omega$ | Spannungsteiler – oberer Zweig | -| $R_2$ | 47 k$\Omega$ | Spannungsteiler – unterer Zweig | -| $C_1$ | 100 nF | Glättungskondensator am ADC-Eingang | +| 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) | -#### Softwarelogik +**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). -Die Ladezustandsbestimmung erfolgt in drei Schritten: +#### Headroom & Akkuwahl -1. **ADC-Konvertierung:** Der Rohwert des ADC-Eingangs wird eingelesen. -2. **Spannungsrückrechnung:** Die Realspannung wird aus dem ADC-Wert berechnet: $V_{\text{bat}} = V_{\text{adc}} \cdot \frac{R_1 + R_2}{R_2}$ -3. **Ladezustand-Mapping:** Die Batteriespannung wird auf einen prozentualen Ladezustand abgebildet: - * **6,0 V** → 0 % (Entladungsschutz aktiv) - * **8,4 V** → 100 % (vollständig geladen) - * Für höhere Genauigkeit können mehrere Messpunkte verwendet und linear interpoliert werden. +Minimalspannung für stabile Regelung: -*Stand: 03.04.2025* \ No newline at end of file +$$V_{\text{CC,min}} = V_{f(\text{LED})} + 0,65\,\text{V} + 1,0\,\text{V}_{\text{Headroom}}$$ + +| $I_{\text{LED}}$ | $V_f$ (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 | +| **IR** | IR-LED | SFH 4550, Oslon Black | TSAL6400 | 940 nm, >50 m Reichweite | +| | IR-Empfänger | TSOP4838, TSOP38438 | VS1838B | 38 kHz Demodulator | +| | LED-Treiber | PNP/NPN diskret | IRL530 (Logic-FET) | Konstantstrom, PWM-fähig | +| **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. + +*Stand: 04.01.2026* \ No newline at end of file