Ätzend individuell

Der aktuelle Stand – einige kennen ihn noch von der Messe – ist eine Elektronik die mit steigenden Anforderungen und Entwicklungsständen stetig erweitert wurde.

Es war mir immer wichtig neue Komponenten testen zu können, Sicherheitsschalter einzubauen und darauf zu achten, den Re-Fila auch manuell steuern zu können. Gerade im Hinblick auf die stetige Weiterentwicklung des Touchscreens und dessen Menü sollte eine Bedienung auch ohne selbigen möglich sein – wer etwas Neues austestet, der muss auch mal mit der einen oder anderen Fehlfunktion rechnen. Diese werden zwar mit jeder Version weniger, aber auszuschließen sind sie im Entwicklungsprozess nie.

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Abbildung 1 – Der Re-Fila auf der make munich 2016

Nun wächst die Präzision immer mehr und der Funktionsumfang hat langsam einen Stand erreicht, bei der die Auswahl der elektronischen Komponenten immer klarer wird. Daher wurde es an der Zeit die Haupteinheit – derzeit ein Arduino Mega – näher zu betrachten und klar zu überdenken. Wir waren unzufrieden mit der Geschwindigkeit und den Möglichkeiten, die uns der ATMega2560, dem Mikrocontrollerherz des Arduino bietet. So haben wir uns nach anderen Mitteln umgesehen, wie wir den Re-Fila für den Kunden angenehm und zu einem reaktionsfreudigen Bedienerlebnis machen können. Jeder von uns hatte schon ein Smartphone oder ein anderes technisches Gerät, welches einen in den Wahnsinn treibt, weil es zu langsam reagiert oder den eigenen Ansprüchen nicht gerecht wird. Es war mir daher eine Herzensangelegenheit, dass kein Benutzer des Re-Fila jemals damit konfrontiert wird. So haben wir uns für einen sehr mächtigen, schnellen und zukunftsfähigen Mikrocontroller der Firma Atmel, den ATSam3X8E entschieden. Es handelt sich hierbei um eine 32bit Steuereinheit mit einer Taktfrequenz von 84 MHz. Dieser Chip übertrifft die Vorgängervariante um ein Vielfaches – in jedem Bereich.

Nun wurde es aber nicht nur Zeit, den Mikrocontroller auszuwählen, sondern auch alle anderen Komponenten zu validieren, notfalls durch bessere Alternativen zu ersetzen und in ein eigenes Komplettpaket zu wandeln. Dazu musste eine erste, eigene Platine erstellt werden.

Eines vorweg – bei einem Start-up sind kosteneffizientes Arbeiten mindestens genauso wichtig wie bei einem bereits etablierten Unternehmen. Wir waren erstaunt, wie viel eine einzelne Platine in individueller Herstellung kosten kann. Daher haben wir uns für unsere vielseitigen Testverfahren dazu entschieden, selbst Platinen herzustellen – genau so wie wir sie brauchen.

Gesagt – getan. Ein erster Versuch sollte eine reine Adapterplatte sein. Wir nahmen den ATMega2560, ein Baustein mit 100 Anschlüssen auf einer Größe von 16 x 16 mm und zeichneten im Computer die Anschlüsse sowie die Leitungen zu acht Reihen von je 25 Standardpins.

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Abbildung 2 – Platinenlayout auf Hochglanzpapier

Es gibt verschiedene Verfahren um Platinen selbst herzustellen. Wir entschieden uns für die Variante die Computerzeichnung auf ein Hochglanzpapier mithilfe eines Laserdruckers aufzubringen. Dieses Negativ wird nun zugeschnitten, auf eine leere, gesäuberte und angeraute Kupferplatine aufgeklebt und anschließend mit einem Bügeleisen malträtiert. Bei mittlerer bis hoher Temperatur wird nun mit viel Druck und kreisenden Bewegungen der Toner auf die Kupferplatte übertragen. Bereits eine leichte Verschiebung und man muss von vorne beginnen. Nach dem dritten oder vierten Versuch hatte ich dann jedoch die richtige Umgangsweise heraus und es klappte nahezu perfekt, die feinen Linien auf die Platte zu transferieren. Kleinere Fehler können nachträglich noch mit einem Permanentmarker nachgezeichnet werden.

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Abbildung 3 – Platine bereit zum ätzen

Nun kommt der chemische Teil. Die Platte wird in ein Bad aus 40 prozentigem Eisen(III) Chlorid getaucht und immer mal wieder leicht bewegt oder mit einem Pinsel bearbeitet. Stück für Stück färbt sich die braune, leicht transparente Flüssigkeit in ein undurchsichtiges, dunkles Gemisch. Das Kupfer der Platte löst sich nun an allen Stellen, an den kein Toner oder Permanentmarker ist. Nach einigen Minuten kann die fertige Platine entnommen und gereinigt werden. Das Ergebnis konnte sich durchaus sehen lassen. Ein erster Test mit dem Multimeter zeigte nur wenige Verbindungen zwischen den Leiterbahnen. Diese waren jedoch mithilfe eines Cutter Messers schnell beseitigt und so konnte es ans Löten und Bohren gehen. Dank der Lötpaste und einer ruhigen Hand dauerte das Löten nicht lange. Das genaue Bohren von 100 Pins und anschließende Festlöten war da schon zeitintensiver. Da zu diesem Zeitpunkt die bestellte Lötstoppmaske noch nicht angekommen war, wurden kurzerhand auch alle Leitungen mit verzinnt. Nach 100 Durchgangsprüfungen und kleinen Korrekturen war unser erstes eigenes Bord fertig.

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Abbildung 4 – Fertige Platine als Adapterplatte

Nach dem Anschluss von zwei Kondensatoren, einem 16Mhz Quarz und ein paar Kabeln zur Datenübertagung war es Zeit für das Aufspielen des Bootloaders. Seit diesem Zeitpunkt konnte der Chip benutzt werden wie jeder andere Arduino auch.

Der nächste Schritt ist jetzt eine Platine mit allen benötigten Komponenten und dem neuen Chip ATSam3X8E mit 144 Pins zu erstellen. Doch bis dahin ist noch viel zu tun – vor allem, weil die bestehende Programmierung nun an den neuen Chip angepasst werden muss und auch auf die (relativ langsame) Arduino-Library verzichtet werden soll…

Mehr dazu in einem der nächsten Blogeinträge.

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