Parkscheibe mit E-Paper Display: Ein innovativer digitaler Ersatz

Die Integration von Elektronik in Fahrzeuge hat ein extrem hohes Niveau erreicht. Praktisch jede Funktion wird durch hochentwickelte Sensoren, digitale Schnittstellen, Mikroprozessoren und die dazugehörige Software optimal gesteuert. Im Cockpit dieser Computer auf Rädern findet man jedoch immer noch ein unverzichtbares Instrument, das oft aus einfacher Pappe besteht und manuell bedient werden muss: Es handelt sich um die Parkscheibe, die den Zeitpunkt des Beginns des Parkens in Bereichen anzeigt. Im Laufe der Jahrzehnte ist dieses Accessoire fast unverändert geblieben - aus Pappe, Kunststoff oder anderen, edleren Materialien - und erst seit kurzem sind einige digitale Modelle auf dem Markt. Die hier vorgestellte Parkscheibe verfügt über ein modernes E-Paper-Display und hat einige nette Features zu bieten, zum Beispiel die Einstellung der Ankunftszeit mit einer einzigen Taste, ein Meldetext in vier verschiedenen Sprachen sowie die Anzeige der aktuellen Uhrzeit und des Datums, der Umgebungstemperatur und des Batteriestands auf Abruf. Noch ist die deutsche Straßenverkehrsordnung nicht bereit für ein solch innovatives technisches Wunderwerk (siehe Kasten Knöllchen), aber was nicht ist, kann ja noch werden. Auf alle Fälle aber bietet das Projekt eine gute Gelegenheit, das E-Paper kennenzulernen und damit zu experimentieren!
 

Das E-Paper-Display

Die E-Ink-Technologie (elektrophoretische Tinte), die allgemein als E-Paper, bezeichnet wird, ist eine relativ neue Erfindung aus dem Jahr 1996. Sie verdankt ihren Erfolg vor allem der Verwendung in mobilen eBook-Readern, die dank des papierähnlichen Leseerlebnisses und der perfekten Sichtbarkeit auch bei schlechten Lichtverhältnissen eine elektronische Alternative zu herkömmlichen Büchern bieten. Aber das einzigartige Merkmal, das zur Verbreitung dieser Technologie auch in anderen Bereichen geführt hat, ist die Fähigkeit, die Anzeige von Informationen auch bei fehlender Stromversorgung lange aufrechtzuerhalten. Dadurch können äußerst stromsparende Geräte realisiert werden, die potenziell nur für die Dauer der Aktualisierung der Bildschirmanzeige (Refresh) Strom aufnehmen. Weitere typische Anwendungen, die sich im Einzelhandel zunehmender Beliebtheit erfreuen, sind elektronische Etiketten und Preisschilder, die oft nur schwer von Papierschildern zu unterscheiden sind und die bei Bedarf auch aus der Ferne über Funk oder Satellit aktualisiert werden können. Um zu verstehen, wie die elektronische Tinte funktioniert, hilft uns Bild 1.

Im einfachsten Schwarz-Weiß-Display sind in Mikrokugeln positiv (weiß) und negativ (schwarz) geladene Pigmente in einer Flüssigkeit suspendiert. Die Mikrokugeln stellen die Pixel des Displays dar. Wird ein geeignetes elektrisches Feld angelegt, positionieren sich die Pigmente, die von der Ladung mit entgegengesetztem Vorzeichen angezogen werden (Elektrophorese), so dass – von oben betrachtet - schwarze oder weiße Pixel entstehen, die das gewünschte Bild bilden. Auch wenn das elektrische Feld entfernt wird, bleiben die Pigmente in dieser Position, bis eine neue Ladung angelegt wird. Die Sichtbarkeit des besonders weiten Blickwinkels wird durch die Reflexion des Umgebungslichts erreicht. Wenn Umgebungslicht fehlt, ist eine spezielle Lichtquelle erforderlich. Interessanterweise erfolgt die Aktualisierung des Bildschirms bei direkter Sonneneinstrahlung nicht korrekt. Auf Grundlage dieses Prinzips wurden zahlreiche Arten von Bildschirmen realisiert, auch große und vollfarbige, die allerdings noch sehr teuer sind. Gleichzeitig hat das erschwingliche Angebot kleinerer, schwarz-weißer, graustufiger oder farblich begrenzter Displays im Fachhandel stark zugelegt. Allerdings konnte ich im Internet feststellen, dass das Interesse an diesen Komponenten von seiten der „Heimwerker“ nicht so stark gestiegen ist, wie es zu vermuten wäre. Der Grund dafür liegt meines Erachtens in verschiedenen kritischen Punkten, die auch bei der Entwicklung dieses Projekts deutlich wurden; zum Beispiel übergroße Anzahl von Modellen, Versionen, Größen, Treibern und Farbkombinationen auf dem Markt, das Fehlen gut dokumentierter und einfach zu implementierender Bibliotheken für die verschiedenen Entwicklungsplattformen und die oft lückenhafte und unzureichende Information und Unterstützung durch die Hersteller selbst. Trotzdem war es möglich, durch die Auswahl der am besten unterstützten Produkte und durch die dem Maker innewohnende Hartnäckigkeit ein interessantes Ergebnis zu erzielen. Fahren wir also mit der Analyse des Schaltplans fort, der in Bild 2 dargestellt ist.
 

Das Schaltbild

Für die Steuerung des Displays wurde ein Mikrocontroller ATmega328P gewählt, derselbe, der auch im Arduino-UNO-Board verwendet wird. So können wir die reichhaltige Auswahl an Bibliotheken für diese Plattform verwenden. Die MCU arbeitet dank des externen Keramikresonators mit einer Taktfrequenz von 8 MHz und befindet sich normalerweise in einem stromsparenden Zustand (SLEEP_MODE_PWR_DOWN). Er wacht nur auf, wenn das Display aktualisiert werden muss. Lediglich die Real-Time Clock (RTC) in Form eines DS3231M bleibt immer aktiv und kann, solange das IC mit Strom versorgt wird, Datum und Uhrzeit mit einem Fehler von ±5 ppm (±0,432 s/d) anzeigen. Weitere bemerkenswerte Merkmale sind ein Temperatursensor, eine doppelte Alarmfunktion und ein extrem niedriger Stromverbrauch in einer Größenordnung von einigen Mikroampere (µA) in der verwendeten Single-Supply-Konfiguration (V_BAT Only). Die RTC kommuniziert mit Hilfe einer speziellen Bibliothek mit dem Mikrocontroller über eine I²C-Schnittstelle. Die Taste SW2 (beim Prototyp blau) weckt die MCU, so dass diese Daten die aktuelle Uhrzeit empfangen und auf dem Display zusammen mit der Meldung „TIME OF ARRIVAL“ und dem „P“-Logo anzeigen kann, bevor sie in den Ruhezustand zurückkehrt. Ein kurzer Piepton des Summers bestätigt die Betätigung der Taste, während die blaue LED D2 für die Dauer des Ereignisses leuchtet. SW1 (beim Prototyp rot) bewirkt dagegen einen Hardware-Reset des ATmega328P, woraufhin sofort im Display das „P“-Logo, das Batteriesymbol mit der Batteriespannung, die Umgebungstemperatur, die aktuelle Uhrzeit und das Datum sowie die für die Meldung gewählte Sprache angezeigt wird (siehe Beispiel in Bild 3).

Derselbe Displayinhalt erscheint automatisch alle 24 Stunden (dank der RTC-Alarmfunktion zu einer gewünschten Zeit), um die vom Displayhersteller empfohlene vollständige Aktualisierung der Anzeige durchzuführen und den Batteriestatus sowie den korrekten Betrieb des gesamten Systems zu überprüfen. Daher können wir SW2 als „Parktaste“ und SW1 als „Infotaste“ bezeichnen. Die Widerstände R1 und R10 dienen zusammen mit den Kondensatoren C1 und C5 der Unterdrückung von Störungen, die durch das Prellen der Tastenkontakte entstehen, während R2, R4, R5 und R6 Pull-up-Widerstände sind. C2, C3 und C4 sind die üblichen Bypass-Kondensatoren der IC-Stromversorgungsanschlüsse. R11 begrenzt den Strom in den Reset-Anschluss des verwendeten Displays. JP2 ist der Anschluss für das Display, während JP1 das Hochladen von Firmware durch einen USBasp-Programmierer ermöglicht. Aufgrund der geringen Stromaufnahme ist ein kleiner 3,6-V-NiMH-Akku mit einer Kapazität von 40 mAh zur Energieversorgung des Prototyps völlig ausreichend. Q1, Q2, R8, R9 bilden einen Konstantstromregler mit geringem Spannungsabfall, der den Ladestrom auf etwa 6 mA begrenzt. Diesen Strom verträgt dieser Akkutyp auch bei Überschreitung der erwarteten 14...16 Stunden Ladezeit ohne Probleme. Eine Micro-USB-Buchse ermöglicht den Anschluss eines handelsüblichen 5-V-Steckernetzteils über eine selbstrücksetzende Sicherung, während die Diode D1 den Rückfluss der Energie aus dem Akku verhindert. Die LED D3 zeigt an, dass das Gerät gerade geladen wird. Auf das Thema Stromversorgung werden wir aber später noch genauer eingehen.

Praktische Verwirklichung

Der Prototyp der Parkscheibe wurde wie üblich auf einer Prototyp-Platine erstellt, wie in Bild 4 zu sehen ist. Natürlich ist dies nur eine von vielen Möglichkeiten; durch die Verwendung von SMD-Bauteilen und einer gerouteten Platine könnte man sicherlich eine kleinere Baugröße erreichen, nur ein wenig größer als das Display selbst. Die Batterie und der Summer befinden sich direkt unter dem E-Paper-Modul. Für den achtpoligen Anschluss des Moduls habe ich eine Kombination aus Stift- und Buchsenleiste gebastelt. Die ICs auf der Protyp-Platine sind mit Fassungen ausgestattet, während für die RTC DS3231M ein leicht erhältliches Breakout-Board in SO-8-Abmessungen verwendet wird. Bei der Wahl des Gehäuses genießt man maximale Freiheit, solange es transparent ist oder mit einem transparenten Fenster ausgestattet ist.

Was das E-Paper-Modul betrifft, so ist es manchmal schwierig, aus der ganzen Typenvielfalt an scheinbar ähnlichen Modellen das passende herauszufinden. Das von mir verwendete schwarz-weiße in Bild 5 stammt von Waveshare und besitzt eine 2,9-Zoll-Diagonale und eine Auflösung von 296 x 128. Das Modul verfügt über einen eingebauten Logikpegelwandler und unterstützt partielle Auffrischung, eine unverzichtbare Funktion in diesem Projekt. Andere Modelle garantieren möglicherweise nicht die gleichen Ergebnisse, die ich erzielt habe, oder erfordern Änderungen an der Firmware oder im Schaltplan. Zu beachten ist auch der zulässige Betriebstemperaturbereich, der in diesem Fall von 0...50°C reicht (ein Temperaturfenster, das im Auto oftmals zu eng ist).

Bild 6 zeigt die Lötseite des Prototyps, auf der sich auch die Diode D1 (SMD-Typ) und der Micro-USB-Ladeanschluss befinden.

Um auf das Thema Stromversorgung zurückzukommen: Die Wahl der nicht mehr ganz neuen Technologie eines NiMH-Akkus ist vor allem der höheren Sicherheit und Zuverlässigkeit unter den nicht immer optimalen Einsatzbedingungen in einem Fahrzeug geschuldet. Im Vergleich zu LiIon-Batterien beispielsweise besteht keine Explosionsgefahr, und auch die Leistung bei niedrigen Temperaturen ist besser. Der Ladevorgang ist zwar etwas langsamer, aber einfacher zu handhaben. In Anbetracht der minimalen Ströme und der Betriebsspannung der Schaltung, die leicht zwischen 3,3 V und 5,0 V variieren kann, sollte auch die Versorgung mit drei in Reihe geschalteten AAA-Alkalibatterien in Betracht gezogen werden, die die Ladeschaltung überflüssig macht und dennoch eine Laufzeit bietet, die die des Autos übersteigen dürfte! Die genaue Quantifizierung des „Verbrauchs“ der immer beliebter werdenden batteriebetriebenen Geräte, die sich den Großteil ihres Daseins im Energiesparmodus befinden (auch Schlafmodus, Power-down, Ruhezustand, Stromsparmodus genannt), ist nicht einfach. Es reicht nicht aus, wie früher ein Multimeter in Reihe mit dem Netzteil zu schalten und den Strom abzulesen. Die grundlegende Berechnung, die durchgeführt werden muss, um den Durchschnittswert des entnommenen Stroms und damit eine Abschätzung der Batterielebensdauer zu erhalten, kann mit der folgenden Pseudoformel dargestellt werden:

wobei I_AVG den mittlere Strom, I_ON den Strom bei Aktivität, I_SBY den Stand-by-Strom, T_ON die Aktivitätszeit und T_SBY die Stand-by-Zeit bezeichnet.

Ich habe die Stromaufnahme während der Aktivität in Bild 7 mit dem Oszilloskop anhand eines Spannungsabfalls an einem niederohmigen Präzisions-Shunt-Widerstand „eingefangen“ und mit akzeptabler Näherung einen Wert von 10 mA für eine Zeit von 7,5 s erhalten, was der Dauer eines Anzeigezyklus entspricht.

Der Ruhestrom, mit einem guten Digitalmultimeter gemessen, beträgt dagegen nur 3 µA. Geht man davon aus, dass die Parkscheibe viermal am Tag benutzt wird, zuzüglich des Auffrischungszyklus, ergibt sich eine Gesamtbetriebszeit von 7,5 x 5 = 37,5 s und eine Ruhezeit von (24 x 3600) - 37,5 = 86.362,5 s über 24 Stunden. Wir erhalten also:

Eine 40-mAh-Batterie - wenn man der Einfachheit halber die Verringerung der Kapazität durch Selbstentladung, Absinken der Nennspannung, Temperaturschwankungen und andere Faktoren außer Acht lässt - könnte bei einem durchschnittlichen Strom von 0,008 mA den Stromkreis im Idealfall etwa 40/0,008 = 5.000 Stunden lang versorgen (das heißt, mehr als 200 Tage oder mindestens sechs Monate)! Realistisch gesehen wäre sogar eine auf die Hälfte reduzierte Dauer ein gutes Ergebnis. Für diese Art der Berechnung gibt es inzwischen auch bequeme Online-Anwendungen. Ich gebe einen Link zu einer Anwendung an, die ich für eine der effektivsten und praktischsten halte.

Die Firmware und ihre Funktionsweise

In diesem Projekt wurde der Quellecode in der Arduino-IDE 1.8.19 geschrieben, die mit dem Arduino-Kernel MiniCore v2.1.3 und einigen spezifischen Bibliotheken ausgestattet wurde. Der verwendete Kernel ermöglicht eine effizientere und vielseitigere Verwaltung des ATmega328P-Mikrocontrollers und optimiert vor allem die Speichernutzung des kompilierten Codes, der immerhin 31.264 Bytes der insgesamt 32.768 Bytes des Programmspeichers (Flash) und 1.501 Bytes der 2.048 Bytes des dynamischen Speichers (SRAM) belegt, als fast komplett die Möglichkeiten dieser MCU ausnutzt.

Es ist anzumerken, dass dieses Projekt nicht mit einem Arduino-Uno-Board durchführbar ist, auch nicht im Entwicklungsstadium, da ein Teil des Speichers des Arduino Uno vom Bootloader verwendet wird. Wir müssen einen Barebone-Mikrocontroller mit einem externen USBasp-Programmierer programmieren. Apropos Speicher: Das Schlüsselwort PROGMEM taucht mehrmals im Listing auf und bezieht sich auf die Byte-Arrays der Bitmap und der Textzeichen-Strings, die schreibgeschützte Daten sind. Indem diese Arrays als PROGMEM deklariert werden, können Funktionen auf diese Daten zugreifen, sie direkt aus dem Flash-Speicher lesen, ohne sie vorher in das viel kleinere SRAM kopieren zu müssen. So bleibt das SRAM für die „dynamische“ Ausführung des Programms verfügbar. Für die Kommunikation mit der integrierten Echtzeituhr (RTC) wird die Bibliothek DS3231M 1.0.6 verwendet, während die Bibliothek GxEPD2 1.3.6, die von der Grafikbibliothek GFX_Root 2.0.0 unterstützt wird, für die grundlegende Verwaltung des E-Paper-Displays gewählt wurde.


Die Grafikbibliothek muss mit der Bibliothek dieses Projekts überschrieben werden, da diese geänderte Schriftarten enthält. Die GxEPD2-Bibliothek ist ein gewaltiges Stück Arbeit, aber leider fehlt eine gut strukturierte Dokumentation. Im Code sind zwar zahlreiche Beispiele zu finden, aber diese schrecken aufgrund ihrer scheinbaren Komplexität auf den ersten Blick ziemlich ab. Auf den zweiten Blick verwandelt sich die Komplexität in den Versuch, die Kompatibilität der Bibliothek auf so viele Display-Modelle wie möglich auszuweiten. Ich habe daher versucht, die Bibliothek zu straffen und nur die Funktionen und Definitionen zu übernehmen, die für das im Projekt verwendete Display notwendig sind. Diese Zusammenfassung ist in der Datei Waveshare_29_BW_avr.h zu finden, während die Datei ParkBitmap128x128.h nur das mit Hilfe eines speziellen Konverters, gewonnene Array von Bytes für die Bitmap des Parklogos darstellt (das große P in einem Quadrat mit abgerundeten Ecken, Größe 128 x128 Pixel, schwarz/weiß). Diese Dateien werden von [9] heruntergeladen und in dem im Sketch-Ordner untergebracht, zusammen mit dem Hauptsketch Disco_Orario_e-Paper.ino, in dem sich auch Links zu den Core- und Bibliotheks-Sites, ausführliche Kommentare zum Code und andere nützliche Hinweise befinden. Wenn Sie an Details des Listings interessiert sind, sollten Sie den Sketch in einem Editor Ihrer Wahl öffnen. Hier möchte ich nur die Funktionsweise des Programms mit Hilfe eines Flussdiagramms in Bild 8 veranschaulichen.

Mit der Tatsache im Hinterkopf, dass die Schaltung immer an der Batterie angeschlossen ist, werden beim ersten Einschalten (Power-Up) die Initialisierungsprozedur und die setup()-Funktion ausgeführt, wobei ein Interrupt aktiviert wird. Dann springt das Programm in die loop().

Zu Beginn der Schleife wird die Umgebungstemperatur geprüft. Liegt sie nicht im erwarteten Bereich, wird ein akustisches und optisches Alarmsignal ausgegeben, dann wird der Mikrocontroller in den maximalen Energiesparmodus (SLEEP_MODE_PWR_DOWN) versetzt. Andernfalls wird die loop() fortgesetzt: Das Display wird initialisiert und das „P“-Logo, der Batteriestatus, das aktuelle Datum, die Uhrzeit, die Temperatur und die Meldung in der gewählten Sprache angezeigt. Dieser Info-Modus wird verlassen und das Display in den Ruhezustand (hibernate) versetzt, was wiederum zur Energieeinsparung beiträgt, die MCU ausgeschaltet und die loop() abgebrochen. Aus diesem Zustand kann der Mikrocontroller durch einen Hardware-Reset (mit dem Taster SW1) oder durch einen Interrupt (die tägliche Alarmfunktion der RTC oder den Taster SW2) aufgeweckt werden (Wake Up). Wenn die Wiederaufnahme des Programms durch den Reset oder den Alarm ausgelöst wird, beginnt die loop() wieder von vorne und endet immer im Info-Modus. Wird der Mikrocontroller hingegen über SW2 reaktiviert, startet die loop() neu, initialisiert das Display, zeigt das Logo und, wenn die Taste gedrückt und sofort wieder losgelassen wurde, die Ankunftsmeldung und die aktuelle Uhrzeit, was wir als Parking-Modus bezeichnen. Wenn Sie dagegen SW2 gedrückt halten, werden die Meldungen in den vier Sprachen nacheinander angezeigt. Lassen Sie einfach die Taste los, wenn Ihre gewünschte Sprache erscheint, dann wird die Einstellung bis zur nächsten Änderung im EEPROM gespeichert. Danach erscheint die aktuelle Uhrzeit, und der Zyklus endet immer im Parking-Modus. Ein Beispiel für die Bildschirmdarstellung ist in Bild 3 zu sehen. Wir haben gesehen, wie das aktuelle Datum und die Uhrzeit von der RTC DS3231M bereitgestellt und beibehalten werden, aber die RTC muss beim allerersten Anlegen der Versorgungsspannung (und nach einem Ausfall der Versorgungsspannung) noch eingestellt werden. Um die Firmware und die Schaltung möglichst einfach zu halten, sind Datum und Uhrzeit in einer Zeile in der setup()-Routine „hardcoded“ vorgegeben, so dass sie gleichzeitig mit dem Laden des Sketches eingefügt wird:

DS3231M.adjust(DateTime(2022, 03, 02, 19, 10, 00));

Wie sie leicht erkennen können, ist das Format „JJJJJ,MM,TT,hh,mm,ss“. Wenn Sie die richtigen Daten eingegeben haben, können Sie den Sketch laden, das Datum und die Uhrzeit überprüfen und dann die Zeile auskommentieren (fügen Sie den doppelten Schrägstrich // am Anfang hinzu). Wenn Sie den Sketch erneut laden, wird so vermieden, dass die Uhr bei jedem Zurücksetzen auf ihre ursprünglichen Einstellungen zurückfällt. Um eine ausreichende Genauigkeit zu erreichen, messen Sie einfach die Zeit, die für das Hochladen des Codes benötigt wird, zum Beispiel 30 s, und starten Sie dann das erste Hochladen 30 s im Voraus. Mit ein paar Versuchen kann eine sekundengenaue Synchronisation erreicht werden! Die tägliche Aktualisierungszeit wird ebenfalls im Code eingestellt, indem man einfach die gewünschte Zeit eingibt.

Zum Schluss noch ein Hinweis auf die Methode zur Messung der Batteriespannung. Man findet sie oft im Internet, mit einigen Variationen, und Microchip selbst dokumentiert sie in einer eigenen Notiz. Der „Trick“ besteht darin, über die entsprechenden Register die interne Referenzspannung (1,1 V) als Eingangswert des ADCs und die zu messende Spannung (VCC) als Referenz einzustellen. Jede Änderung von V_CC verändert den ADC-Messwert, so dass der Spannungswert mit ausreichender Genauigkeit berechnet werden kann.
 

Abschließende Überlegungen

Obwohl die E-Paper-Technologie zweifellos interessante Merkmale aufweist, die sie für das vorgestellte Projekt besonders geeignet machen, hat sie auch gewisse Einschränkungen, von denen die offensichtlichste die niedrige Aktualisierungsrate ist. Das hier verwendete Modell führt den kompletten Auffrischungszyklus in zwei Sekunden und die teilweise Auffrischung in 0,3 Sekunden durch. Diese Werte können daher bei der Anzeige sich schnell ändernder Bilder, Grafiken und Texten nicht mit anderen Displaytypen mithalten. Dennoch hoffe ich, dass dieser Artikel Ihre Lust und Neugierde geweckt hat, mit E-Paper-Displays zu experimentieren und über den tatsächlichen Nutzen der vorgeschlagenen Schaltung hinaus einige interessante Ideen gefunden haben, die Sie mit der Einstellung eines echten Makers weiterentwickeln können.
 

Dieser Artikel erscheint in Elektor Mai/June 2023. Haben Sie technische Fragen oder Anmerkungen zu diesen E-Paper-Displays oder zu anderen Themen in diesem Artikel? Wenden Sie sich bitte an den autor oder die Elektor-Redaktion.