DasLeben im undmit dem Internet derdinge

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1 SPECIALFEATURE DIGI-KEY Wissen. Impulse. Kontakte. Oktober 2014 DasLeben im undmit dem Internet derdinge Das Internet der Dinge wird die Art, wie wir leben und arbeiten, nachhaltig verändern. Vor allem Bereiche wie Medizin, Verkehr und Industrie werden profitieren. Siegeszugder Einplatinencomputer Arduino und RaspberryPi haben Einplatinencomputern etabliert. Nuntritt UDOO an. Seite8 LED-Module fürdas Leuchtendesign LED Light Engines erleichtern Elektronikentwicklern und Leuchtendesignern die Arbeit. Seite44 MitDigi-Keyeinen TeslaSgewinnen electronica-besucher können sich bei Digi-Key an der Verlosung einestesla S beteiligen. Seite3 KOSTENLOSER VERSAND FÜRBESTELLUNGEN ÜBER 65! DIGIKEY.DE

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3 EDITORIAL Holen Sie sich den Digi-Key für Ihren neuen Tesla Model S elektromobilität PRAXIS...von den Rahmenbedingungen zum technischen Fachwissen...vom Leistungshalbleiter zur Ladeinfrastruktur Es gibt viele und gute Gründe, die electronica vom 11. bis 14. November 2014 zu besuchen. Die rund 2700 Aussteller präsentieren zehntausende neue Produkte viele davon werden im Produktprogramm von Digi-Key verfügbar sein. Über Elektronikfachleute geben sich ein Stelldichein. Und drei wichtige Konferenzenbegleiten die Weltleitmesse für Elektronikkomponenten, Systeme und Anwendungen: automotive conference, embedded platforms conference, IT2Industry Conference. Empfehlen möchte ich Ihnen die von MicroConsult und ELEKTRONIKPRAXIS organisierte embedded platforms conference: Einundzwanzighochkarätige Fachvorträge sowie begleitende Diskussionsrunden bieten einen Überblick zu Möglichkeiten, Effizienz und Zukunftssicherheit moderner Embedded-Plattformen und erlauben Ihnen einen systematischen Vergleich. Das Highlight der electronica 2014 wird wieder die Halle A5. Dort gibt es unter vielen anderen prominenten Ausstellern zwei Stände, die Sie unbedingt besuchen sollten. Bei ELEKTRONKPRAXIS (A5.321) können Sie wie immer relaxen und mit etwas Glück ein ebike gewinnen. Die electronica ist immer eine Reisewert.Ihre Rückreise könnte mit einem ebike oder gar mit einem Tesla S erfolgen. Johann Wiesböck, Chefredakteur Und bei Digi-Key (A5.576) haben Sie sogar die Chance auf einen brandneuen Tesla Model S. Wieschon seit Jahren übergibt Digi-Key am letzten Messetag den Schlüssel an den glücklichen Gewinner. Vielleicht sind das in diesem Jahr Sie. Der Bauelementedistributor Digi-Key ist es auch, der Ihnen dieses Sonderheft zur electronica als Sponsor präsentiert. In 14 Fachbeiträgen werden wichtige Trends der Elektronik analysiert von hochintegriertenschaltungenbis hin zum weltumspannenden Internet der Dinge. Die Autoren sind Produktexperten von Digi-Key selbst sowie Fachleute wichtiger Komponentenherstellern. Ich hoffe, Sie besuchen uns auf der electronica in Halle A5.Und ich wünsche Ihnen danach eine freudige Rückreise mit ebike oder ecar.holen Sie sich den Digi- Key für Ihren neuen Tesla Model S. Mit Themen aus Forschung Entwicklung Konstruktion Fertigung Markt Politik Gesellschaft Umwelt elektromobilität PRAXIS ist das Online-Portal für Ingenieure im Bereich Elektromobilität. Sie finden dort tiefgehendes Fachwissen zu den Herausforderungen bei der Entwicklung, Konstruktion und Fertigung von Elektrofahrzeugen sowie aktuelle News, Informationen und Fakten aus der Branche Herzlichst,Ihr --->www.elektromobilität-praxis.de 3

4 INHALT INTERNET OF THINGS DasLeben im und mit dem Internet der Dinge Das Internet der Dinge eröffnet viele Chancen, unser Leben zu verbessern in vielen Bereichen. Der vorliegende Artikel betrachtetvorallem drei Anwendungssegmente: Medizin, Verkehr und industrielle Produktion. Er zeigt, welche Techniken zu Verbesserungen im alltäglichen Leben führen werden. Diese Zukunftlässt sichbereits heutesehen. DiePrognosenprominenter Beratungsunternehmen beziehen sich zwar häufig auf das Jahr Aber das Internet of Things (IoT) ist bereits heutegreifbarerealität. 18 SCHWERPUNKTE Entwicklungsboards 8 UDOO bietet drei Lösungen auf einem Kerndesign Das Konzept des Einplatinencomputers UDOO ist von den beiden Kooperationspartner AidiLab und SECO entwickelt worden. Maurizio Caporali, der Geschäftsführer von AidiLab,erläutert die Anfänge und Hintergründe des Projektes. Einplatinencomputer 10 Die perfekteverbindung von Linux und Arduino Arduino und Raspberry Pi haben den Boden bereitet für den Erfolg der Einplatinencomputer im Bereich der Elektronikentwicklung. Nunist mit dem UDOO ein neuer, hochinteressanter Player im Spiel. Mikrocontroller 14 Bluetooth-Anwendungen mit 32-Bit-Mikrocontrollern Drahtlose Headsets haben der Bluetooth-Technologie zum Durchbruch verholfen. Doch mittlerweile gehen die AnforderungenanBluetooth-Audioanwendungenüber die reine Tonübertragung weit hinaus. Internet of Things TITELTHEMA 18 Das Leben im und mit dem Internet der Dinge Das Internet der Dinge wirddie Art, wie wir leben und arbeiten, gründlichverändern. Verkehr, Industrieproduktion und Medizin werden von der Ubiquität von Sensoren und Wireless-Netzen profitieren. 48 Low-Energy-Trends für das Internet ofthings Die Bereitstellung intelligenter Energie entwickelt sich im Internet der Dinge zunehmend zu einem zentralen und wettbewerbsentscheidenden Faktor. Industrie Vermittler zwischen Entwicklung und Einkauf Deutschland liegt im Herzen des großen Industriemarktes Europa. Mit neuen Fertigungstechnologien steht das Land an der Spitze einer neuen industriellen Revolution: Industrie Wie das IoT Produktionsabläufeverändert Wer heute erfolgreich sein will, darf nicht auf Fertigungsstrukturen von gestern setzen. Vernetzte Automatisierungsinseln sind out,gefragt sind intelligente Einzelkomponenten, die miteinander kommunizieren. Elektrische Antriebe 36 Sensorlose BLDC-Motoren mit Gegen-EMK ansteuern Die sensorlose BLDC-Motoransteuerunghat zweifelsohne Vorteile für die Anwendung. Mitunter aber ist die Auslegung mit Hall-Sensoren besser geeignet.worauf es ankommt,zeigt dieser Beitrag. Beleuchtungstechnik 44 LED-Module vereinfachen das Leuchtendesign Ein LED-Leuchtenentwickler muss nicht nur ein ästhetischen Leuchtendesign entwerfen, sondern auch ein Verständnis für die Elektronik haben. LED-Light-Engines erleichtern die Entwicklung. 4

5 14 Bluetooth-Audioanwendungen entwickeln 36 Sensorlose BLDC-Motorenansteuern LED-Module vereinfachen das 44 Leuchtendesign 52 Entwicklungeines münzgroßen GPS-Empfängers Miniaturisierung 52 Entwicklungeinesmünzgroßen GPS-Empfängers GPS-Technologie ist immer leichter in Energiespar-Designs integrierbar,sodass Mini-Empfänger sogar mit Solarzellen betrieben werden können. Automotive 58 SensorlösungeninAutomobilanwendungen Im Jahr 1995 kamen nur etwa 10 Sensoren in einer Automobil-Motorsteuerung zum Einsatz. Bis 2012 ist diese Anzahl auf mehr als 30 angestiegen. Embedded Design 60 Elektronik-Entwicklung: Wie sich die Zeiten ändern Das Embedded-Design hat in den letzten 30 Jahren eine enorme Entwicklung vollzogen: Software-Tools und Hardware-Plattformen wie Arduino erleichtern Entwicklern heutedas Leben. ZUMSCHLUSS 66 Dave Doherty,Digi-Key Corporation Eines wissen wir sicher:der Kunde steht für uns an erster Stelle. RUBRIKEN 3 Editorial 6 Interview: ChrisBeeson, Digi-Key Corporation 5

6 INTERVIEW // CHRISBEESON Wir hören einfach sehr genau auf die Wünsche unserer Kunden Wie sich Digi-Key von seinen Konkurrenten unterscheidet,welche Unterstützung Entwickler bekommen und was die Zukunftstrends sind, erläutert Chris Beeson, Vice President Global Sales & Business Development, bei Digi-Key,im Interview mit ELEKTRONIKPRAXIS. Was ist das Geheimnisvon Digi-Keys schnell wachsenden Verkaufszahlen ineuropa? Die Antwort ist: Es gibt tatsächlich kein Geheimnis.Wir hören einfach sehr genau auf die Wünsche unserer Kunden. Während wir in Europa und in anderen Teilen der Welt expandieren, lernen wir ständig dazu. Mit Sicherheit wissen wir jedoch, dass Konstrukteure eine schnelle und unkomplizierte Möglichkeit benötigen, wie sie Bauteile finden, auswählen und bestellen können. Das mag sich einfach anhören wir arbeiten jedoch seit 40 Jahren daran, dieses Konzept kontinuierlich zuerweitern und zu verbessern. Ein Erfolgsgeheimnis ist unsere Konzentration auf die Grundlagen vom technischen Support über die Produktauswahl bis zur effizienten Ausführungamnächsten Tag. Herzstückunseres Erfolgs ist unser einzigartiges Ver- triebsmodell, das auf festen Grundlagen aufbaut, gleichzeitig aber dynamisch genugist,umauf die Anforderungenheuti- gerkunden eingehen zu können. Während wir in neue Märkte expandieren, bleibt das Versprechen von Digi-Key gegenüber dem Kunden unverändert. Gleichzeitig ist uns die Bedeutung einer lokalen Präsenz be- wusst.wir haben ein erfahrenes Team aus Vertriebs-und Serviceexperten am Standort München, das unseren regionalen Kun- denstamm bedient.unser Erfolgist auch auf die Leistungen dieses Teams zurück- zuführen neben anderen Faktoren wie Timing, Marktreife und den Vorteilen unseres Hybridmodells. Kurz gesagt: Entscheidend für uns ist,dass wir unser Versprechen dem Kunden gegenüber einhal- ten. Und das bedeutet,eine breite Auswahl an Produkten, eine effiziente Lieferung und einen hervorragenden lokalen Serviceanzubieten. Digi-Key Wie lässt sich das Geschäftsmodell von Digi-Key im Unterschied zu anderen Anbietern beschreiben? Sieht durch e-commerce und Online-Dienstebedeutende Wachstumschancen: Chris Beeson, Vice PresidentGlobal Sales &Business Development beidigi-key. Digi-Key ist einzigartig in der Hinsicht, dass wir unsere Geschäftstätigkeit vom herkömmlichen Katalogvertrieb für Elektronikkomponenten zu einem Hybrid- Vertriebsmodell weiterentwickelt haben. Wirhaben unserebekanntheit in der Engineering-Community genutzt und sind von diesen Wurzeln aus gewachsen. Inzwischen bedienen wir einen Kundenstamm, der sich aus professionellen Ingenieuren zusammensetzt,die im Auftrag von Fertigungsunternehmen tätig sind. Wir konzentrieren uns auf den Aufbau stabiler Beziehungen zuhochgeschätzten Zulieferern der Branche, um eine größtmögliche Auswahl an Komponenten und neuesten Technologien anbieten zu können. Dadurch sind wir in der Lage,unsereKunden während des gesamten Designprozesses zu unterstützen vom Prototyp bis hin zu High-Mix/Low-Volume-Fertigungsaufträgen. Unsere Geschäftstätigkeit hat sich organisch weiterentwickelt, aufbauend auf unseren engen Beziehungen zu den Ingenieuren. Wenn ein Prototyp bereit für die Produktion ist,vertrauen unsere Kunden darauf, dass Digi-Key exakt die benötigten Teile zur richtigen Zeit liefern kann. Dank des umsichtigen Kundendienstes von Digi-Key und unserer Verpflichtung zur Qualität können unsere Kunden also wertvolle Zeit sparen und die Gesamtkostensenken. Welche Ressourcen stellen Sie den Konstrukteuren zurverfügung? Konstrukteure finden auf der Website von Digi-Key umfassende technische Ressourcen und eine große Auswahl an CAD-Tools einschließlich Schaltungsentwurfs- und Layout-Tools,eine Referenzdesign-Bibliothek sowie eine durchsuchbare Artikelbibliothek und natürlich unsere Online- Community für Diskussionen unter Experten. Aufgrund unserer Unternehmensgeschichte haben wir ein umfassendes

7 INTERVIEW // CHRISBEESON Verständnis für die Anforderungen der Ingenieure, und wir verpflichten uns, unsere Online-Tools und Multimedia-Ressourcen ständig zu aktualisieren, um den Produktdesignprozess zu unterstützen. Um den bestmöglichen Service für globale Kunden und Hersteller anbieten zu können, hat Digi-Key ein zentralisiertes Team austechnikern und Supportmitarbeitern aufgebaut, das durch den lokalen Support vor Ort in den Ländern ergänzt wird. Die Geschwindigkeit und Effizienz des Bestellprozesses ist ein entscheidendes Differenzierungsmerkmal, in dem sich das Geschäftsmodell von Digi-Key von anderen Anbietern unterscheidet. Wer sind Ihre Kunden? Ist Digi-Key auf Großkunden im Bereich der Massenherstellung ausgerichtet? Der ideale Kunde von Digi-Key ist ein kleines bis mittelgroßes Fertigungsunternehmen oder ein Vertragshersteller. Unser High-Mix/Low-Volume-Modell eignet sich optimal für Unternehmen mit komplexen Aufträgen, bei denen eine große Zahl verschiedener Bauteile in relativ niedrigen Stückzahlen benötigt wird. Unser typischer Kunde ist der Konstrukteur eines Midmarket-Herstellungsunternehmens, der von einem langfristigen Full-Service- Vertriebspartner mit umfangreichem Wissen, hoher Geschwindigkeit, Flexibilität und effizientem Serviceprofitiert. Wie gestaltet sich das Modell, das Sie als "Prototype to Production" bezeichnen? Zunächst einmal ist zu betonen, dass sich Digi-Key weiterhin sehr auf die Engineering-Community konzentriert. Wir haben unsere Geschäftstätigkeit damit begonnen, Konstrukteuren eine einfache Möglichkeit für das Auffinden einzelner Bauteile und die Bestellung kleiner Prototypstückzahlen zu bieten. Mit der Zeit begannen unsere Kunden, sich auch mit größeren Aufträgen für produktionsfertige Komponenten an uns zu wenden. Sie gingen davon aus, dass Digi-Key jederzeit die richtigen Teile auf Lager haben würde bereit zur sofortigenauslieferung. So wurden wir zum aktiven Mitspieler im Produktdesign- und Markteinführungsprozess und es war für uns ein logischer nächster Schritt,auch die Produktionsherausforderungen der nächsten Ebene zu unterstützen, um den Konstrukteuren Zeitund Kosteneinsparungenzuermöglichen. In diesem Zusammenhangwurde der Slogan Prototype to Production geprägt. Er betont Digi-Keys einzigartiges Versprechen, das Produktdesign vom Konzept über die Entwicklung bis hin zur Produktion zu unterstützen. Indem wir die tatsächlichen Bedürfnisse und Herausforderungen der Branche im Bereich der Lieferkette und des Bestandsmanagements ermittelten, konnten wir unser Angebot erweitern, um die Zielgruppe der Einkäufer ebenso wie die der Ingenieurezuunterstützen.Heuteist Digi-Key einer der wenigen Anbieter,die durch diebereitstellung maßgeschneiderter Produkte und Ressourcen den gesamten Prozess der Produkteinführung unterstützen. So können unsere Kunden ihren Entwicklungszyklus verkürzen, während die Bestandskosten gesenkt und Risiken minimiertwerden. Beschreiben Sie die Beziehung zwischen Digi-Key und seinen Zulieferern. Welche Technologie- und Anwendungstrends und welche Muster in der Kundennachfrage beobachtensie derzeit? UnsereStrategie besteht darin, Lösungen anzubieten, die eine Lücke füllen, und unser Produktspektrum anhand der Kaufmuster und der prognostizierten Nachfrage anzupassen. Aktuell entstehen viele neue Wachstumsbereiche und technologische Innovationen. Wir beobachten vor allem ein wachsendes Interesse und eine zunehmende Nachfrage in den Bereichen Internet der Dinge,M2M und Konnektivität. Neue Innovationen im Wireless-Segment, bei der Beleuchtung, Mikrocontrollern, Sensoren und Speichern sind ebenfalls deutliche Wachstumsbereiche. Gleichzeitig steigt die Nachfrage nach vertikalen Branchenanwendungen, z. B. in den Bereichen militärische Luftfahrt, Automobiltechnik, Medizintechnik, alternative Energien sowie Industrie-und Verbraucherelektronik. Welches sind die wichtigsten Vorteile, die Sie Ihren Kunden bieten können? Kunden wenden sich an Digi-Key,um unsere umfangreichen Ressourcen und Engineering-Tools zu nutzen, die zur Unterstützung des Produktentwicklungsprozesses maßgeschneidert wurden. Von CAD- Tools über unser BOM-Tool bis zu unserer Referenzdesign-Bibliothek bietet die Digi- Key-Website eine Fülle an wertvollen Hilfsmitteln und Informationen für Produktdesignprojekte. Neben den webbasierten Ressourcen stehen unseren Kunden auch unsere erfahrenen Techniker zur Verfügung, die rund um die Uhr erreichbar sind, um den Designprozess zu unterstützen. Für Einkäufer bietet Digi-Key einzigartige Services zur Unterstützung des Bestandsmanagements, der Lieferkette und der Prognose. So lassen sich die Gesamtbeschaffungskosten deutlich reduzieren, während gleichzeitig die Produktverfügbarkeit und Belieferung gewährleistet wird. Zusammengefasst lässt sich sagen: Wir bieten eine breite Auswahl an Mehrwertleistungen und verfügen über umfangreiches Expertenwissen. Auf diese Weise können wir Ingenieureebenso wie Einkäufer bei der Abstimmung von Verfügbarkeit und Markteinführungszeit unterstützen. Digi-Keys Kundenversprechen verleiht Herstellern einen wichtigen Vorteil bei der Kostenreduzierung und verkürzt den Zyklus von der Produktentwicklung bis zurproduktion. Wie sieht Ihre UnternehmensleistungimJahr 2014 bislang aus? 2014 war bislang ein deutliches Wachstumsjahr für Digi-Key.Wir haben mehrere wichtige Meilensteine erreicht und konnten unseren globalen Kundenstamm erweitern. Expandieren Sie in neue Märkte? Ja. Wir erwarten ein beständiges Wachstum auf dem europäischen Markt,da sich sowohl Kunden als auch Hersteller aufgrund der bewährten globalen Reichweite, Produktverfügbarkeit und Bandbreite der Services an uns wenden. Um unsere Kunden künftig noch besser unterstützen zu können, werden wir unsere lokalen Ressourcen in der EMEA-Region und darüber hinaus weiter ausbauen. Unser vergrößertes Team wird sich auf das erwartete Produktionsgeschäftswachstum im Zuge der Erweiterung unseres Kundenstammskonzentrieren. Für das kommende Jahr planen wir den weiteren Ausbau unserer Präsenz auf dem EMEA-Markt, in China sowie in anderen Regionen in Asien. Welche Entwicklungenzeichnen sich für den Rest des Jahres ab? In unserer Branche zeigen sich zahlreiche bedeutende Wachstumschancen. Und während der e-commerce sich weiter durchsetzt,werden wir kontinuierlich weitere Online-Dienste und neue hochwertige RessourcenfürunsereKunden bereitstellen. Darüber hinaus werden wir viele Produkte und Technologien konzipieren, mit denen unsere Kunden sowohl Zeit als auch Kosten auf dem Weg zu einer schnelleren Markteinführung ihrer Produktinnovationen sparen können. // PK 7

8 ENTWICKLUNGSBOARDS // INTERVIEW UDOObietetdreiLösungen basierend auf einemkerndesign Das Konzept des Einplatinencomputers UDOO ist von den beiden Kooperationspartner AidiLab und SECO entwickelt worden. Maurizio Caporali, der Geschäftsführer von AidiLab, erläutert die Anfänge und Hintergründe desprojektes. UDOO ist eine Kollaboration zwischen zwei Organisationen. Wie kam es dazu? SECOundAidiLab waren bereitsseitvielen Jahren in einer Arbeitsgemeinschaft tätig. Unsere Zusammenarbeit zur Entwicklungeines Konzepts für eine neue Art von Computerplatine begann im Jahre 2010.Unser Plan war von Anfang an, einen Computer zu entwickeln, der sowohl eine gute Schnittstelle zur physischen Welt in Form der Hardware bietet, als auch eine unkomplizierte Softwareentwicklung zulässt. Wir stellten fest, dass Arduino zu einem Quasi-Standardfür Hardware-Konnektivität geworden war, also wähltenwir diese Plattform für unser Design. Arduino verfügt über eine beeindruckende Gemeinschaft aus Desig- Dank der Zusammenarbeit mit Vertriebspartner Digi-Key gewinnt UDOO schnell an weltweiter Beliebtheit: Maurizio Caporali erinnert sich, wie das Projekt ins Rollen kam. nern, Herstellern und Ingenieuren, darum war es für uns entscheidend, die volle Arduino-Kompatibilität in unser Design zu integrieren. Auf Seiten der Software haben wir uns auf Linux und Android konzentriert. Android fanden wir aufgrund der unkomplizierten Verbindungsfähigkeit zum Internet äußerst wichtig. Nachdem Googledas Android Development Kit (ADK) auf den Markt gebrachthatte, waresuns wichtig, dieses in unserem Design zu unterstützen. Das endgültigedesign integriertzweischlüsselkomponenten: auf der einen Seite Arduino als Grundlage für Hardware und Programme, so genannte Sketches, und auf der anderen Seite das Betriebssystem. Sie haben sich entschieden, das Projekt über CrowdSourcing zu finanzieren. Dabei sind 322 %Ihres Zielbetrages zusammengekommen. Was denken Sie darüber und wiewaren IhreErfahrungen mit Kickstarter? Nachdem das Design stand, mit dem wir auf den Markt zugehen wollten, haben wir überlegt, wie wir die Markteinführung möglich machen könnten. Crowd Funding ist ein sehr interessanter Ansatz, insbesonderefür ein Open-Source-Projekt wie das unsere. Crowd Funding bietet nicht nur eine potenzielle Finanzierungsmöglichkeit, sondern auch die Möglichkeit des direkten Kontakts mit unseren potenziellen Käufern, die uns wertvolle Ideen und Anregungen für die Gestaltung unseres Designs liefern konnten. Wirmussten Ende 2012 sehr viel Arbeit in unseren Businessplan stecken, um das Kickstarter-Projekt im Februar 2013 starten zu können. Der Kickstarter-Prozess war unglaublich. Es hat eine Weile gedauert, bis wir alles auf unserer Projektseite fertig hatten, darum hat es mit dem tatsächli- chen Projektbeginn noch bis April 2013 gedauert. Wir waren uns nicht sicher, wie gut das alles funktionieren würde. Darum hatten wir eine Datenbank mit -Adressen von Freunden vorbereitet, Ingenieuren usw.,um unser Kickstarter-Projekt zu be- werben. Aber gleich vom ersten Tag an war klar,dass das gar nicht nötig sein würde. Unser Finanzierungsziel waren Dol- lar, mit denen wir die UDOO-Platine in Produktion geben wollten. Dieses Ziel war nachnur zwei Tagenerreicht,und die Mittel flossen bis zum Ende der Kickstarter- Kampagne immer weiter. Die Resonanz war erstaunlich. Wir haben jede Menge konstruktive Rückmeldungen aus der Kickstarter-Gemeinde erhalten. Das ist wirklichein sehr interessanter Aspekt des Crowd Funding. Neben den finanziellen Mitteln erhält man zusätzlich auch noch viele Ideen von potenziellen Käufern, die bei der Überprü- fung des Produktdesigns von unschätzbarem Wert sein können. AidiLab

9 ENTWICKLUNGSBOARDS // INTERVIEW EinePlatine, vielemöglichkeiten: Der UDOO setzt auf Vielseitigkeit. Wie sind Sie mit der Liste der möglichen Funktionsmerkmale von UDOO umgegangen? Schon ganz zu Anfang hatten wir beschlossen, drei verschiedene Lösungen basierend aufeinem gemeinsamen Kerndesign zu entwickeln. Wir bieten nun UDOO-Platinen in Dual- und Quad-Core- Ausführung an. Die Quad-Core-Platine ist dabei die einzige mit einer SATA-Schnittstelle. Während das zentrale Design der Platine bereits den vollen Merkmalsumfang beinhaltet, hat uns das Feedback aus der Kickstarter-Gemeinde sehr dabei geholfen, unser Design weiter zu entwickeln sowie praktische Entscheidungen zu treffen, zum Beispiel, welche USB-Schnittstelle wir verwenden sollten. Die Auswahl eines Atmel-Gerätes für den Arduino-Teil war eine ganz natürliche Entscheidung, denn so hatten wir ein bereits bewährtesdesign als Grundlage. Der i.mx6 von Freescale bietet einen hohen Grad an Flexibilität,es sind verschiedene Kernanzahlen erhältlich, was hervorragend in unsere ursprünglichen Designideen passte. Wir glauben, dass das endgültige Design so ziemlich alles bietet, was ein Entwickler benötigen könnte. Die Verarbeitungsleistung liefern der ARM Cortex M3-basierte SAM3X8E von Atmel, ein ARM Cortex A9-basierter i.mx6 von Freescale und eine GPU von Vivante. Durch den Einsatz der branchenüblichen Arduino-Shields ließ sichdie E/A-Leistung noch weiter verbessern. Stellte das Angebot, eine verschiedene Anzahl von Prozessorkernen wählen zu können, eine Herausforderung bezüglich der Betriebssysteme für Sie dar? Nein, wir haben sehr viel Arbeit investiert, um stabile Betriebssystemverteilungen sowohl für die Dual- als auch für die Quad-Core-Ausführungen zuerreichen. Sie sind für die jeweils zur Verfügung stehende Anzahl an Kernen optimiert, das heißt, die Quad-Core-Verteilung von Ubuntu nutzt im UDOO alle vier Kerne. AidiLab PRAXIS WERT Der UDOO vereint zwei Geräteinsich Der UDOO, sprich You Do, vereint zwei Geräte auf einer nur 11 x8,5 cm (4,33x3,35 Zoll) großen Platine. Es weist eine große Merkmalsvielfalt auf und ist in zwei Versionen erhältlich: Entweder einem ARM Cortex-A9-Prozessor mit zwei oder einem mit vier Kernen der Baureihe i.mx6 (1 GHz) vonfreescale. Darüber hinaus bietet die Platine 76-Pin-GPIO, kompatibel mit der Pinbelegung des Arduino R3 1.0, ein Wi- Fi-Modul, HDMI- und LVDS-Display- Schnittstellen, Gigabit Ethernet und 1 GB DDR3 RAM. Weitere Funktionsmerkmale sind Mini-USB und Mini-USB-OTG, USB- Standarddoppelbuchsen vomtyp A, analoger Ein- und Ausgang für Audio und eine MicroSD-RAM-Buchse zum Booten. Die Quad-Core-Platinenversion verfügt außerdem über einen SATA-Festplattenschnittstellenanschluss. Der Prozessor i.mx6 istzur 2D/3D-Verarbeitung mit einem GPU-Beschleuniger ausgestattet und mit den Standards OpenGL, OpenVG und ES2.0 kompatibel. Neben dem i.mx6 wurde auf der Platine der mit dem Arduino Due pinkompatible Atmel-Cortex-M3 integriert. Die Entscheidung für entweder Android oder Linux liegt beim Entwickler, beide Systeme werden unterstützt.es gibt viele Open-Source-Werkzeugketten zur Unterstützung bei der Entwicklung, und wir bieten zusätzlich Platinen-Unterstützungsbibliotheken an. Freutsich über den Erfolg des Einplatinencomputers: Das UDOO-Team Als Einplatinencomputer mit zwei Prozessoren wurde der UDOO extrem gut von Herstellern und Entwicklern angenommen. Wie geht es weiter? Wir haben bereits einige spannende neue Konzepte in der Entwicklung, Sie können sich also darauf freuen, bald mehr von uns zu hören. // PK 9

10 EINPLATINENCOMPUTER // UDOO UDOO:Die perfekte Verbindung von Linux und Arduino Arduino und Raspberry Pi haben den Boden bereitet für den Erfolg der Einplatinencomputer im Bereich der Elektronikentwicklung. Nun ist mit dem UDOO einneuer,hochinteressanterplayerimspiel. IRA SUKO* UDOO: Kombination aus einem einen leistungsstarken Freescale-ARM- Cortex-A9-Prozessor mit einemsam3x8e-cortex-m3-mikrocontroller von Atmel Bild:Digi-Key Dank der beliebten Einplatinencomputer(SingleBoardComputer, SBC) wie dem Arduino,dem Raspberry Pi und dem BeagleBone Black begeistert sich eine steigende Zahl von Bastlern und Herstellern zunehmend für Elektronik-Projekte. Dieser Trend ist ungebrochen und wird verstärkt durch eine immer umfangreichere Palette an Zusatzkarten, die inzwischen für diese Ein- *Ira Suku... ist Direktor für den Halbleiterbereich bei Digi-Key platinencomputer erhältlich sind. Die Liste der möglichen Anwendungen für diese Mini- Rechner ist nahezu endlos.daneben hat ihr Erfolg auch eine Reihe von kompatiblen Boards hervorgebracht, wie ein kurzer Blick aufcrowdfunding-websites wie KickStarter und Indiegogo zeigt. Ein weiteres, mutmaßlich unerwartetes Ergebnis ist die Tatsache, dass die Module nun in kleiner und mittelgroßer Form daherkommen und damit in alle Arten von Endprodukten integriert werden können. Dank der Einplatinencomputer können die Hersteller bei der Fertigung eines geeigneten Moduls nun auf die kostspielige Konstruktionsphase im Zusammenhangmit der Integration von Bauteilen verzichten. Mit der Einführung gebrauchsfertiger und umfassend getesteter Konstruktionslösungen wird die Markteinführungszeit beschleunigt und ein Großteil der nicht umlegbaren Kosten einer Entwicklungeliminiert. Bislang laufen die meisten erhältlichen Einplatinencomputer entweder mit Linux oder Arduino. Linux bietet dabei im Allgemeinen eine bessererechenleistung als die meisten Arduino-Boards und ähnliche kompatible Boards.Allerdings gibt es im Hinblick auf die Konnektivität in der Praxis keinen Zweifel daran, dass die Mehrzahl der Herstel- 10

11 ler und Ingenieure Arduino bevorzugt dank dessen einfachen Verbindungen und der umfangreichen Palette an Zusatzkarten (Shields). Vor diesem Hintergrund war die Aufregung groß,als kürzlich ein neuer Einplatinencomputer vorgestellt wurde, der einen leistungsstarken Freescale-ARM-Cortex-A9-Prozessor mit einem SAM3X8E-Cortex-M3-Mikrocontroller von Atmel kombiniert: Der UDOO, sprich You Do,vereint die beiden Bauteile auf einer nur 11 x8,5 cm (4,33 x3,35 Zoll) großen Platine. Das Gerät weist eine große Merkmalsvielfaltauf und ist in zwei Versionen erhältlich: entweder einem ARM Cortex-A9-Prozessor mit zwei oder einem mit vier Kernen der Baureihe i.mx6 (1 GHz) von Freescale. Darüber hinaus bietet die Platine 76-Pin-GPIO, kompatibel mit der Arduino-R3-1.0-Pinbelegung, ein Wi-Fi-Modul, HDMI- und LVDS-Display-Schnittstellen, Gigabit Ethernetund 1 GB DDR3RAM. Weitere Funktionsmerkmale sind Mini- USB und Mini-USB-OTG,USB-Standarddoppelbuchsen vom Typ A, analoger Audio-Einund Ausgang und eine MicroSD-RAM-Buchse zum Booten. Die Quad-Core-Version verfügt außerdem über einen SATA-Festplattenschnittstellenanschluss. Der Prozessor i.mx6 ist zur 2D/3D-Verarbeitung mit einem GPU-Beschleuniger ausgestattet und mit den Standards OpenGL, OpenVG und ES2.0 kompatibel. Neben dem i.mx6 wurde aufder Platine der mit dem Arduino Due pinkompatible Atmel-Cortex-M3 integriert. Anleitungenund Beispielprojekte auf der Website Selbst hinzugefügt werden müssen noch ein geeignetes Netzteil mit 12 VDC/2 A,eine Tastatur und eine Maus sowie ein auf eine 8-GB-MicroSD-Karte geschriebenes Boot- Image.Umfangreiche Anleitungen und Beispielprojekte, die den Einstieg erleichtern sollen, finden sich auf der UDOO-Website (www.udoo.org). UDOO läuft mit Linux oder Android. Der Einplatinencomputer hat seine eigene Ubuntu-Distribution, kann alternativ aber auch mit der Linaro-Version betrieben werden. Daneben gibt es auch Links zu den Distributions-Images von Debian Wheezy und Yocto Project.Weiterhin steht ein Image von Android 4.3 Jelly Bean zur Verfügung. Das Quad-Core-Board mit seiner SATA- Schnittstelle eignet sich perfekt als Medienserver für ein Netzwerk. Auf der Distributionsseite von UDOO (http://www.udoo.org/ downloads/) finden sich auch Links zu den beliebten Open-Source-Medienservern Volumio,Open Media Vault und XMBC. EINPLATINENCOMPUTER // UDOO Sobald alles angeschlossen ist, wird die übliche Desktop-Umgebung von Ubuntu angezeigt. Ein praktischer Hinweis hier ist, nach dem Starten die Befehlszeile und die Ausgaben vom Kernel auch auf den seriellen Mini-USB-Stecker zu übertragen. Durch den Anschluss eines PCs mit einer Anwendung, die ein serielles Terminal darstellt, zum Beispiel Serial Tools on Mac OSX, und dem Laden des Treibers Silicon Labs VCP können Anwender etwaige Fehler beim Booten diagnostizieren, zum Beispiel ein nicht korrektes Erkennen des HDMI-Displays. Die Ubuntu-Distribution enthält alle üblichen Linux-Anwendungen und Befehlszeilen-Werkzeuge,wartet aber auch mit Python 2.7 und einer UDOO-spezifischen Version der integriertenentwicklungsumgebung(integrated Development Environment, IDE) von Arduino auf. Entwickler, die bereits mit dem Schreiben von Arduino-Skripten vertraut sind, können mit der IDE von Ubuntu aus direkt mit der Arbeit loslegen. Falls erforderlich, kann mit der Änderungeines Jumpers auf der Platine und der Verwendung einer gepatchten Arduino-IDE eine direkte Verbindung zum Cortex-M3 über den gemeinsamen USB-Stecker hergestellt werden. Dadurch, dass Skripte über Ubuntu problemlos codiert und auf das Atmel-Bauteil heruntergeladen werden können, ist die gesamte Anwendung äußerst einfach. Die Bauteile i.mx6 und SAM3X8E sind beide eigenständig und verwendeneigene Taktvorgaben und einen eigenen Speicher.Einige der Kommunikationskanäle werden gemeinsam genutzt: die serielle UART-Schnittstelle, der USB-OTG-Bus und die Mehrzahl der externen GPIO-Pinbelegung. Jeder gemeinsam genutzte GPIO kann entweder auf Eingang oder aufausgang gestelltwerden.beim Eingangsmodus kann jeder Prozessor den Eingangspegellesen. Gleiches giltfür den Ausgangsmodus, bei dem beide Prozessoren alle digitalen Pins auf High oder Low setzen können. Die Pinbelegung kann ebenfalls über einen Multiplexbetrieb der Software geändert werden, wobei jeder Pin bis zu 8 verschiedene Funktionen haben kann. Mithilfe der Arduino-Programmiersprache wird die Richtung der Anschlüsse auf die folgende Art und Weise eingestellt: Wenn 2 der einzustellende Pin ist: pinmode(2, INPUT); (siehe Anwendung in unten stehendem Beispiel) oder pinmode(2, OUTPUT); Nach erfolgter Einstellung kann der entsprechende Pinwert mit der Funktion digitalread() gelesen oder mit digitalwrite() ge- DIGITAL-KOMPENDIUM Starterkits und Design-Tipps Starterkits & Design-Tipps Board-Auswahl Industrie-Boards Software Tools &Boards Jetztals epaper lesen! Lesen Sie das gesammelte ELEKTRONIKPRAXIS-Wissen auf Ihrem PC, Laptop oder ipad und sichern Sie sich kostenlos Ihr gedrucktes Kompendium* unter --> starterkits-kompendium *limitierte Auflage

12 EINPLATINENCOMPUTER // UDOO Switch Control UART Freescaleimx6 J18 UART 2 Switch Control OTG OTG bus UART serial usb-to-serial converter mini-usb serial schrieben werden. Unter Linux verwaltet der Kernel den Zugriff über Schreib- oder Lesefunktionen für Dateien. Jeder verwaltbare GPIO hat seinen eigenen Ordner namens / sys/class/gpio, der Richtung und Wert des Anschlusses kontrolliert. In der Befehlszeile, wenn 12 der einzustellende GPIO ist: echo out >/sys/class/gpio/gpio12/in oder echo in >/sys/class/gpio/gpio12/out Der Pinwert kann mithilfe von cat /sys/ class/gpio/gpio12/value gelesen und mithilfe von echo 0(or 1) >/sys/class/gpio/gpio12/ value geschrieben werden. Sobald ein Anschluss fertig eingerichtet ist, muss dieser mit dem Befehl unexport freigegeben werden. Solche Anweisungen aus der Befehlszeile können auch von einer anspruchsvolleren Sprache aus, wie z. B. Python, gegeben werden. Kommunikation zwischen den beiden Prozessoren Atmel Sam 3x NativeUSB ProgrammingSerial mini-usb OTG TXO/RXO Die Kraft der zwei Herzen: Eine dauerhafte USB-UART-Verbindungsichertdie Kommunikation zwischen den beiden Prozessoren Die Frage, mit der sich die meisten Ingenieure beschäftigen werden, ist die, wie die Kommunikation zwischen den beiden Prozessoren sichergestellt werden soll. Hierauf gibt es eine Reihe von Antworten, aber die einfachste Möglichkeit von allen bietet die serielle USB-UART-Verbindung, die dauerhaft vorhanden ist.innerhalb einer Arduino- Anwendung können Daten auf den seriellen Anschluss geschrieben werden. Bei eigenständigen Anwendungen wird dies typischerweise für Überwachungs- und Debug- Anwendungen verwendet. Dies erfolgt mit der Anweisung Serial.println. Eine Linux- Anwendung wiederum kann die vorhandenen Daten lesen und geeignete Steuerentscheidungentreffen. Alarmsystem für eine offene Kühlschranktür Mit einem einfachen Beispiel soll die Kommunikation von einem Arduino-Skript aus zu einer auf dem i.mx6 laufenden Python- Anwendungveranschaulicht werden. Dabei handelt es sich um ein einfaches Alarmsystem, mit dem eine Kühlschranktür überwacht und geprüft wird, ob die Tür offen gelassen wurde. Ein auf der Kühlschranktür befindlicher Schalterwirdmit dem digitalen Pin 2 verbunden. Anschließend schreibt das Arduino-Skript in den gemeinsam genutzten seriellen Anschluss entweder eine 0,wenn die Tür geschlossen ist,oder eine 1, wenn die Tür offen steht.gleichzeitig liest ein Python-Programm fortlaufend die seriellen Daten, um so den Status der Kühlschranktür zu bestimmen. Steht die Tür offen, sendet das Python-Programm über Gmail eine Warn- . Nach dem Versand wird ein logisches Flag gesetzt, damit nicht fortlaufend s geschickt werden, bis die Tür geschlossen ist.dieses Flag wird zurückgesetzt,sobald die Türwieder geschlossen ist. Das Arduino-Skript basiert auf dem sogenannten Digital Read-Code, der in den Grundlegenden Beispielen inder IDE von Arduino enthaltenist.die Geschwindigkeit des Anschlusses ist auf 9600 Baud gesetzt. In den Code wird eine kurze Verzögerung von 2Sekunden zwischen dem Lesen des Schalters eingefügt. Zwischen Pin 2und Masse wird ein Druckschalter verbunden. Nach erfolgter Eingabe des Codes kann dieser von der IDE aus auf den SAM3X8E hochgeladen werden; die Ausführungbeginnt unverzüglich. Die Anwendung läuft dann bis zu einem Reset kontinuierlich. Der Python-Beispielcode kann mit jedem geeigneten Editor eingegeben und für ein einfaches Wiederfinden auf dem Desktop gespeichertwerden. Beidieser Anwendung werden die Standardbibliotheken pyserial und smtplib genutzt.gegebenenfalls müssen diese zunächst in die Python-Konfiguration importiert werden. Das Ganze ist eine einfache Befehlszeilenaufgabe. Der erste Teil des Programms stellt die Anschlussgeschwindigkeit ein und beginnt mit dem Auslesen der Daten aus dem seriellen USB-Anschluss,der als /dev/ttymxc3gekennzeichnet ist.essind einfachdie -Adresse, die -Adresse des Anwendersbei Gmail sowie die Passwörter durch die eigenen Angaben zu ersetzen. Der Python-Code kann über die Befehlszeile ausgeführtwerden. Er läuft,bis er angehalten wird. Zu beachten ist, dass bei einer Verwendung der IDE von Arduino zur Überwachung des seriellen Anschlusses der Python-Code beendet wird. Das kann immerhin jedoch eine praktische Debug-Methode sein, wenn überprüft werden soll, ob der korrekte Wert in den SAM3X8E geschrieben wird. Durch die Kombination des leistungsstarken i.mx6-prozessors mit dem SAM3X8E von Arduino,der sich durch seine einfache Konnektivität in der Praxis auszeichnet, hebt UDOO das Einplatinencomputerdesign auf eine neue Ebene und bietet dabei Ingenieuren und Herstellern auf der ganzen Welt noch mehr Flexibilität und Kreativität. // PK 12

13 Innovation In Every Solution As aleading name in innovative high-speed cabling and interconnect solutions, 3M High-Performance Cable Assemblies and interconnect components are designed to help increase efficiency, help reduce energy and enable density,without sacrificing virtually any performance. 3M offers one of the industry smost comprehensive selections of component, assembly,and material solutions for today s electronic systems. Contact Digi-Key,a3M Authorized Distributor, at digikey.com/3m for more information or visit 3M at Electronica in hall B3, booth M is amember of InfiniBand Trade Association (IBTA). 3M is atrademark of 3M Company. 3M2014. All rights reserved.

14 MIKROCONTROLLER // BLUETOOTH AUDIO Bluetooth-Audioanwendungen mit 32-Bit-Mikrocontrollernentwickeln Drahtlose Headsetshaben derbluetooth-technologie zum Durchbruch verholfen. Dochmittlerweile gehen dieanforderungen an Bluetooth- Audioanwendungen über die reine Tonübertragung weit hinaus. JACK SHANDLE * Bluetooth und Audio-Anwendungen wurden praktisch füreinanderentwickelt. Der Markterfolg von Bluetooth in den ersten zehn Jahren beruhtefast vollständig auf der Integration in Audio-Headsets.Als die Smartphones auf der Bildfläche erschienen, wurde Bluetooth zum selbstverständlichen Standard, der schon frühzeitig auf fast jedem Smartphone-Chipsatz Platz fand. Das Streamen von Musik auf dem Smartphone ist allseits beliebt. Bluetooth und die Smartphone-Technologie entwickelten sich kontinuierlich weiter, während die Anwendungen kaum Schritt halten konnten eigentlich ein Gegensatz *JackShandle... ist Autor beim US Publishing House Hearst Electronic Products zum üblichen Ablauf. Dieser Umstand beginnt sich nun jedoch zu ändern, da sich die Ära der Bluetooth-Mastergeräte, die mit einem einzigen Bluetooth-Slavegerät kommunizieren, ihrem Ende zuneigt. Für Entwickler bedeutet dies: multiple Protokolle, multiple Verbindungen, multiple Geräte und eine völlig neue Welt der Audio- Anwendungen. Smartphone-Nutzer wünschen sicheinen größeren Funktionsumfang und Bluetooth ist bereit. DasBluetooth Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) Gutvernetzt: Gerade im Automotive-Bereich geht Bluetooth mittlerweile weit über reine Audio-Anwendungen hinaus Bild:General Motors Das Bluetooth Advanced Audio Distribution Profile (A2DP)ermöglicht seit einem Jahrzehnt bequeme Drahtlos-Stereo-Audiofunktionen für eine große BandbreiteanGeräten. Viele Nutzer wünschen sich inzwischen jedoch neue Steuermöglichkeiten für Audio- Entertainment auf dem Smartphone, die ursprünglich in dieser Form nicht vorgesehen waren. Durch die Integration von zusätzlichen Profilen wie AVRCP (Audio/Video Remote Control Profile) können Smartphones als Wireless-Fernbedienung für weitere Bluetooth-Audiogeräte im Haushalt verwendet werden. Auf diese Weise können wesentlich komplexere Anwendungen entstehen. Für den Endnutzer sollen diese Anwendungen kaum wahrnehmbar interagieren. Die Konstrukteure stehen hingegen vor großen Herausforderungen im Bereich der Softwareentwicklung und -zertifizierung, insbesondere bei der Implementierung in Zubehörteilen, die innerhalb eines Systems kompatibel sein sollen. Im Hinblick auf die Architektur stehen den Konstrukteuren zwei Optionen zur Auswahl. In den vergangenen zehn Jahren sah die übliche Architektur vor, dass das Modul die meisten Funktionen in der Hardware ausführte Kopplung, Verbindung und Audio- Streaming. Mit anderen Worten: Das Bluetooth-Modul war ein Audiocodec, der für die Ausführung dieser Funktionen programmiert war. Die zweite Architekturoption ist die Ausführung praktisch aller Funktionen über Software. Hier kommen die 32-Bit-Mikrocontroller ins Spiel. Durch Implementierung des Bluetooth-Stacks in die Software wirddie Funkkomponentezueiner sehrdünnen Schicht in der Architektur.Dadurch haben Konstrukteure die Möglichkeit,überall, jederzeit und für eine große Zahl von Konfigurationen auf den Datenstream zuzugreifen. Die gleichzeitige Nutzung der Bluetooth- Profile SSP (Serial Port Profile) und A2DP (Advanced Audio Distribution Profile) ist mit herkömmlichen Bluetooth-Modulen nicht möglich. Durch Ermöglichung des Software- Zugriffs auf den Bluetooth-Protokoll-Stack können Konstrukteure Anwendungen erstel- 14

15 MIKROCONTROLLER // BLUETOOTH AUDIO len, die mehrere Geräteverbindungen aufrechterhalten mit dem Audiostream für die Wiedergabe sowie zur Steuerung des Datenstreams und anderer Aufgaben, die normalerweise nicht mit Audiofunktionen verbunden sind. Kurz gesagt: Ein Audiostream und ein Datensteuerungsstream arbeiten parallel, ohne sich gegenseitig zu unterbrechen. Kombination von Audio- und Datensteuerungsfunktionen BESCHREIBUNG Bluetooth-Stack(A2DP+AVRSPP+SBC) +Android Open Accessory Audio Typ-A-USB-Verbindungsunterstützung und Samsung Audio mit Mini-B- USB-Verbindungsunterstützung. Bluetooth-Stack(A2DP+AVRCP+SPP+AAC- Decoder) + Grafik. Diese Demonstration verwendet den hochwertigeren AAC-Audio-Decoder anstelle des SBC-Decoders. Bluetooth Data Stack (nur SPP). Diese Daten- Demonstration ohne Audio bietet keinen USB- Audio-Support. Bluetooth-Stack(A2DP+AVRCP+SPP+SBC- Decoder) +Grafik. Bluetooth-Stack(A2DP+AVRCP+SPP+AAC) + Android Open Accessory Audio Typ-A-USB-Verbindungsunterstützung und Samsung Audio mit Mini-B-USB-Verbindungsunterstützung. Diese Demonstration verwendet den hochwertigeren AAC-Audio-Decoder anstelle des SBC-Decoders. Ein einfaches Beispiel wäre die Verbindung eines Beleuchtungssystems mit einem Lautsprechersystem. Der Nutzer könnte in diesem Fall die Lichtstärke über sein Smartphone steuern, während er Musik mit diesem hört. Mit einer komplexeren Erweiterung dieser Anwendung wäre die vollständige Steuerung des Beleuchtungssystems möglich z.b.für die Farbe, Intensität und Reaktion auf die Musik bei gleichzeitiger Steuerung des Audiostreams über das Smartphone. Im Rahmen des Smart Home -Konzepts können die Steuermöglichkeiten auf Thermostate, Kaffeemaschinen, Garagentoröffner und andere Bluetooth-fähige Anwendungen erweitert werden und das alles mit einer Komponente, die ursprünglich als konventioneller Audio-Codec konzipiert war. Die Steuerung über Bluetooth bietet bei diesen Anwendungen einen wichtigen Sicherheitsvorteil, da der Datenstream so konfiguriertwerden kann, dass ervom Internet der Dinge unabhängig bleibt.wohl nur wenige Nutzer möchten den einfachen Vorgang der Steuerung ihres Garagentoröffners den Unsicherheiten eines Cloud-Betriebs überlassen, wie es z. B. bei einer WLAN-Lösung in der Regel der Fall wäre. Durch die Kombination von Audio- und Datensteuerungineiner Anwendung, in der bereits mehrere Profile simultan arbeiten, werden die neuen Anwendungsmöglichkeiten zusätzlich erweitert. Im Bereich der Audiounterhaltung bietet das softwarebasierte Konzept Break-in die Möglichkeit,denselben Audiostream über mehrere Mobilgeräte zu steuern. So könnten beispielsweise die Gäste auf einer Party abwechselnd ihre Lieblingsmusik aus einer einzigen BluetoothbasiertenAudiobibliothek wählen. BeiVerwendung eines Jukebox-Modus könnten die Endnutzer ihre Lieblingsmusik einer Playlist hinzufügen. Im Break-in-Modus können mit der Mikrocontroller-Lösung bis zu sieben Smartphones dasselbe Audiosystem mit unterschiedlichen, unabhängigen Audiostreams und -steuerungen bedienen. Die Bluetooth SIG hat mehr als 30 Profile entwickelt und bestätigt. Für die Entwicklung des neuen Anwendungsbereichs Bluetooth Audio + Control sind zunächst jedoch in erster Linie die folgenden vier Profile von Bedeutung: Serial Port Profile (SPP) Standardersatz für drahtlose RS-232-Datenübertragung Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) Gebräuchlichstes Profil für das Streamen von Multimedia-Audio. Streamt Audio über SBC-Codec und kann die Komprimierungscodecs MPEG und AAC unterstützen. Audio Video Remote Control Profile (AVRCP) Standardisiertes Fernbedienungsprofil für Fernseher, Heimkino usw. Üblicherweise in Verbindung mit A2DP genutzt. Eine kürzlich bestätigte Funktion ist Audio-Sync, womit beispielsweise bei Änderung der Lautstärke auf dem Mobilgerät auch die Lautstärke auf dem System angepasst werden kann, das mit dem Mobilgerät gesteuertwird. Hands-Free Profile (HFP) Profil für Telefonate über Freisprecheinrichtung PerSoftwaremehrereProfile gleichzeitignutzen In einer Software-Implementierung können mehrere Profile gleichzeitig aktiv sein, was dem Konstrukteur eine große Flexibilität für die Entwicklung neuer Anwendungen bietet.anders formuliert: Durch Integration eines Datenstreams in den Audiostream wird die Entwicklung komplexerer Systeme möglich. In der Entwicklungsphase ist der entsprechende Aufwand für die Emulation, das Testen und (bei Bluetooth unabdingbar)für die Zertifizierung zuberücksichtigen. Ein voll- RESSOURCENANFORDERUNG FLASH (KB) RAM (KB) 271,734 38,8 ~30 251,5 34,9 ~65 139,6 7,12 ~8 190,58 34,6 ~30 332,7 39,7 ~65 SPITZEN-MIPS ständiges Entwicklungssystem würde daher weit über Audio hinausgehen und Funktionen zur Steuerung von Displays, Tasten, LEDs,Mikrofonen und Musik integrieren. Es müsste auch DSP-Möglichkeiten für Audioverarbeitungsfunktionen umfassen. Der Steueraufwand für das System im Unterschied zu den Musikfunktionen allein legt dabei den Einsatz eines 32-Bit-Mikrocontrollersnahe. Betrachtet man den Datenpfad und die primären Elemente eines einfachen Bluetooth-Audiosystems aus der Perspektive der neuen Audio + Control -Anwendungen, wäre die Quellseite das Mobiltelefon, das codierte Daten (Audio und Steuerung) streamt,welche auch verschlüsselt sein können. DieDaten finden zunächst ihren Wegin die Basisband-Schicht (Bluetooth Radio). Anschließend steigt der Datenstream aufder Senkenseite durch den Protokollstapel auf. Beider Senkekann es sichumeines der Geräte bzw. Smart Appliances handeln, die eingangs beschrieben wurden. Zur Software-Lösung gehören der Multi- Profil-Stapel sowie eine Anwendungsschicht,die im Quellcode verändert werden kann. Der Stapel verwaltet die Profilkommunikation und kann mit einer Vielzahl zusätzlicher Anwendungselemente interagieren, wie Audio-Decodern, digitaler Filterung, Quellratenkonvertierung und Steuerfunktionen. Es sind mehrere Audio-Decoder verfügbar,die Bluetooth-A2DP-Audiostreaming unterstützen, z. B. SBC, AAC und MP3. Diese modulare Lösung bietet Geräteherstellern die Möglichkeit, ganz unterschiedliche Lösungen zu gestalten, je nach gewünschten 15

16 MIKROCONTROLLER // BLUETOOTH AUDIO Funktionen, Steuerungenund Speicherkosten. Die Erstellung von Entwicklungs- und Starterkits für Systeme auf der Senkenseite der Kommunikationsverbindung ist kein einfaches Unterfangen. Zwar wird die Entwicklung von Anwendungen damit für Konstrukteure einfacher, doch die erforderlichen Kompatibilitäts-und Interoperabilitätstests sind für jeden MCU-Anbieter,der diese Kits verkauft,ein kritisch wichtiger Aspekt. VieleVarianten bei mobilen Betriebssystemen So bestehen bei den mobilen Betriebssystemen zahlreiche Optionen, wie Android, Apple ios, Microsoft Embedded Windows und Blackberry jeweils mit verschiedenen Betriebssystemversionen. Um ein voll funktionsfähigesendnutzerprodukt gewährleistenzukönnen, muss der Anbieter Hunderte von Kompatibilitäts-und Interoperabilitätstests durchführen. Bei der Auswahl eines Kits solltenkonstrukteurevorrangigprüfen, inwiefern gewährleistet werden kann, dass das Design diese Tests mit minimalen oder sogar ganz ohne Änderungen besteht. Microchip Technology ist einer der wichtigen Player in diesem Designbereich. Der Anbieter setzt derzeit die Komponenten PIC32MX3 und PIC32MX4 in seinen Bluetooth-Audio-Entwicklungskits ein. Abbildung 2 zeigt die grundlegende Hardware- Konfiguration. Ein Beispiel ist das Bluetooth-Audio-Entwicklungskit DV von Microchip. Es wirdmit einem 100-MHz-32-Bit-PIC der Mittelklasse mit bis zu 100 E/A und 512 KB Flash/128 K RAM betrieben. Teil des Basiskits ist eine Bluetooth-HCI-Zusatzkarte, die den Bluetooth-Receiver CSR8811 von Cambridge Bild 1: Hardware-Konfiguration desbasiskits von Microchip Silicon Radio unterstützt (auch kostengünstigere Module sind erhältlich). Ebenfalls integriert sind eine DAC-Zusatzkarte mit einem 24-Bit-192-kHz-DAC und Kopfhörerausgang, USB-Host-und Komponentenschnittstellen, ein 2-Zoll-Farb-LCD-Display und Tastensteuerfunktionen. Um die Entwicklungsarbeit zu erleichtern, unterstützt das Kit auch zahlreiche Funktionen wie die Apple Authentication Adapter-Option, eine Debugging-Schnittstelle und einen SPI-Flash-Speicher. Ein PIM (programmierbares Schnittstellenmodul) auf dem Mikrocontroller gibt dem Entwickler die Möglichkeit, den Prozessor auszutauschen, ohne wertvolle Designzeit zu verlieren. Es bietet zudem die Flexibilität, den Standard-Mikrocontroller zu einem späteren Zeitpunkt durch kostengünstigere oder leistungsstärkere Komponenten ersetzen zu können. Microchip liefert auch ein aufwendigeres Starterkit, das auf dem Flaggschiff-32-Bit- Mikrocontroller basiert: das PIC32M- Z2048ECH144 mit 200MHz. Das Embedded- Connectivity-Starterkit DM PIC32MZ kann mit anderen Systemen kombiniert werden, um Bluetooth-Funktionen zu unterstützen. Das Multimedia Expansion Board 2 (DM ) umfasst ein Grafiklaufwerk ohne Controller, 4,3-Zoll-WQVGA-Display, Multi-Touch-PCAP-Tastensteuerung(Projected Capacitive Touch), VGA-Kamera, Wi-Fi, Bluetooth HCI-Modul, 24-Bit-Stereo-Audio- Codec basierend aufdem AK4953 vonakm Semiconductor,einen 3-Achsen-Beschleunigungsmesser und einen Temperatursensor. Eine Demo-Möglichkeit für Microchips Software-Framework MPLAB Harmony wird integriert, um Bluetooth-Daten- und -Audioanwendungenzuunterstützen. Bild:Microchip Technology Angesichts der Komplexität von Bluetooth- Audio- und -Steueranwendungen können Entwickler vor der Frage stehen, wie und an welcher Stelle die Entwicklung begonnen werden soll. Die kritische Komponente ist immer der Mikrocontroller selbst.wie bereits erläutert, eignen sich 32-Bit-Mikrocontroller und ihre 32-Bit-Befehlssätze ideal für die gleichzeitige Verwendung von Audio und Steuerung. Tabelle hilftbei Auswahlder richtigenlösung Um eine ersteentscheidungüber das geeignete Kit zu treffen, können Entwickler die Tabelle auf Seite 15zuRate ziehen, in der die Anwendungenund die entsprechenden Speicher-und MIPS-Anforderungen beschrieben sind. Die erstespalte (Beschreibung) gibt an, welche Bluetooth-Profile und anderen Anwendungen ausgeführt werden. Auch wenn es sichhier nur um Beispiele zu Demonstrationszwecken handelt, ist im Vergleich erkennbar, dass die Speicher- und Spitzen- MIPS-Anforderungen von der einfachsten Anwendung (nur Bluetooth Data Stack) bis hinzur anspruchsvollsten Anwendung(multiple Profile und hochwertiger ACC-Decoder) deutlich voneinander abweichen können. Eine neue Ärader Bluetooth-Entwicklung, in der Datensteuerungs- mit Audiofunktionen kombiniert werden, wird die Einführung zahlreicher neuer Anwendungen fördern, die mehrere gleichzeitig aktivierte Bluetooth- Profile, multiple Steuerpunkte und multiple Verbindungeneinsetzen. Der Entwicklungsprozess für diese Anwendungen kann sich schwierig gestalten, da aufwendige Bluetooth-Interoperabilitäts- und Kompatibilitätstests nötig sind. Viele dieser Anwendungen erfordern auch deneinsatz eines 32-Bit- Mikrocontrollers, nicht unbedingt aufgrund der Datentiefe, sondern aufgrund der erforderlichen Befehlssatz-Ressourcen. Entwicklungskits und Firmware-Lösungen, die von Halbleiterherstellern angeboten werden, reduzieren den Entwicklungsaufwand erheblich, doch esgibt keine Lösung für alle Fälle. Entwickler sollten die richtige Lösung für ihre Anwendung imhinblick auf die Firmware-Verfügbarkeit sowie Hardware- Leistungsorgfältigauswählen. Weitere Informationen zu den in diesem Artikel beschriebenen Produkten finden Sie über die angegebenen Links zu den Produktseiten auf der Digi-Key-Website. DieserArtikel basiert auf einerpräsentation von Michael Skow, Applications Engineering Group Lead der MCU32-Abteilung von Microchip Technology, auf der 2014 MASTERs Conferencevon Microchip. // PK 16

17

18 TITELSTORY // INTERNET OF THINGS TITELSTORY Das Internet der Dinge eröffnet viele Chancen, unser Leben zu verbessern invielen Bereichen. Der vorliegende Artikel betrachtet vor allem drei Anwendungssegmente: Medizin, Verkehr und industrielle Produktion. Er zeigt, welche Techniken zu Verbesserungen im alltäglichen Leben führen werden. Diese Zukunft lässt sich bereits heute sehen. Die Prognosen prominenter Beratungsunternehmen beziehen sich zwar häufig auf das Jahr Aber dasinternetofthings (IoT) ist bereits heute greifbare Realität. 18

19 TITELSTORY // INTERNET OF THINGS DasLeben im undmit dem Internet der Dinge Das Internet der Dinge wird die Art,wie wir leben und arbeiten, gründlich verändern. Verkehr, Industrieproduktionund Medizin werden von der Ubiquität von Sensoren und Wireless-Netzen profitieren. IRA SUKO* Angesichts der Zigmilliarden Geräte mit Netzwerkanbindung, die in naher Zukunft Daten miteinander austauschen werden, um unser Leben nocheffizienter zu gestalten, wirken die Systeme, die heute das Internet beherrschen PCs,Laptops, Tablets und Smartphones nur noch wie Zwerge.Durch gänzlich neue Reaktionsmöglichkeiten könnendie Steuerungssysteme, die dieses Internet der Dinge (Internet of *Ira Suko... ist Direktor für den Halbleiterbereich bei Digi-Key. Things IoT) bilden, Effizienzsteigerungen in den unterschiedlichsten Systemen bewirken, sei es bei industriellen Steuerungen, im Transportwesen oder in der Medizin. Mit dem IoT ergeben sich Möglichkeiten, unsere bisherige Art, Dienstleistungen zu erbringen, völlig umzuwandeln und der Gesellschaft erhebliche Einsparpotenziale zu erschließen. IoT-Anwendungen: Medizin und Gesundheitswesen Die Kosten der medizinischen Versorgung werden durch die zunehmende Alterung der Bevölkerung im globalen Maßstab enorm ansteigen. Bis Ende der 2030er Jahre wird erwartet, dass sich der Anteil der Weltbevölkerung im Alter von über 65 Jahren von jetzt etwas mehr als sieben Prozent auf über 15 Prozent verdoppelt. In den Industrieländern wird dieser Anteil sogar noch höher sein, da die Lebenserwartung hier schon jetzt weit über dem globalen Durchschnitt liegt. Die Lebensqualität einer alternden Bevölkerung stellt daher die Regierungen weltweit vor große Aufgaben. Viele Menschen werden mit chronischen Erkrankungen leben, die regelmäßigerbehandlungenund ärztlicher Betreuung bedürfen. Wahrscheinlich wird das zu einem explosionsartigen Anstieg der Kosten im Gesundheitssystem führen, wobei es keine Rolle spielt, ob dieses System auf 19

20 TITELSTORY // INTERNET OF THINGS Medizin im IoT: Tragbare Geräte können die Vitalfunktionen ihrer Benutzer überwachen und Ärzte bei der Diagnosefindung unterstützen. Zudem motivieren Fitness-Applikationen die Anwender, mehr für ihre Gesundheit zu tun. Bild:Digi-Key Steuergeldern oder den Beiträgen der Versichertenbasiert. Ein erheblicher Anteil dieser Kosten geht auf das Konto immer längerer Krankenhausaufenthalte. Diese Kosten lassen sich deutlich senken, wenn die Patienten in ihrem Wohnumfeld bleiben können und stattdessen regelmäßig von Ärzten und Pflegekräften betreut werden. Doch oftmals arbeitet das geeignete medizinische Personal zu weit vom Wohnort entfernt,sodass sich die Patienten nicht auf den Weg in die Praxen machen können. Die medizinischen Fachkräfte arbeiten meist in den Krankenhäusern größerer Städte,doch ein Viertel der Bevölkerung wird in den ländlichen Regionen leben und damit Schwierigkeiten haben, Arzttermine wahrzunehmen. Zum Internet der Dinge gehören Sensoren, die laufend Vitalparameter wie Herzfrequenz, Blutdruck und Atemfrequenz erfassen und am Körper des Patienten platziert werden. Diese Sensoren senden dann wichtige Daten an die Arztpraxen, wo das medizinische Personal mögliche Probleme erkennen kann. Wissenschaftler haben auch festgestellt, dass sich bei Reha-Patienten viel besser feststellen lässt,wie gutderen Mobilität wirklich ist, wenn diese nicht in der Arztpraxis aufund ab laufen, sondern in der realen Welt Treppen steigen und von einem Stuhl aufstehen. Doch dieser Bereich des sogenannten Wearable IoT umfasst im medizinischen Umfeld viel mehr als lediglich die Behandlung von Krankheiten. Er verringert auch die Möglichkeit von Verletzungen und steigert das allgemeine Wohlbefinden. Mit der IoT-Technik, bei der spezielle medizinische Sensoren eingesetzt werden, lassen sich auch Verletzungen komplett vermeiden, zum Beispiel Schäden am Knie infolge einer falschen Körperhaltungbei Übungen. Werden ähnliche Sensoren zum Beispiel in eine Weste integriert, so lassen sich falsche Körperhaltungen korrigieren, die zu Rückenschmerzen führen. Dabei können auch Übungsprogramme in Form von Smartphone- oder Tablet-Apps zum interaktiven Erlernen besserer Bewegungsabläufe eingesetzt werden. DasIoT in Automobiltechnik undvekehr Es gibt zahlreiche Gründe, warum Kraftfahrzeuge immer stärker in die Welt des IoT vordringen werden. Dazu zählen Kraftstoffeinsparung, höherer Komfort für Fahrer und Passagiere sowie Steigerung derfertigungseffizienz. Für immer mehr Fahrzeughersteller stelltdas Mobiltelefon den Schlüssel zu Differenzierung und Komfortsteigerung dar. Schon jetzt gehört die Bluetooth-Konnektivität häufig zur Standardausstattung, die dem Fahrer das Telefonieren ermöglicht. Doch zunehmend werden wohl auch Schnittstellen mit höherer Bandbreite wie WiFi zum Einsatz kommen. Apps,die auf mit dem Fahrzeug gekoppelten Telefonen oder Tablets laufen, können den Fahrer über das bordeigene Entertainment-Systemmit nützlichen Informationen versorgen: Wo ist die nächste Tankstelle oder welche lohnenden touristischen Ziele liegen auf der Strecke? Solche Features könnten sich für Mietwagenunternehmen als Differenzierungsmerkmal erweisen, weil sieeine Personalisierung des Fahrzeugs für den jeweiligennutzer ermöglichen, sobald dieser sein Mobilgerätdaran angekoppelthat. Neben Infotainment und Konnektivität werden drahtlose Verbindungen den Trend zu immer mehr Intelligenz in den Kernsystemen des Fahrzeugs vorantreiben, insbesondere bei der Karosserieelektronik. Den Entwicklern gelang es, durch Einsatz von Verbundwerkstoffen das Gewicht von Karosserieblechen und Fahrgestell immer weiter zu senken inzwischen bildet der Kabelbaum die zweitschwerste Einzelkomponente im Fahrzeug nach dem Motor: Er wiegt über 50 Kilogramm und besteht aus mehreren Kilometern Kupferkabel. Ein modernes Auto verfügt über bis zu 60 Mikrocontroller,die ihreinformationen aus einer Vielzahl von Sensoren beziehen. Diese hohe Anzahl an Sensoren, die wichtige Daten in die fahrzeugeigenen Steuerungssysteme einspeisen sollen, wird für den Kabelbaum zu einer immer größeren Herausforderung, sodass der Trend hin zu drahtlosen Systemen immer stärker wird. Die Drahtloskommunikation kommt schon jetzt fast weltweit im Sicherheitsbereich zum Einsatz: im Reifendrucküberwachungssystem (TPMS). Hier informieren batteriebetriebene Sensoren, die in jeden Reifen integriert sind, einen Controller in der Fahrzeugkarosserie in regelmäßigenabständen über Änderungendes Luft- 20

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