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Hardware-Entwicklung 4.0

31. Januar 2017, 10:48 Uhr | Dr. Claus Kühnel

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Prototyping nach dem Baukasten-Prinzip

Kern einer Geräteentwicklung ist in der Regel das Computersystem, das die Gerätesteuerung übernimmt. PC-basierte Systeme setzen dabei praktisch schon auf einer standardisierten Plattform auf, während bei Embedded-Systemen die Vielfalt nahezu unüberschaubar ist. Vom kleinen 8-bit-Mikrocontroller bis hin zur ausgebauten 64-bit-Rechnerplattform mit Betriebssystem ist hier alles zu finden. Single-Board-Computer (SBC) mit Linux als Betriebssystem (Linux Devices) nehmen dabei eine zentrale Stellung ein und werden heute von zahlreichen Herstellern mit sehr unterschiedlichen Ausstattungen angeboten.

SBCs, wie Raspberry Pi mit ihrer großen Community, haben für eine enorme Verbreitung derartiger Computer in der Maker-Szene, aber auch für das Rapid-Prototyping in industriellen Projekten bis hin zu kompletten Produkten geführt. Bei den 8-bit-Controllern hat die Arduino-Plattform eine ähnliche Entwicklung in Gang gesetzt. Dank des Internets können Entwickler auf vielfältige Quellen, wie Hardware Tutorials, Referenz-Designs, Open-¬Source Software u.a.m., zugreifen und bestehende Designs an eigene Anforderungen anpassen.

Es ist dadurch nicht verwunderlich, dass bei der Abklärung der Machbarkeit neuer Produktideen auch auf solche Systeme zurückgegriffen wird [4]. Hinzu kommt, dass beispielsweise die gesamte BeagleBone-Familie einer Open-Source-Lizenz unterliegt. Die BeagleBoard.org Foundation stellt alle Design Files (Schaltplan, Stückliste, Hardware Layout etc.) unter einer Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported License auf Github zur Verfügung [5].

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Es stehen aber auch zahlreiche kommerzielle Entwicklungsplattformen zur Verfügung wie z.B. das phyBOARD-Mira der Mainzer Phytec. Tabelle 1 zeigt einen Vergleich der jeweiligen Ausstattung von BeagleBone Black, Raspberry Pi und phyBOARD-Mira. Die Stromaufnahme ist hier ein schwer vergleichbarer Wert, da die Angabe „unter wechselnden Bedingungen“ wenig Aussagekraft hat. Beim phyBOARD-Mira wird der untere Wert ohne laufende Applikation (Linux Prompt only) erreicht, während der obere Wert bei vier Kernen unter Volllast und laufender QT-Demo erreicht wird.

Hat man die technische Machbarkeit seiner Produktidee anhand eines Funktionsmusters mit einer Prototyping Plattform nachgewiesen, dann steht man im eigentlichen Entwicklungsprozess allerdings erst am Anfang. Ohne weitergehende Qualifizierungsmaßnahmen (vollständige Inbetriebnahme, EMV- und Umwelttest, Stabilitätstests der Software, Sicherung der Bauteile-Verfügbarkeit über die Produktlebensdauer, Lizenz-Konformität der eingesetzten Software u.a.) ist ein solcher Entwurf nicht für den späteren Serieneinsatz tauglich. Im Allgemeinen wird man wegen der erforderlichen Maßnahmen bei der Entwicklung des Serienproduktes die Plattform wechseln müssen, wodurch neue Projektrisiken im Entwicklungsprozess auftreten.