Notizen zum Projekt (-Praktikum)


von Prof. Jürgen Plate

Hinweise zum Ablauf des Projektpraktikums

Allgemeines

Beim Projektpraktikum gelten die gleichen Prinzipien wie bei anderen Praktika. Auch möchte ich darauf hinweisen, dass der Laborbetrieb auf gegenseitigem Vertrauen und auf gegenseitiger Rücksichtnahme beruht. Es sei an dieser Stelle auch darauf hingewiesen, dass keine Stecker aus den Steckdosen der Kabelkanäle gezogen werden dürfen (das gilt für Strom und Netzwerk). Wenn Sie Saft für Ihr Schlautelefon brauchen, verwenden Sie bitte die orangen Steckdosenleisten. Für den Netzwerkanschluss stehen freie Buchsen in den Kabelkanälen sowie der zentrale Switch auf dem Mitteltisch zur Verfügung.

Grundsätzlich machen Sie von allen Dateien, die an den Rechnern im Labor erstellen persönliche Kopien (USB-Stick, USB-Platte, Cloud etc.), da für diese Dateien keine Haftung übernommen werden kann.

Beim Projektpraktikum herrscht Präsenzpflicht; Abwesenheit ist zu begründen. Neben der Präsenzveranstaltung (in der Regel Donnerstag Vormittag) ist häusliche Vor- bzw. Nachbereitung essentiell notwendig. Insbesondere der "Papierkram" wie Produktspezifikation, Zeitplan oder Dokumentation gehören ebenso wie z. B. Bauteile-Recherche im Internet zur Vor- bzw. Nachbereitung. Das Zeichen des Schaltplans und das Platinenlayout wird jedoch zum größeren Teil im Praktikum erfolgen - lediglich das "Finetuning", z. B. saubere Beschriftung und Eintragen der Bauteiledimensionen erfolgt dann wieder als Nachbereitung. In der Regel beträgt die häusliche Vorbereitungszeit das Doppelte der Dauer der LV oder mehr. Das gilt auch, wenn eine Präsenzveranstaltung ausfällt (Feiertag).

Die Dokumentation ist kein Ablaufprotokoll des Praktikums. Es soll daher nicht aufgezählt werden, welche Schritte notwendig waren, um die gestellte Aufgabe zu lösen. Vielmehr soll die gefundene Lösung dokumentiert und deren Wahl begründet werden. Zur Dokumentation gehört auch immer eine Bedienungsanleitung. Natürlich ist auch auf korrekte Rechtschreibung und Grammatik zu achten (u. a. Groß- und Kleinschreibung, Kommasetzung, Bindestriche, Absätze ...). Der Umfang liegt bei 10 - 20 Seiten (Erfahrungswert). Die Doku hat eine Titelseite mit Projekttitel, Semester und Teilnehmern der Arbeitsgruppe. Grundsätzlich ist dabei auf einen sachlich-neutralen Ton zu achten, der keinen Platz für umgangssprachliche Formulierungen zulässt. Abbildung fördern das Verständnis des Textes. Ein Bild sagt zwar mehr als tausend Worte, ersetzt aber keinesfalls erklärende Ausführungen im Text. Es muss auch immer sichergestellt werden, dass Abbildungen im Textfluss referenziert und dann auch beschrieben werden. Jede Abbildung sollte außerdem mit einer aussagekräftigen Bildunterschrift versehen sein.

Beim ersten Termin werden die einzelnen Arbeitsgruppen zusammengestellt und die jeweiligen Einzelprojekte festgelegt. Es können Projekte von den Arbeitsgruppen vorgeschlagen werden oder die Gruppen suchen sich ein Projekt aus der Vorschlagsliste des Dozenten aus. Danach wird eine Produktspezifikation und ein ungefährer Zeitplan erstellt.

Danach beginnt bereits die Planungs- und Entwurf-Phase, in der die die Spezifikation detailliert ausgearbeitet wird und mit dem Hard- und Softwareentwurf begonnen wird. Bedingt durch die Abläufe im Lehrbetrieb muss ggf. von der "Ideallinie" abgewichen werden.
  1. Begonnen wird in der Regel mit dem Hardwareentwurf: Schaltplanerstellung und Platinenlayout. Zunächst recherchieren Sie die benötigten elektronischen Komponenten. Achten Sie dabei auch auf gute Erhältlichkeit. Ein Super-Duper-IC aus China kann schon mal 6 Wochen unterwegs sein → Zeitplan explodiert. Anschliessend wird mit EAGLE der Schaltplan gezeichnet. Sollte ein Bauteil nicht in den vorhandenen EAGLE-Bibliotheken vorhanden sein, lassen sich sich auf jeden Fall beim Bauteileentwurf vom Betreuer beraten. Orientieren Sie sich bei der Auswahl der Bauteile an den im Labor vorhandenen "Vorräten" und wählen Sie sinnvolle Komponenten (z. B. haben 5-V-Netzteile heute meist einen USB-Stecker → Stromversorgung der Platine über USB-Buchse) - siehe auch unten. Für die Arbeit mit EAGLE ist auf mehreren Rechnern die Vollversion installiert. Die Rechner sind entsprechend gekennzeichnet.
    Der "fertige" Schaltplan wird dann mit dem Betreuer besprochen und ggf. angepasst.

  2. Beim Erstellen des Platinenlayouts achten Sie Sie nicht nur auf EMV-Gesichtspunkte oder die Designrichtlinien im Datenblatt von ICs, sondern auch auf sinnvolle Anordnung der Bauteile (z. B. Steckverbinder am Platinenrand, passive Komponenten untereinander ausgerichtet, gepolte Bauteile in der gleichen Richtung, Masseflächen usw.). Dabei halten Sie engen Kontakt zum Betreuer, um Designfehler möglichst zu vermeiden. Achten Sie auch darauf, dass die Platine sich noch bequem von Hand löten lässt und alle Bauteile benannt sind und einen Wert besitzen. Denken Sie auch daran: Bei einem 90-Grad-Knick in der Leiterbahn stoßen sich die Elektronen den Kopf an.
    Für die Controllerboards "Arduino Uno" und "Raspberry Pi (2B+, 3)" stehen entsprechende EAGLE-Bibliotheken bereit, die Sie verwenden können (Arduino-Lib und (Raspberry-Pi-Lib).
    Das "fertige" Layout wird dann mit dem Betreuer besprochen und ggf. angepasst.

  3. Ist der Hardwareentwurf fertig, wird die Platinenfertigung beauftragt (wir lassen in der Regel bei Beta-Layout fertigen) und die Bestellung nötiger Bauteile veranlasst (bitte dazu die Anmerkungen unten beachten). Beim Platinenentwurf achten Sie auch darauf, dass die Bauteile nicht zu dicht angeordnet sind (→ Probleme beim Löten) und dass Sie ggf. Messpunkte in Form eines Vias vorsehen (da kann die Mess-Spitze leichter angesetzt werden als bei dem Anschluss eines SMD-Bauteils. Auf jeden Fall ist der Design Rule Check vorzunehmen. Für Beta-Layout binden Sie die unten verlinkten Design-Regeln bei Eagle ein, sofern dies nicht schon erfolgt ist. Beim DRC können Sie dann das gewünschte Regelwerk auswählen.

  4. Während der Wartezeit auf Bauteile und Platinen werden die Dokumentation und die Softwareentwicklung vorangetrieben. Vielfach können große Teile der Software auch ohne die Hardware entwickelt werden. Man kann z. B. statt des Lesens eines Sensorwertes vom A/D-Wandler während der Entwicklung eine Konstante verwenden oder den Wert von Hand eingeben. Ebenso kann ein Ausgabewert mit einem Messgerät oder Logiktester ermittelt werden.

  5. Es schließen sich Aufbau und Test der Hardware an sowie die Integration der Software an. Wie bei der Software kann auch die Hardware schrittweise aufgebaut und getestet werden, z. B. zuerst die Stromversorgung.

  6. Zum Abschluss des Projektpraktikums wird der Prototyp vorgestellt und die vollständige Dokumentation übergeben. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass die Dokumentation eine der wenigen Möglichkeiten darstellt, das Erstellen eines technischen Dokuments einzuüben (was auch bei der späteren Bachelorarbeit nützt). Ein solches Dokument muss eine klare Gliederung besitzen ("roter Faden") und es muss auf jeden Fall vollständig sein. Merkregel: Ein Kommilitone muss anhand dieser Dokumentation in der Lage sein, Ihr Gerät funktionsfähig nachzubauen.

DRC-Richtlinien von Beta-Layout:
PCB-POOL Standard.dru
PCB-POOL Standard_ML4.dru
PCB-POOL Standard_ML6.dru
Aufrufen im DRC-Panel durch: Datei → Laden → PCB-POOL Standard.dru.

Eagle-Tipps

Bei gemischter Bestückung von Bauteilen der CMOS-4000-Reihe und anderen muss man auf die Stromversorgung achten, die bei Logik-Gattern nicht explizit zu sehen ist. Die CMOS-Gatter werden über VDD und VSS gespeist, wogegen TTL-Bausteine oder andere Halbleiter normalerweise von VCC und GND versorgt werden. Sie müssen also neben VCC und GND auch VDD und VSS aus der Supply-Biblithek laden und dann VDD mit VCC und VSS mit GND verbinden.

Weil es immer wieder gefragt wird: Eine Stückliste kann man im Cadsoft Eagle mit einem ULP-Script erzeugen. Im Schaltplan einfach bom.ulp aufrufen (Datei → ULP ausführen → bom.ulp). Die Daten lassen sich dann als HTML, Text oder CSV abspeichern. "bom" steht übrigens für "bill of materials".

Mit dem Script cmd_renumber.ulp werden sämtliche Namen gleicher Bauteilarten (Widerstände, Kondensatoren, Dioden usw.) neu nummeriert. Im Auswahlfenster kann die Richtung (DIRECTION) ausgewählt werden, in der die Platine durchgesucht wird (horizontal oder vertikal). Auch die Platinenecke, die als Startpunkt dienen soll (START FROM) lässt sich festlegen. UNIT wird auf mm einstellt und für die Abtastbreite (SCAN WINDOW) belässt man den voreingestellten Wert von 0.4. Die Checkbox SHOW SCRIPTS sollte deaktiviert werden.

Mit dem Script cmd_snap_board.ulp können sämtliche Bauteile, die nicht im Raster liegen, wieder auf das Raster platziert werden. Das ULP snap-on-grid-sch.ulp erledigt dasselbe beim Schaltplan. Im Auswahlfenster sollte unter UNIT die Einheit "mil" gewählt werden. SNAP GRID wird in der Regel auf 25 gesetzt. Die Checkbox SHOW SCRIPTS sollte deaktiviert werden.

Wenn man im Control Panel von Eagle den Zweig "User-Language-Programme" aufklappt erhält man übrigens eine knapp kommentierte Liste aller ULP-Scripte. Auch besitzt jedes Script im Quellcode eine "usage"-Sektion.

Hinweise zum Bauteileeinsatz und zur Bauteilebeschaffung

Jede Projektgruppe bekommt eine Plastikbox für ihre Bauteile, Platinen usw. Insbesondere hat nicht nur jede Projektgruppe ihre Bauteilebox, sondern auch andere im Labor arbeitende Personen bunkern ihre Bauteile etc. in einer der Plastikboxen. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Box beschriftet, bemalt, beklebt, bezettelt oder nicht gekennzeichnet ist. Deshalb: Fremde Boxen, egal wo sie stehen, sind tabu!!

Beim Einsatz von SMD-Bauteilen (was inzwischen nahezu die Regel ist) gelten folgende Prämissen:

Der wichtigste Test besteht darin, das Platinenlayout 1:1 auszudrucken und die Bauteile darauf zu legen - dann sieht man gleich, ob es passt.

Im Labor werden diverse Bauteile vorgehalten. Dazu gehören Widerstände (bedrahtet und SMD), Kondensatoren (bedrahtet und SMD), Dioden und Transistoren (bedrahtet und SMD), LEDs (bedrahtet und SMD), Schalter, Taster, Pfostenleisten, Stecker und diverses andere. Im begrenzten Umfang sind auch gängige ICs (Spannungsregler, OPV, lineare und digitale ICs etc.) vorrätig. Auch mechanische Komponenten (Schrauben, Abstandshalter usw.) sind vorhanden.

Bei Transistoren ist - gerade bei eher digital orientierten Anwendungen - der genaue Typ nicht unbedingt ausschlaggebend, meist lassen sich die Schaltungen mit "Allerwelts"-Kleinleistungstypen realisieren. Im Labor werden folgende Type vorgehalten: BC547 (NPN), BC557 (PNP), BS170 (N-MOSFET), BC817 (NPN, SMD), BSS 138 (N-MOSFET, SMD) sowie für Leistungsstufen die N-MOSFETS IRFS3607 (75 V, 80 A, Rds 9 mΩ, SMD) und IRLR7843 (30 V, 100 A, Rds 3,3 mΩ, SMD). Beide schalten bei Logikpegel von 5 V bereits voll durch. Als Diode (bedrahtet) ist der Typ 1N4001 vorrätig.

Bei der Zusammenstellung der für Ihr Projekt benötigten Bauteile gehen Sie folgendermaßen vor, wobei die Basis immer von einer vollständigen Stückliste gebildet wird:

  1. Sie orientieren sich, welche Bauteile vorhanden sind. Jede Projektgruppe bekommt eine Box, in der sie alle Bauteile sammelt und alle zum Projekt gehörenden Dinge verwahrt. Die Box wird mit dem Gruppennanmen gekennzeichnet (eingelegtes Blatt). In dieser Box sammeln Sie nun die Bauteile für Ihr Projekt.

  2. Überlegen Sie auch, welche Bauteile am sinnvollsten sind. Beispiel: Früher hat man ein Steckernetzteil über Klinken- oder Hohlstecker angeschlossen. Werden aber nur 5 V benötigt, ist heutzutage eine USB-Buchse sinnvoller. Speziell bei passiven Bauteilen wie Klemmen, Taster, Schalter, Anzeigen etc. sollten Sie sich nicht nur Gedanken über die Belastbarkeit (z. B. bei Klemmen), sondern auch über Bedienbarkeit und Ergonomie machen - und nicht zuletzt an das Gehäuse und den Einbau der Schaltung denken. Für die Verbindung zu externen Sensorboards bietet sich beispielsweise eine RJ45-Buchse an, weil man dann handelsübliche Netzwerk-Kabel verwenden kann.

  3. Bauteile, die nicht im Vorrat zu finden sind, werden bestellt. Typische Lieferanten sind in der Firmenliste aufgeführt. Dazu erstellen Sie eine Bestelliste, in der für jedes Bauteil Firma, Bezeichnung, Anzahl, Bestellnummer und Einzelpreis aufgeführt sind. Die Bestelliste ist eine ASCII-Textdatei (kein Excel, kein Screenshot, kein kopierter Einkaufswagen etc.). Achten Sie darauf, dass die Bestellung auf möglichst wenige Firmen verteilt ist (ideal: nur eine Firma). Siehe auch die folgenden Punkte.

  4. Die Arbeitsgruppen sollen sich bei der Beschaffung koordinieren. Das bedeutet, dass sich gegebenenfalls mehrere Gruppen auf die Verwendung eines bestimmten Bauteils einigen (z. B. nehemen alle den gleichen Operationsverstärker in der gleichen Bauform oder auch die gleiche Hohlbuchse für den Anschluss des Netzteils).

  5. Da es bei diversen Anbietern Mindestbestellmengen gibt und damit der Bestellvorgang nicht in vielen, kleinen Einzelbestellungen erfolgt, ist auch hier Koordination notwendig. Prüfen Sie also, ob Ihre Bestellung nicht auf einen oder zwei Anbieter zusammengefasst werden kann (ggf. unter Auswahl eines ähnlichen Ersatztyps). Koordinieren Sie sich mit den anderen Gruppen, die bei dem/den gleichen Anbieter/n bestellen wollen.

  6. Achten Sie auch darauf, dass manche Anbieter nicht nur ein Lager in Deutschland haben, sondern ggf. Bauteile aus USA versenden, was mit hohen Kosten verbunden ist. Der Lagerort wird auf der Webseite der Distributoren beim Bauteil angegeben. Abgesehen von den Kosten dauert der USA-Versand natürlich länger und wenn wir Pech haben, bleibt das Zeug beim Zoll hängen.

  7. Alle Bestellungen erfolgen ausschliesslich zentral durch den Dozenten über die Finanzabteilung der Hochschule. Deshalb gibt es in der Regel auch einen Stichtermin für die Fertigstellung der Stückliste.

Netzspannung auf Platinen

Bei manchen Projekten ist Netzspannung (230 V) mit im Spiel. Abgesehen von den Sicherheitsmassnahmen bei Test und Inbetriebnahme sind auch beim Platinenlayout einige Dinge zu beachten:

Beim Test und Betrieb sind alle netzspannungsführende Teile berührungssicher abzudecken. Für den Test steht im Labor ein Trenntrafo zur Verfügung. Arbeiten mit Netzspannung grundsätzlich NIEMALS alleine durchführen.

Hinweise zum Raspberry Pi

Basiskonfiguration

Normalerweise bekommen Sie zum Raspberry Pi eine SD-Karte, auf der die wichtigsten Einstellungen bereits gespeichert sind - so z. B. die Freischaltung von SPI und I2C und die Installation der Treiber. Auch die serielle Konsole ist abgeschaltet, damit auch diese Schnittstelle nutzbar ist. Die Netzwerkschnittstelle ist für eine statische Adresse vorkonfiguriert: 

   ...
auto eth0
iface eth0 inet static
	address 10.27.210.70
	netmask 255.255.0.0
	broadcast 10.27.255.255
	network	10.27.0.0
	gateway 10.27.64.1
   ...
Die letzte Zahl (70) bei der Adresse ersetzen Sie nach dem ersten Booten durch die Ihnen zugeteilte Adresse (71 bis 79).

Initiale IP-Adresse

Sollten Sie eine Original-Distribution verwenden, ist das Netz auf automatisches Beziehen der Adresse per DHCP eingestellt. Wenn Sie den Raspberry Pi erstmals im Netz ohne Tastatur und Bildschirm betreiben, können Sie ihn ja nur per SSH von einem anderen Rechner aus ansprechen. Normalerweise ist er so eingestellt, dass er seine IP-Adresse automatisch per DHCP vom Router bezieht. In der Regel hat jeder Router einen DHCP-Server aktiviert (darüber wird jedem Gerät die Netzwerkeinstellungen automatisch zugewiesen). Je nachdem, wie groß der IP-Bereich des DHCP-Servers eingestellt ist, müsste man dann erstmal nach dem Kleinen Pi suchen. Manchmal kann man die vergebenen Adressen über das Webinterface des Routers auslesen. Alternativ ginge das mittels ping-Kommando, ist aber ziemlich nervig.

Wer keinen DHCP-Server hat oder eine feste IP-Adresse vergeben möchte, kann folgenden Trick anwenden:

Für die einzelnen Felder der Netzwerk-Definition gilt:

Achten Sie außerdem darauf, dass die Datei cmdline.txt nur eine einzige lange Zeile besitzt. Vemeiden Sie auf jeden Fall Zeilenumbrüche beim Bearbeiten (auch wenn hier für eine übersichtlichere Anzeigen die Zeile umbrochen wurde). Die Datei hat in etwa folgenden Inhalt: 
dwc_otg.lpm_enable=0 console=ttyAMA0,115200 kgdboc=ttyAMA0,115200 console=tty1↵
  root=/dev/mmcblk0p2 rootfstype=ext4 elevator=deadline rootwait↵
  ip=10.27.210.70::10.27.64.1:255.255.0.0::eth0:off
Unter Umständen reicht es, nur die IP-Adresse ("ip=10.27.210.70") einzutragen, aber das klappt leider auch nicht immer.

Windows-Rechner mit zusätzlicher IP-Adresse versehen

Auch bei Windows kann man zusätzliche IP-Adressen auf ein Interface binden (so wie es bei Linux ganz einfach mit z. B. eth0:1, eth0:2 usw. geht). Dazu öffnen Sie die Eingabeaufforderung und geben mit Hilfe der Network Shell (netsh) die neue IP-Adresse nebst Netzmasske ein: 

netsh interface ipv4 add address "Verbindung" IP-Adresse Subnetmask
Zum Beispiel: 
netsh interface ipv4 add address "LAN-Verbindung" 10.27.210.77 255.255.255.0
Mit viel Klicken geht es auch über das Netzwerk- und Freigabecenter Dazu gehen Sie folgendermaßen vor:

Netzwerk- und Freigabecenter öffnen → Verbindungen: LAN-Verbindung → Eigenschaften → Internetprotokoll Version 4 (TCP/IPv4) → Eigenschaften → Erweitert → dann unter IP-Einstellungen die IP-Adresse hinzufügen.

Copyright © Hochschule München, FK 04, Prof. Jürgen Plate
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