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8 May 2017, 15:21

Außerirdische Elektronik-Designs, und das ist wörtlich gemeint!

Wir freuen uns immer, wenn wir ein bisschen mehr über Mitglieder unserer Community erfahren. Kürzlich lernten wir James Nadir kennen, als er uns hinsichtlich einer Leiterplatte um Hilfe bat, die er gerade entwickelte. Diese Leiterplatte, und das ist bereits eine spannende Geschichte an sich, ist für die Internationale Raumstation gedacht! Wir wollten mehr darüber erfahren, was James eigentlich tut, und deshalb erzählt uns James in eigenen Worten ein wenig mehr über die verschiedenen Projekte und Designs, an denen er selbst als Mentor an der Valley Christian High School mit seinen Schülern und Mitarbeitern beteiligt ist.

James Nadir (2. von links) mit einigen seiner Mitarbeiter an der VCHS

„Hallo, ich heiße James Nadir und bin als Mentor an der Christian Valley High School (VCHS) tätig. Wir helfen Schülerinnen und Schülern überall in den USA und auf der ganzen Welt dabei, ihre Experimente zum kleinen Preis und innerhalb von 9 Monaten an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) zu bringen. Sobald entsprechende Experimente an Bord der ISS durchgeführt werden, erhalten die Schülerinnen und Schüler etwa alle 2 Wochen Daten und Fotos von der ISS im Flug. Die VCHS stellt ein komplettes Ökosystem (Hardware, Software, Logistik, Lieferung und Rückholung der Module, Schulungen) für unsere Partnerschulen bereit und steht jeder Schule und jeder Universität offen. Mithilfe dieses Ökosystems können Schülerinnen und Schüler ihre Experimente fast genauso wie bei einem Raspberry Pi- oder Arduino-Projekt entwickeln, ohne dass sie erst Experten in Sachen Kommunikationsprotokolle, NASA-System- und -Flugbetrieb werden müssten. Mit anderen Worten, sie müssen nicht erst „Raketenwissenschaftler“ werden... Zwar liegt der Schwerpunkt bei autonomen Experimenten an Bord der ISS auf Wissenschaft und Technik, aber die Kenntnisse und Erfahrungen sind nützlich für jeden Fachbereich, der mit Wissenschaft und Technik zu tun hat. Lernende in all diesen Fachbereichen profitieren dabei im Hinblick auf ihre zukünftigen Karrieren. Mehr darüber erfahren Sie in einem Artikel, der kürzlich im Nature’s Publication Journal (NPJ Microgravity) veröffentlicht wurde und den Titel „Low-Cost Hitchhikers guide to the ISS“ (Per Anhalter zum kleinen Preis zur ISS) trägt. Darin werden die Begleitumstände und die Methoden, die im Raumfahrtprogramm verwendet werden, beschrieben.

Bevor ich als Freiwilliger bei der VCHS eingestiegen bin, spielte sich mein früheres Arbeitsleben bei der Intel Corporation ab, wo ich bei den Produktfamilien x86, Pentium und Itanium als Principle Engineer mitgewirkt habe. Ich habe auch die ersten Synthesis Libraries entwickelt (die bei der Umwandlung logischer Beschreibungen in physische Designs verwendet werden), Software zur Nachbearbeitung und Verbesserung synthetisierter Implementierungsleistung (automatisch platziert und geroutet) und ich habe Schaltungsentwicklungsteams bei der Entwicklung von First-Level- und Second-Level-Caches geleitet.  

Eine Lösung für anspruchsvolle Designs

Unser Programm begann mit der einfachsten Software, die man sich vorstellen kann, um es Schülerinnen und Schülern zu ermöglichen, Software zu entwickeln, Elektronikkenntnisse zu erwerben und ihre Nutzlast-Leiterplatten zu implementieren, die eine Kopplung mit den On-Board-Prozessoren herstellen. Das war gut für den Anfang, aber im zweiten oder dritten Jahr waren die Schülerexperimente viel ausgefeilter geworden, denn die Schülerinnen und Schüler stiegen viel intensiver in die Projekte ein und wurden von Universitätsprofessoren und anderen Wissenschaftlern begleitet, die ein Mikrogravitationsexperiment durchführen wollten, allein aber keine Möglichkeit dazu hatten. Wir mussten auf eine neue Generation von Tools umsteigen, um Experimente zu unterstützen, die viel ausgefeilter waren, als wir es uns zunächst ausgerechnet hatten. Dafür haben wir uns auch Sunstone, Eagle und CircuitMaker angeschaut, bevor wir uns für DesignSpark entschieden haben.

DesignSpark ist überaus intuitiv, bietet eine geringe Lernkurve bis zur Aufnahme sinnvoller Arbeiten und verfügt über hochwertige Funktionen wie zum Beispiel automatische Platzierung und Routing. DesignSpark war ideal, weil es den Aufbau einer Verbindung zwischen Schaltungen und mechanischer Technik ermöglicht und weil es in der Lage ist, ein 3D-Bild zu exportieren. Das ist eine spannende Sache, weil das Design von Schaltungen und mechanischen Einrichtungen nicht länger in der Art von „jenseits des Tellerrands“ getrennt ablaufen muss. Lernende im Bereich Elektrotechnik/Elektronik produzieren ein 3D-Bild, das anschließend für die Interferenzanalyse in ein 3D-CAD-Tool (z. B. DesignSpark Mechanical oder Autodesk Inventor) importiert wird. Es sind nur geringe Anstrengungen notwendig, um eine benutzerdefinierte Komponente (sogar eine nicht elektrische Komponente wie einen Flüssigkeitsbeutel oder eine Beobachtungskammer) zu entwickeln und als Teil des Leiterplatten-3D-Bilds zu integrieren. Das aber ist äußerst wertvoll für die mechanische Interferenzanalyse. 

Darüber hinaus möchten viele Schülerinnen und Schüler Kenntnisse entwickeln, die in der Branche gefragt sind. Eine Programmiersprache wie BASIC zu lernen ist nicht so spannend (obwohl es nach wie vor benutzt wird) wie sich „angesagte“ Sprachen wie Java, C#, C++ oder Python anzueignen. Ähnliches gilt bei einem Leiterplatten-Tool. DesignSpark ist hier sehr attraktiv, aber ohne die steile Lernkurve.

Moderne Schnittstellen

Wir stecken jetzt in der Entwicklung unseres Ökosystems der 3. Generation mit einer Integration von DesignSpark PCB und DesignSpark Mechanical. Natürlich gibt es nach wie vor Stolpersteine, wenn wir Dinge versuchen, an die die Entwickler dieser Tools ursprünglich gar nicht gedacht haben. Aber wir haben bisher Workarounds für alle Probleme gefunden und genießen überdies eine ausgezeichnete Unterstützung vom DesignSpark-Helpdesk. Unserer erster Versuch, DesignSpark PCP einzusetzen, lief überraschend einfach und brachte ein brauchbares Design hervor, das wir mittlerweile bei OSH Park herstellen. Das Design verwendete manuell platzierte Komponenten (links im Bild unten), sowie mit Auto-Routing platzierte, die anschließend manuell modifiziert wurden (rechts). 

Das war ein besonders schwieriger Test aufgrund des Hindernisses durch das Loch in der Mitte der Platine. Das Auto-Routing umschiffte diese Klippe erfolgreich ganz ohne besondere „Hier nicht!“-Attribute. Wir hätten uns auch mit der Auto-Routing-Version zufriedengeben können, aber wir wollten sehen, wie einfach sich die manuelle Bearbeitung gestaltet (und einfach war sie, obwohl es ungefähr eine Stunde dauerte).

Anschließend stellten wir ein 3D-Modell der Platine fertig. Dieses Modell setzten wir AutoDesk Inventor für die Interferenzanalyse vor. Auch das war viel leichter, als wir erwartet hatten. DesignSpark PCB nutzt die Konturen auf der Siebdruckebene, um die Grundfläche einer Komponente zu bestimmen, und die Höhe wird ganz einfach über das Attribut „height“ (Höhe) der Komponenteneigenschaft definiert. Das hier ist das 3D-Bild, das wir für die Überprüfung auf mechanische Interferenzen verwendet haben.

Jetzt fühlen wir gerade DesignSpark Mechanical auf den Zahn. Wir wollen wissen, ob es sich für Lernende ohne eine Ausbildung in den „Grundlagen der Technik“ (entsprechende Kurse setzen Inventor CAD ein), die aber für ihr ISS-Experiment ein Element im 3D-Druck produzieren müssen, als alternatives 3D-CAD-Tool eignet.

Sowohl DesignSpark PCB als auch DesignSpark Mechanical nutzen moderne Schnittstellen die mit Touchscreen-Anzeigen kompatibel sind. Die Intuitivität ihrer Schnittstellen macht diese Tools sehr attraktiv für Lernende und Mentoren.

Daten übertragen

Das Bild unten zeigt ein gehäuseloses Experimentalmodul, das das abgeschlossene Leiterplattendesign demonstriert. Die Leiterplatte wird für die Steuerung zweier peristaltischer Pumpen verwendet, und um eine Fotobeleuchtung für die Kamera bereitzustellen, die durch das Loch in der Mitte der Leiterplatte späht. Hinter dem Pumpenbauteil befindet sich die Mikroprozessorplatine mit digitalem und analogem E/A, Fotopuffer-RAM, Kameraunterstützung, Sensoren und dem Watchdog-Slave-Prozessor. Dahinter ist das Entwicklungssystem mit Hauptprozessor und Watchdog angeordnet. Der Hauptprozessor ist mit der Platine identisch, die im Flugsystem verwendet wird, und er enthält alle notwendigen Funktionen, um Schülerdaten während des Flugs vom Boden abzurufen und dorthin zu übertragen. Vor der Pumpenbaugruppe befindet sich die Platine für das Rapid Prototyping, das Lernende verwenden können, um Probleme im Hinblick auf ihre Flug-Soft- und Hardware schnell aufzudecken. Sie kann mit durchkontaktierten Bauteilen bestückt und verwendet werden, um einen externen Versuchsaufbau direkt zu steuern.

Die fertige Leiterplatte, dahinter die peristaltische Pumpe

50 % preiswerter und absolut beeindruckend!

Unsere ursprünglichen „kostenlosen“ Leiterplatten-Tools sind das Frontend der Leiterplattenfabrikation. Mit DesignSpark PCB sind wir jetzt von der Fabrikation abgekoppelt und können unsere Kosten erheblich reduzieren (mehr als 50 %). Die einfache Anwendung und die schnelle Beherrschung sind ebenfalls Faktoren der Kosteneinsparung, die wir zwar nicht berechnet haben, von deren Existenz wir aber genau wissen.

Insgesamt bin ich sehr beeindruckt von der niedrigen Lernkurve und der intuitiven Schnittstelle der Software. Die Möglichkeit zum Export von 3D-Bildern schafft eine Verbindung zwischen Elektro- und mechanischem Design, die uns in der Vergangenheit beschäftigt hat (hauptsächlich aufgrund der hohen Fixkosten maßgeschneiderter Komponenten), aber jetzt ist sie bequem verfügbar. Die Möglichkeit zum Import komplexer Platinenformen aus einem 3D-CAD-Tool (im XDF-Format) bedeutet ebenfalls einen Bonus für einige unserer komplizierten Leiterplatten-Formen, die erforderlich sind, damit die Leiterplatten in das kleine Experimentgehäuse eingepasst werden können.

Funktionserfordernisse

  1. Wir importieren komplexe Platinenformen, indem wir das SDF als Siebdruckebene verwenden und anschließend die Form mithilfe des Leiterplattenumriss-Tools nachzeichnen. Danach können wir das Design in eine Vorlage importieren, die über den „Translate to PCB“-Assistenten zur Umsetzung in Leiterplatten zugänglich sind. Es wäre viel bequemer, wenn wir das XDF direkt auf die Platinenebene importieren könnten.
  2. Eine weitere hübsche Eigenschaft ist die Möglichkeit, den Schülerinnen und Schülern vordefinierte „PCB templates“ (Leiterplattenvorlagen) mit bereits platzierten Steckverbindern und anderen mechanischen Teilen an die Hand zu geben, die für alle unsere Nutzlast-Leiterplatten erforderlich sind. Es wäre wünschenswert, dass diese Vorlagen ein vorgefertigtes Routing aufweisen würden oder in einer Art und Weise definiert wären, dass mit dem „Auflösen des Routings aller Netze“ (unroute all nets) nicht auch das Routing der Vorlage auflösen würden.
  3. Das Produzieren von Gerber-Dateien ist für Lernende ein leidvoller und fehleranfälliger Prozess. Wir haben „Copper Connection“ von Robot Room verwendet, um Gerber-Dateien zu generieren und Dateien automatisch und ohne manuelles Umbenennen oder besondere Konstruktions-Konfigurationsschritte hervorzubringen. Leider wurde Copper Connection von ExpressPCB aufgekauft (zur Verbesserung ihrer Layout-Tools und der Generierung von Schablonen). Es ist mein Glück, dass ich bereits eine Programmdatei erworben hatte: So kann ich immer noch preisgünstige Schablonen generieren, aber für andere ist das Tool nicht mehr erhältlich. Es wäre toll, wenn DesignSpark Gerber-Dateien für verschiedene Anbieter wie OSH-Park generieren könnte.  
  4. Wir haben einige Probleme mit dem Tool bei der Generierung der inneren Potentialflächen, aber dabei könnte es sich auch um einen Bedienungsfehler handeln. Sollte es sich aber um einen Programmfehler handeln, würde ich empfehlen, den mit hoher Priorität zu beheben.

Das VCHS-Programm für die Internationale Raumstation

Das VCHS-ISS-Programm ist ein Outreach-Programm für Lernende jeder Couleur. Damit wurden Schülerinnen und Schüler aus „Risikogruppen“ erfolgreich aus Gangs und von Drogen weggeführt, indem ihnen stattdessen ein lohnender Weg in den Bereich Technik und Wissenschaft eröffnet wird. Das Programm bringt hochgradig privilegierte und weniger privilegierte Schülerinnen und Schüler zusammen. Und einer der wichtigsten Vorteile liegt darin, dass Schülerinnen und Schüler die Arbeit in Teams kennenlernen, in denen jede Person genauso wichtig ist wie jede andere. Das heißt in diesem Zusammenhang, dass eine leitende Person auch nur eine mit unterschiedlichen Aufgaben ist, die Aktivitäten plant und koordiniert. Außerdem heißt es auch, dass das gesamte Projekt scheitert, wenn auch nur eine Position im Team scheitert. Das ist ganz anders als die Situation in der Umgebung eines Klassenraums, in dem Schülerinnen und Schüler miteinander wetteifern und alle unter Anleitung eines Lehrers das Gleiche tun. Im Rahmen des ISS-Programms lernen Schülerinnen und Schüler, dass es nicht die eine richtige Antwort gibt. Sie lernen, innovativ und erfinderisch zu sein, und sie bereiten sich damit auf eine Karriere im industriellen Umfeld vor. Ich möchte alle Schulen und Hochschulen aus tiefstem Herzen dazu ermutigen, sich an diesem Outreach-Programm für Lernende zu beteiligen und bei der VCHS Einzelheiten anzufragen.“

Wir bei DesignSpark möchten James ein Dankeschön dafür aussprechen, dass er sich die Zeit genommen hat, uns etwas über die Projekte zu erzählen, an denen er gemeinsam mit seinen Schülerinnen und Schülern beteiligt ist und die für den Einsatz auf der ISS bestimmt sind. Vielen Dank, James! Aus unserer Sicht hier bei DesignSpark ist es wirklich eine tolle Sache zu wissen, dass DesignSpark-DNA jetzt im Augenblick die Erde umkreist!

Besuchen Sie die VCHS-Website

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8 May 2017, 15:21

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