Im folgenden wird die Aufgabe der Untergruppe „Button“, bestehend aus Eva, Hoang und Ingo, erläutert.

Um das Spiel „S.T.E.F.A.N.“ bedienen zu können, braucht man eine Eingabemöglichkeit für den Spieler. Diese soll aus 4 Knöpfen bestehen. Damit diese im Spiel funktionieren, müssen sie zwei grundlegende Funktionen erfüllen können:

1. Spieleingabe
2. Spielvorgabe

Da alle 4 Knöpfe gleichermaßen aufgebaut sind, reicht es einen zu beschreiben. Die Schaltung soll einmal den Knopf, wenn er gedrückt wird, zum Leuchten bringen und gleichzeitig ein Signal an die Spiellogik senden, das aussagt, dass der Knopf gedrückt ist.
Dies ist notwendig, um zu entscheiden, ob der richtige oder falsche Button von Spieler gedrückt wurde. Außerdem soll der Knopf durch ein vorgegebenes Signal der Spiellogik leuchten können. Somit kann die Leuchtreihenfolge bestimmt werden, die vom Spieler nachgedrückt werden muss. Um die einzelnen Schritte der Schaltungsgestaltung einzusehen, wurde ein Blockschaltbild erstellt, welches nachfolgend zu sehen ist:

Nach diesem Blockschaltbild wurde begonnen eine Schaltung zu realisieren. Um verschiedene Farben durch Spannungen lenken zu können, wird das Bauteil „LM3914“ benötigt. Dieser IC kann bei unterschiedlichen Eingangsspannungswerten jeweils andere Ausgänge ansteuern. Zwei Vorwiderstände R1 und R2 werden zum Betrieb des LM3914 gebraucht. Jeder genutzte Ausgang des ICs wird nun über einen Widerstand an die 5V-Versorgungsspannung gehängt. Das wird benötigt da der IC bei der Ansteuerung den Ausgang auf 0V zieht. Ansonsten hätte man im nicht angesteuerten Fall eine hochohmige Leitung. Da für die Farbbeleuchtung RGB-LEDs genutzt werden, braucht es nun einige Logikelemente, um die 3 Grundfarben grün, rot und blau mischen zu können. Dadurch können die LEDs auch in anderen Farben, wie z.B. gelb und weiß leuchten. Unsere Logikschaltung wird active low betrieben, d. h. dass eine 0 am Ausgang des LM3914 anliegen muss, damit eine Farbe leuchtet. Dazu wird zunächst ein 4-fach AND nach den LM3914 geschaltet, das an jedem Eingang ein Signal zu der jeweiligen Grundfarbe anliegen hat. Wenn nun ein Eingang des ANDs zu 0 wird, was bedeutet, dass ein Signal anliegt, wird auch der Ausgang zu 0. Eine zweite Reihe ANDs berücksichtigt auch das Signal, ob die LED leuchtet, weil jemand gedrückt hat, oder ob die Spiellogik eine Farbe anschalten möchte. Aus den AND-Gattern geht die Schaltung über zu pnp-Transistoren, die verhindern, dass Strom in die „Rückwärtsrichtung“ fließen kann. Außerdem geben sie 5V aus, wenn am Eingang eine logische 0 anliegt. Zuletzt werden Die RGB-LEDs mit Vorwiderständen angebracht. Der Aufbau der Schaltung ist in der nächsten Abbildung noch einmal veranschaulicht:

 

Um zu sehen wie genau der LM3914 funktioniert, wurde ein ähnlicher Testaufbau und auch eine Simulation mit LT-Spice durchgeführt. Bei der Simulation ging es zunächst darum seine Beschaltung zu realisieren und zu verstehen, welche Änderungen bei der Variation der Widerstände R1 und R2 auftreten. Außerdem wurde die Logikschaltung simuliert um zu sehen, ob bei den entsprechenden Eingangsspannungswerten auch jeweils die richtige LED leuchtet. Um dabei den Einfluss des Tasters zu zeigen, haben wir eine weitere Spannungsquelle eingefügt, die ein Rechtecksignal erzeugt. Sowohl der Testaufbau wie auch die Simulation waren sehr erfolgreich. Man konnte genau sehen, in welchem Bereich die Grundfarben leuchten. Wir wussten nun, wie der LM3914 zu beschalten war und dass die Logikschaltung das gewünschte Ergebnis erzielt.

Um diese Gesamtschaltung als Platinen zu realisieren, wurde sie in zwei Teile aufgeteilt: Zunächst die Steckerplatine, die in den BUS gesteckt wird und die benötigten Signale an die Buttons über Flachbandkabel weitergibt. Als fertiges Platinenlayout sieht die Steckerplatine dann wie folgt aus:

Um Überschneidungen der Leitungen zu vermeiden, mussten viele Durchkontaktierungen verwendet werden. Die Größe der Platine wurde aufgrund der wenigen Bauteile auf ihr, um die Hälfte der Standardgröße reduziert.

Die Pinbelegung der Stecker von der Steckerplatine zur LED-Platine sieht folgendermaßen aus:

 

1: Button gedrückt (Logiksignal)

2: Licht an oder aus (Logiksignal)

3: Farbsteuerung Spannungsrampe 0-5V

4: Masse

5: 10V Versorgungsspannung

6: 5V Versorgungsspannung

Die Plätze 7, 8, 9 und 10 sind frei.

 

 

 

Da es keine Probleme mit Masseüberlagerung oder Versorungsspannung gibt, oder sie an einer bestimmten Stelle liegen müssen, konnte diese Auswahl willkürlich getroffen werden.

Weiterhin wurde eine LED-Platine erstellt, die im späteren Spiel im Button eingebaut sein wird. Von ihr wird die Farbe ausgestrahlt und das Signal gegeben, ob ein Knopf gedrückt wurde.

Damit alle vier Platinen nebeneinander im Gehäuse angeordnet werden können, wurde sie quadratisch gelayoutet. Außerdem wurden auch hier wieder Top- und Bottomseite verwendet, um Überschneidungen der Leitungen zu verhindern. Für die reale Herstellung dieser Beschaltung werden diverse Bauteile, Flachbandkabel sowie entsprechende Anschlüsse benötigt. Einzusehen ist die genaue Beschreibung dieser, in der nachfolgenden Tabelle.

 

Wie im fertigen Aufbau bemerkt wurde, musste noch etwas an der Logikschaltung verändert werden, damit die jeweiligen Farben in der richtigen Reihenfolge und auch nur bei Knopfdruck bzw. einer Farbvorgabe leuchten. Allerdings konnte dies leicht geändert werden, indem andere Logik-ICs auf die dafür eingelöteten Stecker gesteckt wurden. Deshalb konnte das Board gleich bleiben. Statt den zweifach ANDs wurden nun ORs verwendet und statt dem NOR ein AND. Das neue AND verknüpft nun das AN/AUS-Signal der Spiellogik mit dem Taster. Im folgenden ist die Wahrheitstabelle für die neue und finale Logikschaltung abgebildet.

Wie man in der Tabelle sieht, leuchtet die LED nur in den ersten drei Zuständen (active low).

Das resultierende Schaltbild findet hier:

Sie soll im Gehäuse so eingebaut werden, das sich bei jedem Drücken die ganze Platine mitbewegt und gegen eine Feder läuft, die das Zurückgehen in die Ausgangsposition beim Loslassen ermöglicht. Der Taster ist an der Unterseite der Platine befestigt und schaltet beim Drücken gegen eine Grundplatte. Damit dabei die Platine nicht beschädigt wird, wurde extra ein Schnappschalter verwendet, der schon ab dem halben Schaltweg umschaltet.

Die fertigen und funktionierenden Platinen sehen in der Realität folgendermaßen aus: