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Electronics – Statusupdate

Statusbericht unseres Electronic-Teams

Microcontroller

In Rennwagen der Formula Student werden Microcontroller zur Signalverarbeitung
verwendet. Sie gehören zu den wenigen softwaregesteuerten Komponenten im Auto
und übernehmen Aufgaben von der Steuerung von Aktoren, der Auslesung, Analyse
und Umwandlung von Sensorsignalen, bis teilweise hinzu der Ansteuerung des
Motors.
Im CM18e ist die Aufgabe der Microcontroller die Auslesung und das Umwandeln
von Sensorsignal, sowie die Ansteuerung von Aktoren. Die Motorsteuerung hingegen
wird von einem Prototypingmodul, mit hoher Rechenleistung, der ECU, durchgeführt.
Die Microcontroller sind die Schnittstelle zwischen der ECU und der Peripherie, also
den Sensoren und Aktoren. Da die ECU keine analogen oder digitalen Eingänge
beziehungsweise Ausgänge hat, sondern lediglich Schnittstellen für CAN-Busse,
spielen die Microcontroller eine tragende Rolle. Außerdem können analoge und
digitale Signalwege durch die Verteilung der Microcontrollerboards im Rennauto
verkürzt werden, was zum einen Kabel und somit auch Gewicht erspart. Zudem wird
dadurch die Störanfälligkeit minimiert.
In der letzten Saison wurden aus zeitlichen und aus Gründen des Knowhows fertige
Microcontroller vom Typ Arduino Uno verwendet. Der Vorteil eines gekauften
Microcontrollerboards ist zum einen der geringere Kostenpunkt im Vergleich zur
Eigenentwicklung und zum anderen die Zeit, die durch die Entwicklung, das Testen
und eventuelle Verbesserungen in der Eigenentwicklung verloren geht. Darüber
hinaus wird die Fehlersuche bei Standardlösungen wie dem Arduino Uno durch
zahlreiche Foren und Hobby-Experten stark vereinfacht.
Der bestechendste Vorteil einer Eigenentwicklung des Microcontrollerboards im
Vergleich zu einer kaufbaren Lösung ist die Freiheit im Design. Selbst wenn ein
bestehendes Microcontrollerboard als Orientierung für die Eigenentwicklung dient,
wie es in diesem Fall gemacht wurde, besteht hierbei die große Möglichkeit das
Design zu variieren, also zum einen die Teile der Schaltung, die nicht benötigt
werden, wegzulassen, oder neue hinzuzufügen. (Ein Beispiel ist die CAN
Kommunikation, die von sehr wenigen kaufbaren Microcontrollerboards zur
Verfügung gestellt wird. Viele Microcontrollerboards besitzen eine Schnittstelle für
das CAN Protokoll, benötigen darüber hinaus, aber noch einen CAN-Transceiver, der
die Signale in das standardisierte physikalische Signal umwandelt oder
zurückübersetzt. Da die Kommunikation zwischen den Microcontrollerboards
untereinander und zu der ECU über einen CAN-Bus stattfindet wäre die Anbindung
eines solchen CAN-Transceivers ohnehin notwendig. Bei der Verwendung der
Arduino Boards in der Saison 2016/2017 wurden hierfür CAN-Shields aufgesteckt,
die aber sehr unhandlich und teuer sind. Die Möglichkeit einen CAN-Transceiver
direkt auf das Board zu integrieren ist daher die beste Lösung.)
(Ein weiteres Beispiel ist die Verwendung eines Steckers. Die meisten
Microcontrollerboards besitzen mehrere Reihen von Pins, die sich für den Aufbau
von Schaltungen auf Breadboards oder die Verbindung einzelner Sensoren über
Jumper Kabel eignen. Für die Verwendung in einem Rennwagen ist dies aber
ungeeignet. Gewünscht ist hier ein zentraler Anschluss aller Kabel. Anders als bei
den Pinreihen von herkömmlichen Microcontrollerboards kann man die
Anschlusskabel mit einem Stecker zentral an das Board anschließen, so die Kabel
bündeln und das Microcontrollerboard mit wenig Platzverbrauch unterbringen. Ein
noch wichtigerer Grund im Rennsport ist die Sicherung gegenüber Vibrationen. Sind
die Kabel nur lose in Pins gesteckt, kommt es schnell dazu, dass diese durch
Vibrationen rausrutschen. In den meisten Fällen würde dies dazu führen, dass das

Auto stehen bleibt, da beispielsweise ein Sensor nicht mehr erkannt wird. Ein
Stecker hingegen kann an dem Board befestigt werden, so dass dieses Risiko
wegfällt.)
Für die Eigenentwicklung spricht auch die Intension dieses Wettbewerbs, denn das
primäre Ziel soll hierbei das Sammeln von Erfahrungen in allen Bereichen des
Engineerings und der Projektorganisation sein. Die Entwicklung eines
Microcontrollerboards in der zweiten Saison eines Rennteams ist ein großer Schritt,
das gesammelte Knowhow wird hierbei für alle folgenden Generationen von Nutzen
sein.
(Die Möglichkeit zum freien Design eines Microcontrollerboards und zum Sammeln
von Erfahrungen in der Microcontrollerboardentwicklung, haben zu der Entscheidung
geführt die Entwicklung der Microcontrollerboards, welche im CM18e verwendet
werden, im Team durchzuführen.)
Die Vorbereitung der Entwicklung begann mit der Einarbeitung in das Themengebiet
der Microcontroller. Da der Microcontroller das Herzstück des Microcontrollerboards
ist und auch die Schnittstelle, die später Programmiert wird und somit eher als Kopf
bezeichnet werden sollte.
Außerdem musste eine Übersicht an Anforderungen und Schnittstellen erstellt
werden. Diese Übersicht dient der Auswahl eines geeigneten Microcontrollers und
darüber hinaus der Auswahl eines Microcontrollerboards, das als Vorlage für die
Eigenentwicklung verwendet werden kann.
Der Schaltplan dieses Microcontrollerboards wurde der Anwendung, für die es im
Rennauto vorgesehen ist, entsprechend modifiziert. Aus dem so erstellten Schaltplan
wurde im Anschluss das Platinenlayout erstellt.
Die Platine wurde anschließend bei einem Dienstleister gefertigt. Die Bestückung der
Platinen wurde in Eigenfertigung am Hauptstandort der DHBW Mannheim in der
Coblitzallee durchgeführt.
Die Funktionsfähigkeit der Micorcontrollerboards konnte durch entsprechende Tests
nachgewiesen werden.