Entwicklung eines Touchscreen-Computers als Basis für Web-Anwendungen

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1 Entwicklung eines Touchscreen-Computers als Basis für Web-Anwendungen Diplomarbeit von Oliver Keller aus München Student der Fakultät 06 an der Hochschule München Studiengang Feinwerk- und Mikrotechnik Studienrichtung Feingerätetechnik Referent: Prof. Dr. Otto Parzhuber Korreferent: Prof. Dr. Michael Hermann Tag der Einreichung:

2 Inhaltsverzeichnis Abstrakt 4 Entwicklung eines Touchscreen-Computers als Basis für Web-Anwendungen Development of a touch screen computer as framework for web applications Einleitung Verbreitung von Touchscreen-Computern Motivation Grundlagen Technische Anforderungen Eingebettete Systeme Aufbau eines Touchscreens Realisierung Hardware Computer-Modul Basisplatine Flachbildschirm Touchscreen-Controller Software Betriebssystem Browser als virtuelle Maschine Gesamtsystem Zusammenfassung 34 Danksagung 35 Literaturverzeichnis 36 Abbildungsverzeichnis 37 2

3 INHALTSVERZEICHNIS A. Anhang 38 A.1. Schaltplan ETX-Basisplatine A.2. Ätzvorlage ETX-Basisplatine A.3. Ätzvorlage ATouch A.4. Erklärung zur Urheberschaft

4 Abstrakt Entwicklung eines Touchscreen-Computers als Basis für Web-Anwendungen Dem Gedanken des allgegenwärtigen Computers (ubiquitous computing) folgend, wird ein Server-Client-System vorgestellt, welches in die Umgebung des Benutzers variabel integrierbar ist. Die vorliegende Arbeit zeigt im Detail, wie ein Touchscreen-Computer komplett im Eigenbau konstruiert wird. Eine Kombination aus frei verfügbarer Software und einem weit verbreiteten Computer-Modul wird als Basis ausgewählt. Applikationen können dafür in Form von Web-Anwendungen geschrieben werden. Durch die Verbindung der Schlüsseltechnologien Touchscreen und Internet können neuartige Benutzerinteraktionen erschlossen werden. Außerdem erleichtert das gezeigte System das Sammeln objektiver Erfahrungen im Umgang mit der Touchscreen-Technologie. 4

5 Development of a touch screen computer as framework for web applications In the spirit of ubiquitous computing a server client system is presented which can be variable embedded in the surroundings of the user. This thesis shows in detail how a touch screen computer is constructed completely in a do-it-yourself approach. A combination of free software and a widely spread computer module is chosen as a base. Programs can be written for it in the form of web applications. Through the connection of the key technologies touch screen and internet new ways of user interactions can be explored. Furthermore, the shown system eases collecting objective experiences in dealing with touch screen technology. 5

6 1. Einleitung 1.1. Verbreitung von Touchscreen-Computern Computer, die auf berührungsempfindlichen Bildschirmen (Touchscreens) basieren, sind auf dem Markt bereits in verschiedenen Ausführungen verfügbar. In der Industrie findet man sie häufig als so genannte Panel-PCs, mit deren Hilfe Anlagen wie Fräsmaschinen gesteuert werden. Der Computer ist in diesen Geräten direkt hinter dem Bildschirm untergebracht. Im Alltag kennt man sie meist eher schlecht als recht durch die Benutzung von Ticket- oder Geld- Automaten. Diese Maschinen werden generell Kiosk-Terminals oder engl. als point of sale (POS) bzw. point of information (POI) bezeichnet. Die Touchscreen-Technik löst hier die bisher bewährte Kombination aus Tastatur und Bildschirm immer öfter ab, da eine wesentlich intuitivere Bedienung - per Fingerzeig - ermöglicht wird. Natürlich bringt die neue Technologie nicht nur Vorteile. So wird der berührungsempfindliche Bildschirm, eines im öffentlich Raum aufgestellten Automaten, durch die vielen Kontakte mit Fingern noch schneller verschmutzen, als das durch die meist rauen Umgebungsbedingungen sowieso schon der Fall ist. Außerdem bringt die Optimierung der eingesetzten Touchscreens auf eine möglichst hohe Vandalismus-Resistenz Abstriche im Bedienungskomfort. Die nutzbaren Flächen werden derzeit noch möglichst klein gehalten und die Reaktionen auf einzelne Berührungen sind oft träge und nicht immer zufriedenstellend. Im privaten Bereich kennt man Touchscreens allenfalls durch die Benutzung kleiner, tragbarer Taschencomputer (sogenannte engl. handhelds oder gadgets), wie sie in modernen Handys, Terminplanern, MP3-Playern oder Kameras vorkommen. Momentan erlebt die Mobiltelefonindustrie einen Boom durch die Integration von Zusatzfunktionen, die bislang separaten Geräten vorbehalten waren. Um die Funktionsvielfalt dieser neuen digitalen Schweizer- Taschenmesser dem Benutzer möglichst intuitiv in die Hand zu legen, setzen viele Hersteller auf die Touchscreen-Technologie. Allen voran steht hier zur Zeit das iphone von Apple. Von der Eingabe einer Internetadresse in den Webbrowser, über die Navigation zwischen MP3 Dateien bis hin zur Wahl von Telefonnummern, wird im iphone auf eine Berührung per Finger als einziges Eingabemedium gesetzt. 1 1 Bisher boten die meisten Touchscreen-Geräte entweder auch mechanische Tasten als Alternative an oder legten zumindest einen kleinen Stift bei, der für eine fehlerfreie Interaktion zwingend erforderlich war. 6

7 1. EINLEITUNG Es ist insgesamt zu erwarten, dass die Verbreitung von Touchscreens noch stärker wachsen und die Technologie weiter verfeinert wird Motivation Trotz stetig steigender Präsenz der Touchscreen-Technologie in elektronischen Geräten, findet man so gut wie keine im häuslichen Umfeld - wie z.b. am eigenen PC. Natürlich bietet der Markt durchaus einzelne Touchscreen-Modelle mit PC-Anbindung. Allerdings sind die Preise, von teilweise über 1000e, für Modelle ab 15" sehr hoch. 2 Zu diesen Konditionen wird sich derzeit kaum jemand aus reinem Interesse an der Technologie solch ein Gerät anschaffen. Auch ist es aus einem ganz anderen Gesichtspunkt zunächst fraglich, warum man gerade zuhause einen Touchscreen verwenden will: Die Kombination aus Tastatur und Maus scheint so effizient zu funktionieren, dass eine alternative Benutzerschnittstelle für den eigenen Computer nicht nötig scheint. Mit Sicherheit gilt das für jeden PC-Arbeitsplatz, egal ob zuhause oder im Büro. Aber gilt das auch für andere Orte? Im Zuge des Computerzeitalters finden wir immer mehr Computer in unserer Umgebung. Diesen Umstand fasste Mark Weiser bereits 1991 unter dem Begriff Ubiquitous Computing zusammen [1]. Spätestens wenn der Kasetten-Videorekorder das eigene Wohnzimmer verlassen und einem digitalen Festplattenrekorder (der über ein lokales Netzwerk in der Wohnung steuerbar ist) gewichen ist, konvergiert dieser Ort mehr denn je in eine Art Multimediazentrale. Der Trend geht langsam aber sicher hin zum Computer im Wohnzimmer, ganz unabhängig davon, ob er in einem klassischen PC-Gehäuse steckt oder nicht. Ein Touchscreen wäre hier sicher eine interessante und platzsparende Bedienungsmöglichkeit. Auch an anderen Orten im privaten Bereich sind Computer, die zwar nicht das klassische Erscheinungsbild eins PCs besitzen aber einige Funktionen dessen verkörpern sollen, denkbar. Die Küche oder der Flur könnte über eine Art digitales Schwarzes Brett erweitert werden. Phillips hat bereits einen Prototyp mit dieser Funktionalität - per Touchscreen bedienbar - vorgestellt, siehe Abbildung 1.1. Autofahrer möchten in Zukunft evtl. mehr als sein GPS-Gerät mit Touchscreen im Auto schnell und effektiv bedienen. Die zahlreichen Studien und Bemühungen der Automobilbranche im Multimedia- und Entertainment-Bereich reflektieren diese Kundenwünsche. VW hat beispielsweise angekündigt, ab 2008 alle neuen Autos mit einem Touchscreen in der Mittelkonsole auszustatten. 3 2 Stand: August 2007, Quelle: 3 Quelle: finanzen.sueddeutsche.de/aktien/news_news?secu=322&dpa_news_id=

8 1. EINLEITUNG Abbildung 1.1.: Philips IN Touch, digitales Nachrichtenbrett, Quelle: Motiviert durch die vielen Einsatzmöglichkeiten, zeigen die folgenden Abschnitte, wie ein Touchscreen-Computer für den privaten Einsatz im Eigenbau entstehen kann. Es ist damit möglich eigene und objektivere Erfahrungen mit der Technologie zu sammeln. Objektiver insofern, als es durch die Benutzung der relativ kleinen Touchscreens von entsprechenden handheld Geräten oder Automaten im öffentlichen Raum möglich ist. 8

9 2. Grundlagen 2.1. Technische Anforderungen Der hier vorgestellte Touchscreen-Computer wurde so universell wie möglich geplant, damit möglichst viele Einsatzgebiete erschlossen werden können. Er ist daher vor allem als ein modulares System angelegt. Im Vorfeld wurden folgende Kern-Anforderungen definiert: möglichst kompaktes und flaches Volumen, Computereinheit niedriger als 3 cm Größe des Touchscreens von 12" bis 15" mit einer Mindestauflösung von 1024x768 Pixel passive Kühlung der Komponenten (ohne Lüfter) gute Verfügbarkeit der Komponenten für Privatpersonen Kosten für alle Komponenten unter 300e flexible und frei verfügbare Software-Architektur Internetanbindung Webbrowser, der möglichst alle gängigen Standards unterstützt Von den geplanten Außenmaßen her entspricht das System den Grundzügen eines Panel-PCs. Um den Rahmen dieser Arbeit nicht zu sprengen, wurden bestimmte Funktionen von vornherein explizit ausgelassen. So wurde auf eine kabellose Stromversorgung verzichtet. Der Fokus liegt damit weniger auf portablen Anwendungen. Ein Akku könnte allerdings nachgerüstet werden. Außerdem soll die Software nicht alle Aufgaben eines normalen PCs erledigen können. Vielmehr ist dieser Touchscreen-Computer als Ergänzung gedacht und verfolgt das Prinzip weniger ist mehr [2]. Mit dem Webbrowser als Hauptapplikation wird auf den zunehmenden Trend der Web-Anwendungen gesetzt. Das vorgestellte System soll dadurch in erster Line prädestiniert für den Einsatz in reinen Client-Server-Architekturen sein, welche Aufgaben in einem Netzwerk verteilen. Der Touchscreen- Computer ist in diesem Fall ein Client, der von Servern bereitgestellte Daten vorwiegend anzeigt. 9

10 2. GRUNDLAGEN 2.2. Eingebettete Systeme Die bisher definierten Anforderungen an das zu entwickelnde Touchscreen-Computer-System zeigen eine relativ ausgeprägte Spezialisierung. Auf bestimmte Aufgaben reduzierte elektronische Computersysteme fasst man allgemein unter dem Begriff Eingebettetes System (engl. embedded system) zusammen [3]. Ein embedded system ist beispielsweise die Steuer- und Anzeige-Einheit einer Waschmaschine oder die Elektronik in einem WLAN-Router. Die hohe Integrationsstufe solcher Systeme zeigt sich meist dadurch, dass alle elektronischen Komponenten auf einer einzigen Platine untergebracht sind. So sind beispielsweise in den meisten Mobiltelefonen alle Komponenten, vom Funk-Empfänger bis zum Bildschirm, direkt auf einer Hauptplatine verlötet. Gerade für kommerzielle Produkte mit hohen Stückzahlen ist dieses Vorgehen sehr wirtschaftlich. Für den hier anvisierten Touchscreen-Computer ist ein modular aufgebautes embedded system allerdings wesentlich flexibler und geeigneter, da eine Optimierung auf Massenproduktion nicht angestrebt wird. Die einzelnen Komponenten sind dadurch in verschiedenen räumlichen Positionen kombinierbar. Ein Gehäuse kann so je nach Einsatzzweck passend hergestellt werden. Von den Realisierungs-Möglichkeiten mit privaten Mitteln aus gesehen, ist es sowohl zweckmäßiger als auch vom Preis her günstiger, die Prozessor-Einheit (der eigentliche Computer) nicht komplett selbst aufzubauen, sondern auf ein fertiges Modul zurückzugreifen. Ein so eingebettetes Computer-Modul benötigt in der Regel nicht mehr Zubehör als einen System- Speicher, woraus das Betriebssystem geladen wird und eine Spannungsversorgung. Außerdem beherbergt es sämtliche Schnittstellen für zusätzliche Peripherie und die Generierung einer Bildschirmanzeige. Aus den bisher spezifizierten Anforderungen sind einzelne Funktionsblöcke ableitbar, die in Abbildung 2.1 zusammengefasst sind: Der Block Hardware steht darin exemplarisch für eine Basisplatine, mit der alle elektronischen Komponenten verbunden sind. Der Block Software repräsentiert das Betriebssystem. Die folgenden Abschnitte gehen detailliert auf die Teilbereiche ein Aufbau eines Touchscreens Ein Touchscreen ist, wie eingangs erwähnt, ein berührungsempfindlicher Bildschirm. Daraus folgt, dass er zwei Grundfunktionen besitzt: Zum einen die Bildschirmfunktion als Ausgabe und zum anderen die Sensorikfunktion, um eine Berührung als Eingabe zu erkennen. Der Bildschirm ist üblicherweise ein Flüssigkristall-Flachbildschirm basierend auf der TFT-Technologie. Die Sensorik gliedert sich in mehrere verfügbare Technologien und ist in der Regel direkt vor 10

11 2. GRUNDLAGEN Bildschirm-Tastatur Schnittstelle für Erweiterungen Browser Software Hardware Computer-Modul Touchscreen Speicher Netzwerkanbindung Touchscreen-Controller Flachbildschirm Abbildung 2.1.: Hardware- und Software-Konzept aufgeteilt in Module der Bildschirmfläche angebracht. Neben optischen Verfahren mit einer Kamera und Detektion von Oberflächen-Schallwellen (engl. surface acoustic wave (SAW)) sind vor allem die kapazitiven und resistiven Techniken verbreitet. Bei der kapazitiven Erkennung von Berührungen, tritt die Oberflächen-Kapazität der Haut eines Fingers in Wechselwirkung mit geladenen Kondensatoren innerhalb der Sensorik. Diese besteht aus transparenten Folien, die in mehrere diskrete Kondensatoren aufgeteilt ist. Da diese Technik auf eine Fremd-Kapazität angewiesen ist, funktioniert sie nur im Zusammenspiel mit direktem Hautkontakt. Das bedeutet Berührungen durch einen Handschuh oder einen Stift werden nicht erkannt. Aus Herstellungssicht sind kapazitiv arbeitende Touchscreen-Folien aufwendig, da die Gehäuse gegenüber elektromagnetischer Einstrahlung gut abgeschirmt sein müssen. Das spiegelt sich auch in einem höheren Preis gegenüber anderen Touchscreen-Technologien wieder. Allerdings kann diese Technik sehr genau und schnell Berührungen verarbeiten. Zudem ist sie relativ leicht erweiterbar, so dass mehrere Berührungen gleichzeitig erkannt werden. Beim, in der Einleitung erwähnten, iphone wird dies angewendet. Die größte Verbreitung findet man bei analog-resistiv arbeitender Sensorik, die in fast allen Handheld-Geräten mit Touchscreen vorkommt. Hier werden ebenfalls transparente Folien eingesetzt. Diese formen allerdings keinen Kondensator, sondern einen Spannungsteiler mit variablen Widerständen. Geräte, die auf dieser Technik aufsetzen, können nicht nur per Finger, 11

12 2. GRUNDLAGEN sondern über einen Stift oder auch mit Handschuhen bedient werden. Es kommt lediglich auf einen mechanisch ausgeübten Druck an. Bild 2.2 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Version mit vier Anschlüssen. Nicht gezeigt ist hier die Isolationsfolie zwischen den beiden leitfähigen, mit Indiumzinnoxid beschichteten, Folien. Sie sorgt durch ein gleichmäßiges Raster aus Löchern und Abstandhalter-Partikeln dafür, dass der Spannungsteiler mit den Widerständen R1 bis R4 erst ab einem definierten Mindestdruck zustande kommt. Die X- und Y -Position wird proportional zu einer Spannung ermittelt. Legt man an U x1 0V und U x2 +5V an, kann man die X-Koordinate als Spannungsabfall an U y3 messen. 1 Für die Messung der Y -Koordinate legt man die Spannung an U y3 bzw. U y4 an und misst an der Folie gegenüber. Neben diesem Schema gibt es noch ein paar Abwandlungen mit fünf, sieben und acht Anschlussdrähten. Zum detaillierteren Studium der Folien- und Ansteuerungs-Varianten sei hier auf die ausführliche Dokumentation von Hamphsire Company, Texas Instruments und ein Artikel der Zeitschrift Circuit Cellar verwiesen [4]. 2 Abbildung 2.2.: Aufbau einer analog-resistiven Touchscreen-Folie, Quelle: Die Schaltung, welche die Touchscreen-Folien auswertet, wird im Folgenden Touchscreen- Controller genannt. Sie wandelt die Berührungspunkte so um, dass das Computer-Modul sie als Mauszeiger-Koordinaten verarbeiten kann. Um eine Tastaturfunktionalität zu gewährleisten, muss eine zusätzliche Bildschirmtastatur implementiert werden (vgl. Abbildung 2.1). 1 Eine Messung an U y4 ist natürlich auch möglich, je nach gewünschtem Ursprung des Koordinatensystems. 2 Links: focus.ti.com/lit/an/slyt209a/slyt209a.pdf 12

13 2. GRUNDLAGEN Aufgrund der hohen Verbreitung analog resistiver Touchscreen-Folien, wurden diese als Grundlage für den Touchscreen-Computer gewählt. Sie können bei manchen Herstellern direkt erworben oder bei z.b. bei Ebay ersteigert werden. 3 Um Verwechslungen zu vermeiden, sei darauf hingewiesen, dass kommerzielle Touchscreen-Folien, obschon ihrer Bezeichnung, nicht flexibel sind. Die Folien werden im letzten Arbeitsschritt auf ein Glassubstrat aufgetragen, um den Berührungsdruck vom dahinter liegenden Bildschirm fern zuhalten. Manche Hersteller verwenden daher einen alternativen Begriff für Touchscreen-Folien: Touch-Panel oder Touchscreen-Panel. Andererseits werden berührungsempfindliche Bildschirme (als Komplettsystem) oft ebenfalls unter denselben Bezeichnungen verkauft. Es ist also wichtig, genau zu prüfen, ob ein bestimmtes Produkt nur die berührungsempfindliche Sensorik oder zusätzlich einen Bildschirm beinhaltet. Für die Produktsuche sollten alle genannten Schlüsselwörter berücksichtigt werden. 3 Bezug in Deutschland z.b. über 13

14 3. Realisierung 3.1. Hardware Computer-Modul Um ein passendes Computer-Modul zu finden, wurden zunächst die auf der ARM- und PowerPC- Architeckur basierenden untereinander verglichen. Diese Prozessoren eignen sich besonders für eingebettete Systeme. Wegen ihrem niedrigen Stromverbrauch, findet man sie in den meisten Handheld-Geräten wieder. Tabelle 3.1 zeigt die drei Module, die in die engere Auswahl gekommen sind. Sie erfüllen die in 2.1 aufgeführten Anforderungen am besten. Unter der Spalte Schnittstellen sind nur die relevanten aufgeführt, tatsächlich sind häufig bis zu zehn verschiedene Schnittstellen-Typen verfügbar. Die, für privaten Einsatz vergleichsweise teuren Preise gelten inklusive der meist hohen Abwicklungs- und Versandkosten (durchschnittlich 100e), die bei jeder Bestellung anfallen. Teilweise ergeben sich die allgemein hohen Einzelpreise aber auch daraus, dass der Hersteller den Aufwand für die Kundenbetreuung mit in den Modulpreis einkalkuliert. Das ist besonders bei den Modulen der Fall, die einzeln nur inklusive Basisplatine ausgeliefert werden. Sobald Stückzahlen über 1000 angefordert werden, sinkt der Preis im allgemeinen unter 100e pro Modul. Die Firma TQ Systems aus Weßling bei München, stellte freundlicherweise eines ihrer TQM Module inklusive Basisplatine (siehe Abbildung 3.1) zu Testzwecken für diese Arbeit zur Verfügung. Damit konnten sofort wichtige Erfahrungen gesammelt werden, da keine zusätzliche Hardware aufgebaut werden musste. Die Basisplatine erlaubte die direkte Verbindung mit einem VGA-Bildschirm und einem kabelgebundenen Ethernet-Netzwerk. Als Betriebssystem wurde die Linux Distribution ELDK von Denx Software Engineering, basierend auf der Kernel-Version 2.4, mitgeliefert. Von Beispiel-Konfigurationen der ELDK Distribution ausgehend 1, wurde ein Minimalsystem aufgesetzt, das nach dem booten als einziges Programm den Konqueror Webbrowser startet. 1 ftp://ftp.denx.de/pub/demos/konqe-demo 14

15 3. REALISIERUNG Toradex XScale Modell Hersteller Prozessor Speicher Schnittstellen Formfaktor Preis 1 Colibri 64MB-RAM LCD-RGB, SO-DIMM 224e PXA300 2 PXA MB-Flash USB, SD, (68x37mm) 208Mhz Ethernet CM- Compulab ARM, X270L 3 PXA Mhz TQM- TQC PPC, MPC5200B 400Mhz 64MB-RAM 128MB-Flash 64MB-RAM 128MB-Flash 1 Stand: Oktober tq-components.de/446+m5da6310fedb.html 5 inklusive Evaluations-Kit und Support LCD-RGB, USB, CF, WLAN LCD-RGB, USB, PCI, Ethernet Tabelle 3.1.: geeignete ARM- und PPC-Module 66x44mm 295$ 80x60mm ca. 800e 5 Leider war diese spezielle Konqueror Version, Konqueror Embedded (im Internet geführt unter der Projektbezeichnung kdenox, für engl. KDE no Xwindow) von Mitte 2004 und unterstützte nicht die aktuellen Web-Standards. Beim laden einiger Seiten (z.b. Google Mail) stürzte er sogar ab. Der Vorteil von Konqueror Embedded ist, ohne das unter Linux üblicherweise obligatorische Xwindow Programpacket auszukommen, was sehr ressourcensparend ist. Ohne Xwindow wird der Bildspeicher der Grafikschnittstelle direkt über die Qt-Bibliothek von Trolltech angesteuert. Es wurde versucht, aktuellere Versionen des Konqueror Embedded Browser zu portieren bzw. zu patchen, was letztlich aber nicht gelang. Der Browser selbst wird zwar noch weiter entwickelt, es schien aber nicht sinnvoll daran festzuhalten. Als alternative, standardkonforme Browser, standen Firefox und Opera zur Wahl. Opera for Devices 9 existiert zwar für PPC linux, konnte für diese Arbeit aber nicht benutzt werden, da Opera nur für kommerzielle Entwicklung eine Evaluierung ihres embedded Browsers erlaubt. Von Firefox existiert bisher weder eine ARM- noch PPC-Portierung, die auf den genannten Modulen funktionstüchtig ist. Eine eigene Portierung wurde Aufgrund des Umfangs und der Komplexität der Quellen von Firefox ausgeschlossen. Gleichzeitig wurde untersucht, inwiefern Flachbildschirme direkt, ohne Umweg über ein VGA-Signal, angeschlossen werden können. Es zeigte sich, dass z.b. die meisten TFT-Displays von Notebooks eine LVDS-Schnittstelle bieten, die nicht kompatibel zu der LCD-RGB Schnittstelle, der bisher anvisierten Computer-Module, ist. Da Ersatz-Displays für Notebooks aber eine ideale Quelle für günstige und besonders kompakte Flachbildschirme darstellen, wurde versucht diese zu verwenden (siehe Abschnitt 3.1.3). Der wichtigste Grund, der dazu führte, eine andere Hardware zu wählen, war die Frage der 15

16 3. REALISIERUNG Abbildung 3.1.: TQM-5200 Modul mit Basisboard, Quelle: Verfügbarkeit. Ganz abgesehen vom Preis, kann es schnell passieren, dass ein Modul nicht mehr auf dem Markt erhältlich ist, wenn die Nutzerbasis zu gering geworden ist. Beim Vergleich der vielen unterschiedlichen Spezifikationen der verschiedenen Computer-Modul-Hersteller fällt auf, dass sie extrem verschiedene Konzepte verfolgen. So hat jedes Modul andere Steckverbinder mit unterschiedlicher Polzahl, Spannungsversorgung und Konfiguration der Schnittstellen etc. 2 In der Industrie werden natürlich Verträge darüber abgeschlossen, die eine entsprechende Versorgung mit Modulen im Vorfeld sichern. Für ein Projekt wie dieses, welches mit privaten Mitteln umgesetzt werden soll, ist man letztlich am besten beraten auf einen Modul-Standard aufzubauen, der soweit verbreitet ist, dass er von mehren Unternehmen unterstützt wird. Motiviert durch die Probleme bei der Software-Kompilierung und die genauer definierten Hardwareanforderungen, wurde also nach einer geeigneteren Plattform recherchiert. Aus Softwaresicht ist eine x86-basierte Plattform ideal. Hier ist der Firefox Browser bis hinunter zu 233Mhz Intel Pentium II Prozessoren und 64MB Arbeitsspeicher einsetzbar. 3 Ausserdem bieten x86-architekturen generell viele Schnittstellen, die für Mensch-Maschine-Interaktionen (engl. Abkz. HMI) geeignet sind. Zu nennen ist hier v.a. der Triumph des Universal Serial Bus (USB). Für ein modulares System, wie den angestrebten Touchscreen-Computer, ist er durch seine einfache Erweiterungsmöglichkeit per Hub, geringe Anzahl an Busleitungen (vier) und integrierte Stromversorgung (+5V) sehr geeignet. Typische embedded system Computer-Module, 2 Beim TQM-5200 Modul fällt z.b. auf, dass es einen Leitungstreiber für den RS-232 Standard mit 12V Spannungspegel direkt beherbergt. Entsprechende Treiber für Ethernet und USB müssen dagegen auf der Basisplatine vorgesehen werden

17 3. REALISIERUNG auf ARM- oder PPC-Basis bieten USB meist eher als Zugabe. D.h. es gibt oft nicht mehr als einen USB 1.1 Port, der nur Geschwindigkeiten bis 12 Mbit/s unterstützt. Dadurch scheidet z.b. eine Verwendung von USB-Sticks als Systemspeicher auf diesen Modulen aus, weil die erreichbaren Schreib- und Lesegeschwindigkeiten zu gering sind. Ein weit verbreiteter x86-kompatibler Modul-Standard der Industrie ist PC/104 aus dem Jahre Er wird in vielen Automatisierungs- und Steuerungsaufgaben immer noch eingesetzt, obwohl er nach wie vor auf dem bereits in die Jahre gekommen ISA-Bus und DOS als Betriebssystem aufsetzt. Um vergleichbare Modul-Standards zu finden wurde die Produktpalette entsprechender Hersteller wie Kontron studiert. Es zeigte sich schliesslich, dass der ETX-Standard sehr geeignet für diese Arbeit ist. ETX wurde 2000 von mehren Firmen im Zusammenschluss zur ETX Industrial Group ins Leben gerufen. Die Spezifikation und Design-Hinweise sind frei verfügbar [5]. Obwohl es sich auch hier um Module handelt, die für den industriellen Einsatz gedacht sind, sind sie auch für Privatpersonen erreichbar. Das ist auf die hohe Verbreitung und zahlreichen Hersteller und Händler zurückzuführen. 4 Für diese Arbeit wurde je ein Intel Celeron Modul, ETX-P3T, mit 1Ghz von Kontron und ein 400Mhz Modul, ETe-P3T, von MSC, bei Ebay im Neuzustand erworben (Preis: 30e bzw. 20e ). Da ETX Module seit 7 Jahren auf dem Markt sind, kann man zahlreiche Auslaufmodelle günstig finden. Elektrisch sind natürlich alle Module untereinander kompatibel. Der ETX-Standard ist nicht zu verwechseln mit einem reinen Formfaktor, wie ATX oder mini-itx für PCs. Dort stehen vor allem die Abmessungen im Vordergrund. Die tatsächlich auf ATX-Boards vorhandenen Schnittstellen sind sehr unterschiedlich. Ausserdem sind im Moment noch fast alle Formfaktoren, die primär für den Einsatz als PC gedacht sind, für die sogenannte ATX-Blende ausgelegt. 5 Hier sind fast alle wichtigen Peripherie-Anschlüsse auf einer Fläche von 160x45mm zusammengefasst. Durch zusätzlich nötige Lüfter, liegt die Höhe dieser Platinen letztlich bei mindestens 50mm. Damit sind sie eindeutig ungeeignet, um, wie in den Anforderungen 2.1 spezifiziert, direkt hinter dem Touchscreen montiert zu werden. Exemplarisch sei hier auf das preislich sehr attraktiv gestaltete mini-itx Board D201GLY von Intel verwiesen (Abbildung 3.2). Dieses Board ist aber, abgesehen von der Dicke und dem Lüfter, wegen der nicht vorhandenen LVDS-Schnittstelle ungeeignet für den Touchscreen-Computer. 4 Exemplarisch drei Bezugsquellen in Deutschland: Via hat die Epia Produktpalette kürzlich auf pico-itx (10x7.2cm) erweitert. Hier bleibt aber nach wie vor das Problem der Verfügbarkeit und die relativ hohen Preise durch das Fehlen mehrerer Hersteller. 17

18 3. REALISIERUNG Abbildung 3.2.: 17x17x6cm mini-itx Board D201GLY von Intel, Quelle: Basisplatine Im Unterschied zu kompletten Mainboards, benötigen Computer-Module eine zusätzliche Basisplatine. Der Vorteil ist die dadurch variable Raumausnutzung. Der Abschnitt zeigt wie ein so genanntes ETX-Baseboard mit privaten Mitteln aufgebaut werden kann. Der erste Ansatz ist eine zweilagige Platine selbst zu ätzen. Da ETX-Module glücklicherweise hoch integriert sind, werden zum Anschluss von Peripherie nur Terminierungswiderstände, Steckverbinder und optional Überlast-Schutzschaltungen benötigt. Das einzig konfigurierbare auf den Modulen selbst ist der SO-DIMM Steckplatz für Arbeitsspeicher (siehe ETX-Modul in Abbildung 3.3). Als Spannungsversorgung benötigen sie +5V ±5% bei unkritischen 100 mv pp Welligkeit [6]. Für die Außenmaße wurde das weit verbreitete Europakarten-Format mit 160x100mm gewählt. Es stellt einen guten Kompromiss zwischen verfügbarer Fläche und Handhabung beim Ätzen dar. Ein ETX-Modul mit den Maßen 95x111.6mm lässt sich auf dieser Fläche gerade noch unterbringen. Als Schnittstellen wurden den Anforderungen nach, die vom Platzbedarf her anspruchslosesten ausgewählt (keine parallelen Busse wie PCI). Andernfalls wäre eine mindestens vierlagige Platine und damit erheblich höhere Herstellungskosten nötig gewesen - v.a. im Vergleich zum günstigen Preis der eingesetzten ETX-Module. 18

19 3. REALISIERUNG Folgende Anschlüsse wurden auf der Basisplatine berücksichtigt: 4 x USB-Host 6 1 x 10Base-T / 100Base-TX Ethernet, RJ45 1 x Seriell, RS-232 (5V TTL Pegel) 1 x LVDS zur direkten Verbindung mit TFT-Displays 1 x Audio Ausgang (3,5mm Klinke) 1 x PS/2 1 x VGA Monitoranschluss Abbildung 3.3.: ETX-Modul ETX-P3T von Kontron, Quelle: [6] Die letzten beiden Schnittstellen wurden zur Sicherheit vorgesehen, falls im BIOS eines Moduls die LVDS Schnittstelle zur Grafikausgabe erst aktiviert werden muss und USB Tastaturen auf der BIOS-Ebene nicht unterstützt werden. Bei dem ETX-P3T Modul war auch die explizite Umstellung von VGA auf ein LCD-Panel nötig, obwohl laut Handbuch [6] eine automatische Display-Erkennung im BIOS Standard ist. Der komplette Schaltplan mit Hinweisen befindet sich im Anhang A.1. Abbildungen 3.4 und 3.5 zeigen jeweils das Layout der Ober- und Unterseite. Eine fertige Vorlage zum selbst ätzen 6 Einzelne, ältere ETX-Module bieten hier nur USB 1.1, die meisten jedoch USB

20 3. REALISIERUNG Abbildung 3.4.: ETX-Baseboard Oberseite, mit ETX-Modulumriss in Grau ist im Anhang A.2 abgelegt. Dem hier vorgestellten ETX-Board dienten die Referenzdokumentation [6] und [7] als Grundlage. Aufgrund der engen Platzverhältnisse, konnten die Schnittstellenstecker nicht auf der gleichen Seite wie das ETX-Modul untergebracht werden. Dadurch ergibt sich eine Höhe von 27mm des gesamten Aufbaus, von der RJ45 Buchse bis zur gegenüberliegenden Außenfläche des Heatspreaders. Das ist die Bezeichnung der ebenfalls standardisierten ETX-Kühlfläche. Von dort aus muss die Hitze weiter, aktiv oder passiv, abtransportiert werden. Ein ETX-Modul wird über vier SMD-Steckverbinder mit je 100 Pins mit der Basisplatine verbunden. 7 In diesem Layout wurde aus Platzgründen und als Test, der ETX-Steckverbinder X2 (siehe auch Hinweis im Schaltplan, A.1) weggelassen. 8 An X2 liegt lediglich der ISA Bus an, welchen einige aktuelle ETX-Module auch nicht mehr unterstützen. Ansonsten sind nur acht mal GND und vier mal VCC an diesem Stecker vorhanden. X2 wurde daher mit der Annahme, dass alle GND und VCC-Pins innerhalb der Module untereinander verbunden sind, ausgelassen. Zudem bieten die übrigen Steckverbinder X1, X3 und X4 noch genug GND- und VCC-Verbindungen an. Eine kleine Überschlagsrechnung bestätigt, dass die Stromversorgung ausreichend bleibt: 7 passende SMD-Buchse: FX8-100S-SV von Hirose [5], z.b. über Farnell beziehbar 8 Die Module werden dadurch nicht vollständig konform zur ETX-Spezifikation betrieben. 20