7″ Plotter Raspi 4B

Vorab ein paar wichtige Hinweise die sie unbedingt beachten sollten.

Abb. 7″ Plotter OBP 7.0 OpenCPN

Nachdem Chistian auf der Boot 2020 einen ersten Versuch zu einem 10″ Eigenbau-Plotter unternommen hatte, entstand hier eine neue Ansatz für einen neuen Eigenbau-Plotter. Einige Punkte des alten Konzepts hatten sich als nicht praktikabel herausgestellt. Insbesondere die Verwendung eines Raspi Compute Moduls CM3 und deren Abkündigung hatten das alte Projekt in ernste Schwierigkeiten gebracht. Die Basisplatine hätte komplett überarbeitet werden müssen. Ende 2021 unternahm Christian einen neuen Ansatz für einen 7″ Plotter. Ein 10″ Plotter mit dem gleichen Ansatz soll auch noch folgen.

Konzept

Diesmal sollte ein Standard Raspberry Pi 4B als Basis dienen. Zum einen hat der Standard Raspi schon alle wesentlichen Funktionen an Bord und zum anderen ist er wesentlich einfacher zu bekommen.

Abb: Raspberry Pi 4B (Raspberry Pi Fondation)

Da alle Erweiterungsplatinen über den Pfosten-Steckverbinder angedockt werden, ist der neue Plotter auch zu neueren Raspi-Versionen kompatibel. Zudem kann auch der alte Raspi 3B im Plotter eingesetzt werden. Ziel der Neuentwicklung ist es den Hardware-Aufwand so gering wie möglich zu halten und möglichst mit käuflichen Komponenten auszukommen. Die Anzahl der Zusatzboards soll sich auf ein Minimum beschränken. Besonders die Verwendung eines käuflichen wetterfesten Gehäuses erspart die aufwändigen Fräsarbeiten für ein angepasstes Gehäuse. Durch einen layerartigen Aufbau mit Rahmenteilen wird ein sehr einfaches Montagekonzept umgesetzt. Die Aluminiumteile und die Gehäusebearbeitung können auch in Handarbeit erstellt werden und erfordern nicht unbedingt eine CNC-Bearbeitung. Es wird das Ziel verfolgt, bestückte Platinen und vorgefertigte Mechanikteile als Bausatz anzubieten.

Abb: Geräteaufbau Rückansicht

Der Geräteaufbau erfolgt im mehreren Layern. Der unterste Layer ist der Frontrahmen mit dem Display. Auf der Rückseite des Displays befindet sich die Ansteuer-Elektronik. Auf der Platine sind 4 Stehbolzen auf die der Raspberry Pi 4B aufgeschraubt werden kann. Die Ansteuerelektronik des Displays wird über flexible Streifenleiter mit dem Raspberry Pi verbunden. Zur Befestigung des Displays am Gehäuse gibt es einen Grundrahmen mit zwei Seitenteilen, auf den das Display über die vier Halterungen angeschraubt werden kann. Die beiden Seitenteile am Grundrahmen sind notwendig, um die Bautiefe im Gehäuse optimal auszunutzen. Das orange Metallteil an der Oberseite ist ein Kühlfinger der die CPU-Wärme auf den Aluminiumrahmen ableitet und damit die CPU effektiv kühlt, ohne einen CPU-Lüfter nutzen zu müssen. Die rote Platine auf der linken Seite ist ein GPS-Empfänger, den man als fertig aufgebautes Elektonik-Modul im Elektronikhandel erwerben kann.

Abb. Frontabdeckung mit 7″ Display

Abb. Erweiterungs-Platine

Die Erweiterungs-Platine unterhalb des Raspberry Pi enthält die Stromversorgung, einen Audioverstärker und die Anschlüsse für die Tastatur, den GPS-Empfänger und den Lautsprecher sowie den Treiber für den CAN-Bus für NMEA2000.

Abb. Frontansicht ohne Abdeckfolie

Frontseitig befinden sich die Ausbrüche für die Tasten, das Display und den IR-Empfänger. Die Frontabdeckung wird mit einer von der Rückseite bedruckten Folie beklebt. Die Bedruckung erzeugt die Beschriftung und die Verklebung verhindert ein eindringen von Wasser.

Der 7″ Plotter besteht damit nur aus wenigen Hardware-Komponenten:

  • Kunststoffgehäuse, zweiteilig, ABS, wasserdicht (grau oder schwarz)
  • 7″ Touch Display 800 x 480 Pixel, 400 nits
  • Raspberry Pi 4B, 4 GB Flash, Quad-Core 1,2 GHz
  • Erweiterungsplatine mit Stromversorgung für 12V
  • Tastaturplatine
  • GPS-Empfänger mit Antenne

Alle Teile bis auf die Erweiterungsplatine und die Tastatur sind im Handel erhältlich. Wer AVnav als Image für den Raspberry Pi verwendet, benötigt nicht unbedingt die Tastatur- und Erweiterungsplatine, denn AVnav lässt sich ausschließlich über Touch bedienen und als Stromversorgung kann man auch käufliche DC/DC-Wandler einsetzen.

Software

Als Betriebssystem befindet sich Raspberry Pi OS Buster auf einer 32GB SD-Card die in den Raspi gesteckt wird. Christian hat zwei Imageversionen erstellt. Einmal für AVnav und einmal für OpenCPN als Navigationssoftware. Die Software-Varianten unterscheiden sich hinsichtlich der Bedienbarkeit und unterstützen die Besonderheiten der Navigationssoftware. Während AVnav voll browserbasiert auf Touchbedienung setzt und ohne Tasten auskommt, ist OpenCPN hingegen eine Desktopanwendung die mit Maus und Tastatur bedient wird. Damit OpenCPN sich ohne Maus und Tastatur bedienen lässt, werden einige Bedientasten im Plotter benötigt. Die wichtigsten Tastenfunktionen von OpenCPN wie zoomen und diverse Ansichten wurden auf Tasten des Plotters gelegt. Dazu gibt es für  Raspberry Pi OS Buster einige Software-Erweiterungen. Christian hat auch angepasste IR-Fernbedienungen mit einer Maus-Emulation gebaut, die man benutzen kann.

Umsetzung

Zur Bearbeitung der Gehäuseteile wurde eine CNC-Fräse benutzt. Damit während der Bearbeitung die Gehäusehalbschalen fest auf der Bearbeitungsplatte ohne Verspannung montiert werden konnten, wurde ein spezieller Montagerahmen erstellt in den die Rohteile eingelegt werden können. So ist auch sichergestellt, dass die Teile bei der Bearbeitung nicht verrutschen können.

Abb. Montagerahmen zur CNC-Bearbeitung

Abb. Negativ-Form

Abb. CNC Fräse 6040Z

Abb. Frästeile für den Aufbaurahmen (mit doppelseitigen Klebeband auf Opferplatte befestigt)

Abb. Fräsergebnis Frontrahmen

Abb. Layer-Aufbau (unten TFT-Platine, oben Raspi)

Abb. CPU-Kühlfinger für den Raspi

Abb. Raspi montiert, 2 USB-Ports mit WiFi- und Maus/Tastatur-Stick belegt

Abb. Lackierte Bleche

Abb. Platine zur Stromversorgung, zur Anbindung der Peripherie und des NMEA2000 Busses

Abb. Keyboard-Platine

Abb. Gesamter Aufbau mit GPS-Empfänger und Lautsprecher

Abb. Kühlfinger und GPS-Antenne

Abb. GPS-Empfänger Ublox NEO 6M

Abb. Lautsprecher-Halterung

Abb. Ausbrüche für Lautsprecher (Abdichtung mit Goretex)

Abb. Rückseite mit Vesa-Halterung und NMEA2000-Anschluss

Abb. Versuche mit verschiedenen Frontfolien