Lichtschranke ohne Kabel – trotzdem schnell

Gerade in der Tierfotografie hilft oftmals nichts anderes als eine Lichtschranke. Ob scheue Vögel, schnelle Insekten oder irgendein Waldbewohner, den man sonst nie vor die Linse kriegen würde – die Lichtschranke bietet die Lösung. Zum Glück sind moderne Lichtschranken inzwischen so klein und zuverlässig, daß sie kaum noch stören. Nur eines stört regelmäßig, nämlich das Kabel zwischen Kamera und Lichtschranke. Je nach Einsatzzweck kann das nur wenige Zentimeter lang sein oder auch mal zehn Meter. Wenn dann noch dichtes Buschwerk oder gar ein Gewässer dazwischen liegt, wird es besonders unangenehm. Ganz abgesehen davon, daß herumliegende Kabel die perfekten Stolperfallen sind.
Warum also nicht ganz darauf verzichten? Angesichts der riesigen Auswahl an drahtlosen Blitz- und Kameraauslösern sollte das nicht allzu schwierig sein.

Ist es auch nicht. Viele käufliche Funkadapter besitzen eine Klinkenbuchse, an die manche Lichtschranken direkt angeschlossen werden können, bei anderen ist eine kleine Elektronik zur Anpassung erforderlich. Für den Dachs vor seinem Bau ist eine derartige Funkstrecke eine prima Lösung, aber bei schnellen Objekten wie Vögeln oder Insekten kann es passieren, daß nur noch der halbe Vogel zu sehen ist. Besonders ärgerlich ist das, wenn extra zu diesem Zweck ein schneller Zentralverschluß eingesetzt wird.
Was ist passiert? Als Ursache stellt sich heraus, daß der Funkadapter zu langsam war. Das mutet erst einmal merkwürdig an, schließlich »geht« Funk mit Lichtgeschwindigkeit. Die Antwort ist im Prinzip ja, aber nur zwischen den Antennen. Schon die Lichtschranke hat ihre eigene Verzögerungszeit, ebenso der Verschluß. Welche Verzögerung das Funkmodul dazu beiträgt, hängt von verschiedenen Parametern ab, wie z.B. Frequenz, Bandbreite und dem Übertragungsprotokoll. Es gibt viele Module für das 433MHz- und das 868MHz-Band, die oft nur die Datenrate eines besseren Modems erreichen. Auch zwei käufliche Module lieferten eine Verzögerungszeit von 1ms bzw. 2,7ms und sind damit für schnelle Objekte weniger geeignet. Wenn man also etwas wirklich schnelles möchte, bleibt nur der Eigenbau.

nRF24L01+, die eierlegende Wollmilchsau

Bei der Recherche für Funkmodule stolpert man unweigerlich über die norwegische Fa. Nordic, die wesentlich am Bluetooth-Standard beteiligt war. Von dieser Firma stammt das IC nRF24L01+, dessen Daten sich geradezu paradiesisch ausnehmen:

• als Sender oder Empfänger konfigurierbar 
• 2,4GHz Frequenzband
• 127 Kanäle wählbar
• Übertragung mit 250kbps, 1Mbps, 2Mbps 
• frei wählbare 3- bis 5-Bytes-Adresse 
• 1 bis 5 Datenbytes
• 1- oder 2Byte-CRC 
• Sendeleistung max. 0dBm bis -18dBm 
• 3,3V Betriebsspannung, IO's 5V-tolerant

Dieser Chip ist auf fertigen Modulen zu finden, die für ca. 1-10€/Stck. erhältlich sind.

Besonders die Datenrate von 1Mbps bzw. 2Mbps ist erstaunlich hoch. Übertragen wird das Nutzsignal immer in Form einer eindeutigen Message mit Adresse und abschließendem CRC. Damit ist eine hohe Daten- und Störsicherheit gewährleistet. Um eine möglichst kurze Reaktionszeit auf ein externes Signal zu erreichen, müssen einige Parameter entsprechend gesetzt werden. Z.B. brauchen nicht 5 Nutz-Bytes übertragen zu werden, für den angedachten Zweck reicht ein einziges Byte. Dazu drei Bytes für die Adresse statt fünf und ein Byte CRC statt zwei. Da es nur um die Auslösung einer Kamera geht, bleiben auch sicherheitsrelevante Protokolle wie Auto-Acknowledge mit Rückfragen und erneutem Senden außen vor. Die sind gut bei wichtigen Daten, verzögern aber die Antwortzeit massiv.  
Wo viel Licht ist, ist aber auch Schatten, und der liegt in der auf den ersten Blick ziemlich komplizierten internen Struktur. Etwa zwanzig Register warten auf ihre Programmierung, wobei aber nur ein Teil wirklich beschrieben werden muß. Beim Rest kann man die Default-Werte so stehen lassen. 
Die Kommunikation mit dem Registersatz erfolgt ausschließlich per SPI. Da aber so gut wie jeder moderne Mikrocontroller über eine SPI-Schnittstelle verfügt, ist das kein Nachteil.
Für die Software findet man im Internet zwar einschlägige Libraries für den weitverbreiteten Arduino, für den PIC sind die aber nicht direkt einsetzbar. Also blieb nur der Weg, die notwendige Software selbst zu entwickeln. Dazu dienten zwei Entwicklungs-Boards, die je ein Modul als Sender bzw. als Empfänger erhielten. Das Hauptproblem bei dieser Softwareentwicklung ist, daß man den Funkverkehr nicht wirklich kennt. Der Sender zeigt zwar mittels LEDs das Byte in Form einer Binärzahl an, was aber wirklich beim Empfänger ankommt, weiß man nicht. Deshalb wurde das Empfänger-Board mit einem Hexdisplay ausgestattet, das das empfangene Byte anzeigt.
Während draußen der Corona-Wahn den Sommer verdunkelte, lichtete sich am PC allmählich das Dunkel der Register. Am Ende blieben statt aufgeblähter C-Libraries ein paar Zeilen PIC-Assembler übrig, die nicht nur übersichtlicher, sondern auch noch schneller sind. So flog bald das erste Byte durch den Äther. 

Vom Test-Board zum fertigen Gerät

Der nächste Schritt war das Design einer praktisch einsetzbaren Elektronik aus Sender und Empfänger. Dem Sender wurden zwei Eingänge LS1 und LS2 spendiert, an die Reflexlichtschranken direkt angeschlossen werden können. Für Einweg-Lichtschranken sind zwei 12V-Klinkenbuchsen für den Sender vorhanden. Geeignet sind Lichtschranken mit PNP- und NPN-Ausgang. Beide Lichtschranken können im Kreuz- oder als Parallelmodus konfiguriert werden, letzterer auch mit Richtungspriorität. D.h., ausgelöst wird nur, wenn zuerst LS1 unterbrochen wurde und danach LS2. Natürlich kann auch eine einzelne Lichtschranke angeschlossen werden, normalerweise dunkelschaltend. Möglich ist aber auch hellschaltend. Zur Auswahl der Konfigurationen dient ein 3poliger DIP-Schalter auf der Unterseite.
Einige wenige Lichtschranken kommen mit der üblichen 12V-Versorgungsspannung nicht aus, z.B. benötigt das Lichtgitter Sick WLG12-P537 mindestens 18V. Damit auch solche Lichtschranken benutzt werden können, erzeugt ein Transverter auf der Platine aus der 12V-Versorgungsspannung die notwendigen 18V. Diese Spannung wird bei Bedarf über einen Jumper an LS2 zugeschaltet. Außerdem wird alle 60 Minuten ein Teach-In durchgeführt, mit dem sich das Lichtgitter automatisch an veränderte Umfeld-Bedingungen anpaßt.
Als Sendemodul wird eines mit integriertem 22dB-Verstärker verwendet, wobei die Leistung mit dem Schalter S3 reduziert werden kann. Falls der Standard-Kanal gestört sein sollte, können mit S1+2 des zweiten DIP-Schalters vier alternative Kanäle im 2,4GHz-Band ausgewählt werden. 
Zur Ausrichtung der Lichtschranken wird mittels Druckschalter auf der Rückseite in den Setup-Modus umgeschaltet, in dem ein Tonsignal anzeigt, wenn die Lichtschranke korrekt eingestellt ist.
Daneben befindet sich die Buchse für die Stromversorgung. Gut bewährt hat sich hier ein 12V-LiPO-Akku mit 3000mAh, der mit einer Laserlichtschranke 25 Std. durchhielt. Mit dem 18V-Lichtgitter immer noch 15 Std.

Der Empfänger ist für den Anschluß an die PQS-Elektronik ausgelegt, von der er auch mit Strom versorgt wird. Ein Taster auf der Unterseite erlaubt die manuelle Auslösung des Verschlusses. Auch der Empfänger besitzt einen DIP-Schalter zur Auswahl des aktiven Kanals, der auf denselben Wert wie der Sender eingestellt sein muß.
Damit Sender und Empfänger etwas zu tun haben, wird die Spannung des Akkus am Sender zum Empfänger gefunkt und dort mit einer zweifarbigen LED angezeigt. Damit hat man den Ladezustand des Akkus, der auch die Lichtschranken versorgt, stets im Blick.

Nicht immer ist aber die PQS-Elektronik notwendig. Wenn die Kamera direkt über den Fernauslöser-Anschluß ausgelöst werden soll, ist das auch möglich. Dafür ist am Empfänger eine 2,5mm-Klinkenbuchse vorhanden, an die das Fernsteuerkabel angesteckt wird. Weil in diesem Fall die Stromversorgung über die PQS-Elektronik entfällt, muß der Empfänger extern versorgt werden, z.B. von einer Powerbank über die Micro-USB-Buchse.

Die Kamera kann auch ganz ohne Empfänger direkt am Sender ausgelöst werden – wahlweise mit oder ohne Spiegelvorauslösung. Dazu wird das Fernsteuerkabel an eine der vier Klinkenbuchsen für die Blitze angeschlossen. Damit entfällt die Funkstrecke und die Auslöseverzögerung reduziert sich auf wenige Mikrosekunden. Der Sender dient dann nur noch als »Frontend« für die Lichtschranken, die in einem der vorgesehenen Modi betrieben werden können.

Sollten die vier Blitzgeräte, die an den Sender direkt angeschlossen werden können, nicht ausreichen, kann ein weiterer Blitz mit Hilfe eines modifizierten SCA-3000-Adapters gezündet werden. Dieser Adapter enthält ein Empfänger-Modul und wird vom aufgesteckten Blitzgerät mit Strom versorgt (Bild rechts). Da der Empfänger sein Signal direkt vom o.g. Sender erhält, muß die Auslösung des Blitzes um die Öffnungszeit des PQS-Verschlusses verzögert werden, also um 2ms. Mit dem DSO kann diese Zeit so justiert werden, daß der Blitz genau in der Mitte der Öffnungszeit des Verschlusses liegt (Bild link).

Wie schnell ist nun das Ganze...

Zur Messung wurde das zweikanalige DSO benutzt. Ein Eingang wurde mit einem freien Port des »Sender-PICs« verbunden, der andere Eingang mit einem Port des »Empfänger-PICs«. Unmittelbar nach dem Abschicken des Bytes setzte der Sender seinen Port, ebenso setzte der Empfänger seinen Port nach Empfang des Bytes. Am DSO konnte nun exakt die Zeitdifferenz gemessen werden. 

Mit einer Übertragungsrate von 1Mbps, also 1 Mio. Bit/s, ergab sich eine Differenz von ca. 200us zwischen beiden Ports. Eine 5 Byte lange Adresse schlug mit 213us zu Buche, mit 2 Mbps sparte man etwa 20us. Das waren tatsächlich beeindruckende Resultate. Für die reale Funkstrecke einschließlich der Eingangs- und Ausgangsstufen ergab sich eine Zeitverzögerung von ca. 250us. Das ist etwa fünf- bis zehnmal weniger als mit einem käuflichen Funkmodul. Durch die spezielle Programmierung verzögert sich die Blitzauslösung aber nicht, es verschiebt sich nur die Auslösung des PQS-Verschlusses um diese Zeit.

...und wie weit funkt es?

Mit der maximalen Sendeleistung des Standard-Moduls von 0dBm (1mW) konnten in der Wohnung durch mehrere Wände ca. 8m überbrückt werden. Im Freien ohne Wände dazwischen sind es einige dutzend Meter, was für jede Lichtschranke ausreichen dürfte. Trotzdem können Bäume und Gebüsch die Reichweite begrenzen, vor allem, wenn sie naß sind. Dank der unidirektionalen Betriebsart kann aber das Standard-Modul im Sender durch ein solches mit 22dBm-Ausgangsverstärker ersetzt werden. Damit verdoppelt sich die Entfernung im Haus, während sich die Distanz in freier Natur mindestens verzehnfacht.

Fazit: Mit diesem Funkadapter kann nicht nur das Kabel eingespart werden, er erweitert die Möglichkeiten der PQS-Elektronik um die Kreuz- und Parallellichtschranke. Bedarfsweise stehen auch 18V für spezielle Lichtschranken zur Verfügung.