Singleboardcomputer

Selfmade SBComputer

Es ist soweit, die neue Version des "Selfmade-Singleboard-Computers" geht online. Diese Anleitung besteht aus mehreren Teilen, wobei den ersten Teil alle überspringen könne, die bereits wissen, was ein Singleboardcomputer ist.

Also fangen wir damit an, was das ganze Projetkt eigentlich ist:
Ein SingeloboardPC ist, wie der Name schon vermuten lässt ein PC, der auf nur einer einzigen Platine untergebracht ist. Aber so ein PC bietet noch weitere interessante Features. Diese PCs werden sehr häufig in der Industrie zur steuerung von Maschinen eingesetzt, bei denen nicht gleich ein normaler PC aufgestellt werden soll. Sie sind so gebaut, dass sie mit 12V oder 24V betrieben werden können und sind besonders klein. Im Elektronikladen kann man sich beispielsweise solche kleine PCs kaufen. Ich meinerseits bin aber nicht so vermögend, dass ich mir einen solchen kleinen PC für meistens über 100€ leisten könnte. Ich brauchte so einen für meine Roboter und war deshalb auch noch auf eine Variante für 12V (bzw. in meinem Fall 18V) angewiesen.

Beschreibung

Was ich brauchte war also ein PC auf dem ich ein kleines Betriebssystem laufen lassen konnte, der einigermaßen viel RAM hatte und den ich über 18V betreiben konnte - achja - und billig sollte es werden.

Im Keller fand ich dann einen alten SIEMENS NIXDORF PCD 3Gsx. Das war ein alter 386er mit 8MB-RAM und 500MB Festplatte. Der Clou bei diesen PCs ist aber, dass das eigentliche Mainboard (also auf dem der Prozessor sitzt) eine große ISA-Steckkarte ist. Praktischerweise beinhaltet diese Platine auch gleich noch eine Grafikkarte, und den Diskettencontroller. Die Steckplätze dieser PCs sind nämlich auf einer extra Platine.
Hier mal ein Bild von dem Mainboard:

Darauf habe ich die wichtigsten Bauteile beschriftet. Über den ISA-Bus bekommt das Mainboard seinen Strom und genau hier hab ich angesetzt.

Jeder AT-PC benötigt vier verschiedene Spannungen:

• +12V
• +5V
• -12V
• -5V

Genau - sie benötogen eine negative Spannung!

Die Spannungen

Wie man zwei positive Spannungen erzeugt ist ja nicht weiter schwer. Hier bin ich von meinen beiden Akkus, die auf dem Roboter montiert sind ausgegangen. Einmal ein großer 12V Akku (mit 24Ah) und ein kleinerer 6V Akku (mit 6Ah). Ein solcher PC benötigt bei den 5V an die 3A, weshalb dort eine etwas ausgeklügeltere Regelung, als ich in meinen ersten Versuchen verwendet hatte zum Einsatz kommen sollte:

Mit diesem Regler hab ich sehr gute Erfahrungen gemacht. Er wird sehr langsam nur warm und liefert äußerst stabile 5V. Beim Betrieb von einem CD-Rom-Laufwerk wurde allerdings die Freilaufdiode (D1) sehr heiß. Erst ein Kühlkörper schaffte Abhilfe (die Diode sollte also entsprechend angebracht werden, damit noch ein Kükö platz hat). Der Spannungsregler hat ebenfalls einen sehr großen Kükö bekommen!
Bei dieser Schaltung handelt es sich übrigens um einen Schaltregler. Das heißt, dass der Regler nur soviel Leistung braucht, wie tatsächlich der Verbraucher benutzt. Bei einem normalen Spannungsregler würde die überschüssige Spannung ja in Form von Wärme vernichtet. Der Schaltregler erzeugt die Spannung über eine wechselnde Frequenz an der Spule. Über die Spannungsteiler-Schaltung mit den beiden Widerständen gelangt eine Referenzspannung des Ausgangs in den Chip, der dann wiederum bei höherer Last nachregeln kann.
Diese Schaltung habe ich an den 12V Akku angeschlossen, wobei die beiden Akkus auf eine besondere Weise zusammen geschlossen werden müssen (nämlich mit einer Diode).

Diese Schaltung verhindert, dass von den 18V ein Strom zu den 6V fließt, was ebenfalls zu problemen beim Betrieb des Rechners über Akku geführt hatte. Als Diode habe ich eine Schottky-Diode gewählt, weil diese besonders hohe Ströme aushalten (ich hab ein Modell für 50A gewählt, was dadurch nicht warm wird) und sie einen geringeren Widerstand besitzen.

Die 12V lassen sich mit Hilfe eines einfachen LM350 im TO-3 Gehäuse erzeugen. Wenn man ein CD-ROM-Laufwerk damit betreiben möchte, dann sollte man ebenfalls auf ausreichende Kühlung achten. Die Beschaltung des Bausteins steht im Datenblatt sehr ausführlich.

Die negativen Spannungen sind nun schon ein wenig kniffliger, aber zum Glück haben sich da unsere Elektroingenieure was sehr schlaues einfallen lassen: Ladungspumpen.
Aber vorher sollte man vielleicht mal erläutern, was eine negative Spannung überhaupt ist. Dazu hab ich hier einmal ein Bild von zwei Hintereinander geschalteten Batterien. Wenn man an beiden Enden die Spannung abgreift erhält man 3V (also 2 x 1,5V). Wenn ich aber in der Mitte meine Masse wähle, dann erhalte ich relativ zur Masse einmal +1,5V und einmal -1,5V und da haben wir unsere negative Spannung.

Die angesprochene Ladungspumpe verfolgt nun ein ähnliches Prinzip. Als Spannungsquelle dienen hierbei allerdings Kondensatoren, die kontinuierlich geladen und entladen werden:

Wenn also eine positives Signal auf der linken Seite des ersten Kondensators anliegt, dann erhält der Kondensator auf seiner zweiten Platte ein etwa genauso großes negatives Potential. Die negative Spannung stellt sich ein. Irgendwann ist der Kondensator dann geladen und kann keine weiteren Elektronen mehr aufnehmen, dann wird er wieder entladen. Dabei verhindern die Dioden, dass der Kondensator, die gerade aufgebaute Spannung wieder vernichtet. In der Zeit in der er entladen wird dient der zweite Kondensator als Siebelko und hält die Spannung aufrecht, bis der erste wieder geladen wird. Das ganze geschieht mit einer recht hohen Frequenz, sodass sich eine negative Spannung in etwa in der Höhe der Eingangsspannung einstellt.

Was also fehlt ist ein einfacher Frequenzgenerator, der den Kondensator sowohl laden, wie auch entladen kann und genau dafür ist ein NE555 wie geschaffen.
Um genau zu sein, ist der SE555 für die Schaltung noch besser geschaffen, da er bis zu einer Spannung von 18V zu betreiben ist. In meiner Schaltung bekommen zwei dieser Chips über einen 16V-Spannungsregler ihren Strom und betreiben damit zwei Ladungspumpen - einmal für -5V und einmal für -12V:

Mit dem 5V-Regler, dem 12V-Regler und den beiden Ladungspumpen habt ihr es dann auch schon fast geschafft!

Das Finish

Wenn alles soweit fertig ist, mal alle Schaltungen durchmessen und auf korrekte Spannungen überprüfen. Bei den 5V sollten nur minimale Abweichungen auftreten. Ich hatte ohne Last Werte zwischen 4,98V und 5,01V. Der 12V-Regler lässt sich sowieso über ein Poti einstellen und kann evtl. auch auf 12,2V gestellt werden, da unter Last die Spannung noch ein bisschen sinkt.
Die negativen Spannungen brauchen nicht allzu genau zu sein. Vorallem ist hier zu bedenken, dass dort die Masse-Leitung als Pluspol anzusehen ist. Bei diesen Schaltungen kann man die Ausgänge auch ruhig mal über das Amperemeter kurzschließen. Es sollte ein Strom von etwa 100mA zu messen sein. Die SE555 und die Kondensatoren können warm werden, sollten aber nicht heiß werden .
Wenn das alles stimmt, dann brauch ihr jetzt für das SIEMENS-Mainboard noch eine ISA-Steckleiste (wenn Ihr nicht direkt löten wollt, wovon ich aber stark abraten würde). Inzwischen gibt es solche Leisten auch wieder bei Conrad; ich hab mir meine damals bei Bürklin besorgt. Dort müssen dann nurnoch die richtigen Kontakte mit den Spannungsmodulen verbunden werden und das wars:

Jetzt kann der erste Test durchgeführt werden. Wenn alles korrekt verkabelt ist und ihr euch vergewissert habt, dass am ISA-Port überall die richtigen Spannungen ankommen, kann man das Board mal an den Akku (oder Netzteil) anschließen. Nicht erschrecken, wenn das ganze etwas Funkt, das liegt an den großen Kondensatoren des 5V Reglers.
Nach kurzer Zeit sollte dann der PC booten und am Monitor ein Bild zu erkennen sein. Jetzt noch die Temperaturen der Regler checken und wenn alles in Ordnung ist, dann habt ihr einen funktionierenden Singleboardcomputer.

Ich habe die Schaltung inzwischen auch an einen AT-Stecker gelötet und betreibe damit erfolgreich einen 100MHz Pentium I mit 64MB-RAM, Diskettenlaufwerk, CD-Laufwerk und als Festplatten zwei CF-Karten, die über einen CF-to-IDE-Converter mit dem PC verbunden sind. Auf diesen PC hab ich noch eine IO-Karte gesteckt, die mir noch zwei parallele, sowie zwei serielle Schnittstellen bietet - damit hab ich dann insgesamt 4x RS232 und 3x LPT. Als Monitor dient ein SIEMENS-15" Falchbildschirm, den ich aus seinem Rahmen genommen und flach oben auf den Roboter gelegt habe. Damit kann ich dann sogar SuperTux spielen.

Also viel Spaß beim Nachbauen!