1D-Pong

Kontakt: Pixtxa

Projektstatus: , Erweiterungen:

Ich bekam 44x WERMA MC35 UL Leuchte + Summer 10-30V RGB M12 und überlegte, was man damit tun könnte.

Schnell war klar, dass sie aufgereiht irgendwie toll aussehen und es ein Spiel werden soll. Einen TWANG32-Hack habe ich schon gebaut, aber 1D-Pong fehlt mir noch.

Die LED-Leuchten können nicht nur als Anzeige genutzt werden, sondern haben einen eingebauten Summer. Dieser kann mit kurzen Impulsen versorgt werden, um genau dort zu piepen, wo gerade etwas passiert. Ein eindimensionales Spiel bedeutet schließlich nicht, dass es mit nur Mono-Tonausgabe auskommen muss.

Als Tasten wurden transparente Adafruit-Arcade-Buttons mit LED gewählt.

Mit OpenSCAD habe ich ein parametrisches CAD-Modell erstellt, um virtuell durch Anpassen der Parameter ausprobieren zu können, welche Abstände zu welcher Größe führen und wie es dann aussähe. Die Wahl fiel auf einen Pixelabstand von 40 mm (≈ 0.635 dpi) und einen Kabelkanal mit 60 mm x 40 mm, welcher auf 1845 mm gekürzt wird.

Die LED-Leuchten haben ein Gehäuse mit abgeflachten Seiten, welches sich im passenden Loch nicht verdrehen lässt. Um diese Löcher in gleichmäßigen Abständen den Kabelkanal zu bekommen, kann man ihn einfach in eine CNC-Fräse einspannen und die Löcher fräsen. Die X-Carve CNC Fräse ist zwar toll, aber für 2 m lange Werkstücke dann doch nicht so gut geeignet. Man könnte mehrfach umspannen, aber das ist schwierig auszurichten.

Ausdrucken, Aufkleben, grob Bohren und auf Maß feilen geht recht gut. Aber 44x mal möchte man das doch nicht unbedingt tun.

Mit einer kleinen Handfräsmaschine geht es schneller, da braucht man aber eine ruhige Hand.

Es war also Zeit, neue Wege auszuprobieren. Ein Robo-Arm mit starkem Laser und „nicht hin gucken währen der Laser an ist“ als Sicherheitskonzept klingt erstmal interessant, aber Kabelkanal ist aus PVC und sollte nicht thermisch bearbeitet werden (Salzsäure und giftige Gase)

Aber das 3D-Modell der Planung konnte schnell ein CAD-Modell einer Schablone ausgeben, welches frisch geliced an den 3D Drucker - Prusa i3 MK3s ging, während ich einen Spaziergang in den Baumarkt machte, um den Kabelkanal zu kaufen.

Ich hatte erwartet, dass es im Baumarkt auch Endkappen für die Kabelkanäle gibt; leider war das nicht der Fall. Da der Drucker noch druckte, als ich zurück kam, suchte ich online nach 3D-Modellen, um dem Drucker schonmal den nächsten Druckauftrag vorzubereiten. Auch dort fand ich keine passenden 3D-Modelle, also erstellte ich selbst eins. Oder besser gesagt, zwei, denn das 3D-Modell zeigte eine Kollision mit dem Arcade-Button, weshalb noch eine Version mit Aussparung geschaffen wurde. Die beiden 3D-Modelle incl. CAD-Script sind hier zu finden: 60x40 Kabelkanal-Endkappe

3D Druck entnommen, neuen Druck gestartet und die Schablone klemmte perfekt im Deckel des Kabel-Kanals.

Die Schablone lässt sich also nur mit etwas Kraft verschieben und auch nur in einer Richtung, während die anderen beiden Richtungen fest sind. Die Löcher wurden entsprechend leicht größer designt, sodass man sie mit einem Bündigfräser am Frästisch für Triton TRA001 einfach abformen konnte.

Bis alle Löcher gemacht waren, war die erste Endkappe gedruckt. Die zweite wurde während der Montage der LED-Leuchten gedruckt. Durch Fertigungstoleranzen wurde der Kabelkanal ca. 0,1 % (≈ 2 mm) länger als geplant, zusammen mit den 1,5 mm starken Endkappen ergibt sich somit eine Länge von 1850 mm.

Irgendwie ist es doch unschön, wenn die LED-Leuchten sieben Farben anzeigen können, während die Tasten nur weiß leuchten können. Praktischerweise gibt es eine Anleitung zum Bau von NeoPixel Arcade Buttons, mit fertigen 3D-Modellen. Allerdings wurden sie für die transparenten Adafruit-Arcade-Buttons ohne LED entworfen und passen nicht gut in die anderen. Vielleicht ist das der Grund, warum die Variante mit LED nur etwa halb so viel kostet wie die ohne LED. Habe es dennoch gedruckt, vielleicht passt es ja trotzdem. Das Oberteil passte gar nicht und wurde neu erstellt, danach passte aber die Gesamthöhe nicht. Hätte man gleich im CAD berücksichtigen können, ein paar Unterlagscheiben lösten das Problem erstmal für weitere Tests. Das Unterteil mit der LED-Aufnahme passte zwar halbwegs, wackelte aber ordentlich herum, da ein Nubsel zur Fixierung im Stem des Schaltmoduls fehlte. Der Nubsel wurde zum CAD-Modell hinzugefügt und dabei auch die nötige Verlängerung mit angebracht, damit die Gesamthöhe passt. Dass die Höhenanpassung auf der Seite erfolgte, bietet zudem etwas mehr Platz für die Anschlussleitungen. Einen Ausdruck später passte die Höhe ohne Unterlagscheibe und es wackelte es nicht mehr, also wurde die zweite Taste genauso umgerüstet. Trotzdem fühlten sich die Tasten irgendwie tot an und boten kein tolles Gefühl, da der Schaltpunkt nicht spürbar war. Also yeetete ich die Alps SKCL Cream Switches (linear) und setzte stattdessen auf Alps SKCM White Switches (clicky), welche den Tasten ein sehr erfüllendes Schaltgefühl verpassen. Die eingesetzten RGBW-LEDs können bunt leuchten, bieten aber zudem ein hübsches, echtes Weiß, welches nicht aus RGB gemischt wird. Die 3D-Modelle sind hier zu finden: Cheaper NeoPixel Arcade Buttons

Die Ansteuerung für den Test erfolgte erstmal nur per Card10, einer Art Armbanduhr. Ein paar Zeilen für die MicroPython-Kommandozeile reichen hierfür.

import color, time, ws2812, gpio
 
gpio.set_mode(gpio.WRISTBAND_1, gpio.mode.INPUT | gpio.mode.PULL_UP)
gpio.set_mode(gpio.WRISTBAND_2, gpio.mode.OUTPUT)
 
i = 0
while True:
    state = gpio.read(gpio.WRISTBAND_1)
    col1 = color.from_hsv(i % 360, 1.0, 0.1)
    col2 = color.from_hsv((i + 20) % 360, 1.0, 0.1)
    col3 = color.from_hsv((i + 40) % 360, 1.0, 0.1)
    ws2812.set_all(gpio.WRISTBAND_2, [col1, col2, col3])
    if state == 1:
        i += 1
    else:
        i += 20
    time.sleep_ms(10)

Die LED-Leuchten wollen jeweils mit 4x 10-30 V angesprochen werden, also werden 176 Ausgänge benötigt. Matrix-Schaltung geht nicht wirklich, da sonst die Helligkeit abnimmt, was ich nicht möchte.

Die Versorgung erfolgt über einen M12-Stecker, dessen Ausrichtung im Gehäuse von Leuchte zu Leuchte variiert, eine Leiterplatte mit aufgelöteten M12-Buchsen scheidet also aus. 44 M12-Buchsen mit Leitung als Gegenstück sind sehr teuer und passen vor allem nicht in den Kabelkanal. Allerdings habe ich hier auch nicht so harte Anforderungen wie in der Industrie und kann sie einfach direkt anlöten und ohne Dichtung offen lassen. Mit Einzel-Leitungen könnte es schwierig werden, den Kabelkanal zu schließen, ohne was einzuklemmen. Flachband-Leitung ist gebündelt ohne doppelt isoliert zu sein und lässt sich daher einfach abisolieren, ist nicht so störrisch und es bleibt dennoch halbwegs ordentlich.

Ich wurde auf den Baustein TPIC6C596 aufmerksam, welcher ein 8-Bit Schiebe-Register mit Latch-Register und Open-Drain-Ausgängen bietet. Open Drain heißt hier, dass die ICs den Minuspol schalten. Da die LED-Leuchten mit Pluspol als COM betrieben werden dürfen, passt das. Laut Datenblatt brauchen die LED-Leuchten 10-30 V und max. 45 mA, während die Schaltausgänge jeweils bis zu 33 V und mehr als den doppelten Strom schalten können, welcher sich zudem sogar auf mehrere Kanäle verteilen kann. Das IC passt also, aber leider fand ich keine passenden Breakout-Boards. Die einzig gefundenen haben Vorwiderstände für LEDs drauf, was für die LED-Leuchten mit eingebauter Elektronik nicht sinnvoll ist. ICs lassen sich mit den 1,27 mm Rastermaß immerhin halbwegs gut an Flachband-Leitung mit ebenfalls 1,27 mm Rastermaß löten. Aber das Pinout macht es nicht so einfach verwendbar und dass da was abreißt, bevor der Kabelkanal zu ist, ist sehr wahrscheinlich. Es kündigte sich eine Sammelbestellung bei JLC-PCB an, was die ideale Gelegenheit bot, noch etwas CAD in dieses Projekt zu bringen.

Die Anforderungen waren schnell klar:

• Alle 4 cm einen Abgriff für eine LED-Leuchte
  • COM sowie Rot, Grün, Blau und Sound (= 1 Nibble)
  • Im Falle einer Flex-Leiterplatte können die Leitungen zum an die Beacons Löten direkt dran sein
  • Als Backup/ansonsten Ausgeführt als 1,27 mm SMD zum Flachbandleitungen anlöten
  • Zusätzlich ausgeführt als 2,54 mm THT, falls SMD-Löten von Flachbandleitungen doch zu kompliziert ist
• Aufteilung auf mehrere, aneinanderreihbare Leiterplatten
  • Sonst werden Leiterplatte und Versand teuer, das Handling wird schwierig und JLC-PCB liefert eh erst ab 5 Stück
• Neopixel-LEDs mit auf der Leiterplatte
  • Der Space hat sie rollenweise bekommen
  • Dienen als Signal-Repeater, um die Neopixel-LED in der hinteren Taste sauber zu erreichen
  • Können ggf. als Debug-Output verwendet werden
  • Fancy Bau-Bilder
• Auch für andere Projekte geeignet
  • Ein IC je Leiterplatte
  • Kompaktes Haupt-Design
    • Abgriff mit allen acht Ausgängen
      • Alle 8 cm möglich, für die (WERMA-)Produkte mit 70 mm Durchmesser
      • 2. Neopixel in dem Fall nicht nötig; Datenleitung überbrückbar
    • Rest abschneidbar um Platz zu sparen
  • Pull-Up/-Down für nicht zwingend benötigte Anschlüsse
  • GND-Ausgang für Dauer-An um z. B. eSIGN oder Transceiver versorgen zu können
• Einfach und universell einsetzbar
  • Pfeile für Richtung des Datenflusses
  • Beschriftung aller Anschlüsse
    • Bei THT doppelseitig
  • Beschriftung der wichtigsten IC-Merkmale
  • Open Source Hardware
    • Beschränkung auf Footprints und andere Quelldaten mit passenden Lizenzen
      • Notfalls selbst erstellen
    • OSH-Logo und Link zum Repository mit drauf

Ein paar Abende/Nächte CAD-Arbeit später war das Design fertig und wurde zusammen mit den Bauteilen bestellt. Ein paar Tage später konnten die Leiterplatten bestückt werden.

Das Konzept der Kontaktierung wurde nochmal geändert. Anstatt Flachbandleitung an die M12-Stecker der LED-Leuchten anzulöten, lassen sich auch Jumper-Leitungen verwenden. Die 5 Pins passen perfekt in die 5-pin M12-Stecker und sind kompakt genug, dass es noch in den Kabelkanal passt, während sich an der anderen Seite nichts ändert und die Flachbandleitung direkt an die Leiterplatte gelötet werden kann. Zur Zugentlastung wurden die Leitungen mit einem Tropfen Sekundenkleber gesichert. Da im Space Zweifel aufkamen, bestätigte ein Test, dass das gut genug hält.

Die Leiterplatten wurden Nutzenweise bestückt, geteilt, mit Jumper-Leitungen versehen und aneinandergereiht. Ein Controller mit WLED lässt die RGB-LEDs bereits schön bunt aufleuchten.

Anschließend wurden die LED-Leuchten verbunden und der Aufbau testweise in den Kabelkanal gepackt. Die Annahme, Flachbandleitungen seien nicht störrisch, hatte nicht berücksichtigt, dass diese 5-adrigen Leitungen 44x vorkommen und somit eher einer 220-Adrigen Flachbandleitung entsprechen. Aber mit Geduld und Gewalt (vom einen mehr als von anderen) ging es. Eine kleine Test-Firmware wurde auch geschrieben.

Der Controller bekam noch eine kleine Adapter-Leiterplatte und anschließend konnte der Aufbau komplett geschlossen werden. Durch die Endkappen und den Kabelkanal wurden kleine Löcher gemacht und Einzelpins abgewinkelter Stiftleisten hindurch gesteckt, welche vom Deckel in Position gehalten werden. Den Aufbau zu zu bekommen, ohne den Controller einzuklemmen, ist leider nicht so einfach, aber üblicherweise macht man das Ding nicht auf.

Zu einem späteren Zeitpunkt wurden alle Lötstellen zwischen den Leiterplatten nochmal überarbeitet und zusätzliche Versorgungs-Leitungen verbaut, da die Leiterbahnen nicht ausreichten.

Erstmal konnte vieles von 1D-Pong verwendet werden, jedoch wurde letztlich alles nochmal umstrukturiert, da viele while-Schleifen und delays zum Einsatz kamen, was die WLAN-Funktionen sehr erschwerte.

Im Original-Code wird einfach nur ein zufälliger Start-Spieler gewählt, eine Idle-Animation existierte nicht. In meiner Version fängt die Seite an, welche Idle-Animation unterbricht – außer der Knopf der Gegenseite wird noch innerhalb der Transition zwischen Idle-Animation und Spiel-Start betätigt.

Vorzeitig verlassene Spiele können abgebrochen werden, indem man beide Tasten gedrückt hält, bis alles weiß leuchtet. Wird keine Taste gedrückt, erscheint nach einigen Sekunden die Idle-Animation. Auch diese hat einen Zeitpunkt, bei dem alles weiß leuchtet. Lässt man sie bis dort hin laufen, wird ein evtl. begonnenes Spiel ebenfalls beendet.

Zudem gibt es eine (deaktivierbare) Soundausgabe und eine Möglichkeit, die Rundenzahl zu konfigurieren.

Da das Schließen des Kabelkanals etwas kompliziert ist, wurde die Möglichkeit für FOTA-Updates implementiert. Die LEDs zeigen in dem Fall den Fortschrittsbalken der Übertragung dar.

Geplant ist noch eine einfache Weboberfläche. Darüber sollen neben Soundausgabe und Rundenzahl auch die verwendeten Farben konfigurierbar sein. Statistiken wie Anzahl gespielter/abgebrochener Spiele, Insgesamt erzielter Punkte, Anzahl erfolgreicher/verfehlter Schläge und ähnliches könnten da auch ausgegeben werden.

Der Code ist hier veröffentlicht: 1D-Pong Quellcode

• Taste drücken zum Start/Aufschlag
• Zurückspielen durch Tastendruck während sich der Ball im grünen Schläger-Bereich befindet
• Verfehlen = Punkt für Gegenseite
• Punktanzeige in Spielfeldmitte
• Spiel gewinnen: Als erstes die zu erreichenden Punkte erzielen
  • Default-Wert nach Powercycle: 10 Punkte
  • Konfigurationsbereich: 1-16 Punkte
• Hinweis: Boost am Schläger-Ende verfügbar
• Reset: Tasten halten/warten bis alles weiß leuchtet

Das Spiel benötigt eine Grundfläche von 185 cm x 6 cm; etwas mehr Platz ist empfehlenswert, damit es etwas verrutschen kann. Die meisten Tische oder Biertische bieten sich gut als Unterlage an. Die Kombination aus Brüstungsgeländer und Kabelbinder kann auch gut funktionieren. Das Spiel ist in jeder Ausrichtung betreibbar.

Auch wenn die Werma-Beacons IP69k bieten, gilt das leider nicht für die verwendeten Arcade-Buttons, welche nicht mal Regenfest sind. Je nach Wetterlage sollte also ein überdachter Bereich als Aufstellort verwendet werden.

Die Spannungsversorgung von 24V/1A erfolgt über eine Hohlbuchse (innen Plus); ein passendes Steckernetzteil mit Eurostecker liegt bei. Zur Inbetriebnahme muss lediglich die Spannungsversorgung hergestellt werden. Zum Ausschalten kann sie jederzeit getrennt werden; ein herunterfahren ist nicht erforderlich.

Zur Konfiguration können beide Tasten gedrückt gehalten werden. Erst wird alles weiß und das aktuelle Spiel beendet; etwas verzögert erscheint die Konfigurationsanzeige. Dabei zählt der Punktestand für beide Teams von 1 beginnend an alle 300 ms hoch. Beim Überlauf wird die Sound-Ausgabe umgeschaltet (aus/an) und es wird erneut hochgezählt. Beim loslassen wird die Konfiguration übernommen. Hält man also die Tasten, bis beide Teams 5 Punkte haben und lässt dann los, laufen fortan die Spiele so lange, bis eine Seite 5 Punkte erzielt. Beim Powercycle wird wieder die Standard-Konfiguration geladen: Mit Sound-Ausgabe bis 10 Punkte.

Vom Öffnen des Kabelkanals ist abzusehen, da sich das Controllerboard beim Schließen des Kabelkanals gerne verklemmt. Auf der Unterseite sind Löcher, durch die man rein schauen kann.