HATs, Shields, PICtails und Clicks – die vereinfachte Welt des Prototypings

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Die Raspberry Pi Foundation, Arduino und MikroElektronika bieten für ihre Singleboard-Computer zahlreiches Zubehör an, das sich auch bestens fürs Prototyping eignet.

Begriffe wie HATs, Shields, PICtails und Clicks sind für viele Entwickler kein spezielles Kauderwelsch aus der Fantasiewelt mehr. Denn in den letzten Jahrzehnten hat sich das Prototyping-Angebot an Entwicklungs- und Evaluationboards für Ingenieure, getrieben durch Veränderungen in der Halbleiterindustrie, deutlich verändert.

Zum einen sind die Gehäuse kleiner geworden und enthalten kein Blei mehr. Die Prototyping-Fläche mit einem Raster von 0,1-Zoll im Veroboard-Stil von älteren Entwicklungsboards hat sich in der neuen Ära der QFP- (Fine-Pitch Quad Flat-Packs) und QFN-Bausteine (Quad Flat No-Lead) als weitgehend unbrauchbar erwiesen.

Mehr Flexibilität dank Plug-&-Play

Zum anderen haben viele Mikrocontrollerhersteller ihr Portfolio verbreitert und auf Leistungsumwandlung, Sensorik, Wireless und Netzwerkschnittstellen ausgeweitet. Mit Blick auf den Verkauf eines Gesamtsystems entwerfen die Hersteller ihre Entwicklungsboards mit Steckverbindersystemen mit Plug-&-Play. Dadurch wird sichergestellt, dass ihre anderen Halbleiterprodukte einfach mit dem gewählten Mikrocontroller verbunden und ausgewertet werden können.

Ein Paradebeispiel für diesen Ansatz ist das Entwicklungsboard Explorer 16/32 von Microchip Technology (Bild 1). Das Entwicklungsboard DM240001-2 wurde zunächst für die 16-Bit-Mikrocontrollerfamilien PIC24 und dsPIC33 entwickelt, aber es unterstützt auch die 32-Bit PIC32-Familie. Möglich wird dies durch die frühzeitige Entscheidung, den Mikrocontroller durch den PIM-Ansatz (Plug-In-Modul) austauschbar zu machen. Diese PIM-Module, typischerweise 38 x 38 mm groß, verfügen über ein Minimum an Hardware.

Ein Standard-Mikrocontroller ist neben der MCU selbst nur mit Entkopplungskondensatoren und dem für die Uhr erforderlichen Quarz bestückt. Auf komplexeren Bausteinen mit mehr Optionen können eine Reihe von Jumpern zur Auswahl der Schnittstellen sowie Klemmenpunkte für Oszilloskoptastköpfe für MCUs, die auf Motorsteuerung oder digitale Leistungsanwendungen ausgerichtet sind, vorhanden sein.

Das Board Explorer 16/32 bietet auch grundlegende E/A-Unterstützung in Form eines alphanumerischen LCD, eines Potentiometers, LEDs, einiger Drucktasten und eines Temperatursensors. Um jedoch schnell komplexere Anwendungen zu prototypisieren, steht die standardisierte PICtail-Plus-Schnittstelle von Microchip zur Verfügung. In Verbindung mit dem Erweiterungsboard PICtail Plus ist eine Reihe von Karten erhältlich, die drahtlose und kabelgebundene Konnektivität, E-Paper- und Vollfarb-Displays sowie Bewegungssensoren bieten.

Die Schnittstelle wurde auch von TE Connectivity auf dem Weather Board implementiert. Dieses Board verfügt über den Feuchtigkeitssensor HTU21D I2C, den industriellen Höhenmesser MS5637-02BA03, den digitalen Temperatursensor TSY01 und den kombinierten Druck-, Feuchtigkeits- und Temperatursensor MS8607-02BA01. Das Board wird mit Treibern unterstützt, die für jeden der verschiedenen Sensoren in C geschrieben wurden, sowie jeweils mit einer Beispielanwendung geliefert.

Der Code ermöglicht es Entwicklern, jeden Sensor zu testen und die Messergebnisse auf dem LCD-Display des Explorer 16/32 auszugeben. Ein sorgfältig geschriebenes Benutzerhandbuch wird ebenfalls mitgeliefert. Es behandelt die Installation und erklärt die Funktionalität des Beispiel-Anwendungscodes.

mikroBUS etabliert sich als Prototyping-Standard

Viele Sensoren und Module, auch komplexe Lösungen für WLAN beziehungsweise Ethernet, benötigen nur eine einfache serielle Schnittstelle wie SPI zur Anbindung an einen Mikrocontroller. Dennoch hat sich die Branche nie wirklich auf standardisierte Pins oder Formfaktoren geeinigt, die erforderlich sind, um eine Standard-Prototyping-Lösung auf dem Markt anzubieten. Dies ändert sich jedoch gerade, da Microchip und andere Mikrocontrollerhersteller wie NXP den mikroBUS-Standard unterstützen. Dieser von MikroElektronika entwickelte, offene Standard definiert die Funktionalität von 16 Schnittstellen-Pins sowie die Abmessungen und Siebdruckkennzeichnungen der Platine. Boards von MikroElektronika, die auf diesem Standard basieren, werden als Click-Boards bezeichnet.

Alle Click-Boards sind 25,4 mm breit, wobei die Länge in den Varianten klein (28,6 mm), mittel (42,9 mm) und groß (57,15 mm) angeboten wird. Diese Flexibilität stellt sicher, dass die Schnittstelle gleich bleibt, während eine Prototyping-Fläche oder Antennen bzw. Stecker untergebracht werden können. Der Standard unterstützt SPI, UART und I2C, sowie Pins für Analog- und PWM-Signale, eine Interruptleitung und einen Reset-Pin. Er definiert auch die Versorgungs-Pins +5,0 V und +3,3 V.

Das neueste Explorer-16/32-Board verfügt zudem über zwei Stiftleisten, die die mikroBUS-Click-Boards unterstützen, und bietet Entwicklern ein noch breiteres Spektrum an Prototyping-Optionen aus dem MikroElektronika-Programm. Werden noch mehr Stiftleisten benötigt, so werden zwei zusätzliche Stiftleisten auf dem Erweiterungsboard PICtail Plus bereitgestellt.

Ein derartiges Erweiterungsboard ist das Hall Current 2 Click, das einen ACS711-Hall-Effekt-Sensor von Allegro Microsystems nutzt (Bild 2). Das Board misst Ströme bis zu +/-12 A sowohl für AC als auch DC bis zu 100 V. Dieser Baustein nutzt die I²C-Schnittstelle für Konfiguration und digitale Messungen, zusammen mit dem analogen Pin, der eine alternative Ausgangsoption bietet. Über den integrierten Analog-Digital-Wandler (ADC) wird der Messwert dem Mikrocontroller als 12-Bit-Wert mit einer Empfindlichkeit von 110 mV/A zur Verfügung gestellt. Um die Fehlererkennung des ACS711 zu handhaben, sind auch der Interruptausgang und der Reset-Eingang implementiert. So kann der Mikrocontroller im Falle einer Stromüberlastung den Fehler erkennen und das Gerät zurücksetzen.

Prototyping-Boards sind nicht auf einfache Mess- und Schnittstellenaufgaben beschränkt. Boards wie das Grid-EYE Click geben den Entwicklern Fähigkeiten für Wärmebildtechnik an die Hand. Durch Nutzung eines Panasonic AMG8853 Infrarot-Array stellt dieses Click-Board 64 Ausgänge von einem 8 x 8 Thermo-Array zur Verfügung. Das Gerät ist in der Lage, Temperaturen von -20 °C bis 100 °C über eine Erkennungsweite von 5 m zu messen. Um sicherzustellen, dass die Umgebungstemperatur die Messergebnisse nicht beeinträchtigt, kompensiert das Gerät gegen einen internen Thermistor. Eine einfache I²C-Schnittstelle genügt, um auch den 8-Bit-Mikrocontroller mit den gemessenen Temperaturwerten zu versorgen.

Raspberry Pi als überzeugende Prototyping-Plattform

Am anderen Ende der Skala stehen Komponenten wie der Raspberry Pi 4B mit seiner 64-Bit-Quad-Core-Rechenleistung, Grafikfähigkeit und Unterstützung für alles, was Linux bieten kann. Das macht diese Komponenten zu überzeugenden Prototyping-Plattformen. Mit der für jeden denkbaren Anwendungsfall verfügbaren Software ist der Raspberry Pi ideal, um Ideen und Konzepte rund um die Digitalisierung industrieller Anwendungen und die Anbindung an die Cloud zu testen. Im Vergleich zu herkömmlichen, programmierten MCU-Entwicklungsboards sind die Schnittstellen eines Raspberry Pi allerdings sehr begrenzt. Eine 40-polige Stiftleiste mit 26 GPIO-Pins bietet eine einzige I²C- und SPI-Schnittstelle sowie 17 digitale Ein-/Ausgänge. Eine Python-Bibliothek ermöglicht es auch, die digitalen Pins als PWM-Ausgänge (Pulsweitenmodulation) zu verwenden.

Um diese Schnittstelle optimal zu nutzen und potenziell analoge Eingangsfunktionen hinzuzufügen, können Entwickler aus einer Reihe von HATs (Hardware attached on top) wählen, also Erweiterungskarten, die mit der 40-poligen Stiftleiste verbunden sind. Wenn Ihre Anwendung z. B. Motoren oder Schrittmotoren steuern soll, wird die DC- und Schrittmotor-HAT von Adafruit (Bild 3) interessant sein. Dieses Board kann bis zu zwei unipolare oder bipolare Schrittmotoren, bis zu vier DC-Motoren oder verschiedene Kombinationen davon steuern.

Die Motoren werden über ihren eigenen +5,0 bis +12,0 V DC-Eingang versorgt, während der Rest von den +3,3 V DC des Raspberry Pi versorgt wird. Neben zwei integrierten Motortreibern Toshiba TB6612FNG ist auch ein NXP PCA9685 vorhanden. Damit stehen 16 Kanäle mit 12-Bit PWM-Signalen zur Verfügung, von denen 12 für die Motorsteuerung verwendet werden, die über I²C gesteuert werden. Die restlichen vier Kanäle werden auf eine Stiftleiste geleitet und können für andere Zwecke eingesetzt werden. Wenn noch mehr Motoren gesteuert werden sollen, können bis zu 32 HATs gestapelt werden, so dass potenziell 64 Schrittmotoren oder 128 DC-Motoren gesteuert werden können.

Arduino bietet verschiedene Formate fürs Prototyping

Um unseren Überblick über Prototyping-Plattformen abzurunden, müssen wir einen Blick auf das Angebot von Arduino werfen. Die entwickelten Erweiterungsboards bieten eine standardisierte Board-Architektur für 8-Bit- und 32-Bit-MCUs und werden als Shields bezeichnet. Die Mehrheit der Shields folgt eher dem Formfaktor des Arduino-UNO-Designs anstelle des längeren Arduino MEGA oder Due. Arduino selbst bietet eine Handvoll Shields an, während Produzenten und Hersteller von Elektronikkomponenten das Standard-Platinen-Template verwendet haben, um Hunderte weitere zu entwickeln.

In jüngster Zeit hat Arduino schmalere Boards unter dem Namen Arduino MKR auf den Markt gebracht, die auf die für IoT (Internet of Things) erforderliche, drahtlose Konnektivität abzielen. Die etwas kürzeren und gegenüber dem Arduino UNO etwa halb so breiten Arduino-MKR-Boards werden auch von einer Reihe von Shields unterstützt. Soll beispielsweise eine Bridge zwischen CAN-Konnektivität und Cloud entstehen, können Entwickler ihr Board mit dem Arduino MKR CAN Shield erweitern (Bild 4). Mit einem Microchip MCP2512 wird die CAN-Schnittstelle über eine SPI-Schnittstelle gesteuert. Der bereitgestellte Transceiver stammt von NXP in Form des TJA1049T/3. Je nach Konfiguration des Gesamtnetzwerks kann der Pullup-Widerstand über einen kleinen Schalter auf dem Board ein- und ausgeschaltet werden.

Mit der zunehmenden Miniaturisierung der elektronischen Bauelemente kann es schwierig erscheinen zu wissen, wie man Bausteine evaluiert und Prototypen mit Komponenten baut, die wir praktisch nicht mehr löten können. Neue Standards tragen jedoch dazu bei, dieses Problem zu lösen. Schlüsseltechnologien, von Wireless bis kabelgebunden, von der Steuerung bis zur Messung, können in Form von bestückten Boards gekauft werden, die sich in eine Reihe von Mikrocontroller-Entwicklungsboards inte-grieren lassen. Auch wenn der Formfaktor nicht kompatibel ist, macht die Unterstützung von sichtbaren und lötbaren 0,1-Zoll-Stiftleisten solche Prototyping-Boards für uns alle nutzbar.

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Dieser Beitrag ist erschienen in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 19/2019 (Download PDF)

* Mark Patrick ist Mitarbeiter bei Mouser Electronics

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