Schüler der GBS bauen sich Mikrocontrollerboards in Eigeninitiative

Eine motivierte Eigeninitiative und Kreativität bewiesen sieben Schüler der Fachschule für Elektrotechnik der GBS, indem sie ein eigenes Projekt entwickelten und ihnen darin mit selbst gefertigten Mikrocontrollerboards ein beeindruckendes Ergebnis gelang.

Elektrotechniker der GBS mit ihren selbst gefertigten Mikrocontrollerboards
Kursteilnehmer mit selbstgefertigten Mikrocontrollerboards

Vorspann

Das Konzept des praxisorientierten Unterrichts hat sich überzeugend durchgesetzt. Das Verstehen komplexer Funktionszusammenhänge wird dabei gefördert. Durch die praktische Umsetzung in Übungen gewinnen die Unterrichtsteilnehmer generalisierbare Fähigkeiten für ihre spätere Berufspraxis. Dass und wie Teilnehmer dabei mitgestalten sowie kreative Prozesse mit hohem Motivationsgehalt entwickeln können, zeigte die Gruppe von Elektrotechnikern mit ihrem Projekt sehr überzeugend. Hinsichtlich des Gestaltens von Programmier-Strukturen ermöglicht deren direkt anschließende Umsetzung in sogenannten Zielsystemen auf Entwick­lungsboards in der Mikrocontrollertechnik, das Funktionieren nicht nur in Simulation am PC sondern an sogenannten Zielsystemen zu erproben. Dafür werden die Arbeitswerkzeuge im Unterricht selbstverständlich von der Schule zur Verfügung gestellt. So auch im Labor an unserer Fachschule für Elektrotechniker, hier im Fach Mikrocontrollertechnik (MCT), das je nach Schwerpunkt als Pflichtfach und darüber hinaus für alle Schüler als Wahlpflichtfach im 2. Schuljahr angeboten wird.

Ein selbst initiiertes Projekt entsteht

Wie die Schülergruppe die Motivation zeigte, über die Unterrichtszeit hinausgehend interessiert ihr Wissen und Können zu vertiefen und Übungen zuhause fortzusetzen, ist ja eine besonders erfreuliche Erfahrung. Auch ist in der Erwachsenenbildung wertvoll, wie hier Teilnehmer spezielle Kenntnisse aus früheren Ausbildungen und Tätigkeiten einbringen. Die ganze Gruppe erweiterte sich selbst die Lerninhalte, indem sie Werkzeuge nicht nur für Aufgabenstellungen verwendeten, sondern auch selbst herstellten aus Interesse am Entwickeln und Üben zuhause. Das ist leichter gesagt als getan, zumal es sich dabei um die Zielhardware zur Programmierung von Mikrocontrollern handelt, also die komplexe elektronische Schaltung eines Entwicklungsboards. Zum Einen war hier besonders gutes technisches Verständnis eines Schaltplans gefordert als auch handwerkliche Geschicklichkeit, das Board mit seinen teils ‚Winzlings’-Bausteinen zu bestücken und sorgfältig zu verlöten. Aber von diesem Schwierigkeitsgrad ließ sich diese motivierte Gruppe nicht abschrecken. Und im wörtlichen Sinne bewiesen sie auch, dass ‚Not bekanntlich erfinderisch macht’. Wieso Not? Ja, der einstmals mit fertig layouteter Platine vom elektor-Verlag für unser Labor bezogene Bausatz für das Mikrocontrollerboard ist nicht mehr lieferbar. Daraus hatte Herr Kranzfelder, der als Lehrer für das Fach Mikrocontrollertechnik ehemals die Inhalte konzipierte und vermittelte, komplette Boards in für den Unterricht ausreichender Zahl angefertigt. Nun äußerte die Schülergruppe den Wunsch, dass jeder ein eigenes damit kompatibles Board für zuhause besitzen möchte. Und darin fand die Geschichte ihren Ausgangspunkt, deren Fortsetzung weiter hinten erzählt werden wird. Um die Qualität der selbst initiierten Arbeit der Gruppe jedoch fundiert zu würdigen, sollen zunächst ein paar fachspezifische Hintergrundinformationen dienen. (Die unter den Lesern mit dem Gebiet der Elektrotechnik vertrauten Ausbildungsteilnehmer, Kollegen und ‚außerhäusigen’ Experten werden höflich um Nachsicht gebeten, dass ihnen damit selbstverständliches Bekanntes geboten wird.)

Hintergrundinformation

Mikrocontroller (µC) bilden als programmierbare hochintegrierte Bausteine das Herzstück komplexer elektronischer Schaltungen im Zuge der Digitalisierung. Sie ersetzen nicht nur die früheren festen Konfigurationen aus diskreten logischen und analogen Bausteinen, umgangssprachlich „Chips“ genannt, (ICs = integrated circuits), sondern sind durch die Programmierbarkeit erheblich flexibler. Dies ermöglichte z.B. die Entwicklung von Digitalkameras, Taschenrechnern, Smartphones, also in der Konsumertechnik von digital programmgesteuerten Geräten des Hausgebrauchs sowie der Telekommunikation als auch in der Steuerungstechnik, die ohne µController (quasi die Umsetzung des Computer-Prinzips auf Miniaturmaß komprimiert) nicht zu fertigen wären.

Zentraler Bestandteil des Unterrichts ist das Erlernen der Programmierung von Mikrocontrollern verbunden mit den theoretischen Grundlagen über Aufbau und Funktionsweise dieser Bausteine. Für das Programmieren am PC mit einer eigens dafür vorgesehener Software hat sich das professionelle Entwicklungstool µVision der Firma Keil für unsere Zwecke sehr bewährt, das die Programmierung sowohl in der hardwarenahen Sprache Assembler als auch in der weitverbreiteten Hochsprache C für eine Vielzahl von zu programmierenden Controllern unterschiedlichster Hersteller erlaubt. Ein fertig erstelltes Programm kann auf viele Funktionen hin mit einem integrierten Simulator getestet werden. Jedoch bietet dies noch keine Sicherheit für die volle Funktionstüchtigkeit der angedachten Lösung. Der Härtetest eines µC-Programms kann nur erfolgen, wenn es auf das jeweilige Zielsystem heruntergeladen und dort eigenständig zum Laufen gebracht wird.
Das heißt: Für jede µC-Programmierung ist neben einer Software auf einem Computer auch die Zielhardware erforderlich, bestehend aus dem µC-Board mit in der Regel weiteren je nach Aufgabenstellung angeschlossenen Komponenten.

Auf die industrielle Praxis bezogener Ablauf

Ein Gerät soll entwickelt und dessen Funktionsprinzip durch einen entsprechend programmierten Mikrocontroller gesteuert werden, der später in das Gerät einzubauen ist. In diesem Entwicklungsprozess dient das Mikrocontrollerbord der Phase einer ersten hardwarenahen Umsetzung, die Programmierung zu testen. Der Kontroller besitzt diverse Ein- und Ausgänge, Ports, durch die er mit seiner Umgebung kommuniziert.
Das heißt, zur Steuerung des beliebigen späteren Endgerätes wurde das Funktionsprinzip in einer Programmierung abgebildet, die Information quasi in eine kodierte Sprache übersetzt, die sich mittels der entsprechenden generierten Signale mitteilt. Hier geht es im Grunde um das Aussenden oder Empfangen von binären Signalen. Entsprechend sollen Entwicklungsboards die späteren möglichen Anwendungsfelder vielfältig quasi modellhaft repräsentieren. Zur Veranschaulichung, z.B. sollen Leuchtziffern auf einem Display in einer bestimmten Abfolge angezeigt werden. Die generierten Signale werden über Steckersysteme abgerufen und weitergeleitet zu den jeweils anschließbaren Baugruppen, an denen das Funktionsprinzip zur Wirkung kommt, das Programm tatsächlich zum Laufen gebracht wird. (Man könnte dagegen eine ausschließliche Simulation am PC, die zwar ebenso anzeigt, ob und wie das Programm lauffähig ist, mit einem ‚Trockenschwimmen’ bezeichnen. Um stattdessen einen ‚Sprung ins kalte Wasser‘ zu vermeiden, indem man den Mikrocontroller mit darauf herunter geladenem Programm unmittelbar in ein Endgerät fest einbauen würde, ist die Entwicklungsphase ‚zwischengeschaltet‘, es mittels des Entwicklungsboards für Mikrocontroller-Programmierungen erst einmal probeweise auszutesten.)

In unserem Fachlabor stehen als Zielhardware USB-Mikrocontrollerbords mit je nach Aufgabenstellung entsprechenden anschließbaren Komponenten zur Verfügung. Die Boards wurden als Bausatz vom elektor-Verlag bezogen, bestehend aus fertig layouteter Platine, den Bauteilen einschließlich Microkontroller und dem Schaltplan dazu. Sie sind bis heute wegen der einfachen Handhabung und vielseitigen Anwendbarkeit optimal für den Einsatz im praktischen Unterricht.

Hier folgt nun ein Exkurs in Form eines etwas metaphorisch blumig ausgeschmückten Abschnittstextes zu Wesen und Bedeutung des Mikrocontrollerboards, der bewusst von fachterminologisch geprägtem Stil abweicht und keinerlei Anspruch auf wissenschaftlich exakte Sachbezogenheit erhebt:
Zwar mag ein Entwicklungsbord ansich klein und relativ unscheinbar anmuten, aus einer Platine mit Leiterbahnen und darauf gelöteten Bauteilen einschließlich des Mikrocontrollers und diversen Steckkontakten sowie einer Reihe kleiner Lämpchen bestehend. Aber eigentlich bildet es eine sowohl materielle Plattform als auch insbesondere eine logisch strukturierte Systembasis, in der es letztlich um das Empfangen und Senden von Signalen geht. Bildlich gesprochen lässt sich auf der Ebene von ins Digitale übersetzten Information ja – hier noch ohne gegenständliche Anschaulichkeit – quasi eine ‚virtuelle Welt’ erschließen. Also vor uns liegt das oben beschriebene Produkt, dessen ‚Innenleben’ durch dessen Funktionslogiken auf hohem Niveau geprägt ist und damit faszinieren kann: Ein Board mit einem auf Mikro-Format gebrachten Kernstück (dem Mikrocontroller), auf das ein hochkomplexes Informations-Netzwerk komprimiert gespeichert ist, welches der ‚intelligenten’ Leistung der Programmgestaltung entsprang und später die angedachten Funktionen einleitet und kontrolliert. Noch bildlicher (und recht unwissenschaftlich) gesprochen: Wir stehen für die Entwicklungen in der Mikrocontrollertechnik hier – noch – nicht in einer Werkstatt- und Testungs-Halle, finden keine Modelle etwa von Flugzeugen vor, z.B. hinsichtlich der Ausrichtung von Flügelklappen nach aerodynamischer Eigenschaften, und auch keine Miniatur-Waschmaschinen, um Waschgänge-Varianten auszuprobieren. Nicht einmal das jeweils zu konstruierende Gerät mit seinem Gehäuse und den Bestandteilen für mechanische oder auch elektrische Wirkungsabläufe liegt uns vor. Und doch lässt uns das Board erproben, ob unser Wirkprinzip funktioniert, ob uns gelungen ist, es nach Programmiersprach-Regeln mittels logischer Abfolgen codierend abzubilden, und ob es funktionieren wird.

Und nun zur eigentlichen Geschichte

Die Schüler der Technikerschule Fachrichtung Elektrotechnik der GBS äußerten kurz nach Beginn des Kurses MCT, dass sie für Übungszwecke zu Hause gern ein eigenes µC-Board hätten. Nachdem sie sich die kostenlose Evaluations-Version µVision auf ihrem Computer daheim installiert hatten, war die Idee naheliegend, die Entwicklungsumgebung mit einem baugleichen µC-Board auch für zu Hause zu vervollständigen. Nicht so einfach war die Umsetzung dieses Wunsches, denn, wie gesagt hatte der elektor-Verlag als unsere einzige ehemalige Bezugsquelle diesen Bausatz aus dem Lieferprogramm genommen.
Kein Problem für Markus Gruber, einen der Teilnehmer der Semesterfachgruppe.
Er brachte sofort den Vorschlag eines Selbstbaus, kompatibel mit den vorhandenen Boards, ein. „Gibt es denn noch einen Schaltplan?“ Selbstverständlich, der war ja Bestandteil des damaligen Artikels „8051 goes USB“ der Elektronikzeitschrift elektor (11/2007). Herr Gruber, Profi auf dem Gebiet des Platinenlayoutens, entwickelte also ein neues Layout für eine Platine auf der Basis des ursprünglichen elektronischen Schaltplans.

Platinenlayout
Platinenlayout mit CAD-Umgebung

Zusammen mit Markus Schmidberger wurden dann die notwendigen elektrischen Bauteile nebst Controller in einer Liste zusammengestellt. Nach den Herbstferien war ein funktionsfähiger Prototyp erstellt, so dass die Komponenten einschließlich Platinen für alle Mitschüler und den Lehrer, also zusammen die Bauteile für 10 zusätzliche Boards beim Elektronik-Händler bestellt werden konnten.

Bauteile
Sämtliche Bauteile einschließlich Platine als vollständiger Bausatz

Ein besonderes Merkmal der neuen Platine ist, dass diese für Bauteile in Miniaturform (SMD-Technologie) ausgelegt ist. Dadurch wird das Board kompakter und wäre für eine Serienfertigung mittels Bestückungsautomaten bestens geeignet. Aber für die Schüler stellte die gewählte Technologie jedoch höchste Anforderungen hinsichtlich handwerklicher Fertigkeiten. Schaut man sich die fertig gelöteten Boards genau an, so erkennt man darin wahre Kunstwerke. Die volle elektrische Funktionsfähigkeit aller gefertigten Boards war bei dieser Aktion eine Selbstverständlichkeit.

Microcontrollerboard
Fertiges neues µC-Board unter Strom

Mittlerweile besitzt jeder Schüler sein eigenes µC-Board. Gerne bringen die Schüler ihre Boards auch für den Unterricht mit und erweitern somit auch die Möglichkeiten der praktischen Testaufbauten. Der gezeigte Aufbau zeigt hier ein Verfahren, aus einem Bündel von Lichtwellenleitern eine einzelne Faser zu identifizieren. Die Idee zu dieser Programmierübung beruht auf einem patentierten Prinzip des Autors.

Microcontrollerboard im Einsatz
Links laboreigenes und rechts neues Board im Einsatz

Selbstverständlich gingen die Schüler mit ihren selbstgefertigten Boards aus dem Projekt auch in die anstehende Abschlussprüfung. Was konnte da noch schief gehen?
Mit dieser beispielhaften Eigeninitiative haben diese Schüler auch für nachfolgende Schülergruppen eine Basis geschaffen, die hoffentlich noch oft genutzt wird.
Nach Anfrage beim elektor-Verlag, welcher die Urheberrechte auf den Schaltplan durch die Veröffentlichung im Elektor-Magazin (11/2007) besitzt, haben wir auch für weitere Eigenbauten, gefertigt durch zukünftige Kursteilnehmer, grünes Licht bekommen.

So möchte ich mich beim elektor-Verlag und der ganzen MCT-Semestergruppe, welche uns diese Möglichkeiten eröffnet haben, herzlich bedanken.

Kurt Steffens
Lehrkraft an der GBS-Fachschule für Elektrotechniker