Schlagwort-Archive: TI

Sprachausgabe in den 80igern – Speak and Spell

Viele der Leser dieses Beitrages kennen vielleicht den Hollywood Film E.T. (The Extra-Terrestrial), in unseren Regionen in der übersetzten Version: „E.T. – Der Außerirdische“.

Zumindest die älteren unter den Lesern werden ihn kennen. Der Film lief 1982 in unseren Kinos und ich hatte damals auch die Möglichkeit, ihn mir anzusehen. Als Kind tauchte man (zumindest ich) immer in die Geschichten ein und lebte darin mit. Kurz erzählt handelt die Geschichte von einem kleinen Außerirdischen, der versehentlich auf der Erde zurückgelassen wurde, während seine Artgenossen auf der Flucht vor Regierungsagenten mit ihrem Raumschiff davonflogen. So versteckte sich der kleine E.T. in einem Schuppen, in dem er von Kindern des Ortes gefunden wurde. Die freundeten sich mit ihm an und halfen ihm dabei mit dem Raumschiff Kontakt aufzunehmen. Dazu konstruierte er aus Dingen des alltäglichen Lebens eine Art Funkanlage. Die Antenne bestand beispielsweise aus einem Regenschirm, einem Plattenspieler mit einem Sägeblatt einer Kreissäge, einem Kleiderbügel mit Speisegabel und einem Kinderspielzeug, das synthetische Stimmen erzeugen konnte. Dieses Spielzeug nennt sich „Speak & Spell“ als „Spreche und Buchstabiere“ und wurde von der Firma Texas Instruments entwickelt.

Der Speak & Spell ist ein Handheld Kindercomputer von TI (Texas Instruments), der aus einer Tastatur, einem Display und einem kleinen Lautsprecher besteht. Das Herzstück des Gerätes ist ein Sprachsynthesizer IC, der es ermöglicht, eine künstliche Stimme zu erzeugen. Per LPC (linear predictive coding – also linearer Vorhersagecodierung) wird eine, der menschlichen Sprechstimme ähnlichen Audioausgabe erreicht. Mit einem internen Rom und optional auch externen Rom-Modulen, können verschiedene Aufgaben (Buchstabieren, Wortratespiele etc.) realisiert werden. Die Auswahl und Eingabe erfolgen über eine Tastatur.

Der Speak & Spell Kindercomputer stammte ursprünglich aus einer dreiteiligen Spielzeugserie mit „sprechenden“ Computern. Es gab noch ein Speak & Math und ein Speak & Read. Man findet gelegentlich auf Videoplattformen im Netz noch Sammler, die ihre Geräte präsentieren. Verkauft wurden die Geräte anfangs in den USA, Großbritannien und Japan. Je nach Auslieferungsland gab es auch noch unterschiedliche ROM-Module mit Minispielen, wie Mystery Word, Letter oder Secret Code. Gedacht waren diese Computer für Kinder ab dem 7. Lebensjahr. Später wurden weitere Sprachbibliotheken in sieben Sprachvariationen veröffentlicht. So soll es unter andren auch ein Modul für die deutsche Sprache gegeben haben.

Der erste Speak & Spell wurde auf der Consumer Electronics Show 1978 als einer der ersten tragbaren Geräte mit visuellem Display und steckbaren ROM Spielekassetten vorgestellt. Dieses Modell wurde auch durch den Einsatz im Film E.T. bekannt. Es unterscheidet sich von späteren Gerätegenerationen optisch lediglich durch die Tastatur, die in der Urversion noch aus „richtigen“ Tasten bestand. In seinem inneren arbeitet der TMC0280 Synthesizer Chip. Dieser wurde einem kleinen Team von Technikern unter Paul Breedlove † (1941-2021), Ingenieur bei Texas Instruments in den späten 1970er Jahren entwickelt. Diese Entwicklung begann 1976 als Ergebnis der TI-Forschung zur Sprachsynthese.

Zu Anfang der 1980iger Jahre kam eine überarbeitete Version des Gerätes auf den Markt. Hier hat man die Tasten durch eine Folientastatur ersetzt. Auch eine Speak & Spell Compact Version hat man veröffentlicht. Bei dieser hat man auf das optische VFD Display verzichtet und die Größe halbiert. Ende der Achtziger Jahre gab es erneut eine Auflage. Diesmal wurde das VFD durch ein LC-Display ersetzt und die Tastatur bekam ein QWERTY Layout. Im Rahmen der Retrowelle (so meine Vermutung) hat die Firma „Basic Fun“ 2019 den Klassik Speak&Spell wieder auf den Markt gebracht. Er ähnelt vom Aussehen der 80iger Version, ist jedoch technisch auf dem aktuellen Stand (so wird alles in einem kleinen Chip generiert der direkt auf die „Miniplatine“ gebondet wurde. Auch die Anschlüsse zur Außenwelt gibt es bei der Version nicht mehr.

Auf dem Mainboard der vor 1980 verkauften Version sind folgende Chips verbaut:

  • TMC0271 (Microcontroller und VF-Display Controller für 9 Digits zu je 14 Segmenten)
  • TMC0530 (oder TMC0351, TMC0352) 128kBit ROM
  • TMC0281 (Sprachsynthesizer IC der TMC0280 Serie

Das Modell, das sich in meiner Sammlung befindet, ist eine der nach 1980 verkauften Versionen. Hier sind folgende IC´s verbaut:

  • TMC0271 ( Microcontroller und VF-Display Controller für 9 Digits zu je 14 Segmenten)
  • TMC0281 (Sprachsynthesizer IC der TMC0280 Serie)
  • CD2304 und CD2303 (ROM)

Das VF-Display hat acht Digits zu je 14 Segmenten. Die Versorgungsspannung von 6V wird aus vier in Reihe geschalteten C-Zellen gewonnen. Die 9V und 21V für die Versorgung von VFD und Microcontroller macht ein diskret aufgebauter DC/DC Converter, der sich auf einer eigenen Platine befindet. Die Folientastatur ist in einer 13poligen Flexiprint-Buchse angesteckt. Für die Wiedergabe des Tons gibt es einen kleinen Lautsprecher oder auch die Möglichkeit, über einen 3.5mm Klinkenstecker einen Kopfhörer anzuschließen. Der Ton wird direkt aus dem Synthesizer Chip gewonnen. Um die Ausgangsimpedanz an den Lautsprecher anzupassen hat man einen kleinen Audio-Übertrager direkt neben der Klinkenbuchse verbaut. Eine weitere Buchse dient als externe Spannungszuführung. Ein Trimmpotentiometer ändert die Wiedergabegeschwindigkeit/Tonhöhe der Audioausgabe.

Der TMC0280, später TMS5100 genannt ist der Single Chip Sprachsynthesizer, der ein LPC Modell 10. Ordnung unter Verwendung von pipelined elektronischer DSP-Logik verwendete.  Die Phonem Daten für die gesprochenen Wörter werden im PMOS-ROMs gespeichert. Die enorme Kapazität von 128 Kbit war damals das größte noch bezahlbare ROM. Über eine Aussparung im Batteriefach kann man zusätzliche Speichermodulkassetten einstecken. Der Inhalt der Speichermodule ist über eine Taste am auf der Tastatur anwählbar. Die Datenrate der Audioausgabe beträgt etwas weniger als 1kBit pro Sekunde.

DC/DC Converter Platine

 

 

Kleines Bastelprojekt zur Sommerzeit

Solarmodul
Als Mini – Bastelprojekt zur Sommerzeit bezeichne ich folgende Bastelei. Ein kleines monokristallines Solarmodul mit der Bezeichnung „SM 6“ von einem bekannten, großen Elektronikdistributor der mit „C“ beginnt und mit „d“ endet, spielt in dem Projekt die Hauptrolle. Das Modul hat eine Nennleistung von 6Wp bei einem maximalen Strom von 320mA. Die Nennspannung liegt bei 17,3V. Die Leerlaufspannung beträgt 20,8V. Die Siliziumzellen sind in einer EVA (Ethylen-Vinyl-Acetat) Kunststoffplatte eingebettet und UV- und feuchtigkeitsbeständig. Das ganze Modul ist ca. 25cm x 25 cm groß. Es ist also ideal geeignet, um die Energie zum Betreiben von USB-Geräten bereitzustellen. Hierbei habe ich zum Beispiel an WIFI-IP-Cams gedacht. Auch das Laden von Smartphones oder Tablets sollte damit möglich sein.
Um das nun auch durchführen zu können, muss aus der Nennspannung der Photovoltaikzelle die Betriebsspannung des USB-Standards (5V) erzeugt werden. Das könnte man jetzt ganz einfach mit einem 7805er Regler machen und die Differenz dabei in Wärme umwandeln. Doch das ist die, so ziemlich ineffizienteste Möglichkeit, die Energie des Panels in ein Handy zu bekommen.
Zum einen ist der Innenwiderstand des Panels von der Lichtintensität abhängig, was einen großen Einfluss auf den Wirkungsgrad bei nicht angepassten Lastwiderständen hat. Zum anderen ist ein Längsregler ein Energievernichter, da die Differenz zwischen Eingangsspannung und geregelter Ausgangsspannung bei Stromfluß in Verlustleistung, also Wärme umgewandelt wird. Hier ist man mit einem Schaltwandler (Buck-Converter) besser bedient.
 
In einem einfachen Laboraufbau kann das Verhalten des Panels untersucht werden. Dazu wird die Leerlaufspannung des Panels bei unterschiedlicher Beleuchtungsstärke gemessen. Anschließend wird das Panel mit unterschiedlichen Widerstandswerten belastet und der Strom durch die Last, sowie die Spannung am Panel gemessen. Die Messwerte werden aufgezeichnet und der Ri (Innenwiderstand der Quelle) berechnet. Der nachfolgende Stromlaufplan zeigt den Messaufbau:
Messaufbau – Schaltung
Als Amperemeter dient ein Agilent- und als Voltmeter ein Keithley 2701 Tischmultimeter. Diese Messgeräte können beide über SCPI-Befehle gesteuert werden. Als Schnittstelle ist jeweils ein LAN-Port vorhanden. Das macht es einfach, über einen PC und ein geeignetes Skript, einen automatisierten Messablauf zu realisieren. Und da Matlab eine sehr bequeme Möglichkeit bietet, zu skripten, wird es auch gleich verwendet. Um in einem Labor messen zu können und in etwa dieselben Umgebungsbedingungen zu haben, wird anstelle der Sonne eine Tischlampe mit Halogenglühbirne verwendet. Die Helligkeit der Lampe wird einfach durch die Versorgung mit einem Labornetzgerät von 0-13V eingestellt. Natürlich kann auch das Labornetzgerät per Matlab gesteuert werden.
Messaufbau mit Lampe als „Sonne“

Die Lampe ist in einem Abstand von 25cm mittig über dem Panel platziert. Um ein Gefühl zu bekommen, welche Beleuchtungsstärke mit der Lampe erreicht wird, wird mit einem Luxmeter eine Referenzmessung gemacht. Das heißt, die Lampe fährt die Leistungsrampe von 0-13V durch und das Luxmeter misst die Beleuchtungsstärke im Abstand von 25cm unter der Lampe. Das Ganze wird in 0.5V Schritten aufgelöst. Daraus ergibt sich eine Kurve, die so aussieht:

Spannung an der Lampe ergibt Beleuchtungsstärke

Jetzt kann die Messung beginnen. Als Lastwiderstand werden manuell Widerstände an das Panel geschaltet und Strom und Spannung bei jeder Helligkeitsstufe gemessen. Es sind elf Lastwiderstandswerte die von 4.7 Ohm bis 220 Ohm reichen nacheinander angeschlossen. Eine Leerlaufmessung wird dann natürlich ohne Lastwiderstand gemacht. Folgender Graph zeigt den errechneten Innenwiderstand bei zwei Lasten des Panels über den Helligkeitsverlauf der Lampe in Lux und im weiteren Graph über die Spannung an der Lampe (für die bessere Skalierung). Den Innenwiderstand einer Quelle errechnet man aus der Leerlaufspannung der Quelle abzüglich der Spannung unter Last, dividiert durch den Strom. Mit der Differenz der Leerlauf und Lastspannung erhält man also den Spannungsabfall am Innenwiderstand. Da im Lastfall auch der Strom bekannt ist, braucht man nur mehr das Ohm´sche Gesetz anzuwenden, um den Widerstandswert zu erhalten…

Innenwiderstand vs. Beleuchtungsstärke
Innenwiderstand vs. Spannung an der Lampe

Da jetzt einige Klarheiten über das Verhalten der PV-Zelle beseitigt wurden, kann ich noch kurz über den Aufbau des Spannungswandlers berichten. Wie schon zuvor angekündigt, ist ein Schaltwandler der effizientere Weg, die Energie an den Verbraucher anzupassen. Hier kommt ein LM2596S zum Einsatz. Der LM 2596 ist ein „Simple Switcher Power Converter, der mit 150kHz schaltet und eine Last mit 3A versorgen kann.) Hier eine Übersicht der Funktionen:

  • 3.3-V, 5-V, 12-V, and Adjustable Output Versions
  • Adjustable Version Output Voltage Range: 1.2-V to 37-V ± 4% Maximum
    Over Line and Load Conditions
  • Available in TO-220 and TO-263 Packages
  • 3-A Output Load Current
  • Input Voltage Range Up to 40 V
  • Excellent Line and Load Regulation Specifications
  • 150-kHz Fixed-Frequency Internal Oscillator
  • TTL Shutdown Capability
  • Low Power Standby Mode, IQ, Typically 80μA
  • Uses Readily Available Standard Inductors
  • Thermal Shutdown and Current-Limit Protection

(Quelle: Datenblatt des Herstellers TEXAS Instrument)

Mit diesem Schaltwandler und noch ein paar wenigen anderen Komponenten lässt sich schnell eine Schaltung zusammenzimmern und mit dem Layout Tool „Eagle“ in eine Platine verwandeln. Diese Schaltung ist aber so einfach aufgebaut, dass sie lediglich mit den Vorzügen des LM2596 möglichst effizient arbeitet, aber kein Powertracking durchführt. Das heißt, die Last, die die Schaltung für die Solarzelle darstellt wird nicht an den Innenwiderstand der Solarzelle angepasst.

 

Schaltbild des DC-DC Converters

Aus dieser Schaltung wurde dann ein einfaches Layout erstellt, eine Platine geätzt und diese bestückt. Eine USB-Buchse am Ausgang ermöglicht das direkte Ansschließen von USB-Geräten. Um das Ganze auch ein wenig vernünftig aussehen zu lassen habe ich der Platine noch ein kleines Kunststoffgehäuse gespendet…

Messung der Beleuchtungsstärke

Messaufbau
Schaltbare Lastwiderstände
Layout am Computer
Folie zum Erstellen der Printplatte
Geätzte PCB
Bestückte PCB
Fertige Schaltung