Hardware-Konzept

Dieses Dokument beschreibt die physischen Komponenten des Lasertag-Systems. Alle Knoten basieren auf dem Nordic nRF52840 SoC.

Ziele: robuste Outdoor-Tauglichkeit, klare Rollen-Trennung (Waffe/Weste/Leader), einfache Wartung (Steckverbinder, modulare Boards) und reproduzierbare Reichweite über saubere Stromversorgung.

1. Geräteübersicht

1.1 Waffe (Weapon Unit)

Die Waffe ist das primäre Interaktionsgerät. Sie muss robust und reaktionsschnell sein.

Controller: nRF52840 (Dongle oder Modul).
IR-Sender: High-Power IR-LED (940nm oder 850nm) mit Optik/Linse und Treiberstufe (Reichweite > 50m).
Feedback: Muzzle Flash (helle LED), Solenoid (6V Open Frame, Rückstoss), Audio (Schussgeräusche, "Leer"-Klicken).
Eingabe: Abzug (Trigger), Nachladen (Taster), optionaler Schalter für Feuermodus.
Stromversorgung: 2S LiPo (7.4V) mit Buck auf 5V, nRF52840 mit interner 3.3V-Regelung.

1.2 Weste (Player Hub)

Die Weste ist die zentrale Recheneinheit des Spielers und trägt die Sensorik.

Controller: nRF52840 DK oder Custom Board.
Sensorik (IR-Empfänger): Verteilte Sensoren für 360° Abdeckung (Kopf, Brust/Rücken, Schultern).
Beleuchtung: Adressierbare RGB-LEDs (WS2812B) an den Sensor-Positionen für Teamfarbe/Treffer.
Audio: Leistungsstarker Lautsprecher für Sprachausgabe.
Verbindung: Zentrale Box am Rücken mit Steckverbindern zu den Sensorgruppen.

1.3 Leader Box (Game Controller)

Die Leader Box dient zur Spielsteuerung und als Infrastruktur-Knoten.

Controller: nRF52840.
Modi (Hardware-Schalter): 2 DIP-Schalter zur Wahl von Leader / Repeater / Base.
Ausstattung: IR-Empfänger, RGB-LEDs, Bluetooth-Gateway zur Smartphone-App.
Stromversorgung: Großer Akku für lange Laufzeit.

1.4 Power-Up-Stationen (Deckel-Boxen)

Physische Gegenstände, die Spieler aktivieren, um Power-Ups auszulösen.

Controller: nRF52840 Modul oder DK.
Sensoren: Magnetschalter oder Druckschalter (unter Deckel) zur Erkennung von "Deckel offen".
Aktor: IR-LED-Treiber (ähnlich zur Waffe) – sendet Power-Up-Codes.
Feedback: RGB-LED (Status: Idle grün, aktiv blinkend, Cooldown rot).
Kommunikation: Optional Thread (CoAP) für Logging an Leader ("Station XYZ wurde von Spieler 3 aktiviert").
Stromversorgung: 2S LiPo oder USB-betrieben (wenn stationär).
Cooldown: Hardware oder Software gesteuert (z.B. 30s nach Aktivierung).

1.5 Buzzer-Power-Ups

Kompakte passive Power-Up-Geräte mit Druckschalter.

Controller: nRF52840 Modul.
Eingabe: Einfacher Druckschalter (Buzzer-Button).
Aktor: Schwacher IR-LED-Sender (kurze Reichweite ~2-3m, breiter Strahl) für Power-Up-Code.
Feedback: Cooldown-LED (Rot = kann nicht drücken, Grün = aktiv).
Kommunikation: Optional Thread (nur für Admin-Logging, nicht kritisch für Gameplay).
Stromversorgung: 2S LiPo mit Schutzschaltung.
Cooldown: Intern gesteuert (z.B. 15s zwischen Aktivierungen).

2. Energieversorgung & Verkabelung

2.1 Akkusystem

Standard: 2S LiPo (7.4 V nominal, 8.4 V voll geladen, 6.0 V Entladungsschutz).
Alternative: 1S nur für Tests oder Low-Power-Prototypen – ungeeignet für hohe IR-LED-Ströme (siehe Abschnitt 4.1).

Schutz & Laden:

Zellenschutz-IC: HY2120-CB + FS8205A (Dual-FET) – schützt vor Über-/Unterspannung, Überstrom, Kurzschluss.
Lade-IC: IP2326 (2S Balancing, USB-C) – ermöglicht einfaches Laden ohne externe Balancer.
Fuel Gauge: Spannungsteiler-basierte ADC-Messung (R1=100k, R2=47k) → Software-Mapping auf Ladestand (6.0 V = 0 %, 8.4 V = 100 %).

Warum 2S?

2S-Systeme bieten ausreichend Headroom für IR-LED-Konstantstromquellen (>4.8 V nötig bei 3A) und stabile Versorgung auch bei hoher Last. 1S-Zellen brechen unter 1A+ schnell auf 3.4–3.6 V ein.

2.2 Spannungsebenen & Wandler

Primär-Rail (Batterie, 6.0–8.4 V):
Direkt gespeist: IR-LED-Treiber, Muzzle-Flash-LED, Solenoid 6V (Open Frame, taktiles Feedback Rückstoss).

Sekundär-Rail (5.0 V, ~1.5 A):
Buck-Converter (z.B. MP2315, TPS62130) für Audio-IC (MAX98357A), adressierbare LEDs (WS2812B) und nachgeschalteten LDO. Hohe Schaltfrequenz gewünscht (geringe Induktivität, kompakte Bauform).

Tertiär-Rail (3.3 V, ~30 mA):
LDO (z.B. MCP1826, AMS1117-3.3) aus 5V Buck-Ausgang für nRF52840 und QSPI Flash. Geringer Dropout (5V → 3.3V = 1.7V) reduziert Wärmeentwicklung; Low-Noise-Design minimiert Störungen auf der RF-Schaltung.

IR-Empfänger (5V mit Level-Shift):
TSOP48xx-Module laufen an 5V (besserer SNR, robuster gegen Sonnenlicht). Output-Signal wird per AO4300A N-Channel MOSFET (Open-Drain) auf 3.3V gewandelt → invertierendes Level-Shifting. Software kompensiert Invertierung mit GPIO_ACTIVE_LOW.

Verkabelung Weste:
Sternförmige Abgänge zu Sensor-Modulen (Kopf/Brust/Schultern); jeweils 5V + GND + WS2812-Data; verriegelnde Stecker (JST-XH o.ä.), Polyfuse pro Ast, Verpolschutz (Diode/FET).

2.3 Leistungsbilanz (Weste)

Die Weste hat durch LEDs und Audio den höchsten Verbrauch; hier die Peak-Abschätzung:

5V-Rail (Buck-Converter):

Komponente	Zustand	Strom	Leistung
Audio (MAX98357A)	Volllast (3W @ 90% η)	~670 mA	3.35 W
WS2812B LEDs (5×)	100 % Weiß	300 mA	1.50 W
IR-Empfänger (5×)	Dauerbetrieb @ 5V	~50 mA	0.25 W
LDO 3.3V (Durchleitung)	30 mA @ 3.3V	~30 mA	0.15 W
Gesamt 5V (Peak)		~1.05 A	5.25 W

3.3V-Rail (LDO aus 5V Buck):

Komponente	Zustand	Strom	Leistung
nRF52840	BLE+Thread aktiv	~15 mA	0.05 W
QSPI Flash	Read/Write Burst	~15 mA	0.05 W
Gesamt 3.3V (Peak)		~30 mA	0.10 W

Auslegung:
- Buck-Regler: 1.5 A Nennstrom (30 % Reserve), hohe Schaltfrequenz (>1 MHz) für kompakte Drossel/Kondensatoren.
- LDO: 100 mA Nennstrom ausreichend; Verlustleistung bei 30 mA: \(P_{loss} = (5V - 3.3V) \cdot 30mA = 51 mW\) (unkritisch). Low-Noise-Design (< 50 µVrms) für sauberen RF-Betrieb.

2.4 Blockschaltbild Energieversorgung

flowchart TD
    BAT["2S LiPo<br/>6.0–8.4V"] <--> PROT["Zellenschutz<br/>HY2120+FS8205A"]
    CHG["USB-C Lader<br/>IP2326"] --> PROT

    PROT --> BUCK["Buck 5.0V<br/>MP2315/TPS62130<br/>1.5A"]
    PROT --> IR_DRV["IR-LED<br/>Konstantstromquelle"]
    PROT --> MUZZLE["Muzzle Flash<br/>LED-Treiber"]
    PROT --> SOL["Solenoid 6V<br/>Open Frame"]

    BUCK --> AUDIO["Audio Amp<br/>MAX98357A"]
    BUCK --> LED["WS2812B LEDs<br/>mit Level Shift"]
    BUCK --> IR_RX["IR-Empfänger<br/>TSOP48xx (5V)"]
    BUCK --> LDO["LDO 3.3V<br/>MCP1826/AMS1117<br/>100mA"]

    LDO --> NRF["nRF52840<br/>3.3V"]
    LDO --> FLASH["QSPI Flash<br/>3.3V"]

    IR_RX -->|"AO4300A<br/>MOSFET Shifter"| NRF

3. Stückliste (Übersicht)

Diese Tabelle gibt einen Überblick über die groben Komponenten pro Einheit. Detaillierte Part Numbers und Bezugsquellen folgen in separaten Docs.

Komponente	Waffe	Weste	Leader	Menge	Anmerkung
nRF52840 (SoC/Modul)	✓	✓	✓	1/Gerät	Zephyr SDK Support
IR-LED (High-Power)	✓				940nm, > 50m Reichweite
IR-Empfänger (38kHz)		✓	✓	5–10	Verteilt auf Kopf/Torso/Schulter
RGB-LED (WS2812B)		✓	✓	1–3	Teamfarbe + Status
Solenoid (6V Open Frame)	✓				Taktiles Feedback Rückstoss
Lautsprecher	✓	✓			Schussgeräusche + Sprachausgabe
2S LiPo Akku	✓	✓	✓	1	7.4V, ggf. unterschiedliche Kapazität
Lade-IC (IP2326)	✓	✓	✓	1	2S Balancing
Zellenschutz (FS8205A)	✓	✓	✓	1	Verpolschutz + OV/UV
Spannungsteiler-ADC	✓	✓	✓	1	Fuel Gauge (R1=100k, R2=47k)
Taster (Trigger/Reload)	✓				Auch optional Dip-Switch für Leader
USB-C / Pogo-Pad	✓	✓	✓	1	Laden + Debug-Konsole
Steckverbinder (JST-XH)	✓	✓			Modular aufgebaut

4. Schaltungskomponenten (Detail)

4.1 IR-LED-Treiber (Konstantstromquelle)

Funktionsprinzip

Hybride PNP/NPN-Topologie für präzisen, modulierten IR-Puls (38 kHz). Die Stromquelle stellt sicher, dass bei wechselnder Batteriespannung der LED-Strom konstant bleibt (→ reproduzierbare Reichweite).

LED DRIVER

Stromeinstellung

Der Sollstrom wird über \(R_{set}\) definiert:

\[R_{set} = \frac{0,65\,\text{V}}{I_{\text{LED}}}\]

Beispiele:

\(I_{\text{LED}}\)	\(R_{set}\)	Einsatz
0,5 A	1,30 Ω	Standard/Nahkampf
1,0 A	0,65 Ω	Hohe Reichweite (SFH 4550)
2,0 A	0,33 Ω	Pulsbetrieb (extreme Leistung)
3,0 A	0,22 Ω	Scharfschütze (Oslon Black)

Thermik: Bei 38-kHz-Modulation (Duty-Cycle ~30 %) ist \(P_{\text{avg}} = R_{set} \cdot I^2_{\text{LED}} \cdot DC\) → deutlich unter Peak. \(R_{set}\) muss aber Spitzenstrom verkraften → impulsfeste Typen (Metallschicht, Drahtwiderstand).

Headroom & Akkuwahl

Minimalspannung für stabile Regelung:

\[V_{\text{CC,min}} = V_{f(\text{LED})} + 0,65\,\text{V} + 1,0\,\text{V}_{\text{Headroom}}\]

\(I_{\text{LED}}\)	\(V_f\) (typ.)	\(V_{\text{CC,min}}\)	Akku
0,5 A	2,0 V	3,65 V	1S (nur voll geladen)
1,0 A	2,4 V	4,05 V	2S empfohlen
2,0 A	2,8 V	4,45 V	2S erforderlich
3,0 A	3,2 V	4,85 V	2S erforderlich

1S ungeeignet für >1A

1S-Akkus brechen unter Last auf 3,4–3,6 V ein → Regelung versagt, Reichweite bricht ein. 2S liefert auch bei Teilentladung (7,0 V) genug Headroom.

4.2 Adressierbare LEDs (WS2812B)

Anforderung: 5V-Versorgung, aber Daten-Pegel kompatibel mit nRF52840 (3.3V Logic).

Level-Shift: SN74AHCT1G125 (3.3V → 5V, Single-Gate); schnell genug für WS2812-Timing (800 kHz).
Serienwiderstand: ~330 Ω nach dem Shifter → dämpft Reflexionen auf der Data-Leitung, verhindert Überschwinger.

Layout: Data-Leitung kurz halten; bei mehreren LEDs in Serie: Bypass-Kondensator (100 nF + 10 µF) pro 3–5 LEDs.

4.3 Audio-Verstärker (MAX98357A)

Ziel: Klare Schuss- und Sprach-Ausgabe mit minimalem Aufwand und geringer CPU-Last.

Architektur: I2S Class-D Verstärker – DAC + Endstufe integriert, filterlose Topologie (wenige Bauteile).

Schnittstelle: I2S (digital); Audio-Stream per EasyDMA vom nRF52840 → CPU bleibt frei für Game Logic.
Leistung: ~3.2 W @ 4Ω – laut genug für Outdoor-Einsatz.
Effizienz: ~90 % → Akku-schonend; geringer Ruhestrom im Idle.
Layout: Kurze, symmetrische Leitungen zu Speaker-Terminals; separate Ground-Plane; Entkopplung (10 µF + 100 nF) nahe VDD-Pin.

4.4 Flash-Speicher (QSPI)

Aufgabe: Audio-Files (Schuss-FX, Ansagen) und Spiel-Logs (optional Treffer-Historie).

Technik: QSPI-NOR-Flash (z.B. W25Q128JV, GD25Q16C); 1.8 V oder 3.3 V; XIP-fähig (Execute-in-Place für Code möglich).
Kapazität: 8–16 MB; reicht für ~3 min @ 22 kHz oder ~1.5 min @ 44 kHz (16 bit mono). Empfehlung: 22 kHz – höhere Sample-Rate bringt bei Outdoor-Speaker kaum Mehrwert.
Interface: QSPI (4-Bit parallel); nRF52840 unterstützt DMA-basierten Zugriff → schnelle Reads ohne CPU-Last.
Layout: Flash nahe am MCU (< 5 cm Leitungslänge); Differenzen in Trace-Längen < 1 mm; saubere Ground-Plane; JEDEC-ID beim Boot prüfen.

4.5 Akku-Überwachung (Fuel Gauge)

Prinzip: Spannungsteiler + ADC für 2S-Akkus (0–8.4 V) → Software-basierte Ladezustandsschätzung (kein dediziertes Fuel-Gauge-IC nötig).

Schaltungskomponenten:

Bauteil	Wert	Funktion
\(R_1\)	100 kΩ	Spannungsteiler – oberer Zweig
\(R_2\)	47 kΩ	Spannungsteiler – unterer Zweig (→ ADC)
\(C_1\)	100 nF	Tiefpass-Glättung am ADC-Eingang

Softwarelogik:

ADC-Konvertierung: 12-bit ADC liest \(V_{\text{div}}\) (max. 3.3 V bei VRef = 3.3 V).
Rückrechnung: \(V_{\text{bat}} = V_{\text{adc}} \cdot \frac{R_1 + R_2}{R_2} = V_{\text{adc}} \cdot 3.13\)
Mapping: Lookup-Table oder linear interpoliert:
8.4 V → 100 % (voll geladen)
7.4 V → ~50 % (nominal)
6.0 V → 0 % (Schutzschaltung aktiv)

Kalibrierung: Einmalig bei Produktion: Spannung an bekanntem Referenzpunkt messen, Offset/Gain in NVS speichern.

5. Bauteil-Übersicht & Empfehlungen

Konsolidierte Liste der Schlüsselkomponenten mit konkreten Part-Vorschlägen. Detaillierte BOMs folgen in separaten Docs (Waffe/Weste/Leader).

Kategorie	Bauteil/Funktion	Vorschlag	Alternativen	Anmerkung
MCU	Mikrocontroller	nRF52840	—	Zephyr-Support, BLE+Thread
Energie	2S-Akku	Li-Po 7.4V, 1000–2000 mAh	—	Kapazität je nach Gerät
	Zellenschutz	HY2120-CB + FS8205A	DW01A + 8205A	OV/UV/OC-Protection
	Lade-IC	IP2326 (2S Balancing)	TP4056 (nur 1S)	USB-C, Balancing integriert
	Buck 5V	MP2315, TPS62130	—	1.5 A, >1 MHz Schaltfrequenz
	LDO 3.3V	MCP1826, AMS1117-3.3	XC6206P332MR	Low-Noise für RF, < 0.5V Dropout
IR	IR-LED	SFH 4550, Oslon Black	TSAL6400	940 nm, >50 m Reichweite
	IR-Empfänger	TSOP4838, TSOP38438	VS1838B	38 kHz Demodulator, 5V Supply
	LED-Treiber	PNP/NPN diskret	IRL530 (Logic-FET)	Konstantstrom, PWM-fähig
	Level-Shifter IR	AO4300A (N-Ch MOSFET)	BSS138, 2N7002	5V → 3.3V, invertierend
LED	Adressierbare	WS2812B (5050)	SK6812, APA102	5V, ~60 mA/LED @ weiß
	Level-Shift	SN74AHCT1G125	74HCT245 (8-Kanal)	3.3V → 5V, single-gate
Audio	Class-D Amp	MAX98357A	PAM8302, TPA2005D1	I2S, 3.2W @ 4Ω
	Speaker	4Ω, 3–5W	8Ω (lower SPL)	Outdoor-tauglich
Speicher	QSPI Flash	W25Q128JV (16 MB)	GD25Q16C (2 MB)	NOR-Flash, 3.3V
Feedback	Solenoid	6V Open Frame	—	Rückstoss direkt ab Batterie
	Muzzle LED	Weiß/Gelb, 1W+	Cree XP-E2	Sichtbar bei Tag
Passiv	\(R_{\text{set}}\) (IR)	0.22–1.3 Ω, 3W	Metallschicht, Draht	Impulsfest
	Spannungsteiler	100k + 47k, 1%	0.1% für Präzision	Fuel Gauge
Mechanik	Stecker	JST-XH (2.54mm)	Molex PicoBlade	Verriegelnd, 3–5 Pole
	Taster	Omron B3F, Alps SKQG	Cherry MX (größer)	Trigger, Reload

Hinweise:

IR-LED: Oslon Black für extreme Reichweite (3A-Betrieb), SFH 4550 für Standard (1–2A).
Audio: MAX98357A ist quasi-Standard; Alternativen (PAM8302) haben höheren THD, aber OK für SFX.
Flash: 16 MB erlauben ~6 min Audio @ 22 kHz – gut für zukünftige Erweiterungen (z.B. mehrsprachige Ansagen).
Stecker: JST-XH ist weit verbreitet und günstig; Molex PicoBlade kompakter, aber teurer.

5.1 IR-LEDs

Typ	Leistung	Bemerkungen
SFH 4725S	3W	Standardmodell für 940nm Vorteile: Sehr bewährt, gute Effizienz
SFH 4726S	3W	Ähnlich wie die 4725S, aber oft mit einer leicht anderen internen Linsencharakteristik (breiterer Abstrahlwinkel ohne externe Optik).
SFH 4727AS	5W	Das 940-nm-Gegenstück zu deiner 4715AS. Vorteil: Für deine 3-A-Pulse im Outdoor-Modus die stabilste Wahl. Sie verträgt die hohen Pulsströme thermisch am besten.
SFH 4725AS	3W	Eine neuere "A"-Revision mit verbesserter Wärmeableitung.

Es wird empfohlen, entsprechende "STAR"-Aluplatinen zu verwenden, um die Wärmeableitung zu garantieren.

IR-Empfänger

Typ	Bemerkungen
TSOP34456 / TSOP38456	Der Standard für 56 kHz. Charakteristik: Besitzt eine sehr agressive AGC (Automatic Gain Controll) Problem: Bei extrem starken Signalen im Nahbereich kann die AGC "zumachen" und die Hüllkurve verzerren.
TSSP4056 / TSSP77056	Vorteil: Er hat eine feste Verstärkung (Fixed Gain). Er regelt also nicht ab, wenn das Signal stark wird. Nutzen: Das Signal bleibt viel konstanter als bei bei einem TSOP.

Stand: 04.01.2026