Open-Source-Hardware Veränderte Designlandschaft

Im Bereich Software hat sich der Open-Source-Gedanke schon sehr weit verbreitet. Dies könnte bald auch für Hardware gelten, wenn man den Erfolg von Plattformen wie »Arduino« oder »BeagleBone« betrachtet. Selbst namhafte Mikrocontroller-Hersteller setzen daher inzwischen auf Open-Source-Hardware.

Die fortschreitende Standardisierung im Bereich der Betriebssysteme hat die Embedded-Technologie insofern unterstützt, dass Anwendungen auf jedem System laufen können, das diesen Standard unterstützt. Ein Beispiel dafür stellt der Erfolg der Open-Source-Software-Bewegung (OSS) dar. In diesem Fall bedeutet Open-Source, dass der Quellcode frei erhältlich ist und ohne irgendwelche Zahlungen an den Urheber verwendet und geändert werden kann. Als Gegenleistung wird vom User erwartet, die Herkunft des Originalcodes anzugeben und eventuell eigenen Quellcode der Community zur Verfügung zu stellen. Durch Linux konnte Google daher extrem kostengünstige Server bauen. »Java«, »Perl« und »Ruby« sind zu den Verkehrs- und Arbeitssprachen für Web-2.0-Anwendungen geworden, und fast die Hälfte aller Websites weltweit läuft mit der freien Webserver-Software »Apache«. Erst durch die Open-Source-Software sind viele Strukturen im Internet möglich geworden, von denen jeder profitieren kann, auch die, die als Teil der Community dazu beigetragen haben.
Genauso könnte die Open-Source-Hardware (OSHW) [1] die Elektronikbranche nachhaltig verändern. OSHW ist eine Komponente oder ein Bauteil, dessen Lizenz jeden dazu berechtigt, die Hardware zu untersuchen, nachzubauen oder zu verändern. Bei Open-Source kann die Arbeit frei mit anderen geteilt und adaptiert werden, und sollte man sie verkaufen oder weiterverteilen wollen, so ist das kein Problem und kann unter derselben Lizenz geschehen.
Der Hauptunterschied zwischen Open-Source-Hardware und -Soft-
ware ist der, dass Letztere vollständig frei und kostenfrei ist, sofern man den Gebrauch des Internets zum Transfer von Quellcode als kostenfrei betrachtet.

Bei OSHW muss die Hardware fast immer gekauft werden. Also ist bei OSHW nicht das Material, sondern das Konzept, die Idee, das »geistige Eigentum«, kostenfrei. Die Beitragsleistenden bauen oder kaufen also zuerst eine Plattform, bevor sie etwas beitragen können (Bild 1). Und obwohl dem so ist, werden sehr viele Änderungen und Erweiterungen durch die Tüftler in der Community hochgeladen. Bei kommerziellen Vorhaben wird so ein extrem schnelles Prototyping ermöglicht und ein System geschaffen, das zyklusmäßig immer weiter verbessert wird, da jeder das gesamte Design einsehen kann. Die Leute mögen es, Dinge zu erschaffen und diese innerhalb ihrer Gemeinschaft zu teilen, weil sie so neue Freunde finden, sich Respekt verdienen, von anderen lernen und Rückmeldungen zu ihren Beiträgen erhalten können. In diesem Moment sind Tausende von OSHW-Projekten im Internet veröffentlicht.

Große Auswahl an Plattformen

Und so wie bei der Software ist es auch in der OSHW-Community sehr erwünscht, andere an seinen Projekten teilhaben und -nehmen zu lassen. Ein Beispiel für OSHW ist die »Arduino«-Plattform [23] (Bild 2), bei der die gewerbliche Wieder- und Weiterverwendung von Arduino-Designs keinerlei Lizenzabgaben erfordert.
Anders als bei freien Referenzdesigns bringt sich bei OSHW-Projekten normalerweise eine Gemeinschaft aus Entwicklern mit ihrer Zeit und Expertise ein, ohne dafür eine Bezahlung zu erwarten. Ein Vorteil bei Open Source ist es, dass sich viele Leute mit unterschiedlicher Erfahrung beteiligen, was zu einem robusteren Design beiträgt und ein kollektives intellektuelles Eigentum ohne Kosten bietet. Neben Integrität und technischer Intelligenz wird auch die elegante und clevere Umsetzung einer Lösung anerkannt. Durch dieses einfachere, schnellere und kostengünstigere Entwicklungsverfahren könnte es beim Design und der Herstellung von Hardware zu einem Paradigmenwechsel kommen. 
Mouser Electronics unterstützt die Community durch die Bereitstellung und Lieferung der verschiedener Angebote in Sachen OSHW. Das Arduino-Board »Esplora« ist ein Mikrocontrollerboard für Leute, die möglichst schnell einsteigen und loslegen wollen, ohne sich vorher lange mit Elektronik beschäftigen zu müssen. Das Esplora unterscheidet sich den bisherigen Arduino-Boards durch eine Anzahl bereits eingebauter und betriebsbereiter On-Board-Sensoren für das Zusammenwirken mit anderen Komponenten. Das Board verfügt über integrierte Audio- und Lichtausgänge sowie mehrere Eingabesensoren, zu denen ein Joystick, ein Schiebepotentiometer, ein Temperatursensor, ein Beschleunigungsmesser, ein Mikrofon und ein Lichtsensor gehören. Mit einem solchen Angebot können Entwickler mit Open-Source-Hardware im Handumdrehen Produkte entwerfen, mit denen Probleme gelöst werden können oder die einfach Spaß machen. 
Auf die Arbeit der anderen Community-Mitglieder aufbauend, kann man so häufig den kürzesten Weg von der Umsetzung eines Konzepts bis zur funktionstüchtigen Realität einschlagen. Und Arduino ist nur ein Beispiel unter vielen. Mouser Electronics führt eine große Auswahl an Boards und Shields (Funktionssteckkarten) von Arduino und Zusatzmodulen von anderen Anbietern (Tabelle 1).

Hardware Core Bemerkungen 
Arduino Due 32-Bit-MCU »SAM3x« von Atmel basierend auf einem »ARM Cortex-M3« mit bis zu 48 MHz neue USB- und Audiokonzepte; ideal für Transfers mit hohen Datenraten; zwei Bänke mit Flash-Speicher; 54 digitale I/Os; 12 analoge Ein- sowie 2 analoge Ausgänge; bis zu 12 PWM-Kanäle 
Arduino Esplora8-Bit-MCU »ATmega32u4« von Atmel mit bis zu 16 MHzabgeleitet aus dem Arduino Leonardo; Stromversorgung per USB; Ausgänge für Licht und Audio on-Board; diverse Eingänge (Joystick, Schieberegler, Temperatursensor, Beschleunigungsmesser, Mikrofon, Lichtsensor)
GHI Electronics FEZ Cerbuino Bee Mainboards32-Bit-MCU »STM32 F4« von STMicroelectronics basierend auf einem »ARM Cortex-M4« mit bis zu 168 MHzArduino-kompatibel; kostengünstig; MicroSD-Buchse; USB (Host/Device); programmierbare LED; WLAN, ZigBee; CAN 9AJ; zwei Audioausgänge; sechs PWMs; Echtzeituhr; Ethernet
Freescale Freedom32-Bit-MCU »Kinetis-L« von Freescale basierend auf einem »ARM Cortex-M0+« mit bis zu 48 MHzOpen-Source-Debugger on-Board (OpenSDA); USB; RGB-LED; Beschleunigungsmesser; Schieberegler mit kapazitivem Touch
Microchip ChiKIT Uno3232-Bit-MCU »PIC32« von Microchip basierend auf einem »MIPS M4K« mit bis zu 80 MHzArduino-kompatible Software; industrie- und automobiltauglich; USB (Host/Device/OTG); zwei CAN-Ports
BeagleBone Black32-Bit-MCU »Sitara AM3359« von Texas Instruments basierend auf einem »ARM Cortex-A8« mit bis zu 1 GHzHDMI on-Board; 2 GByte Flash; Ethernet; USB (Host/Device); Erweiterungsstecker mit 92 Pins; On-Board-JTAG (optional)
SolderCore SC-CPU32-Bit-MCU »Stellaris LM3S9« von Texas Instruments basierend auf einem »ARM Cortex-M3« mit bis zu 80 MHzArduino-Formfaktor; USB OTG; MicroSD-Buchse; benutzerprogrammierbar: fünf LEDs und 20 GPIOs
Pandaboard/ES 32-Bit MCU »OMAP4460« von Texas Instruments mit zwei Cores vom Typ »ARM Cortex-A9« für symmetrisches Multiprocessing mit jeweils bis zu 1 GHz mobile Software-Entwicklungsplattform; USB; LCD; Kameraschnittstelle; Ethernet; HDMI; DVI; Audio; Bluetooth; 802.11 b/g/n 
Tabelle 1: Übersicht über verschiedene Open-Source-Hardwareplattformen, die über Mouser Electronics erhältlich sind.

Dazu zählt das von BeagleBoard.org [4] entworfene und von der Circuit Co. hergestellte »BeagleBone Black« [5] (Bild 3).

Durch die übersichtliche Konzeption soll das BeagleBone Black das Entwickeln quasi barrierefrei machen. Das Board setzt auf den 32-Bit-Prozessor »Sitara« von Texas Instruments mit »ARM Cortex-A8«-Core auf, der mit »Android Jelly Bean«, »Debian« oder »Ubuntu« läuft. Die Open-Source-Linux-Entwickler können über die »Capes« genannten Steckkarten zusätzliche Funktionen wie Kamera, Touchscreen, Motorsteuerung, Batteriemodul und vieles mehr integrieren, und so kürzeste Produktentwicklungszyklen ermöglichen.
Der Erfolg von Arduino hat dazu geführt, dass verschiedene Mikrocontroller-Hersteller selber dazu kompatible Open-Source-Plattformen vorgestellt haben. Einige davon sind ebenfalls über Mouser erhältlich. So ist beispielsweise das »Uno32« von Microchip Technology [6] ein Arduino-kompatibles 32-Bit-MCU-Entwicklerboard. Die modifizierte Designumgebung unterstützt jetzt neben der Originalproduktlinie von Arduino auch Mikrocontroller aus der »PIC32«-Serie. Das ebenfalls zu Arduino kompatible Board mit Namen »Freedom« [7] von Freescale Semiconductor baut auf deren ARM-basierter 32-Bit-MCU auf und ist darüber hinaus zu einer größeren Anzahl ARM-Tools kompatibel.
Zu den weiteren führenden OSHW-Plattformen gehören das »Pinguino Micro« von Olimex [8] mit »PIC32«-Mikrocontroller von Microchip, die OMAP-Mobile-Plattform von Pandaboard.org [9] und die »SolderCore«-Boards [10], die mit ARM-basierten Prozessoren von Freescale und Texas Instruments laufen.

 Freescale bietet weitere Open-Source-Boards wie das »Uno« an, die nicht zur Arduino-Familie gehören.
Die Zusammenarbeit bei Open-Source-Projekten kann in vielen Formen vor sich gehen und bei genauerem Hinsehen erkennt man, warum sie so erfolgreich ist - hier werden gemeinsam ingenieurstechnische Ziele erreicht und verwirklicht. Die Community um das »Launchpad« von Texas Instruments (Bild 4) nutzt das »Energia« [11], eine Arduino-Variante für den Mikrocontroller »MSP430« des Chipherstellers.

»Shields« bieten Erweiterungen

Neuer Code oder neue Hardware sind allerdings nutzlos, wenn sie nicht mit anderen, bereits vorhandenen Modulen kompatibel sind. OSHW ist von Natur aus weniger frei verteil- und nutzbar, da man etwas »Materielles« und damit auch Geld braucht, um dabei sein zu können. Bei OSHW gibt es zwei Optionen: Sie kann mit der Basisplattform verwendet werden, oder nicht. Arduino ist dem Beispiel von Linux gefolgt und hat bewährte Hardwaremodule geschaffen, die sich »Shields« nennen und schnellen Zugriff auf technische Erweiterungsoptionen wie die Anbindung über Ethernet ermöglichen. Sowohl OSHW als auch OSS unterliegen technischen Standards und Normen.
OSHW hat allerdings auch einen ökologischen Aspekt. Früher kaufte man Geräte für wesentlich längere Nutzungszeiten, und sie konnten repariert werden, weil die meisten Anleitungen auch einen Schaltplan enthielten. Heute ist es häufig so, dass eine Reparatur mehr kostet als ein Neugerät. Bei OSHW kann man jedoch auf Schaltpläne zugreifen und sich online gegenseitig unterstützen. Da die verwendeten Werkstoffe jedoch langsam knapper werden, könnte sich eine Reparatur irgendwann wieder lohnen, auch finanziell. Und ein repariertes Produkt produziert keinen Abfall und schon die Ressourcen.