English

Elektronisches Variometer

Elektronische Variometer zu bauen stellt eine interessante und fordernde Aufgabe dar - speziell für einen segelfliegenden Elektronikstudent.

Basierend auf den Erfahrungen mit dem Höhenmesser entwarf ich unten dargestelltes elektronisches Variometer. Die Hardware des Höhenmesser war leider nicht geeignet, sie zu einem E-Vario zu erweitern. Beim Hardwareentwurf für das E-Vario "MR1" wurde daher diesbezüglich vorgehalten. 

Das Vario stellt die Hardware zur Verfügung, um folgende Funktionen abzubilden:

        1.) Variometer

        2.) Integrator

        3.) Sollfahrtgeber

        4.) Höhenmesser

        5.) Fahrtmesser

        6.) Endanflugrechner

        7.) GPS-Kopplung

        8.) Temperaturanzeige

        9.) Boardspannungskontrolle

Das Bild zeigt schematisch, welche Komponenten im System enthalten sind. Verwendet werden zwei Motorola Drucksensoren, deren analoger Ausgang digital gewandelt wird. Als A/D-Wandler kommt ein 24Bit Typ der Firma Analog Devices zum Einsatz (AD771A). Die hohe Auflösung ist notwendig, da sowohl das Höhen wie auch das Geschwindigkeitssignal differenziert werden müssen. Für den Differenzdrucksensor sind hierzu zwar keine 24 Bit ADCs nötig, es ist aber dennoch sinnvoll, zwei gleiche A/D-Wandler einzusetzen.

Für den differentiellen Druck reicht ein 10 Bit A/D-Wandler nicht aus! Diese leidliche Erfahrung musste ich machen, als ich anfangs den PIC-internen A/D-Wandler nutzte um das Differenzdrucksignal zu erfassen. Wer sich mit dem Abtasttheorem auskennt, wird schnell erkennen, warum das so ist. Ich habe mir nicht die Mühe gemacht auszurechnen wie viel Bit der ADC für den Differenzdruck haben muss, sondern einfach den gleichen ADC wie für den Absolutdrucksensor verwendet. 

Die Temperaturmessung erfolgt nach einem selbstkalibrierenden Verfahren, wie es als Application Note bei Microchip nachzulesen ist. Vorteil dieser Methode ist ihre hohe Auflösung, Unempfindlichkeit gegenüber Kondensatoralterung und ihr geringer Aufwand (1 Thermistor, 2 Widerstände und ein Kondensator).

Herzstück des Variometers ist ein PIC17C756. Dieser Einchipmikrokontroller hat 16 KByte EPROM Programmspeicher, der mehr als ausreichend ist, um die gewünschte Funktionalität zu implementieren.

Die Ausgabe erfolgt über mehrere Geräte. Primar steht ein LCD-Display zur Verfügung. Verwendet ist ein preisgünstiges 4x16 Zeichen Display. Da es möglich ist, bis zu 8 Zeichen benutzerdefiniert zu programmieren, kann ein grafischer Zeiger dargestellt werden. Aus dem Source-Code ist die Umsetzung ersichtlich. Das Ergebnis ist ein gut ablesbarer digitaler Balkenzeiger. Weiterhin kann an einen 8 Bit D/A-Wandler ein mechanisches Anzeigeinstrument angeschlossen werden. Der hierzu verwendete MAX517 ist an einen I²C-Bus angeschlossen. Dieser ermöglicht die Ansteuerung mehrerer Geräte über nur zwei Busleitungen. Im MR1-Variometer wurden vier I²C Geräte angeschlossen (1x EEPROM und 3x D/A-Wandler). Der zweite D/A-Wandler steuert den Kontrast des LCD-Displays, so dass die Kontrasteinstellung komfortabel per MR1-Firmware vorgenommen werden kann.

Natürlich ist auch eine akustische Ausgabe vorgesehen. Hierfür würde ein eigenes Soundmodul unter Verwendung eines PIC16F876 entwickelt. Dem Soundmodul wird per RS232 die Information über den aktuellen Steigwert, sowie ob der Sollfahrt- oder Variomode geschaltet ist übermittelt. Weiterhin kennt dieses Soundmodul Befehle zur Einstellung der Lautstärke sowie einigen Initialisierungsparametern. Dieses Soundmodul enthält einen digitalen Sinusgenerator-IC vom Typ ML2036. Um die Entwicklung des Soundmoduls schneller zu bewältigen, wurde ein Windows-Testprogramm geschrieben, welches sämtliche Befehle auslösen kann. Der Screenschot ist auf dem Bild zu sehen. Alles weitere kann der Firmware für das Soundmodul entnommen werden. Die Hardware ist als Eagle-File downloadbar. 

Das Soundmodul funktioniert zwar gut, stellt jedoch eine aufwendige Lösung dar. Besser ist es, den digitalen Sinusgenerator direkt an den PIC17C756 anzuschließen und zu kontrollieren. Ein interruptgesteuertes Programm übernimmt dann die Kontrolle über das Soundmodul.

Ein Keypad sowie ein dreistufiger Schalter für Sollfahrt/Auto/Vario ist standardmäßig angeschlossen. Details sind dem Schaltplan zu entnehmen.

Die Speicherung von Sensorkoeffizienten sowie Nutzerdaten erfolgt in einem EEPROM das an den I2C-Bus angeschlossen ist. Sämtliche Messergebisse sowie die Ermittlung der Sensorkoeffizienten sind in einem Excel-File zusammengefasst. Wer eine E-Variometerentwicklung angeht sollte unbedingt bedenken, dass er seine Hardware auch vermessen muss! Der Aufbau eines Messplatz stellt einen nicht zu unterschätzenden Aufwand dar!

Nicht unbedingt notwendig, aber leicht zu implementieren ist die Batteriespannungskontrolle. Notwendig hierfür sind zwei Widerstände als Spannungsteiler, sowie ein paar Programmzeilen Firmware. Der Aufwand ist gering und die Information über die Boardspannung nützlich.

Da die Schaltpläne zu groß sind, als dass sie hier gezeigt werden können, sollte man sich von der CadSoft-Homepage die Light-Version des Layoutprogramms Eagle downloaden und in diesem Programm die Schaltung anschauen sowie gegebenen Falles Änderungen für eigene Zwecke durchführen.

Eagle ist ein sehr leitungsfähiges und einfach zu bedienendes PCB-Programm. Nach zwei Stunden "üben durch herumklicken" ist man in der Lage selbstständig Schaltungen zu entwerfen, neue Bauelemente zu definieren und Leiterplatten zu entwerfen. 

Der Testaufbau des MR1-Variometers erfolgt auf zwei Platinen. Eine enthält den Analog-, die andere den Digitalteil. Beide Platinen sind durch eine 24polige Doppelstiftleiste miteinander verbunden. 

Auf der Digitalplatine ist ein Lochraster angebracht, um Testschaltungen darauf verlöten zu können. Dieses, sowie die Anschlüsse für das LCD-Display, fallen aus der Light-Flächenbeschränkung von Eagle-Light heraus. Durch einen kleinen Trick ist dieses Design aber dennoch möglich: Man definiert ein Bauelement so, dass sein Bezugspunkt innerhalb der beschränkten Fläche verbleibt. Wird das Element dann auf der Platine platziert, so verbleibt der Ursprung innerhalb der vorgegebenen Fläche, die gezeichneten Strukturen, welche diese Fläche überschreiten bleiben trotzdem bestehen.

Das Ergebnis der Hardwarearbeit ist auf dem nebenstehenden Bild zu sehen. Ein Aluminiumgehäuse sorgt für Abschirmung sowohl in das Gehäuse hinein, als auch aus diesem heraus.

Mit Druckanschlüssen und einem Westernstecker für den elektrischen Anschluss versehen ist die Hardware dann bereit für Testflüge.

Wesentlich mehr Aufwand als der Bau der Hardware macht allerdings das Schreiben der Firmware. Der von mir in "C" entwickelte Source-Code ist hier offengelegt. Er beinhaltet die Ansteuerung sämtlicher Hardware, einige Messroutinen sowie Testprogramme. Es ist damit bereits möglich, die Funktion des Variometers im Flug zu überprüfen.

Ursprünglich war geplant dieses Variometer bis zur Serienreife zu entwickeln. Leider war ich gegen Ende meines Studiums sehr beschäftigt und die anschließende Promotion ließ ebenfalls keine Zeit übrig, die hätte auf die Entwicklung des E-Variometers verwendet werden können. Von daher habe ich mich entschlossen, die von mir entwickelten Schaltungen und Firmware zu veröffentlichen. Die Entwicklung dieses E-Varios hat sehr viel Spaß gemacht und vielleicht hilft diese Seite dich zu motivieren, eine eigene Entwicklung zu beginnen. Eines möchte ich aber zu bedenken geben: Wer ein E-Variometer bauen will, um Geld zu sparen sollte diesen Gedanken ganz schnell fallen lassen. Um ein wirklich funktionstüchtiges, genaues und zuverlässiges E-Variometer zu entwickeln und zu bauen (und zu programmieren) bedarf es eines wirklich wesentlich größeren Aufwandes, als das Geld für den Kauf eines industriell gefertigten zu erarbeiten.

Sollte jemand dieses Variometer nachbauen wollen, so werde ich gern mit Rat (aber nicht Tat) helfen. Sämtliche von mir geschriebene Files können für eigene Entwicklungen zum nichtkommerziellen Gebrauch verwendet werden. Sollten sie an anderer Stelle veröffentlicht werden, so hat dies unter Erwähnung der Quelle zu geschehen. Eine Email an mich wäre in diesem Fall nett. Das hier veröffentlichte Projekt darf nicht für kommerzielle Zwecke genutzt werden!

Viel Spaß damit!

^Home

Impressum, Disclaimer & Datenschutz