Im Loxone-Forum haben findige Leute, unter anderem Robert L., an einer günstigen Möglichkeit gearbeitet aus einem Arduino mit Ethernet-Shield und RS485-Wandler einen DMX-Controller mit Netzwerkanschluss zu bauen.
Die erste Idee bestand in der Anbindung an den Loxone Miniserver als Ersatz für die offizielle DMX-Extension mit der Nutzung eines „Virtuellen Ausgangs“ per UDP. Natürlich funktioniert das auch mit jedem anderem System – zum Beispiel node-red oder alles was UDP spricht.
Durch UDP gibt es ja bekanntermaßen keinen TCP-ACK, wodurch Overhead vermieden wird aber auch nicht sicher gestellt werden kann, dass ein Datenpaket auch wirklich ankommt. Bei einer Dimmersteuerung ist es allerdings unerheblich, ob von 100 Paketen die eine Dimmkurve beschreiben, nur 97 ankommen.
Der Original-Code ist übrigens genauso auf einem ESP8266 lauffähig und Robert L. hat sogar extra eine angepasste Version für den günstigen H801 (ESP8266) WLAN-Dimmer geschrieben, der direkt LED’s anteuern kann und keinen separaten DMX-Dimmer mehr benötigt.
Die Nutzer im Forum haben viele Unzulänglichkeiten der original DMX-Extension zu Tage gefördert und sich vielfach für die Lösung von Robert L. ausgesprochen.
In der Elektroverteilung ist WLAN eher weniger zuträglich und ich suchte schon lange nach einer Möglichkeit endlich mal selbst Ethernet auf einer Platine zu implementieren und hatte damit das passende Projekt gefunden.
Der Prototyp
Offensichtlich hatte ich mir viel vorgenommen als im Forum kund tat, dass ich eine Open-Source Platine (CC-BY-SA) Version der Platine designen, produzieren sowie bestücken und zum Verkauf anbieten könnte.
Allein der Aufbau des Prototyps war recht anspruchsvoll, was man im oberen Bild recht anschaulich sieht. Zum Testen habe ich mir auf ebay einen günstigen 3-Kanal-DMX-Dimmer bestellt, da ich keine eigene DMX-Installation besitze.
Den originalen Code habe ich nur ein wenig aufgeräumt und um die später erwähnte EEPROM-Funktion erweitert. Die Ethernet-Verbindung habe ich um DHCP erweitert, was dann auch die default Einstellung sein wird.
Schaltung
Über die letzten Wochen und vor allem am letzten Wochenende durfte ich dann am eigenen Leib (Zeit) feststellen wie viel Arbeit in sowas steckt. Dies ist (bis jetzt) meine bei Weitem komplexeste Schaltung!
Explizit möchte ich aber hier noch mal die Hilfe aus dem Loxone-Forum erwähnen, ohne deren Input die Umsetzung so nicht möglich gewesen wäre. Beim Ethernet Teil mit WizNet’s W5500 konnte ich mich zum Glück beim Layout des W5500 Ethernet Shields bedienen, das als Open-Source frei verfügbar ist.
Ethernet DMX Bridge Schaltung
Der W5500 ist die zweite Weiterentwicklung des im üblichen Arduino Ethernet Shield verbauten W5100. Zusammen mit Paul Stoffregen’s exzellenter Arduino Ethernet Bilbiothek, die ursprünglich für den Teensy entwickelt wurde, merkt man die erhöhte Verarbeitungsgeschwindigkeit deutlich. Direkte vergleiche mit der „alten“ Hardware müssen den subjektiven Eindruck natürlich noch bestätigen.
Paul’s Ethernet Bibliothek hat mehrere Vorteile. Darunter unter anderem die komplette Auto-Erkennung des verwendeten W5x00, vor allem aber die bessere Verarbeitung in der Bibliothek selbst:
Wiznet socket registers are cached, which greatly reduces SPI communication overhead, at the cost of a small increase in RAM usage. TCP connections and UDP packets accessed in small chunks typically see a substantial performance boost.
Zusätzlich habe ich noch ein 24AA025E48 EEPROM von Microchip in die Schaltung integriert. Der Speicher des EEPROMs wird zwar nicht genutzt, aber es bringt eine EUI-48 ID mit die als weltweit eindeutige MAC-Adresse für das Ethernet-Interface genutzt werden kann. Anregung dafür fand ich bei Freetronics, einem australischen Arduino-Produzenten.
Die WizNet Chips haben von Hause aus keine MAC-Adresse. Sie bringen mittlerweile zwar eine mit, diese ist aber ein Aufkleber auf der Platine und damit nicht wirklich nützlich für den Code auf dem Microcontroller.
Im Normalfall initialisiert man die Ethernet-Bibliothek einfach mit einer beliebigen MAC-Adresse, was für das lokale LAN absolut ausreichend ist. Wenn man aber im selben LAN mehrere gleiche Geräte verwenden möchte, muss man für jedes die Addresse anpassen und somit eine eigenen Software kompilieren. Dieser Aufwand entfällt durch die Nutzung der EUI-48 ID des EEPROMs, was auch die „out of the box“-Nutzung genau genommen erst möglich macht.
Die Spannungsversorgung wird zwischen 24V und 5V wählbar sein. In der 5V Version wird der OKI-78 Spannungswandler entfallen, wodurch man bei dieser Version noch ein paar euro sparen kann.
Platine, Gehäuse und BOM
Nach der Schaltung ging es dann an das Layout der Platine. Ich würde behaupten, dass dies der dickste Batzen arbeit war.
Da die Platine im Labor eines befreundeten Prototypenherstellers entstehen und „gebacken“ wird, habe ich mich für handbestückungsfreundliche SMD-1206 Bauteile entschieden.
Phönix Contact BC 35,6
Der Anspruch war, keine Gehäusebearbeitung nötig zu machen um auch Nicht-Bastlern die Möglichkeit zu geben die Ethernet-DMX-Bridge zu nutzen und zusammen bauen zu können. Der Gewinner ist das hervorragende Phönix Contact BC 35,6 2TE Hutschienengehäuse. Hier auch ein Dank für die unkomplizierte Zusendung von Mustern um die verschiedenen Gehäusetypen auszuprobieren und die vorzügliche Beratung des Vertrieblers.
Ich habe den UART sowie den ISP des ATMega328p nach außen geführt. Der UART wird benötigt um eine Programmierung per Arduino-IDE zu ermöglichen. Als Pin-Belegung habe ich mich für die Anordnung des FOCA FTDI Adapters entschieden, die mir über DTR auch den Auto-Reset des ATMega zur Programmierung erlaubt.
Ein integrierter FTDI-Chip entfällt aus Kostengründen. Außerdem ist die Programmierung ja nur einmalig – wenn überhaupt – nötig. Mit Jumperkabeln kann man natürlich auch jeden anderen USB-FTDI-Adapter nutzen. Wenn der eigene Adapter kein DTR-Signal zur Verfügung stellt, reicht ein manueller Reset der Schaltung während des Programmierens um im Arduino-Bootloader zu landen und damit den Sktech zu übertragen.
Mit dem ISP spiele ich den Arduino-Bootloader auf und er bietet natürlich auch die Möglichkeit der direkten Programmierung der MCU.
Ethernet DMX Board Layout
Die Platinen sind mittlerweile bei OSHPark bestellt und bereits auf dem Weg in die Produktion.
Als nächstes war also das „sourcen“ der knapp 60 Bauteile dran – das alleine war eine abendfüllende Angelegenheit.
Ich habe DigiKey, RS-Components und Reichelt nebeneinander gestellt. Die meisten Bauteile werde ich bei DigiKey bestellen, weil es dort die besseren Rabatte bei SMD-1206 gibt und auch Markenhersteller wie Murata und Panasonic vorrätig sind. Reichelt liegt bei manchen Bauteilen vorne und bekommt auch einen Teil der Bestellung ab. RS-Components war entweder nur vergleichbar oder teuerer – einzig bei der Netzwerkbuchse hätte ich etwas sparen können. Allerdings wäre der Vorteil durch die Versandkosten wieder aufgefressen worden.
Ausblick
Die ersten Boards werde ich im Loxone-Forum anbieten und bin gespannt, wie die Erfahrungen und Rückmeldungen aussehen. Das Board wird mit Gehäuse (optional) zukünftig im geplanten cod.m-Webshop bestellbar sein.
Achso, hier natürlich noch das Ganze in Aktion 😀
Ich bin wirklich begeistert wie „responsive“ alles ist. Zu sehen übrigens das Loxone-Webinterface, Anbindung dann über virtuellen Ausgang per UDP.
Wie immer gilt, bei Fragen, Feedback und Kritik, immer gerne melden.
Update
Mittlerweile sind die gefertigten Platinen eingetroffen und es sieht wirklich gut aus. Werde die Tage dann mal die Teile bestellen um das Ganze zu bestücken.
Update II
Die Platinen sind mittlerweile bestückt. Leider hat sich, wie bei einem ersten Prototyp ja fast üblich, ein Fehler eingeschlichen. Mit einem Quick-Fix funktioniert aber alles und ich bin wirklich ein wenig stolz 😉
Mittlerweile habe ich V0.3 des Layouts fertig. Ich werd noch ne Nacht drüber schlafen und diese dann in Produktion geben. Wenn diese dann funktionieren, steht einer kleinen Serie nichts mehr im Wege.
Update III
Mittlerweile ist ja etwas Zeit vergangen und wir haben sie genutzt: Unsere WEEE-Registrierung, damit man in Deutschland offiziell Elektronik verkaufen darf, ist auf dem Weg und sollte in den nächsten Wochen bewilligt sein. Die CE Konformitätserklärung für die Ethernet DMX Bridge ist so gut wie fertig.
Das Wichtigste allerdings ist, dass wir nächste Woche einen Termin beim Bestücker haben um die Bauteile maschinell bestücken zu lassen. Dazu mussten wir einen Nutzen produzieren lassen und können nun eine Kleinserie herstellen:
Update IV
Es ist soweit! Die Hardware ist fertig und steht zum Verkauf. Alles Weitere findet ihr im Shop: https://shop.codm.de/module/8/ethernet-dmx-bridge-v0.4
