Single Board Computer Ständige Weiterentwicklung – die Arduino-Reise geht weiter

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2005 wurde der Einplatinencomputer von Arduino als Open-Source-Plattform für Maker eingeführt. In den nunmehr fast 20 Jahren seines Bestehens wurde der beliebte SBC kontinuierlich weiterentwickelt.

Die Elektronikbranche ist schnelllebig. Die Open-Source-Produktfamilie der Embedded-Einplatinencomputer („Single Board Computer“, SBCs) von Arduino wurde 2005 als benutzerfreundliche Plattform für Kreative, Bastler und Tüftler ins Leben gerufen. Diese Familie von SBCs feiert nun bald ihr zwanzigjähriges Jubiläum. Im Gegensatz zu vielen anderen Einplatinencomputern dieser Ära war Arduino eher ein Bare-Metal-Ansatz, für den kein Linux-Betriebssystem erforderlich war. Die Einfachheit der Hardware-Schnittstelle erwies sich als ein entscheidendes Unterscheidungsmerkmal, das dazu beitrug, eine neue Generation von Bastlern und Tüftlern in die Kodierung und Interaktion mit der realen Welt einzuführen. Eines der ersten Produkte von Arduino war der Arduino Duemilanove, der auf dem 8-Bit-AVR-Mikrocontroller von Atmel basierte. Er wurde ursprünglich für junge Interaktionsdesigner entwickelt und bot eine Fülle von Hardware-Merkmalen, die durch eine benutzerfreundliche, vielseitige Entwicklungsumgebung ergänzt wurden, die Bibliotheken von Drittanbietern unterstützte.

Das bleibende Erbe von Arduino

Die ersten Arduino-Boards haben ein bleibendes Vermächtnis hinterlassen und im Laufe der Jahre viele Studenten dazu ermutigt, sich mit Hardware-Design und Kodierung zu beschäftigen. Das Interesse am Basteln mit Elektronik hatte im Laufe der Jahre abgenommen, als die Ära der PCs Einzug hielt, aber Arduino änderte das. Die ersten Anwender entdeckten schnell, dass es sich bei Arduino um eine einfache Plattform handelt, mit der man mit einer Handvoll externer Bauteile und ein paar Codezeilen LEDs zum Blinken bringen oder die Pflanzen im Haus automatisch gießen kann.

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Dank seiner stapelbaren Pinbelegung für Zubehör-Boards, den sogenannten „Shields“, gewann Arduino schnell an Popularität. Der Open-Source-Ansatz ermutigte Unternehmen, ihre ICs und Module im Format der Arduino-Shields anzubieten. Es gibt Tausende verschiedener Shields, von einfachen Prototyping-Boards bis hin zu hochintegrierten Beschleunigungsmessern und Wireless-Modulen. Arduino richtete sich mit seinen Boards und Shields zunächst an Bastler und Tüftler. Seine größte Bekanntheit erlangte es erst, als Halbleiter-Hersteller begannen, ihre professionellen Evaluierungs- und Entwicklungsboards mit einem Sockel für Arduino-Shields zu versehen. Einige Anbieter stellten ihre Entwicklungsboards auf einem Shield Board mit Arduino-Beispielcode zur Verfügung.

Im Laufe der Jahre hat Arduino über 100 Varianten des ursprünglichen Boards auf den Markt gebracht, einige davon für spezielle Zwecke, wie z. B. das Lilypad – eine winzige, runde Plattform, die für den Einbau in E-Textilien und Wearables konzipiert wurde. Einige ältere Boards wurden inzwischen aus dem Arduino-Portfolio gestrichen und durch neuere innovative Plattformen mit verbesserten Fähigkeiten ersetzt.

Der Open-Source-Ansatz von Arduino ermutigte auch andere Unternehmen, ihre eigenen Boards auf der Grundlage des Formfaktors des UNO R3 von Arduino zu entwickeln, was die Akzeptanz bei den Herstellern und viele globale Innovationen weiter vorantrieb. Die Tatsache, dass Arduino für jeden zugänglich ist, der einen Desktop- oder Laptop-Computer und eine Idee für ein neues Produkt hat, ermutigte eine neue Generation von Unternehmern. Der traditionelle Entwicklungszyklus in der Branche der Embedded-Systeme wurde dadurch völlig auf den Kopf gestellt.

Alles, was Sie jemals brauchen werden: das Arduino-Portfolio

Was auch immer Sie für Ihr Projekt benötigen, ein Arduino-Board ist die perfekte Lösung. Das Portfolio ist in vier Kategorien unterteilt: Classic, Nano, MKR und Mega, jede mit einem eigenen Formfaktor und einer Reihe von ergänzenden Shields.

Arduino Classic – benutzerfreundlich

Die Produktfamilie Classic enthält einige der ursprünglichen Arduino-Boards, von denen einige aktualisierte Merkmale und Funktionen aufweisen, aber die legendäre Benutzerfreundlichkeit und Design-Flexibilität beibehalten haben.

Der Arduino UNO R3 (Bild 1) basiert auf dem 8-Bit-AVR-Mikrocontroller ATmega328p von Microchip Technology (ehemals Atmel). Er bietet eine ausgewogene Mischung aus analogen und digitalen E/A und Rechenressourcen, die sich für eine breite Palette von Projekten eignen. Der UNO ist traditionell das erste Arduino-Board, mit dem viele Innovatoren begonnen haben. Er bietet 14 digitale Eingangs-/Ausgangs-Pins (sechs davon als PWM-Ausgänge konfigurierbar), sechs analoge Eingänge und einen 16-MHz-Quarz-Taktgeber. Der Mikrocontroller ist mit einem Bootloader vorprogrammiert, der die Programmierung über die frei herunterladbare integrierte Entwicklungsumgebung (IDE) ermöglicht.

Zu den neuesten Ergänzungen der UNO-Produktreihe zählt der Arduino UNO R4 Wi-Fi (Bild 2). Der UNO R4 Wi-Fi hat die gleiche Baugröße und die gleiche Pinbelegung wie der UNO R3. Er basiert außerdem auf dem Mikrocontroller RA4M1 von Renesas, der mit einem 32-Bit-Arm-Cortex-M4-Kern, 256 kB Flash und 32 kB RAM ausgestattet ist. Das Board enthält außerdem ein ESP32-S3-SoC von Espressif mit Wi-Fi und Bluetooth, wodurch die integrierten Funktionen erheblich erweitert werden.

Der UNO R4 Wi-Fi verfügt über eine 12×8-LED-Matrix, einen Qwiic-Anschluss für einfache I²C-Verbindungen, einen 12-Bit-DAC und einen Operationsverstärker (intern im RA4M1). Der RA4M1 arbeitet mit 48 MHz und der ESP32 mit 240 MHz. Der UNO R4 Wi-Fi wird über eine 5-V-USB-Versorgung oder über eine Gleichstrombuchse mit 6 V bis 24 V Gleichstrom versorgt. Zu den Peripherieschnittstellen zählen I²C, SPI, UART und CAN.

Ein Beispiel für ein UNO-kompatibles Shield ist das Arduino 4-Relais-Schild (Bild 3). Die vier Relais des Shields erweitern die 8-mA-Fähigkeit pro Digitalpin und ermöglichen die Ansteuerung von Lasten mit höherer Leistung. Jedes Relais bietet einen zweipoligen Umschalter mit normal offenen Pins. LEDs zeigen den Status der einzelnen Relais an. Die Relaiskontakte sind parallel geschaltet und erhöhen die maximale Schaltlast auf 60 W (30 V bei 2 A). Das 4-Relais-Shield bezieht seine Versorgungsspannung vom Host-UNO-Board und benötigt maximal 140 mA, wenn alle vier Relais eingeschaltet sind.

Arduino Nano – vielfältig und kostengünstig

Die Nano-Familie bietet ein vielfältiges, hochintegriertes Sortiment von zwölf kompakten und kostengünstigen Boards mit 45 mm × 18 mm. Der Nano ist ideal für alle Anwendungen, die eine kleine Grundfläche, aber große Funktionsvielfalt erfordern, und eignet sich hervorragend für Wearables, Robotik und elektronische Musikanwendungen. So besitzt beispielsweise der Arduino Nano Every – obwohl er viel kleiner ist als seine UNO-Cousins – den leistungsfähigeren 8-Bit-Mikrocontroller ATMega4809 von Microchip, der mit 20 MHz läuft und mit 48 KB Flash-Speicher ausgestattet ist. Die Peripherie-Schnittstellen umfassen acht analoge Pins, 14 digitale Pins und serielle UART-, SPI- und I²C-Busse. Viele der Nano-Boards besitzen Embedded-Sensoren wie Umgebungssensoren, Gestensteuerung und digitale Mikrofone. Sie können auch mit MicroPython programmiert werden und unterstützen maschinelle Lernalgorithmen.

Ein weiteres Beispiel für ein Nano-Board ist der Arduino Nano 33 BLE Sense (Bild 4), in den ein u-blox NINA B306 Bluetooth Low Energy- und Bluetooth 5-Funkmodul mit einem Nordic Semiconductor nRF52840 Funk-SoC mit Arm-Cortex-M4F-Core integriert ist.

Der BLE Sense verfügt über eine 9-Achsen-Trägheitsmesseinheit (IMU), Umgebungssensoren (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Druck, Umgebungslicht und Farbe) und einen Gestensensor.

Die Plattform Edge Impulse für Machine Learning unterstützt den Nano 33 BLE Sense. Mögliche TinyML-Anwendungsfälle für das Board sind die Entwicklung eines Wearable-Gerätes, das Bewegungen erkennt, oder der Aufbau eines Gesten- oder Spracherkennungssystems.

Arduino MKR-Familie – kontaktfreudig

Die Produktfamilie Arduino MKR konzentriert sich auf Wireless-Kommunikation, einschließlich LPWAN-Protokolle wie LoRa, Sigfox und zellulares NB-IoT. Alle Boards basieren auf der MKR-Bauform mit den Maßen 61,5 mm × 25 mm und enthalten einen stromsparenden 32-Bit-Mikrocontroller SAMD21 von Microchip mit Arm-Cortex-M0-Core.

Ein Beispiel für ein MKR-Board ist der Arduino MKR NB 1500 (Bild 5). Dabei handelt es sich um ein schmalbandiges zellulares IoT-Board, das für die Nutzung von LTE Cat M1/NB1-Mobilfunkkonnektivität entwickelt wurde. Das Board wird mit 3,3 V Gleichstrom versorgt und bietet 22 digitale GPIO-Pins, 12 PWM-Ausgänge, sieben analoge (8/10/12-Bit) Eingänge und einen 10-Bit-Analogausgang. Zu den seriellen Schnittstellen gehören UART, SPI und I²C. Der MKR NB 1500 eignet sich ideal für Anwendungen in abgelegenen Gebieten mit begrenzten Anschlussmöglichkeiten und ist batteriebetrieben.

Die MKR-Produktfamilie wird durch eine Reihe von Shields und Träger-Boards unterstützt, die zusätzliche Funktionen bieten. Beispiele sind GNSS, Ethernet-Netzwerkschnittstelle, Motorsteuerung und RGB-LED-Matrix.

Arduino wird zum Profi

Angesichts der Zuverlässigkeit und Flexibilität von Arduino war es nur eine Frage der Zeit, bis produktionsbereite Boards für industrielle und kommerzielle Applikationen verfügbar waren. Der Bereich Arduino Pro erfüllt die Anforderungen von etablierten Herstellern und Start-ups für industrielle IoT-Geräte, die Systeme schnell entwickeln und einsetzen müssen. Das Portfolio von Arduino Pro bietet eine einfache, schnelle und sichere Plattform für die Entwicklung von IoT-Applikationen, die Hardware, Software und Plattformen für die Verbindungsfähigkeit in der Cloud umfasst. Außerdem bietet Arduino Pro umfassende Bibliotheken, die viele Herausforderungen im Bereich der Konnektivität in der Industrie lösen, wie z. B. die Verbindung mit älteren Feldbus- und Modbus-Bauteilen. Es gibt drei Produktfamilien von Arduino Pro: Portenta, Nicla und Opta, die jeweils durch eine Reihe von Shields und Träger-Boards unterstützt werden.

Arduino Portenta – hochleistungsfähig und industrietauglich

Portenta ist die Arduino-Baureihe hochleistungsfähiger, industrietauglicher Boards, die mit zwei asymmetrischen Cores ausgestattet sind, die neben Low-Level-Echtzeitaufgaben gleichzeitig High-Level-Code wie Protokollstapel, Algorithmen für Machine Learning oder interpretierte Sprachen, wie MicroPython oder JavaScript, ausführen können.

Bild 6 zeigt das Board Arduino Portenta H7, das einen 480-MHz-Arm-Cortex-M7-Core und einen 240-MHz-Arm-Cortex-M4-Core bietet, die nahtlos über Remote Procedure Calls kommunizieren können. Die Prozessoren teilen sich alle verfügbaren Peripheriegeräte, und Arduino-Code-Skizzen können auf einem Arm Mbed™-Betriebssystem ausgeführt werden. Der Portenta H7 unterstützt die Ausführung von TensorFlow-Lite-Algorithmen für Machine Learning auf einem der Cores, um eine Computer-Vision-Anwendung zu erzeugen. Der H7 verfügt außerdem über einen Chrom-ART-GPU-Beschleuniger auf dem Chip, der neben dedizierten JPEG-Encodern und -Decodern auch die Ansteuerung eines externen Monitors ermöglicht.

Zu den integrierten Konnektivitätsoptionen des Portenta H7 zählen Dual-Mode AP/STA, simultanes Wi-Fi mit einer Übertragungsrate von bis zu 65 Mbps und Bluetooth Classic/Bluetooth Low Energy-Konnektivität. Serielle Bus- und Netzwerkschnittstellen wie UART, SPI, I²C und Ethernet sind über den MKR-Stecker oder das neue Arduino Industrial 80-Pin-Steckerpaar verfügbar.

Arduino Nicla – der Kleinste

Die kleinen Platinen der Nicla-Baureihe (Bild 7) haben eine Größe von 22,86 mm × 22,86 mm und sind die kleinsten Boards von Arduino, die für Industrieapplikationen entwickelt wurden. Die stromsparende Nicla-Baureihe ist auf batteriebetriebene Machine-Learning-Applikationen an der Edge ausgerichtet, verfügt über industrietaugliche Sensoren und bietet eine Komplettlösung mit kompaktem Footprint.

Ein Beispiel aus der Baureihe ist das Board Nicla Sense ME. Dieses Board konzentriert sich auf die Erkennung von Bewegungen (M) und Umgebungsbedingungen (E) und enthält ein 64-MHz-Arm-Cortex-M4-Bluetooth-SoC nRF52832 von Nordic Semiconductor. Zu den Onboard-Sensoren von Bosch gehören der BHI260AP, ein selbstlernender Smart Sensor mit integriertem Beschleunigungsmesser und Gyroskop, ein digitaler Drucksensor BMP390, ein geomagnetischer Sensor BMM150 und ein digitaler Gas-, Druck-, Temperatur- und Feuchtigkeitssensor BME688 mit KI. Der Nicla Sense ME eignet sich für industrielle Anwendungen wie vorausschauende Wartung und Zustandsüberwachung.

Arduino Opta – entstanden aus einer Kooperation

Der Arduino Opta ist das Ergebnis einer Partnerschaft mit dem Unternehmen Finder für Industriesteuerungen. Opta ist eine auf DIN-Schienen montierbare programmierbare Logikschaltung (PLC), die speziell für Applikationen in der Industrie- und Gebäudeautomatisierung konzipiert wurde. Basierend auf einem STM32H747XI Arm Cortex-M7 und Arm Cortex-M4 Dual-Core-Mikrocontroller von STMicroelectronics ist der Opta in drei Varianten erhältlich. Der Opta WiFi PLC (Bild 8) bietet Ethernet-Verbindungen, eine serielle RS485-Halbduplex-Verbindungsschnittstelle und WiFi/Bluetooth Low Energy-Konnektivität.

Der Opta unterstützt sichere X.509-konforme Over-the-Air (OTA)-Firmware-Updates über ein integriertes Sicherheitselement. Neben der standardmäßigen Arduino-Entwicklungsumgebung ist der Opta auch mit der Arduino PLC IDE programmierbar. Der Opta unterstützt fünf Programmiermethoden gemäß IEC 61131-3 und verfügt über vier Relais, die jeweils 2,3 kW schalten können.

Arduino-Entwicklungs- und Konnektivitätsplattformen

Die Programmierung eines Arduino-Boards könnte nicht einfacher sein. Es gibt zwei Möglichkeiten: die Verwendung der herunterladbaren IDE, die für Microsoft Windows, Apple macOS oder Linux verfügbar ist, oder die Verwendung des Arduino-Web-Editors in Ihrem Browser. Ein Arduino-Programm, ein sogenannter Sketch, ist im Wesentlichen ein C-Programm, das die Einbindung von Bibliotheks-Header- und Quelldateien ermöglicht, von denen viele bereits in die Arduino-IDE geladen sind. Drittanbieter von Shields stellen typischerweise Links zu relevanten Treibern und Bibliotheken zur Verfügung, die in die IDE integriert werden können.

Die Arduino IoT Cloud-Plattform (Bild 9) ist die ideale Wahl, um Ihre Geräte sicher miteinander zu verbinden und zu konfigurieren sowie Sensordaten zu speichern, zu analysieren und zu präsentieren. Ganz gleich, wie Ihr Arduino-Projekt aussieht, von einer einzelnen IoT-Pflanzenbewässerung zu Hause bis hin zu einem Einsatz im industriellen Maßstab – die Arduino IoT Cloud bietet Ihnen eine umfassende IoT-Lösung. (mk)

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* Mark Patrick ist Director of Technical Content for EMEA bei Mouser Electronics

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