BitBangCCD Eigenbauprojekt vorgestellt

Hallo Gemeinde,

ich möchte kurz ein Selbstbauprojekt vorstellen, bei dem ich schon ein Stück vorwärts gekommen bin. Es geht um den Eigenbau einer CCD Kamera für Astronomiezwecke auf Basis einer günstig verfügbaren Kamera aus den 90ern. Meine Motivation:
- Spaß am Basteln
- Was lernen über den Umgang mit CCD Sensoren, ARM Controller
- Eine Kamera zu haben bei der man vollen Zugriff auf Hard- und Software hat

Basis ist der Kamerakopf KODAK Megaplus 1.4. Diese werden in letzter Zeit immer mal wieder im Netz angeboten. Wenn der Kopf allein übrig ist liegt der Preis inclusive Import oft deutlich unter 100 Euro. Hier mal ein Link zum Datenblatt:
http://prom-sys.com/pdf/1-4i_data.pdf

Wie soll's funktionieren.
Nach dem Zerlegen der ersten Kamera habe ich ein reengineering der Sensorplatine betrieben. Diese enth. alle wichtigen Treiber für den Sensor und eine Signalkonditionierung auf 50Ohm koax für das Ausgangssignal.

Als nächstes habe ich eine Controllerplatine mit einem ATMEL ARM controller gebaut, die folgende Funktionen hat:
- Steuern der Sensorplatine
- 12bit AD-Wandlung des Bildsignals
- Steuerung des mechanischen Shutters
- 8MByte SRAM mit Platz für 3 Rohbilder (z.B. Schwarzaufnahme)
- USB zum PC u.a.

Was funktioniert schon?
- Steuern des CCD und herausschieben der Pixel
- Steuerung des Shutters
- Schreiben eines Testbildes in den SRAM der Kamera (linien und Graukeil)
- Auslesen des Testbildes zum PC und Darstellung auf dem Bildschirm

Momentan versuche ich gerade das erste Bild vom CCD zu bekommen, war aber bisher nur Gries. Vermute den Fehler in der Software des AD-Wandlers.

Von der Fertigung der Leiterplatten für Controller und Stromversorgung habe ich noch einige übrig (unbestückt). Vielleicht mag ja noch jemand mit mitbauen, dann steckt man nicht so im eigenen Saft. Was hauptsächlich nötig ist sind von nun an eher Kenntnisse auf der Software Seite. Sowohl für PC als auch für die Kamera mit dem ARM.

Ich poste dann noch ein paar Bilder des gegenwärtigen Arbeitsstandes.

Gruß, Thomas.

Hier mal ein Bild der Frontplatte mit der darauf montierten Sensorplatine:

Vorn in der Frontplatte sitzt ein eingeschraubter Einsatz mit einem C-Mount. Darin befindet sich noch ein IR-Filter, welches aber leicht eusgebaut werden kann (Sprengring).

Zwischen Sensor und Filter befindet sich noch ein mechanischer Shutter. Kodak hat offenbar auch Kameras ohne Shutter ausgeleifert. Der 2. Kamerakopf den ich gekauft habe hatte keinen Shutter.

Der Sensor wurde von Kodak auf ein 2mm Alublech zur Kühlung montiert. Da könnte man später einen eigenen Kühler anflanschen.

J1 - Ansteuerung von V, H und R mit 5V TTL Pegel
J3 - Stromversorgung +/-5V und +/-15V
J2 - analoges Bildsignal

Hier mal alles zur Inbetriebnahme zusammengesteckt. In diesem Zustand konnte ich am Sensor alle Signale und Spannungen nachmessen bevor ich den Sensor wieder eingesetzt habe.

Hier dann wieder zusammen gebaut mit Sensor:

Allerdings streut so relativ viel Licht von der Seite ein und der Sensor geht recht schnell wieder in die Sättigung.

Daher habe ich die Sensoreinheit erstmal wieder ins Gehäuse gebaut um an der Software für das Auslesen des CCD Sensors zu arbeiten:

Auf dem C-Mount sitzt erstmal ein billiges Überwachungskameraobjektiv. Leider ist mir beim Auseinandernehmen natürlich die Justage des Sensors gegenüber dem C-Mount verloren gegangen. Aber das kommt später. Jetzt muß erstmal ein Bild her, das irgendeine Abhängigkeit von der Belichtung zeigt. Auf dem Oszi sieht man, daß die Spannungen ankommen aber die Zahlen hinter dem AD-Wandler sind noch Unsinn.

Hier mal noch der Blick von vorn auf den C-Mount mit offenem Shutter.
Das Filter fehlt hier bereits.

Der komplette schwarze Ring kann herausgeschraubt werden. Momentan kann ich nicht sagen was für ein Gewinde sich dann dahinter verbirgt. Hoffendlich was mit metrischer Steigung.

Das Gehäuse ist relativ groß und schwer. Ist aber ein Stranggußprofil welches sich leicht kürzen lassen sollte.

Hier mal noch ein paar genauere technische Daten:

Sensor: Kodak KAF1401 SW mit 1320x1035 pixel; 6.8um

ADC: im Miktokontroller integriert, 12bit, ~1M sample

Analogeingang: 50Ohm, ADC wird differentiell getrieben

Mikrokontroler: ATMEL SAM4E (Cortex M4) mit 96MHz
512kByte Flash (Programmcode momentan 5% gefüllt)
128kByte SRAM intern (momentan 12% genutzt)
8MByte SRAM extern (3 full frame Bilder bei 16bit Auflösung)
SD-Karten Interface (bisher von meiner Software nicht unterstützt)
Interne Uhr mit 32kHz Quarz

Stromversorgung: Separates Board, Eingang 9...18V, Überspannungsschutz, Verpolschutz

<b>First Light!</b>

Nach Aha-Effekten mit der Software und diversen Justagearbeiten ergab sich letzte Nacht das erste Bild, auf dem etwas erkennbar ist. Mein Werkstattbesen hatte die Ehre für dieses Foto Modell zu stehen.

Nach weiteren Arbeiten in der Software und der Konfiguration des AD-Wandlers habe ich ihn dann abgelöst.

Nun muß ich den Meßbereich des AD-Wandlers noch auf den Empfindlichkeitsbereich des Sensors abstimmen. Dann weiter mit den Funktionen zur Belichtungssteuerung und Schwarzaufnahme.

Hallo Ullrich,

ja, den polnischen Anbieter hatte ich neulich angeschrieben, da lag der Preis noch bei ~110,- Euro. Auf der Kamera war vorn ein schwarzer Metallring montiert und die Fotos gaben dann nicht wirklich viel her. Vermute ein Ringlicht oder so. Er meinte, das gehört nicht dazu und er weiß auch nicht was es ist. Heute komplett andere Fotos und den Kamerakopf zum Neupreis des Komplettsystems von vor 20 Jahren. Das is schon lustig.
Ich habe bisher 2 Kameraköpfe ersteigert, beide unter 100 Euro aus USA und Kanada. Immer ohne Controlunit, einer hat leider keinen mechanischen Shutter. Offenbar war der optional.

Bin eher neu hier und nicht sicher ob das Thema zu exotisch ist. Falls nein könnte ich weiter Informationen zu den Leiterplatten und Schaltplänen einstellen.

Die Schaltung die Kodak damals zum Treiben des CCD entwickelt hatte ist so schnell und kräftig, daß man damit sicher auch andere oder größere Sensoren treiben kann. Die Spannungen lassen sich recht gut einstellen. Manchmal muß man auch einzelne Widerstände ändern.

Gruß, Thomas.

Danke für den Zuspruch, werde also weitere Infos posten.

Zum HTT habe ich den Kabelkneuel sicher dabei. Da ist tagsüber Zeit um an der Software was zu machen.
Ich stehe mit so einem Kendrick-Zelt immer gleich hinter der Sternwarte.

Ach ja, vielleicht kann ja aus der Programmierergemeinde jemand ein effizientes Programmiersystem empfehlen. Momentan nehme ich LabWindows CVI. Damit bringe ich schnell was zustande, ist aber aufgrund des Preises für ein Internet Projekt nicht wirklich geeignet. Meine alte Version von 2003 hakelt mit den neuen Windows-Versionen auch manchmal etwas. Aber immerhin zeugt es von Qualität, daß es immer noch läuft. Ich hatte schon mal mit dem Vertrieb geredet, aber Hobbyastronomie ist noch keine hinreichende Forschung die den Rabatt rechtfertigt.

Was wird gebraucht:
- Windows oder multiplatform Applikation mit Menüsystem
- Zugriff auf virtuelle COM ports oder DLL basierte Treiber für das Kamerainterface
- schnelles Zeichnen von Punktgrafiken

Habe auch noch nicht nachgesehen, was andere so machen oder ob man vielleicht ein anderes System nehmen kann, für das man dann "nur" eine Extension oder einen Kameratreiber schreiben muß.

Hier mal ein Foto der Originalelektronik aus der Kamera, die nun übrig ist:

Ich hatte ursprünglich gehofft, daß der AD-Wandler sich in der Kamera befindet. Da fand sich aber nur eine Sample&Hold Stufe, Steuerung zum Auslesen und Stromversorgung. Realisiert war das mit einem 8bit Controller und einem FPGA.

Meine Stromversorgung (der Schaltwandler für +/-15V ist nicht bestückt):

Der 9...18V Eingang ist galvanisch getrennt um Erdschleifen im Setup zu minimieren. Ein Schutz gegen Überspannung und Verpolung ist mit Varistor, Thermofuse und Z-Dioden realisiert.

Das Controllerboard:

Unten rechts die Stiftleiste für die Sensoransteuerung. Davor ist noch ein 74ABT um 5V TTL für das Sensorboard zu liefern.

X3 ist für eine wetterfeste USB-Buchse

Oben neben dem SMA die Signalkonditionierung für die differentielle ADC-Ansteuerung. Man sieht die 2 Leitungen direkt zum Controller gehen.

Es sind noch viele IO's frei. Im Prinzip könnte man auch noch ein Display anbauen.

Die andere Seite mit dem Speicher. An dieser Platte habe ich alles in Betrieb genommen. Daher auch noch diverse Messanschlüsse am RAM um das timing des Memorycontrollers zu überprüfen und richtig einzustellen.

Unten rechts fehlen hier auch noch die Transistoren zur Steuerung des mechanischen Shutters.

Was neben dem originalen Sensorboard noch nötig war ist eigendlich recht überschaubar.

Als nächstes habe ich mal versucht den Schaltplan des Sensortreibers hochzuladen.

Zentral der Sensor, auf 10Uhr davon die Vertikaltreiber (V1/V2) zum senkrechten schieben der ganzen Zeilen.

Senkrecht darunter mit den Transistoren die Horizontaltreiber (H1/H2) zum heraustakten der einzelnen Pixel aus der Lesezeile.

Auf 8Uhr das Gatter zum Erzeugen des Resetsignals (R). Damit wird die Ausgabezelle gelöscht bevor man das nächste Pixel hineinschiebt.

Rechts der Emitterfolger und ein Leitungstreiber für ein Koaxkabel mit 50Ohm. Über die Verstärkung dieses Treibers kann man das Ausgangssignal gut an den AD-Wandler anpassen.

Kodak hat die Platine offenbar mit weniger als +/-15V betrieben. Daher habe ich einige Widerstände angepasst um bei allen Spannungen in den Bereich des Datenblattes zu kommen. Diese Widerstände sind orange eingefärbt.

Zur besseren Lesbarkeit habe ich die Datei noch mal hier abgelegt:
https://app.box.com/s/dwollt1gb1jafxbkr4dy

Das Datenblatt des Sensors KAF1401:

https://app.box.com/s/ukojv7cpsq0xsguthfkj

Der KAF1402 ist auch im Netz zu finden, ist aber elektrisch nicht kompatibel. Einige Steuerspannungen sind deutlich anders:

https://app.box.com/s/z9zhg0z8b55t998wijnz

Heute sind die 3 Stk. 1.4i Kameras aus Polen eingetroffen. Inkl. Versand war der Preis bei reichlich 60 Euro pro Stk. da ich gleich alle drei genommen habe.
Habe erst eine ausgepackt und analysiert. Bekannt war, daß die äußere Ansteuerung anders ist. Mir geht es aber nur um die Sensorbaugruppe, also hilft nur ein Probekauf, ob sich sie 1.4i auch eignet.
Gute Nachricht, die eine, die ich bisher analysiert habe hatte einen mechanischen Shutter und er hat auch die gleiche Spulen, wird sich also genauso steuern lassen.
Ernüchterung zunächst, der Sensor sitzt auf einem weiterentwickelten Treiberboard:

Außerdem ist der Anschluß von 2 100mil auf einen 50mil Stecker geändert worden. Der 50Ohm Anschluß für das Bildsignal ist geblieben. Hier mal 2 Bilder der Sensorplatine ohne Sensor:

Nach dem ersten Überblick enth. die neue Treiberplatine die gleichen Funktionsgruppen wie die alte. Alles mit etwas neueren Bauelementen und nur noch in SMD-Technik. Es gibt gute Chancen, das man die Platine auch einfach mit einem anderen Kabel anschließen kann. Genaues weiß ich erst wenn ich den Schaltplan zusammen habe. Das wird ein paar Tage dauern.

Ebenfalls andes ist die Lage des Sensors, nun nicht mehr in der Mitte der Frontplatte. Dadurch kann man bei diesem Modell den Kühler eventuell besser anbringen. Für das Objektiv ist diesmal ein Baionettverschluß vorhanden. Ich kann den Anschluß momentan noch nicht zuordnen:

Gut sichtbar auch wieder der IR-Filter.

Mit den in der Kamera vorhandenen Metallteilen habe ich nun die neue Elektronik erstmal provisorisch auf der hinteren Aluplatte montiert:

Damit passt alles wieder in das Gehäuse und ich hoffe alles mit einem Okularadapter, der bei meiner ersten Kamera dabei war aufs Teleskop montiert zu bekommen. Unsicherheit ist momentan die Lage des Fokuspunkts. Aber ich hoffe zum HTT die ersten Bilder schießen zu können.

Der Betrieb mit geöffnetem Gehäuse ist auch schwierig da der Sensor selbst in relativ dunklen Räumen schnell viel Fremdlicht aufsammelt.

In der Software bin ich dabei eine Funktion zu schreiben die mir einen beliebigen 100x100 Pixel Bereich relativ schnell darstellt. Damit sollte sich dann das Fokussieren und die Justage des Sensors erledigen lassen.

Zur Performance des ARM controlers ist vielleicht noch interessant, daß man mit der Software bei 96MHz CPU-Takt immerhin 11MHz Pixeltakt erreichen kann. Allerdings nur in Schiebeoperation, ohne Messen der Helligkeit der Pixel. Das ist recht wichtig wenn man den Sensor vor der Belichtung löschen will. Laut Datenblatt ist der Sensor für typisch 10MHz, maximal 15MHz spezifiziert.

Der ADC im Controller kann maximal 1M sample pro sec. Wie dicht man da herankommt habe ich aber noch nicht untersucht.

Am Wochenende habe ich mal angeschaut was man an Software auf der PC-Seite nehmen könnte und was die käuflichen Kameras so bieten und verwenden.

Mein Favourit ist im Moment AstroArt, und das aus folgenden Gründen:
<li> Man braucht nur eine Treiber-DLL mit recht übersichtlichem Befehlsumfang </li>
<li> Ein Beispiel für die DLL ist in Form eines SDK schon vorhanden </li>
<li> Die Funktionen sind nicht so weit weg von dem was ich bisher schon in der Kamera laufen habe </li>
<li> Es gibt eine zeitlich nicht begrenzte Demoversion mit der man in Ruhe entwickeln kann und der Preis der Software danach geht auch </li>

Vielleicht kann jemand aus dem Forum der mit Astroart arbeitet oder nicht mehr damit arbeitet kommentieren ob die Entscheidung sinnvoll ist?

Zweite Frage ist die ob man ASCOM implementiert und damit vielleicht universeller ist oder ob es reicht einen direkten DLL-Treiber für Astroart zu schreiben?

Wer verwendet denn alles ASCOM? Auf mich wirkte das immer etwas sperrig. Ist aber rein subjektiv...

Da sich die Megaplus 1.4i aufgrund des anderen Sensorboards nicht einfach so anschließen läßt habe ich noch eine 1.4 ersteigert ($0.99 + 25EUR Versand aus USA). Diese hat auch wieder einen Shutter und ist mit einem T-Mount (M42 m. 0.75mm Steigung) versehen. Darauf sitzt ein Optikanschluß den ich nicht kenne:

Offenbar hat Kodak viele Versionen gebaut. Im Vergleich zur C-Mount Variante wurden innen lange Spacer verbaut, die die längere Distanz zum Sensor realisieren.
Für den späteren Astroeinsatz mit Filterrad und evtl OA Guider wird man den Sensor eher so dicht wie möglich an der Front montieren wollen.
Auf jeden Fall macht alles einen sehr modularen Eindruck, was für die Bastelei sehr günstig ist.
Das Sensorboard ist auf 3 Federn gelagert, was eine sehr leichte Justage der Lage des Sensors ermöglicht.