Rotating LED Globe – Wenn Präzision und Innovation verschmelzen

Eine rotierende Doppel-Kugel, bestückt mit 480 adressierbaren RGB-LED, generiert beeindruckende Bilder und Animationen.

Die Grundlage bildet der sogenannte Persistence-of-Vision-Effekt: Das menschliche Auge «speichert» die empfangenen Lichtimpulse kurzzeitig. Wenn sich die vier Halbringe genügend schnell drehen und die LEDs im richtigen Moment die passenden Farben anzeigen, entsteht für den Betrachter ein vollständiges, scheinbar schwebendes Bild.

Der Rotating LED Globe ist ein tolles visuelles Beispiel unserer Entwicklungskompetenzen: Vom Requirements Engineering über die Embedded Hardware und Software Entwicklung bis zum fertigen Produkt.

Wie funktioniert's?

Damit der gewünschte Effekt erzielt werden kann, müssen Hardware, Software und Mechanik perfekt aufeinander abgestimmt sein. Nachfolgend eine kurze Erläuterung zu den einzelnen Komponenten, die der Rotating LED Globe beinhaltet zusammen mit ihren Hauptherausforderungen.

Mechanik

Die Mechanik besteht aus einem stationären Rahmen und einem rotierenden Rotor.

Der 3D-gedruckte Rotor trägt die LED-Halbbögen sowie die Control- und Power-PCBs. Die Energieübertragung erfolgt über Schleifringe, während ein DC-Motor den Rotor mit 750 U/min antreibt. Dies ermöglicht eine Bildwiederholrate von 25 FPS bei zwei Halbbildern.

Die Herausforderung lag in der Entwicklung eines kompakten und stabilen Designs mit einer ausziehbaren Schublade für die Elektronik, welches mittels 3D-Druck hergestellt werden konnte.

Der Rotor besteht aus zwei um 90° versetzte Kreisringe, die eine optimale Platzierung der Flex-PCBs erlauben. Die Drehung erfolgt im Gegenuhrzeigersinn, um den Bildaufbau von links nach rechts zu gewährleisten.

All diese Systemüberlegungen und auch die Basiskonstruktion konnten wir dank unserer Erfahrung selbst erarbeiten. Für den Feinschliff und Produktion setzten wir auf unsere Partner.

Die Elektronik

Das Herz des Globes ist die Elektronik, die aus drei Kernkomponenten besteht:

Power PCB, Control PCB und den LED-Streifen.

Power PCB

Der Power PCB ist hauptsächlich für die Speisung des Control PCBs und der LED-Streifen verantwortlich. Er wandelt die 24 VDC eines Standard Industrienetzteils in die benötigten drei Spannungspegel um.

Die Herausforderung beim Design war es DC/DC Wandlern mit hohem Wirkungsgrad zu entwickeln. Dies war essenziell, um die LED-Streifen mit ausreichend Leistung zu versorgen, ohne übermässige Wärmeentwicklung zu generieren.

Durch vorgängige Simulationen konnten wir einen geeigneten Wandler identifizieren und in Kombination mit einer ausgeklügelten Platzierung auf eine aktive Kühlung verzichten.

Controller PCB

Der Controller PCB steuert sämtliche Funktionen des Globes. Er übernimmt das Einlesen der Bilder von der SD-Karte, die Bildausgabe, die Kommunikation und die Synchronisation mit der Drehbewegung. Umgesetzt wurde dies mit einem leistungsstarken STM32H7 Mikrocontroller. Die Platine integriert ausserdem einen UHS1-SD-Karten-Slot für das Einlesen der Bilddaten.

Die präzise Synchronisation erfolgt über einen Hall-Sensor und Hardware-Timer, die die Bildausgabe exakt an die Rotationsgeschwindigkeit anpassen. Für spätere Erweiterungen wurde zudem ein ESP32-Modul für Wireless-Funktionen vorgesehen.

Die Hauptherausforderungen beim Design waren die sehr begrenzten Platzverhältnisse sowie die Notwendigkeit von Impedanz kontrolliertem Routing der Clock- und Datensignale für die serielle LED-Ansteuerung.

Durch ein gezieltes Optimieren der Signalwege, abgestimmte Leiterbahnbreiten und Layer-Stackup konnten wir beide Punkte erfolgreich adressieren.

LED-Streifen

Für den Aussen- und Innenring wurden je zwei mit LEDs bestückte Flex-PCBs entwickelt. Die LEDs auf den Streifen wurden dabei in einzeln adressierbare Segmente unterteilt.

Die grossen Abmessungen der Streifen machten die gleichmässige Verteilung der Speisung für die LEDs zu einer Herausforderung. Sie mussten so dimensioniert werden, dass sie die nötige Stromstärke zuverlässig übertragen konnten.

Weiter war auch hier ein Impedanz kontrolliertes Routing für die Clock- und Datensignale notwendig, um die LEDs in den nötigen Geschwindigkeit ansteuern zu können.

Software

Die Software bildet das Hirn des Rotating Globes und ist das Bindeglied zwischen Hardware, Bilddaten und Bewegung.

Sie läuft auf dem STM32H7 Mikrocontroller des Controller PCBs unter FreeRTOS. Die Architektur basiert auf dem CSA C++ Building Block Framework, welches eine modulare, wartbare und thread-sichere Struktur ermöglicht.

Die Software übernimmt die Bildauswahl aus erstellbaren Playlists, verarbeitet die Echtzeitdaten des Hall-Sensors zur Synchronisation mit der Rotation und steuert die LED-Ausgabe.

Für die Vorbereitung der Bilder auf dem PC wurde ein entsprechendes Python-Skript erstellt. Alternativ unterstützt die Embedded Software auch die Anzeige der aktuellen Uhrzeit auf Basis des integrierten Real-Time-Clocks (RTC).

Die Hauptherausforderungen der Software waren die harte Echtzeitanforderung und die beschränkte Rechenzeit. Diese meisterten wir durch den geschickten Einsatz von DMA und Hardware-Timern sowie unserer Erfahrung in ressourcenbegrenzter und hardwarenaher Embedded Software Entwicklung.

Unsere Erfolgsfaktoren

Alles beginnt mit einer Vision: Ein rotierender LED Globus, der Bilder und Animationen scheinbar frei im Raum schweben lässt. Um diese Idee Wirklichkeit werden zu lassen, braucht es mehr als Kreativität. Es braucht Struktur, Präzision und Teamarbeit.

Wir starteten mit einem klaren Fundament: Sauberes Requirements Engineering. So stellten wir sicher, dass alle System- und Schnittstellenanforderungen von Anfang an definiert waren. Darauf aufbauend entwickelten wir detaillierte Spezifikationen für Hardware, Software und Mechanik.

Beim Hardware-Design setzten wir auf unsere langjährige Erfahrung aus verschiedensten Entwicklungsprojekten mit Low-Power, High-Speed und Kommunikationsanforderungen. Diese kombinieren wir mit unseren internen Prozessen und Tools wie dem Altium Designer.

Die Embedded Software Entwicklung als eine unserer Kernkompetenzen liegt uns im Blut und in Kombination mit unserer CSA Embedded Toolchain resultiert innovativer, wartbarer und getesteter Code auf höchstem Niveau.

Und schlussendlich unser Know-How im Bereich Projektleitung sorgte dafür, dass alle Disziplinen perfekt zusammenspielten und Ressourcen effizient eingesetzt wurden.

Fazit

Wie zeigt man, was man kann?

Für uns bei CSA Engineering AG ist diese Frage zentral.

Als Ingenieurbüro mit Fokus auf Embedded Systeme setzen wir täglich komplexe Kundenprojekte um. Doch manchmal braucht es mehr als ein Datenblatt oder einen Projektbericht – es braucht etwas, das man sehen, erleben und verstehen kann.

Mit dem Rotating LED Globe haben wir genau das geschaffen:

Ein technologisches Showpiece, das unsere Stärken sichtbar macht – Innovation trifft Praxis, Technologie trifft Design. Wir entwickeln massgeschneiderte Lösungen, die nicht nur zuverlässig funktionieren, sondern begeistern und echten Mehrwert schaffen.

Dank unserer Expertise in Requirements Engineering, Systems Engineering, Embedded Hard- und Software Entwicklung kombiniert mit auf die Bedürfnisse angepassten Projektmanagement bringen wir Ihre Ideen sicher und effizient zur Marktreife.

Finden Sie sich in einem der Bereiche wieder?

Dann zögern Sie nicht uns zu kontaktieren und wir finden gemeinsam eine passende Lösung für Ihre Herausforderung.

Mitwirkende aus unserem Team:

Adrian Annaheim - Embedded Software Engineer

Lukas Frei - Embedded Software Engineer

Roland Schenk - Embedded Software Engineer

Pascal Hari - Embedded Software Engineer

Nicola Jaggi - Embedded Software Engineer

Vanessa Järmann - Hardware Entwicklerin

Adrian Sallaz - Hardware Entwickler