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Ratgeber



Allgemeines zur Programmierung und Steuerung

Eine Steuerung oder Regelung ist nur dann effektiv, wenn neben dem softwareseitigen Programm zur Ein- beziehungsweise Ausgabe auch geeignete Hardware Komponenten eingebunden werden. Breakout Boards sind elektrische Komponenten, die einem Leiter die Möglichkeit geben aus einem System „auszubrechen“, um als Träger eine bestimmte Funktion zu ermöglichen.

Die Boards stellen eine Beziehung zwischen der digitalen Welt des Computers und der analogen Umgebung her. Wer sich von dem Gedanken löst, dass ein Computer ausschließlich aus Bildschirm, Tastatur und Maus besteht, dem öffnet sich eine Türe zum Thema Physical Computing. In dieser Welt agieren Lebewesen als Subjekte und Geräte als Objekte, deren Interaktionen durch Rechenoperationen beeinflusst werden. Physical Computing ist daher eine Art des Interaktionsdesigns, welches die Kommunikation als Funktion beschreibt. 

Verwendet man Sensoren und Mikrocontroller können Datensignale durch Algorithmen verarbeitet und ausgewertet werden. Mit diesen können wiederum elektromechanische Geräte gesteuert werden und es entstehen unzählige Möglichkeiten für designbasierte Projekte. Die Hardware zur Herstellung von Prototypen sind für jedermann verfügbar und die Entwicklungsumgebung ist benutzerfreundlich gestaltet. So lassen sich im Handumdrehen Prototypen oder Kleinserien gestalten.

Open Source ist ein Synonym für freie Soft- oder Hardware, deren Quellcode oder Pläne für jedermann offen einsehbar sind und die kopiert, genutzt oder verändert werden dürfen. Die kostenlos bereitgestellte Entwicklungsumgebung bietet Möglichkeiten, eigene Hardware mit Software basierend auf den Projekten der Community zu beschreiben. Die Verbreitung der Programmcodes im Internet hat zur Folge, dass diese kontinuierlich erweitert und auf den aktuellen Stand der Technik angepasst werden.

Physical Computing ist ein weitreichender Begriff in der Maker-Szene, da es dem Entwickler die Möglichkeit gibt eigene Anwendungen frei zu entwickeln. Das Programmieren ist dabei so gestaltet, dass es sowohl von Ingenieuren als auch von Hobbybastlern umgesetzt werden kann. Im Vordergrund steht dabei das Projekt als Entwicklung eines Prototyps, in welchem gebaut, getestet und verändert werden kann. So lassen sich spielerisch Erfahrungen sammeln und mit den Communities teilen. Auf den Plattformen im Internet gibt es täglich neue Erfahrungsberichte und die User publizieren eigene Lösungen, welche sie mit ihren Projekten geschaffen haben.

Die Home Automation bietet zahlreiche Aufgabenstellungen und entwickelt Lösungen, welche in der Gebäudetechnik Aktionen auslösen ohne dass der Benutzer direkten Einfluss darauf hat. Das sind beispielsweise Wecker, Rauchmelder oder Waschmaschinen. Bereits in den 1970er Jahren wurde eine Kaffeemaschine entwickelt, deren Brühprozess mit Hilfe eines Mikrocontrollers zu einer bestimmten Uhrzeit startet. 

Vergleicht man dieses Projekt mit dem aktuellen Stand der Technik, so ist es jedem Hobbybastler möglich eine Kaffeemaschine zu überarbeiten. Diese kann dann mit Netzwerkadaptern, Temperatur Sensorik und Mikrocontrollern ausgestattet werden. Die Maschine kann dann dem Nutzer eine Nachricht aus sein Smartphone senden, wenn der Brühvorgang nach einer vorgegebenen Zeit unter den optimalen Temperaturen abgeschlossen ist. 

Diese Idee greifen immer mehr Unternehmen auf. Das Accessory Development Kit ADK ist ein Standard, das quelloffene Verbindungen Connected Home over IP ermöglicht. Das Betriebssystem erhält damit Zugriff auf Sensoren, Aktoren oder Mikrocontroller und kann mit diesen interagieren. Diese Systeme sind jedoch noch in der Entwicklung. Wer das Ruder selbst in die Hand nehmen will, der greift auf das Standardprotokoll für die Kommunikation im Netzwerk, TCP/IP zurück. Das Protokoll beinhaltet eine universelle Möglichkeit zur Vernetzung, welche unabhängig von einem Betriebssystem zur Interaktion verwendet werden kann.



Was ist ein Breakout Board?

Ein Board ist die Schnittstelle zwischen einem Controller und der Sensorik, beziehungsweise Aktorik. Auf dem Board befinden sich Ein- oder Ausgänge, womit diese überwacht oder gesteuert werden können. Sensoren übernehmen dabei das Fühlen und wandeln physische Werte in elektrische Signale um.

Die Art des Sensors ist daher abhängig von seinem Material, mit welchem eine physikalische Eigenschaft in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Physikalische Größen werden dabei aufgeteilt in verschiedene Kategorien:

  • Fotoelektrisch, durch Messung der Frequenz des Optoelektrischen Effekts

  • Elektrostatisch, durch Ermittlung des Ohm’schen Widerstands

  • Thermisch, durch Messen einer Temperatur mit dem Thermoelektrischen Effekt

  • Mechanisch, durch Messen einer Kraft mittels des Piezoelektrischen Effekts

  • Elektromagnetisch, durch Messen der Flussdichte mittels des Hall-Effekts

Daraus entstehen Daten, welche erfasst und an einen Controller weitergegeben werden. Dabei gibt es drei grundlegende Methoden, um die Daten bereit zu stellen:

  • Digital beziehungsweise binär gibt an, ob ein Wert gegeben ist oder nicht. Der Erfasste wert ist entweder 1 oder 0.

  • Analog ist ein Signal, wenn die erfasste Größe sich proportional zur ausgegebenen Spannung auswirkt. Es hat einen skalierbaren Wert.

  • Impuls ist ein Signal, dessen Länge proportional zum Abstand ist. Erfasst wird dabei die zeitliche Dauer.

Aus diesen Antworten können die physikalischen Größen abgeleitet werden.

Ein Aktor hingegen wandelt ein elektrisches Signal in eine physikalische Aktion um. Er ist das Stellglied in einem Regelkreis und arbeitet analog mit den gleichen physikalischen Größen wie die Sensorik. Umgangssprachlich wird als Aktor typischer Weise ein Antrieb bezeichnet, der eine mechanische Bewegung erzeugt. Diese Aussage ist richtig jedoch etwas undifferenziert, weil das Licht auch als quantenmechanischer Effekt anzusehen ist. Bei der Erzeugung eines Lichtstrahls, bewegt dieser sich mit Lichtgeschwindigkeit fort.

Ein elektromagnetischer Aktor wandelt eine Ladung in eine Bewegung um. Dies ist beispielsweise bei Lautsprechern der Fall. Dafür kann auch die Piezotechnik genutzt werden, bei der durch eine mechanische Spannung die Verformung eines Kristalls hervorgerufen wird. Durch die Verformung wird eine elektrische Ladung erzeugt. So ist es bei einem elektrischen Feuerzeug oder beim Reinigen mit Ultraschall der Fall. Das fotoelektrische Prinzip wird in der Beleuchtung und Lasertechnik angewandt und wandelt einen elektrischen Strom in Lichtwellen um. 

In der Elektrostatik wird durch ein elektrisches Feld eine mechanische Bewegung erzeugt. Zu erkennen ist dieser Effekt, wenn man mit einem Luftballon über die Haare streicht. Angewendet wird dieser Effekt beispielsweise bei der Pulverbeschichtung, in der Akustik oder bei optischen Schaltern.


Die Boards sind dabei mit Komponenten bestückte Leiterplatten, welche Anschlüsse, Schnittstellen, Schaltkreise aus Widerständen, Kondensatoren oder Dioden und vieles mehr beinhalten. Diese sind entweder für einen speziellen Anwendungsfall, beispielsweise zur Aufnahme von Sensordaten oder als Treiber für einen Aktor bestimmt. Alternativ sind die Boards auch frei bestückbar erhältlich.



Datenübertragung bei Breakout Boards

Die Informationsübertragung oder Datenübertragung ist eine Methode, um Botschaften von einem Sender zu einem Empfänger zu übermitteln. In der Kommunikationstechnik wird eine physikalische Größe in Form einer Spannung oder einer Frequenz gemessen. 

Es gibt sowohl die Möglichkeit zur analogen Übertragung von Informationen als auch die digitale Übertragung.
Bei der analogen Datenübertragung wird eine physikalische Größe zu jeder Zeit gemessen und ist daher von Relevanz. Eine Abschirmung der Übertragungskanäle ist ratsam.  Es steht zum einen die Möglichkeit der seriellen Übertragung, zum anderen die der parallelen Datenübertragung zur Verfügung.

Serielle Übertragung

Bei der seriellen Datenübertragung werden die Signale in zeitlicher Folge hintereinander gesendet. Es werden dabei eine Datenleitung und eine für den Ground verwendet. Die Kommunikation kann dabei zwischen zwei Teilnehmern oder innerhalb eines Netzwerkes stattfinden. Dabei gibt es drei Nutzungsmöglichkeiten für eine Datenleitung.

  • Simplex ist eine Datenübertragung in eine Richtung, beispielsweise bei Meldeanlagen. Ist ein Signal vorhanden, ist der Melder aktiv, ist kein Signal vorhanden ruht der Melder. Ein Verbindungspunkt ist der Sender, ein anderer der Empfänger.

  • Halbduplex ist eine Datenübertragung, die abwechselnd in beide Richtungen stattfindet. Im Funkverkehr kann immer nur eine Partei die Kommunikation übernehmen. Die Punkte für Sender und Empfänger wechseln sich ab.

  • Vollduplex ist eine Datenübertragung, die zeitgleich in beide Richtungen stattfinden kann. In der Telefonie können beide Gesprächspartner gleichzeitig sprechen. Jeder Punkt ist zur gleichen Zeit Sender und Empfänger.

Parallele Übertragung

Der Vorteil einer parallelen Datenübertragung ist die Übertragungsrate sprich die Geschwindigkeit, mit der die Daten vom Sender zum Empfänger gelangen. Bei einer 8 Bit Übertragung gibt es acht Datenleitungen und eine für den Ground. Das Board sollte demnach über ausreichend Pins zum Anschluss aller Datenleitungen verfügen.



Mikrocontroller: Arduino oder Rasperry

Der Mikrocontroller ist die Schaltzentrale beziehungsweise das Rechengehirn eines Boards. Das System wird aus einem Chip gebildet und dient zur Verarbeitung von Kommunikationsaufgaben. Der erste 4 Bit Mikrocontroller wurde im Jahr 1971 von der Firma Intel produziert. Er kam beispielsweise in Uhren zur Anwendung.

Während ein Mikroprozessor lediglich eine vordefinierte Aufgabe übernimmt, kann der Mikrocontroller eingehende Signale lesen, diese verarbeiten oder speichern und Befehle zeitlich gesteuert ausgeben. Ein Microcontroller kann dabei eine „System on a Chip“ Lösung sein, oder über externe Komponenten auf einem Board für weitere Anwendungen verfügen.

Arduino ist eine Physical Computing Plattform, welche der Community sowohl Software als auch Hardwarekomponenten für Steuerungsaufgaben bietet. Das Projekt wurde im Jahr 2005 ins Leben gerufen und wurde ein Jahr später mit einer Anerkennung in der Kategorie Digital Communities ausgezeichnet. Es ist bis heute die wohl größte Community von Ingenieuren, Technikern und technisch interessierten Privatleuten. In der Entwicklungsumgebung kann man ohne große Vorkenntnisse loslegen und einen Sketch schreiben. Diese werden vom System in einen für den Arduino lesbaren Steuercode umgewandelt und über USB auf den Mikrocontroller übertragen. Es gibt zahlreiche Ableger des Arduino, die mit der Hardware beziehungsweise der Software kompatibel sind oder darauf aufbauen.

Der Raspberry Pi wird oft in die gleiche Kategorie gesteckt wie der Arduino. Dieser bietet jedoch neben der Möglichkeit zur Steuerung noch eine Vielzahl mehr an Möglichkeiten zur Anwendung. Er ist ein vollwertiger Einplatinencomputer mit einem eigenen Betriebssystem und verfügt über USB Anschlüsse für den Anschluss von beispielsweise Tastatur und Maus. Mit der grafischen Oberfläche kann er als vollwertiger Desktop PC verwendet werden. Er wurde im Jahr 2006 für Schüler und Studenten entwickelt, um ihnen die Einführung in die Informatik zu erleichtern. Der Raspberry Pi ist kein Ersatz für den Arduino, sondern eine Erweiterung für diesen, um besonders rechenintensive Projekte im Bereich der Automatisierungstechnik zu ermöglichen.

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