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OscarClock entstand aus der Idee, ein klassisches analoges Oszilloskop einmal nicht zur Messung elektrischer Signale, sondern als ungewöhnliches Anzeigegerät zu verwenden. Im normalen Betrieb stellt ein Oszilloskop den zeitlichen Verlauf einer elektrischen Spannung dar. Viele analoge Geräte besitzen jedoch zusätzlich getrennte Eingänge für die horizontale und vertikale Ablenkung. Im sogenannten X/Y-Betrieb lässt sich der Elektronenstrahl damit gezielt über den Bildschirm bewegen. Genau dieses Prinzip nutzt OscarClock. Statt ein fertiges Bild aus einzelnen Pixeln aufzubauen, werden Buchstaben und Ziffern als Vektorschrift erzeugt. Jeder Buchstabe besteht aus einer Folge von Linienzügen. Der Strahl des Oszilloskops wird dabei von Punkt zu Punkt geführt und zeichnet so unmittelbar die gewünschten Zeichen auf die Bildröhre. Die dafür benötigten X- und Y-Signale erzeugt ein ESP32. Aus den im Programm hinterlegten Koordinaten der einzelnen Zeichen berechnet der Mikrocontroller fortlaufend die beiden Ablenkspannungen und gibt sie über seine Digital-Analog-Wandler (DAC) aus. Ein Ausgang bestimmt die horizontale, der andere die vertikale Position des Strahls. Werden die Koordinaten schnell genug nacheinander ausgegeben, entsteht für das menschliche Auge eine stehende Schrift. OscarClock zeigt abwechselnd das Amateurfunkrufzeichen mit dem zugehörigen Locator sowie verschiedene Uhrzeiten an. Die Zeitanzeige wird über das Netzwerk synchronisiert, sodass neben UTC auch die lokale Zeit dargestellt werden kann. Damit verbindet das Projekt moderne Mikrocontrollertechnik mit einem Anzeigegerät aus einer völlig anderen technischen Epoche – und gibt einem alten analogen Oszilloskop eine neue Aufgabe.

Technische Umsetzung

Die Darstellung der Vektorschrift erfolgt über die beiden X/Y-Eingänge des Oszilloskops. Der ESP32 gibt dazu fortlaufend die Koordinaten der einzelnen Liniensegmente über zwei DAC-Ausgänge aus. Während sich die Ausgangsspannungen zwischen zwei Punkten verändern, bewegt sich der Elektronenstrahl über den Bildschirm und zeichnet die entsprechende Linie. Eine Besonderheit von OscarClock besteht darin, dass das verwendete Oszilloskop keinen Z-Eingang zur Helligkeitssteuerung bzw. Strahlaustastung benötigt. Normalerweise würde ein solcher Eingang verwendet, um den Elektronenstrahl beim Wechsel von einem Zeichen zum nächsten kurzzeitig dunkelzuschalten. Anderenfalls würde der Strahl eine unerwünschte Verbindungslinie zwischen den Zeichen zeichnen. OscarClock umgeht dieses Problem auf eine vergleichsweise einfache Weise. Soll der Strahl beispielsweise vom Ende eines Buchstabens zum Anfang des nächsten springen, werden die neuen X/Y-Koordinaten sehr schnell angefahren. Die Verweildauer des Elektronenstrahls auf diesem Weg ist dadurch wesentlich kürzer als beim eigentlichen Zeichnen der Linien. Dabei wird auch die Trägheit bzw. Nachleuchtdauer der Leuchtschicht der Bildröhre ausgenutzt: Die eigentlichen Zeichen werden durch die wiederholte Darstellung deutlich sichtbar, während die extrem schnellen Sprünge zwischen den einzelnen Zeichen nur sehr wenig Leuchtenergie auf der Schirmfläche hinterlassen. Die unerwünschten Verbindungslinien sind dadurch praktisch nicht beziehungsweise nur sehr schwach wahrnehmbar. Für das Auge entsteht so der Eindruck voneinander getrennter Buchstaben und Ziffern, obwohl der Elektronenstrahl während der gesamten Darstellung eingeschaltet bleibt. Eine zusätzliche Leitung zur Strahlaustastung und damit ein Z-Eingang am Oszilloskop sind für diese Art der Darstellung nicht erforderlich. Die komplette Anzeige wird in sehr kurzer Folge immer wieder neu gezeichnet. Durch die Kombination aus hoher Wiederholrate und der Nachleuchteigenschaft der Bildröhre erscheint die Vektorschrift als ruhiges, zusammenhängendes Bild.

Webflasher für ESP 32

Inbetriebnahme

Der Anschluss von OscarClock an das Oszilloskop ist unkompliziert. GPIO25 des ESP32 wird mit dem X-Eingang, GPIO26 mit dem Y-Eingang des Oszilloskops verbunden. Zusätzlich müssen ESP32 und Oszilloskop über eine gemeinsame Masse verbunden sein. Anschließend wird der ESP32 einfach über USB mit Spannung versorgt. Vor dem Einschalten sollte das Oszilloskop auf X/Y-Betrieb eingestellt werden. Ohne anliegendes Signal ist dabei lediglich ein einzelner Punkt auf dem Bildschirm zu sehen. Achtung – Einbrenngefahr! Ein unbewegter, heller Elektronenstrahl kann die Leuchtschicht einer Bildröhre dauerhaft beschädigen. Deshalb die Helligkeit zunächst fast vollständig herunterdrehen. Erst wenn OscarClock ein Bild bzw. die Vektorschrift ausgibt, die Helligkeit vorsichtig so weit erhöhen, bis die Anzeige gut erkennbar ist. Bei der ersten Inbetriebnahme startet OscarClock zunächst einen eigenen Fallback-Hotspot. Dieser ermöglicht die Einrichtung des Gerätes auch dann, wenn noch keine WLAN-Zugangsdaten gespeichert sind. Dazu wird mit einem Smartphone, Tablet oder Computer eine Verbindung mit dem WLAN „OscarClock“ hergestellt. Anschließend kann das Webinterface über die IP-Adresse 192.168.4.1 aufgerufen werden. Dort werden die Zugangsdaten des heimischen WLANs sowie das gewünschte Amateurfunkrufzeichen und der Locator eingetragen. Bei Bedarf kann zusätzlich die aktuelle Uhrzeit manuell eingestellt werden. Nach dem Speichern der Einstellungen verbindet sich OscarClock mit dem angegebenen WLAN und versucht, die aktuelle Uhrzeit automatisch über NTP zu beziehen. Der Fallback-Hotspot wird normalerweise nur für die Einrichtung bzw. als Rückfallebene benötigt. Er kann jedoch auch später jederzeit manuell über den BOOT-Taster des ESP32 erzwungen werden. Dies wird weiter unten noch genauer beschrieben.

Weitere Informationen

OscarClock ist so ausgelegt, dass die Uhr auch dann weiterverwendet werden kann, wenn die automatische Zeitsynchronisation über das Internet einmal nicht zur Verfügung steht. Nach dem Einschalten versucht der ESP32 zunächst, sich mit dem gespeicherten WLAN zu verbinden und die aktuelle Uhrzeit über einen NTP-Zeitserver abzurufen. Solange noch keine gültige Zeit zur Verfügung steht, kann auf dem Oszilloskop entsprechend „NO TIME“ angezeigt werden. Sobald eine erfolgreiche Synchronisation erfolgt ist, beginnt die normale Zeitanzeige. Im laufenden Betrieb erfolgt einmal täglich ein erneuter NTP-Abgleich, sodass die interne Uhr regelmäßig korrigiert wird. Die Umstellung zwischen MEZ und MESZ (Sommer-/Winterzeit) erfolgt automatisch. Neben der lokalen Zeit kann OscarClock weiterhin UTC darstellen. Kann keine Verbindung mit dem eingerichteten WLAN hergestellt werden, steht als Rückfallebene ein eigener Fallback-Hotspot zur Verfügung. Über diesen kann auf das Webinterface von OscarClock zugegriffen und beispielsweise die WLAN-Konfiguration angepasst werden. Der Fallback-Hotspot lässt sich außerdem bewusst über den BOOT-Taster des ESP32 erzwingen. Das ist insbesondere dann praktisch, wenn zwar noch eine gespeicherte WLAN-Konfiguration vorhanden ist, man aber trotzdem direkt auf die Konfigurationsoberfläche zugreifen möchte. Sollte überhaupt keine NTP-Synchronisation möglich sein – beispielsweise beim Betrieb ohne Internetzugang – kann die Uhrzeit als weitere Rückfallebene manuell über das Webinterface eingestellt werden. OscarClock ist damit nicht zwingend auf eine dauerhaft verfügbare Internetverbindung angewiesen. Damit besitzt das System mehrere Ebenen zur Zeitversorgung: Im Normalbetrieb erfolgt die automatische Synchronisation per NTP, bei Netzwerkproblemen steht der Fallback-Hotspot zur Verfügung und als letzte Rückfallebene kann die Uhrzeit manuell gesetzt werden.

Bauteile und Bezugsquellen

Die hier aufgeführten Bezugsquellen sind Beispiele. Es handelt sich nicht um Werbung oder Affiliate-Links.

• 1 × ESP 32 Entwicklerboard
  
  Beispiel bei Roboter Bausatz