Verteilte Intelligenz Embedded Computing mit Ein-Platinen-Mikrocontrollern

Von Silvano Böni

In zahlreichen Anwendungsfällen für Elektronik ist es zielführend, statt einer alles beherrschenden Gesamtlösung massgeschneiderte Systeme für einzelne Teilsysteme zu entwickeln und diese bedarfsgerecht zusammenzustellen. Wesentliches Element dabei ist das Mikrocontroller-Board.

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Embedded-Systeme: Sie bringen die Computerintelligenz ganz nahe an die Anwendung.
Embedded-Systeme: Sie bringen die Computerintelligenz ganz nahe an die Anwendung.
(Bild: Reichelt)

Für viele rufen Begriffe wie «Digitalisierung» oder «Internet der Dinge» Bilder aus der privaten Nutzung ins Bewusstsein, etwa von Smartphones, Tablet-PCs oder digitalen Assistenten wie Alexa. Beim Wort «Computersteuerung» denken die meisten Menschen auch heute noch überwiegend an speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) oder PCs, manchmal auch an grosse Schaltschränke voll mit Rechnerhardware.

Beherrschbarkeit durch Modularität

Die fortschreitende Miniaturisierung in der Mikroelektronik hat jedoch die Möglichkeiten von Aufbau und Entwicklung elektronischer und computergesteuerter Systeme wesentlich verändert und erweitert. Mit der kostengünstigen Verfügbarkeit von Rechenleistung und Speicherkapazität steigt die Funktionsdichte, die sich in einzelnen Projekten realisieren lässt. Da dies den Entwicklungsaufwand für komplexe Projekte überproportional anwachsen lässt, werden immer häufiger massgeschneiderte Lösungen für einzelne Teilaufgaben geschaffen und die Gesamtlösung daraus bedarfsgerecht zusammengestellt.

Längst haben daher Mikroprozessoren und -controller in unverdächtige Endgeräte und technische Systeme wie Autoradio, ABS oder das gute alte Raumthermostat Einzug gehalten. Es ist nicht auszuschliessen, dass etwa ein Gaszähler mehr Computerintelligenz hat als der PC in der Buchhaltungsabteilung. Auch in der industriellen Anwendung geht seit Langem der Trend in diese Richtung. Vormals rein mechanische Apparaturen werden mittels Prozessor- oder Controllerboards zu eigenständigen Geräten aufgewertet. Musste deren Steuerung früher bis ins Detail von übergeordneten Systemen mit erledigt werden, so können sich diese durch die Modularisierung der Gesamtaufgabe auf ihre koordinierende Rolle konzentrieren.

In der Praxis angekommen

Ein Beispiel zeigt, dass diese Entwicklung keineswegs neu ist: Skifahrer, Messe- oder Stadionbesucher kennen die Zutrittskontrollsysteme, mit denen die Gültigkeit von Eintrittskarten geprüft wird. Hierbei handelt es sich um komplexe Systeme, bei denen alle Arten der elektronischen Datenverarbeitung ineinandergreifen: Im Hintergrund arbeiten klassische Computersysteme an der Konfiguration und Steuerung des Gesamtsystems, an der Zusammenführung und Aufbereitung der in den Kartenlesern gewonnenen Daten sowie an weitergehenden Prüfungen.

Die Gültigkeitsprüfung und die Verspeicherung der Ticketdaten finden in den Lesern selbst statt, die dazu über dedizierte Prozessorhard- und -software verfügen. Zusätzlich sorgen meist weitere Prozessoren oder Controller für die Bewegung der Karten in der Lesemechanik, für eine Vorverarbeitung der Magnet- oder Chipdaten und für die Kommunikation mit dem umgebenden System. Mehr als das: Auch im Drehkreuz selbst steuern eingebaute programmierbare Systeme die Bewegung der Holme in Abhängigkeit vom Anlassfall.

Flexibilität durch lokale Intelligenz

Wo früher hart verdrahtete Elektronik eng mit der mechanischen Hardware zusammenarbeitete, verleihen heute meist Prozessoren oder Controller den Geräten, in die sie integriert sind, die nötige Intelligenz. Damit erlangen diese eine anders nicht erreichbare Flexibilität und Unabhängigkeit von umgebenden Systemen und ermöglichen andererseits direkt oder über das Internet of Things (IoT) eine einfache Integration in grössere Gesamtlösungen.

Bei Lösungen mit integrierten Prozessoren spricht man landläufig von eingebetteten Systemen oder Embedded Systems. Der Begriff ist in aller Munde, dennoch herrscht einige Unklarheit über seine Abgrenzung. Hier eine Situationsdarstellung, die versucht, etwas mehr Licht in die Angelegenheit zu bringen.

Fliessende Grenzen

Die Grenzen von Embedded Systems zu traditionellen Computern sind natürlich fliessend, da heute bereits ganze PCs vollständig in andere Systeme eingebaut werden können. Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal ist jedoch, dass sie meist ausschliesslich Kommunikationsfunktionen und Steuerungsaufgaben an den Geräten wahrnehmen, in die sie eingebettet sind.

Noch weniger klar sind die Grenzen zum Begriff der Mechatronik. Hier kommt es sinngemäss zur Bildung einer Schnittmenge, da in zunehmend mehr in Mechanik verbauter Elektronik nicht mehr hart verdrahtete Logik dem Gerät Intelligenz verleiht, sondern Prozessoren oder Mikrocontroller. Andererseits reichen Embedded Systems weit über die eigentliche Mechatronik hinaus, da sie oft nicht in separaten Schaltschränken oder Gehäusen werken, sondern direkt in das komplexe mechanische Innenleben der Geräte integriert, also tief eingebettet sind.

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Trennung von Hard- und Software

Noch vor 15 Jahren musste die Hard- und Software für Embedded Systems individuell entwickelt werden. Dazu waren fundierte technische Kenntnisse nicht nur bei der Programmierung von Mikrocomputersystemen erforderlich, sondern auch beim professionellen Entwurf komplexer elektronischer Schaltungen. In klassischen Computersystemen wurde bereits damals die Software von der weitgehend standardisierten Hardware getrennt entwickelt. Das erlaubt Software-Entwicklern die Konzentration auf ihre Kernaufgabe.

Ein-Platinen-Computer im Format einer Kreditkarte wie der 2012 erschienene Rasp­berry Pi, die im Grunde komplette PCs sind, machen diesen Vorteil auch für Heimanwender und die Ausbildung, vor allem aber auch für Embedded Systems nutzbar.

Die Vorteile dieser Modularisierung und Standardisierung liessen solche Produkte in Bereiche vordringen, in denen der Industrieelektroniker sie nicht sofort vermutet, etwa Zapfsäulen, Getränkeautomaten oder Kaf­feemaschinen.

Modularisierung und Standardisierung

«Der Trend geht eindeutig in Richtung Modularisierung und Standardisierung, sowohl was die Hardware als auch was die Betriebssystemplattformen betrifft», beschreibt Sven Pannewitz, Produktmanager Single Board PCs und Entwicklerboards beim Elektronik-Distributor Reichelt Elektronik, die aktuelle Entwicklung.

«Zugleich gibt es neben PC-ähnlichen Systemen eine grosse Vielfalt an Ein-Platinen-​Controllersystemen mit zahlreichen Ein- und Ausgängen für die direkte Interaktion mit Sensoren und Aktoren.»

Bei Ein-Platinen-Computern wie dem Rasp­berry Pi handelt es sich längst nicht mehr um ein singuläres Produkt. So gibt es auf dessen Basis beispielsweise unter der Marke PiXtend eine Linie von SPS-Boards für anspruchsvolle Steuerungsaufgaben. Am anderen Ende des Spektrums stehen kleinere Ein-Platinen-Mikrocontroller wie die Boards der quelloffenen Arduino-Plattform oder die damit hinsichtlich Konnektivität kompatiblen Nucleo-Entwicklungsplatinen mit ARM-​Cortex-Controllern.

Kleine Spezialisten

Solche Ein-Platinen-Mikrocontroller sind kompakte Spezialplattformen für individuelle Steuerungs- oder Datenaufbereitungsaufgaben.

Ihre geringen Abmessungen gestatten den Betrieb unter beengten Platzverhältnissen und damit das Lösen dieser Aufgaben direkt am Ort des Geschehens. Mit digitalen und analogen Ein- und Ausgängen können sie die angeschlossene Peripherie direkt ansprechen. Für eine einfache Verbindung zur Aussenwelt sorgen Adapter für unterschiedliche Technologien, etwa WLAN oder GSM.

Im Gegensatz zu Ein-Platinen-Computern mit PC-Architektur benötigen diese kein Betriebssystem. Sie führen das für den jeweiligen Zweck entwickelte, über eine kostenlose Entwicklungsumgebung kompilierte und an das Modul übertragene Programm direkt aus.

Anwender können dieses in vielen Fällen aus Funktionen zusammenstellen, die im Internet zur freien Nutzung angeboten werden. Dadurch können Anwender auch ohne vertiefende Softwarekenntnisse in kurzer Zeit sehr ansehnliche Ergebnisse erzielen.

Vielfalt braucht Auswahl

Unerlässlich für die Erstellung sinnbringender praktischer Anwendungen ist jedoch ein sehr gutes Verständnis der Aufgabe. Das schliesst die Kenntnis der zu steuernden Mechanik und ihrer Ausstattung mit Sensorik und Aktorik ebenso mit ein wie ein klares Konzept für die Nutzerführung an Displays und den Datenaustausch mit benachbarten oder übergeordneten Systemen.

Diese Kriterien bestimmen auch die Auswahl des passenden Boards. Die Anzahl der analogen und digitalen Ein- und Ausgänge ist ebenso durch die Anwendung bestimmt wie die mögliche Grösse. Die Ausstattung mit Kommunikationsschnittstellen und Netzwerkanschlüssen – etwa zum CAN-Bus – ergibt sich aus der Systemumgebung, in der das Produkt eingesetzt werden soll.

Bei anderen Kriterien ist oft eine Abwägung unterschiedlicher Grössen gegeneinander erforderlich. So beeinflussen die Verarbeitungsleistung der Mikrocontrollerchips und die Ausstattung mit Speicher in Form von RAM, Flash-ROM und EEPROM den Energieverbrauch des Moduls.

«Vor allem für Anwendungen in batteriebetriebenen Systemen sollte daher der Performancebedarf genau bestimmt und nicht mit Blick auf künftigen Mehrbedarf überdimensioniert werden», rät Sven Pannewitz. «In der Regel bringen die Hersteller solcher Boards laufend form-, anschluss- und programmkompatible Nachfolgeprodukte auf den Markt.»

Gekommen, um zu bleiben

Embedded Systems sind weder neu noch revolutionär. Die fortschreitende Miniaturisierung der Elektronik ermöglicht eine weitere Verteilung der Intelligenz komplexer Systeme und das weitere Heranführen von Teilen der Software dorthin, wo sie gebraucht wird: Nahe an Hardware und Mechanik. So können sich technische Systeme noch mehr an den Menschen und dessen wechselnde Bedürfnisse anpassen. «Ein-Platinen-Mikrocontroller sind ein probates Mittel dazu. Sie sind extrem vielfältig und erstaunlich einfach anzuwenden», weiss Sven Pannewitz. «Bei ihrer Auswahl ist es gut, mit einem Partner zu arbeiten, der mit einem breiten Portfolio die möglichst exakte Dimensionierung für die zu lösende Aufgabe ermöglicht.»

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