Makerprojekte: Tipps für rasche und kostengünstige Kleinserien

| Autor / Redakteur: Mark Patrick * / Margit Kuther

Arduino Due: Dank ihres Funktionsumfangs auch fürs Prototyping geeignet.
Arduino Due: Dank ihres Funktionsumfangs auch fürs Prototyping geeignet. (Bild: Mouser)

Ökosysteme aus Hard- und Software-Tools helfen Entwicklern und Makern, eigene Projekte und Kleinserien rasch und kostengünstig zu realisieren. Tipps zur Auswahl gibt dieser Beitrag.

Kostengünstige, aber dennoch leistungsstarke Embedded-Chips ermöglichen es heute fast jedem, persönliche Projekte und Kleinserien kommerzieller Produkte mit guter Rechenleistung auszustatten – dank des bemerkenswerten Wachstums vollständiger Ökosysteme aus Hard- und Softwaretools zur Entwicklung von Embedded-Systemen.

Solche Tools wie Entwicklungs- und Evaluierungsboards oder integrierte Entwicklungsumgebungen (IDEs) vereinfachen die Systementwicklung enorm und sorgen dafür, dass der Erfolg von Projekten nicht länger auf Ausprobieren basiert. So überrascht es nicht, dass Chiphersteller und Anbieter von Boards enorme Ressourcen in die Bereitstellung kostengünstiger oder gar kostenloser Entwicklungstools stecken, um den Absatz ihrer Produkte zu steigern.

Ein Überblick über die Welt der Embedded-Systeme

Eine der einfachsten Möglichkeiten ist eine der gängigenEmbedded-MCU-Platinen, etwa von Arduino oder SparkFun. Diese Komponenten sind so konzipiert, dass Laien auf einfache Weise eigene, neue Ideen testen können. Dank ihrer Vielseitigkeit lassen sie sich sowohl in den Entwicklungen von Hobbytechnikern als auch beim Prototyping einsetzen. Doch inzwischen stellen auch viele Chiphersteller wie Cypress und Texas Instruments (TI) Entwicklungskits her, die zwischen den Bauteilen für Hobbytechniker und professionellen Evaluierungsplatinen anzusiedeln sind und zum Prototyping von produktionstauglicher Elektronik genutzt werden können.

Diese Kits können ein nützliches Sprungbrett sein: Entwickler lernen ihr Handwerk, da sie zahlreiche einfache Funktionen bieten wie die Arduino- oder SparkFun-Produkte. Gleichzeitig erlauben sie Nutzern, direkt mit Chips und Hardware zu arbeiten, die zur Entwicklung massenproduktionstauglicher Elektroniksysteme eingesetzt werden. Deshalb nutzen viele Ingenieure heute Kits für Hobbytechniker wie Arduino als vielseitige Entwicklungs- und Testtools.

Doch es ist schwierig, aus dem immensen Angebot an Hardwareprodukten, ihren Klonen und der noch größeren Auswahl an Softwaretools das für die jeweilige Anwendung passende Produkt aufzuspüren. Dieser Beitrag informiert über einige Optionen einer typischen Entwicklungsumgebung.

Die Evaluierungsplatine entscheidet über den Microcontroller

Im Zentrum der Workbench zur Entwicklung von Embedded-Systemen steht die Entwicklungs- oder Evaluierungsplatine, welche die Grundlage für den Ziel-Mikrocontroller bildet. Im Grunde besteht der Unterschied zwischen einer Entwicklungsplatine und einer fertigen Platine darin, dass eine Entwicklungsplatine Zugriff auf interne Signale und I/O-Kontakte bietet und mühelos umprogrammiert werden kann. Zudem verfügen Entwicklungsplatinen oft auch über weitere entwicklerfreundliche Funktionen wie eine erweiterte Taktfrequenzsteuerung.

Die Softwareentwicklung findet auf einem Host-PC oder -Laptop statt. Möglich ist auch ein Mobilgerät, welches bisher jedoch noch wenig verbreitet ist. Dieses Gerät ist über USB mit der Entwicklungsplatine verbunden – und je nach den Anforderungen des Projekts möglicherweise auch über weitere Anschlüsse wie eine serielle Schnittstelle. Traditionellere externe Überwachungs- und Testtools wie Multimeter und Oszilloskope spielen ebenfalls eine zentrale Rolle.

Softwaretools inklusive

Auf dem Host-PC wird eine IDE ausgeführt, die Zugang zu Softwareentwicklungstools bietet – also Editor, Compiler, Debugger, Bibliotheksmanager, etc. Neben Anbietern für System-IDEs und Softwaretools für Embedded-Systeme stellen bestimmte Hardwareanbieter IDEs, Softwaretools und Bibliotheken für ihre spezifischen Produkte zur Verfügung. Simulations- und Emulationssoftware wie Tools für Schaltkreisdesign/-emulation und Leiterplattendesign können ebenfalls auf dem PC ausgeführt werden, um den Prozess zu unterstützen.

Es ist sogar möglich, die Entwicklung in der Anfangsphase ganz auf dem Host-PC auszuführen und Simulationssoftware zu nutzen, um die erforderliche Hardware nachzubilden. Später kann die Entwicklung auf die Platine der Host-Hardware verlagert werden. In diesem Fall bietet sich ein modularer Ansatz an, da Funktionen so gegebenenfalls isoliert getestet werden können, um Fehler in der Software oder Hardware zu identifizieren.

Lassen Sie sich bei der Auswahl von Hard- und Software Zeit

Angesichts der enormen Menge an Auswahl- und Kombinationsmöglichkeiten sollten Entwickler ihre Hardware sowie dazugehörige Softwaretools sorgfältig auswählen – und zwar auf Basis der voraussichtlichen Anforderungen ihres Projekts. Frühzeitige Recherche und Planung sind wichtig, da verschiedene Entwicklungsplattformen unterschiedlich für die Arbeit mit bestimmten Anwendungen und externer Hardware geeignet sind. Softwaresupport und zukünftige Entwicklungspfade müssen berücksichtigt werden, um den Einsatz von Software zu vermeiden, die später von ihren Entwicklern fallengelassen wird. Ein solcher wohlüberlegter Ansatz ist besonders wichtig für Projekte, die später für die Massenproduktion vorgesehen sind.

So finden Sie die richtige Software und Hardware

Oft stammt die am besten geeignete IDE vom Anbieter der Entwicklungsplatine. Betrachten wir zum Beispiel ein Projekt zur Entwicklung eines programmierbaren, Touchscreen-gesteuerten Labornetzgeräts auf Basis einer Arduino DUE. Die DUE zählt zu den leistungsstärkeren Arduino-Platinen und basiert auf einem 32-Bit-ARM-Mikrocontroller mit 54 digitalen Eingangs-/Ausgangskontakten und 12 analogen Eingängen. Die Entwickler stützten sich bei diesem Projekt anfangs fast vollständig auf die Standard-Arduino-IDE. Später setzten sie jedoch ein separates visuelles Entwicklungstool, EEZ Studio, für die Gestaltung und Animierung einer grafischen Nutzeroberfläche auf dem Touchscreen-Farbdisplay des Netzteils ein, weil die Arduino-IDE diesen Aspekt nicht ausreichend unterstützte.

SimpleLink MCU LaunchPad-Entwicklungskit von TI

Auch wenn sich die Standard-IDE-Tools meist am besten eignen, ist es hin und wieder nötig, den Blick weiter schweifen zu lassen, um die optimale Entwicklungssoftware zu finden. Ein solches Beispiel bietet ein Projekt zur Entwicklung eines „Smart Window“ auf Basis eines SimpleLink MCU LaunchPad-Entwicklungskits von TI. Ziel dieses Projekts war die Bereitstellung eines Fensters zur Implementierung in Wohnhäusern und Bürogebäuden, das je nach Helligkeit automatisch, über einen Timer oder sogar per Fernsteuerung über eine mobile App gedimmt werden konnte. Für die Dimmfähigkeit sorgte eine elektrochrome Folie auf der Glasfläche.

Die SimpleLink-Kits von TI basieren auf I/O-zentrierten Entwicklungsplatinen für Konnektivitäts-orientierte Anwendungen wie Gebäude- und Heimautomatisierung oder Implementierungen für das Internet of Things (IoT). Die spezifische Platine, die bei diesem Projekt verwendet wurde, war eine MSP432 mit einer aufsteckbaren Platine für WLAN. Die MSP432 wurde aufgrund ihrer geringen Kosten, umfangreichen I/O-Verbindungen sowie ihres extrem niedrigen Energieverbrauchs (und der damit verbundenen langen Akkulaufzeit) ausgewählt. Die Akkulaufzeit war ein wichtiger Faktor, da die Controller-Platine so nah wie möglich am Fenster platziert werden musste – und in Zukunft eventuell sogar in den Rahmen integriert werden sollte. Deshalb war eine externe Energiequelle aus ästhetischen und Kostengründen unpraktisch.

Bluemix-Hybrid-Cloud-Entwicklungsplattform von IBM

Obwohl die TI-LaunchPad-Kits leistungsstarke Entwicklungstools auf Basis der gängigen Eclipse-IDE bieten, wurde die Software bei diesem Projekt größtenteils mithilfe der Bluemix-Hybrid-Cloud-Entwicklungsplattform von IBM entwickelt. Diese Plattform wurde speziell für Apps konzipiert, die während des Betriebs mit der Cloud verbunden sind. Dadurch bot sich die Möglichkeit, das Projekt zu skalieren und auf mehr Fenster auszuweiten. Zudem sahen die Entwickler, dass Bluemix damals den besseren iOS-Support bot – ebenfalls ein wichtiger Faktor, da eine iPhone-/iPad-Steuerungs-App ein zentraler Bestandteil des Projekts war.

Dank der niedrigen Kosten von Entwicklungskits und die große Auswahl an Entwicklungssoftware sind auch leistungsstarke Projekte heute für jeden realisierbar. Die in diesem Beitrag beschriebenen Beispiele für echte Entwicklungsprojekte zeigen, dass sich bereits mit wenig Recherche und Planung potenzielle Probleme vermeiden lassen – auch bei Projekten mit ambitionierten Zielen und guten wirtschaftlichen Erfolgsaussichten.

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* Mark Patrick ist Technical Marketing Manager, EMEA, bei Mouser Electronics in Coventry, Großbritannien.

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