MorsePaddle

Uit RobotMC.be
Ga naar: navigatie, zoeken

Morse, wordt dat nog gebruikt ?

De meeste van ons kennen morse code. Uit films over lang vervlogen tijden, toen er nog geen telefoons bestonden en het *de* manier was om berichten met grote snelheid over lange afstanden te transporteren. Of uit de tijd van de (koude) oorlog, waar het gebruikt werd door militairen en spionnen om berichten door te geven. Ook in de scheepvaart werd morse gebruikt om, waar ook ter wereld, contact te kunnen maken en berichten door te geven. En waren er natuurlijk zend-amateurs, die morse examen deden om toegang te krijgen tot de HF banden.

Maar dit alles ligt achter ons. Er zijn gebruiksvriendelijke alternatieven gekomen om, ook onder zware omstandigheden, berichten te versturen. Er worden geen militairen meer getraind in morse, de kustwacht gebruikt het niet meer en zelfs als examen-eis voor zendamateurs is morse al jaren geleden afgeschaft. En daarmee is morse grotendeels geschiedenis. Maar niet helemaal... Er blijven zendamateurs die morse gebruiken. En, opvallend genoeg, zijn er nog steeds zendamateurs die de moeite nemen om morse te leren. Op de site lcwo.net melden zich nog steeds zo'n 1000 mensen per jaar aan om morse te leren. Okay, niet iedereen zal niet doorzetten, maar het geeft wel aan dat morse nog steeds leeft.

Innovaties

00Sculpture.jpg

In de loop van de jaren zijn er diverse innovaties geweest in de technieken die voor morse gebruikt worden. De telegraaf gebruikte een klikkend apparaat wat strepen op papier zet als iemand op grote afstand, verbonden via lange kabels, een seinsleutel indrukte. Later werd voor de overdracht gebruik gemaakt van radiogolven en het knipperende licht van seinlampen bij de marine.

Ook in seinsleutels was er innovatie. Naast de verticale sleutel werd een horizontale sleutel (side swiper) gebruikt. Een variant hierop is de semi-automatische key (Vibroplex), die met behulp van kleine pendule zelf de punten maakt. Met de opkomst van de digitale techniek kwamen ook de iambic (dubbele) seinsleutels op. De elektronica (en later de microprocessor) zorgde voor de timing en zo kreeg je met een enkele beweging een reeks van strepen of punten met perfecte pauze. Of zelfs een afwisselende reeks van strepen en punten.

De seinsleutels zijn vaak prachtig voorbeelden mechanisch vakmanschap. Voorzien van veren of magneten voor nauwkeurig instelbaar en constante tegendruk, soepele lagertjes, ontwerpen met lage inertie, grote stijfheid en natuurlijk weinig speling ze dit (voor sommigen) snelheden van meer dan 50 wmp mogelijk. Dat betekent dat een punt nog geen 25 milliseconden duurt!

Solid state seinsleutel

Uit voorgaand blijkt dat de aandacht voor morse afneemt en je zou daarom geen innovaties meer verwachten. Het was dan ook verrassend dat in 2013 een 'solid state' seinsleutel werd geïntroduceerd. Een sleutel zonder bewegende delen. Nu waren er al meer van dit soort sleutels, gebaseerd op een capacitieve aanraak-sensor. Maar deze sleutel is anders, omdat je de sleutel, net als een mechanische sleutel, niet los hoeft te laten.

De site geeft weinig informatie over de gebruikte sensors, maar de eerste reacties van gebruikers zijn enthousiast. En dat maakt me, net gestart met morse leren, nieuwsgierig. Zou je dit ook zelf kunnen maken? En zou het ook goed werken, met voldoende gevoeligheid zonder dat de schakeling op hol slaat door de energue van de zender? Ik besluit een poging te wagen.

De sensor

Het plan is om gebruik te maken van zogenaamde 'load cells'. Dit zijn kleine rekstrookjes, gemonteerd op een aluminium strip. De rekstrookjes zijn als brug geschakeld en de weerstandsverdeling in die brug verandert als de rekstrookjes van lengte veranderen door het buigen van de strip. De meetbrug geeft orde grootte 1mV/V uitgangsspanning. Dus als je de brug aansluit op 5V en deze maximaal belast, is de uitgangsspanning 5mV. De afmetingen van de aluminium strip bepaalt wat de maximale belasting is. Deze load cells worden gebruikt in (keuken) weegschalen en worden los op ebay aangeboden.

Een belangrijke vraag is welk bereik het meest geschikt is. De gewenste gevoeligheid van een seinsleutel ligt ergens tussen de 1 en 10 gram, dus een load cell van 100 gram zou prima voldoen. 10 gram geeft een signaal van 0.5mV en met enige versterking is dat goed te meten met een microprocessor. Maar is dit mechanisch wel stevig genoeg? Een load cell kan over het algemeen 2 of 3 maal de maximale belasting verwerken zonder dat deze beschadigt. Wat is de belasting van de load cell als je met je koffie-mok per ongeluk tegen de arm van de sleutel tikt? Het zou jammer zijn als de seinsleutel daardoor beschadigt.

Daarom heb ik gekozen voor load cells met een maximale belasting van 1kg, stevig genoeg om (bij normaal gebruik en kleine ongelukjes) niet te beschadigen. Omdat deze load cell slechts 0.05mV per cel uitgeeft, moet het signaal aanzienlijk meer versterkt worden voordat de microprocessor het kan meten. En daarmee wordt de schakeling ook gevoeliger voor de energie die de zender uitstraalt. Een punt van aandacht.

Mechanica

De aluminium stripjes van de load cells zijn te klein om direct met je vinger te bedienen. Daarom zijn ze voorzien van kleine aluminium plaatjes. Deze plaatjes zijn aan de binnenkant van de load cells geplaatst, zodat ze niet te ver uit elkaar staan als de load cells op een stevige voet gemonteerd worden. En een stevige voet is nodig. Een eerste test met de load cells op een frame van maker beams leert dat een dergelijke aluminium constructie teveel buigt. Clubgenoot Aloys heeft hierom een prachtige ijzeren voet gemaakt, waarin hij een speciaal gevormde zuil heeft geperst. Geen (merkbare) buiging en deze 1,5 kg aan ijzer staat als een huis!

MorsePaddle1.jpeg

Elektronica

SolidStatePaddle2.jpg

De elektronica bestaat uit twee delen:

Het eerste deel bestaat uit twee load cell versterkers, ieder opgebouwd uit twee opamps van de viervoudige LM324N. De eerste opamp is een differentieel versterker. Op de uitgang van deze opamp staat de verschilspanning van de load cell brug, versterkt met een factor 100. Een 4-tal ontkoppelcondensatoren van 10nF onderdrukken eventuele hoogfrequent signalen. De tweede trap versterkt het signaal 47x. De spanning op de + ingang is instelbaar met een 10-slagen instelpotmeter om een eventuele offset van de load cell brug te compenseren.

Het tweede deel van de elektronica is een PIC microcontroller, in dit geval een 16F690. Deze is voorzien van een ICSP (In Circuit Serial Programming) connector voor de ontwikkeling van de software en een 20 MHz resonator zorgt voor de systeemklok. Voor de solid state paddle wordt de volgende IO lijnen gebruikt:

  • De analoge signalen uit de load cell versterkers worden aangeboden op een tweetal analoge ingangen, AN2 en AN6.
  • Pinnen C4 en C5 zijn de uitgang van de paddle. Hierop wordt een open collector uitgang gesimuleerd (en dat gaat goed zolang de ingangsspanning niet hoger is dan 5V).
  • Op pinnen B4 en B6 zijn drukknopjes aangesloten om de gevoeligheid van de paddle in te stellen.

Zie hier het complete schema.

Software

De software is geschreven in JAL, een pascal-achtige programmeertaal voor PIC controllers, en maakt gebruikt van de Jallib libraries. Het hart van de code is de functie PaddleTakt(), die met een frequentie van 1500Hz wordt aangeroepen. Allereerst bepaalt deze functie het nulpunt van de beide analoge ingangen, de waarden die beide versterkers heben als de paddles in rust zijn. De afwijking van dit nulpunt geeft aan hoeveel kracht op ieder van de paddles wordt uitgeoefend. En als deze afwijking boven de ingestelde waarde (gevoeligheid) komt, wordt de uitgang geschakeld. Tot slot bewaakt deze routine het nulpunt van de beide versterkers en compenseert voor eventuele drift.

Het hele programma is 600 bytes groot, zo'n 15% van het totale geheugen. Daar komen nog eens 600 bytes bij voor het uitprinten van de status. De broncode vindt je hier.

Ervaringen

Het uitgangssignaal van de load cell versterkers is, met de 1 kg load cells, ruim voldoende en schoon genoeg om te verwerken. De immuniteit voor hoogfrequent is goed: ondanks de grote versterking de load cell signalen en de open constructie, werkt het tot 70 Watt vlekkeloos bij mij. De immuniteit kan worden verbeterd door de elektronica in een metalen kastje te bouwen en de uitgangen te ontkoppelen.

Het volgen van het nulpunt werkt in eerste instantie niet optimaal. Door het seinen verloopt het nulpunt, waardoor de gevoeligheid toeneemt. Dit is opgelost door wijzigingen naar beneden (rust) sneller te volgen dan wijzigingen naar boven. Daarnaast blijkt dat het indrukken van de ene zijde van de paddle een kleine oscillatie geeft op de tegenovergestelde meetbrug. Dit lijkt een mechanisch effect, wat met een vertraging van 1,3 ms wordt onderdrukt.

En met deze kleine aanpassingen is het punt bereikt waarop we de sleutel in gebruik kunnen nemen. Een paddle die niet beweegt is even wennen. Maar niet lang! De sleutel bevalt zo goed dat de Kent twin paddle 80% van de tijd achteraan staat. De solid state paddle wordt sinds oktober 2013 vier of vijf keer per week gebruikt voor een ragchew van een half uur.

Toekomstplannen

Er is nog een aantal ideeën voor uitbreiding van de sleutel:

  • De knopjes voor de gevoeligheid vervangen door een potmeter. Hierdoor wordt de waarde 'onthouden' en de stand van de potmeter laat zien hoe de gevoeligheid ongeveer is ingesteld.
  • Alternatief: de gevoeligheid opslaan in het permanente geheugen van de microcontroller.
  • De offset-compensatie van de beide load cell versterkers gebeurt nu handmatig, met twee instelpotmeters. De microprocessor kan dit automatisch bepalen bij het opstarten. Dit vraagt wel even tijd (enkele seconden?). Een ledje kan aangeven dat de calibratie loopt.
  • De microprocessor heeft genoeg geheugen en pinnetjes over om een keyer toe te voegen. Het knopje voor de command mode van de keyer zie je al op de foto en onder het printje zit ook al een luidsprekertje voor de side tone.

De vraag is of deze uitbreidingen er gaan komen. Ook al is de software voor de keyer al gereed en hoeft er alleen nog wat aan geschaafd worden om de laatste ruwe randjes weg te werken. De sleutel seint zo lekker dat ik niet het risico neem dat ik deze door het schaven de sleutel niet kan gebruiken!

Joep