Prototyping eingebetteter Systeme mit Open-Source-Hard- und Software

Musterbau

Michael Stal

Wie Softwareentwickler benötigen Schaltungsdesigner geeignete Werkzeuge und Konzepte, um Prototypen eingebetteter Systeme zu entwickeln. Die Open-Source-Welt bietet dafür einen reichen Fundus.

Vorteile von Open-Source-Hardware

Dass es sich bei Open-Source-Hardware nicht nur um Spielzeug handelt, zeigt schon die Liste der beteiligten Hersteller. Boards brauchen schließlich geeignete Mikrocontroller, die von diversen Halbleiterherstellern wie ARM, Atmel, Intel, Microchip oder Texas Instruments stammen. Intel ist in der Arduino-Welt sogar mit eigenen Mikrocontroller-Boards à la Edison und Galileo vertreten.

Unternehmen wie Adafruit, SparkFun, Seeed Studio, SainSmart und nicht zu vergessen die zahlreichen weniger bekannten chinesischen Hersteller produzieren mittlerweile unzählige Zusatzkarten, Werkzeuge und Komponenten nicht nur für den Do-it-yourself-Markt. Kaum ein Sensor oder Aktor, für den es nicht schon längst passende Breakout-Boards gäbe. Egal ob Motorsteuerung, Sprachausgabe, Light Controller oder Kommunikation. Für jeden Zweck stehen passende Platinen als Open-Source-Hardware oder als preisgünstige kommerzielle Komponenten zur Verfügung.

Und wer ein fehlendes Konstruktionsteil partout nicht am kommerziellen Markt erhält, findet mit etwas Glück ein zumindest vergleichbares 3D-Modell bei thingiverse.com, aktiviert daraufhin den eigenen Open-Source-3D-Drucker und macht Druck. Selbstredend gibt es dazu passend offene 3D-Scanner, um bequem Vorlagen einzuscannen.

Dass Open-Source-Hardware nicht für kostenlose Hardware steht, liegt auf der Hand. Sie lässt sich nicht aus dem Internet herunterladen, wohl aber ihre Schaltpläne wie die unter der Creative-Commons-Lizenz stehenden Fritzing- oder EAGLE-Dateien.

Auch wenn die wenigsten Entwickler Hardware selber bauen, führt das dazu, dass mehrere Unternehmen identische oder kompatible Hardware entwickeln, vor allem Firmen aus dem chinesischen Shenzhen. Bei Amazon, eBay oder AliExpress gibt es inzwischen Mikrocontroller-Boards für wenige Euro – manches Board kostet nicht mehr als ein kühles Bier, Versandkosten inklusive. Neben den Genuino-/Arduino-Boards buhlen BeagleBone, NodeMCU, PIC, ESP8266-basierte Modelle und Boards von Olimex neben vielen anderen um die Gunst der Maker.

Ein weiterer Vorteil von Open-Source-Hardware ist die Nachvollziehbarkeit ihrer Konstruktion. Auch wenn nur einige gewillt sind, die Schaltungen nachzubauen, verhilft der Einblick in sie dennoch zu einem tieferen Verständnis der zugrunde liegenden Hardware. Zudem erlauben sie die Erweiterung oder Änderung der Hardware, selbst ohne umfangreiches Reverse Engineering im professionell bestückten Elektroniklabor.

Zwei große Trends bestimmen seit Jahren das Embedded Computing: Das Voranschreiten der Vernetzung, genannt IoT oder Internet der Dinge, erlaubt die Automatisierung und Fernsteuerung auch jenseits der industriellen Produktion. Zudem hat Open Source die Embedded-Welt erobert, aber nicht nur als Software, sondern auch in Form von Hardware (siehe Kasten „Vorteile von Open-Source-Hardware“). Das Spektrum reicht von Mikrocontroller-Boards samt Zusatzhardware über 3D-Drucker und 3D-Scanner bis hin zu analogen Synthesizern. Kombiniert man beide Trends miteinander, ist das Ergebnis ein exzellentes Ökosystem zum Bau von Prototypen.

Auswahlkriterien für Mikrocontroller-Boards

Für welches Mikrocontroller-Board sich die Entwicklerin entscheidet, hängt von mehreren Faktoren ab. Die Kriterien jenseits des Faktors Preis können dabei recht unterschiedlich sein.

Formfaktor: MCUs existieren mittlerweile in allen Größenordnungen und Formfaktoren. Das Spektrum reicht von Mikrocontrollern, die sich auf Kleidung nähen lassen (Wearable), über steckbare Mikrocontroller-ICs bis hin zu größeren Platinen.

Rechenleistung: Wesentliche Merkmale eines Boards sind die Prozessorleistung und die verfügbaren Ressourcen. Für eine über Bewegungserkennung aktivierte Beleuchtung dürfte dieses Kriterium keine große Rolle spielen. Für die schnelle Signalverarbeitung erweist sich die Leistungsfähigkeit des eingesetzten Mikrocontrollers als essenziell. Das gilt ebenso für umfangreiche Firmware mit komplexen Algorithmen.

Energieleistung: Einen LED-Streifen mit 144 LEDs über ein Wearable zu steuern, dürfte aufgrund der beschränkten Leistungsabgabe des Mikrocontrollers scheitern. Größere Platinen stellen meist höhere Leistungen an ihren Ausgängen zur Verfügung.

3,3-V- oder 5-V-Technik: Heutzutage ist die 3,3-V-Technik State of the Art, da sie einige Vorteile in puncto Stromverbrauch und Miniaturisierung mit sich bringt. In einigen MCU-Boards hat aber nach wie vor 5 V weite Verbreitung. Wer überwiegend Bauteile mit 3,3 V beziehungsweise 5 V nutzt, fährt mit den entsprechenden 3,3-V- beziehungsweise 5-V-Boards besser. Wer 3,3-V-Bausteine in 5-V-Schaltungen verwenden will oder 5-V-Komponenten in 3,3-V-Schaltungen, benötigt sogenannte Logic-Level-Shifter.

Aufstellungsort: Im Freien installierten Systemen fehlt es meist an einer stationären Energiequelle. Sie beziehen ihre Energie von Batterien, LiPos (Lithium-Polymer-Akkumulatoren) oder in seltenen Fällen von Solarzellen. Es ist ratsam, den Energiebedarf der Geräte nicht nur durch die Auswahl der Hardware, sondern auch durch die Art der Programmierung gering zu halten.

Mobilität: Systeme, die sich bewegen oder bewegt werden, benötigen oft die Fähigkeit zur drahtlosen Kommunikation, GPS-Empfang oder Kameras. Dem zusätzlichen Aufwand muss das Board Rechnung tragen.

Anschlüsse: Von der Anwendung hängt auch die Zahl und Art der benötigten Anschlüsse ab. Wer einen bunten Strauß von Sensoren und Aktoren ansteuern möchte, greift am besten zu einem BeagleBone oder Arduino Mega.

Kommunikationsoptionen: Die Zahl der Schnittstellen erscheint geradezu unüberschaubar. Serielle Kommunikation mit anderen Geräten ist Standard. Dazu gesellen sich mächtigere Optionen wie Ethernet, WLAN, Bluetooth, ZigBee, Infrarot, NFC. Benötigt eine Anwendung etwa WLAN, empfiehlt es sich, es bereits an Bord zu haben, statt es über Zusatzhardware zu integrieren.

Art der Anwendungen: Will man Anwendungen unterschiedlicher Art auf einem Controller betreiben, können sich Boards als vorteilhaft erweisen, die eine CPU und einen Mikrocontroller kombinieren. Vertreter dieser Gattung sind Arduino Yun und Tian sowie das UDOO-Neo-Entwicklungsboard. Gerade im IoT-Umfeld ist diese Kombination praktisch, da sie eine Trennung von Ding und Internet erlaubt. Zudem ist es dadurch möglich, von der Linux-Komponente statt mit C/C++ auch mit Hochsprachen oder Skriptsprachen auf den Mikrocontroller zuzugreifen.

Open-Source-Boards mit Microcontroller Units (MCUs) existieren als reine Mikrocontroller-Boards oder als symbiotische Boards (siehe Kasten „Auswahlkriterien für Mikrocontroller-Boards“). Letztere bestehen aus einer Mikrocontroller-Einheit und einer etwas stärker ausgelegten CPU. Auf der läuft meist ein Linux für umfangreichere oder komplexere Aufgaben, während die MCU Aufgaben bearbeitet, die eine klar definierte Reaktionszeit verlangen.

Die typische Mikroprozessor-Unit

Um das Prototyping eingebetteter Systeme auf Basis von Microcontroller Units zu verstehen, ist ein Blick auf eine typische MCU hilfreich. Ein solcher Mikrocontroller integriert nicht nur eine CPU, sondern auch Speicher und Schnittstellen nach außen, vereinigt also ein ganzes System on a Chip (SoC) in sich.

Die Bandbreite der CPU reicht von einem simplen 4-Bit- bis zu einem komplexen 64-Bit-Prozessor. Ein interner oder externer Taktgenerator ist für die Taktung zuständig. Der volatile Datenspeicher beherbergt die von einem Programm bearbeiteten Daten. Auf ROM, EPROM, EEPROM oder Flash-Speicher lässt sich die Firmware des Mikrocontrollers aufspielen beziehungsweise dessen Betriebsparameter speichern. Unterschiedliche externe Schnittstellen dienen dem Einlesen und der Ausgabe der Signale.

Digitale Ein- beziehungsweise Ausgänge kennen nur zwei Werte, HIGH (1) und LOW (0). Ein Arduino Uno mit einer Betriebsspannung von 5 V interpretiert Eingangssignale über 3,7 V als HIGH und Eingangssignale unter 1,5 V als LOW. Er gilt daher als sehr tolerant.

Zumindest einige der digitalen Ausgänge unterstützen im Normalfall Pulsweitenmodulation (PWM): Die Programmiererin spezifiziert den Anteil des Taktzyklus, an dem am betreffenden Ausgang eine 1 beziehungsweise eine 0 anliegen soll. Der Anteil des Taktes, an dem HIGH anliegt, heißt im Fachjargon Duty Cycle. Wenn in 50 Prozent des Taktes HIGH anliegt, sonst LOW, beträgt die am Ausgang durchschnittlich ausgegebene Spannung in etwa die Hälfte der Arbeitsspannung. Bei einem Duty Cycle von 25 Prozent liegt im Durchschnitt ein Viertel der Arbeitsspannung am Ausgang an. Mit PWM können Entwicklerinnen LEDs dimmen, unterschiedliche Töne generieren oder die Geschwindigkeit angeschlossener Motoren variieren, sprich beschleunigen und bremsen.

Analoge Ein- und Ausgänge verarbeiten auch ohne den Umweg über PWM beliebige Zwischenwerte. ADCs (Analog-Digital-Converter) überführen die gelesenen Signale der analogen Eingänge in Werte eines vorgegebenen Wertebereichs. Ein 10-Bit-ADC konvertiert die gemessene Spannung zu einem Wert zwischen 0 und 1023 (2¹⁰ – 1). Bei einem 12-Bit-ADC variieren die von der MCU zurückgemeldeten Werte zwischen 0 und 4095 (2¹² – 1). Diese Eingänge dienen überwiegend zum Einlesen analoger Sensordaten.

Üblicherweise gibt es im Vergleich dazu nur relativ wenige analoge Ausgänge. Wie die Eingänge benötigen auch sie einen Converter, in diesem Fall einen Digital-Analog-Converter (DAC), der die digitalen Werte gemäß einer definierten Auflösung in analoge Signale wandelt.

Der Mikrocontroller als Steuerzentrale

FTDI-Boards versorgen das Mikrocontroller-Board mit Strom aus dem USB-Ausgang des Entwicklungs-PCs und dienen der Kommunikation zwischen Entwicklungsrechner und Mikro-controller-Board (Abb. 1).

Serielle Ports sowie UARTs (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) dienen zur Kommunikation der MCU mit der Außenwelt, auch mit der Entwicklungsumgebung. Die USB-Anbindung übernimmt ein spezieller Adapter, meist ein FTDI-Board (siehe Abbildung 1).

Für die Kommunikation mit Sensoren und Aktoren sowie mit anderen Bauelementen und Boards existiert eine ganze Phalanx weiterer Bussysteme. Genannt seien SPI (Serial Peripheral Interface), I2C (Inter-IC-Communication) und CAN (Controller Area Network).