Flexible und plattformunabhängige Entwicklung mikrocontrollerbasierter mechatronischer Systeme für Nutzer ohne Vorwissen

................................................................................................... XXI Vorwort ................................................................................................. XXIII 1 Einleitung ............................................................................................... 1 1.1 Motivation ............................................................................................ 1 1.2 Zielstellung .......................................................................................... 3 1.3 Aufbau der Arbeit und Neuartigkeit .................................................... 5 2 Grundlagen – Stand der Technik ...................................................... 11 2.1 Mikrocontrollerbasierte mechatronische Systeme ............................ 11 2.1.1 Mechatronische Systeme Begriffsbestimmung ......................... 12 2.1.2 Mikrocontrollerbasierte mechatronische Systeme ....................... 15 2.1.3 Domänenspezifisches Expertenwissen im Bereich der mikrocontrollerbasierten mechatronischen Systeme ................... 19 2.2 Programmieren von Mikrocontrollern ............................................... 21 2.2.1 Plattformunabhängigkeit mikrocontrollerbasierter mechatronischer Software ............................................................ 23 2.2.2 Modellbasierte Softwareentwicklung .......................................... 25 2.2.3 Graphische Softwaremodellierung und Programmierung mikrocontrollerbasierter mechatronischer Systeme ..................... 27 VI Inhaltsverzeichnis 2.3 Grundlagen zur Mensch-Maschine-Schnittstelle .............................. 32 2.3.1 Mensch-Maschine-Schnittstelle ................................................... 32 2.3.2 Ergonomische Anforderungen ..................................................... 34 2.3.3 Der Nutzer im Zentrum der Entwicklung .................................... 35 2.3.4 Ziele der Usability-Evaluierung .................................................. 36 2.3.5 Methoden der Usability-Evaluierung .......................................... 38 2.4 Existierende Entwicklungssysteme für mechatronische Systeme .... 44 2.4.1 Herstellerspezifische textuelle Entwicklungsumgebungen ......... 45 2.4.2 Graphische plattformunabhängige Entwicklung ......................... 47 2.4.3 Modulare mechatronische Hardware mit graphischer Ablaufprogrammierung ............................................................... 52 2.4.4 SPS-Programmierung nach IEC 61131-3 .................................... 57 2.4.5 Modulare Elektronikbausteine mit graphischer Ablaufprogrammierung ............................................................... 60 2.4.6 Zusammenfassung ....................................................................... 61 2.5 Defizite bestehender Systeme ........................................................... 62 2.5.1 Flexibilität der Hardware vs. Expertenwissen ............................. 63 2.5.2 Flexibilität der Software vs. Expertenwissen .............................. 65 2.5.3 Identifizierte Schwachstellen ....................................................... 67 2.6 Zusammenfassung ............................................................................. 69 3 EasyKit und EasyKit Starter ............................................................. 71 3.1 Entwicklung mit EasyKit .................................................................. 73 3.1.1 EasyKit Elektronikmodule ........................................................... 74 3.1.2 EasyLab Entwicklungsumgebung ............................................... 77 3.1.3 Fazit .............................................................................................. 82 3.2 EasyKit Starter................................................................................... 83 3.2.1 EasyKit Starterboard .................................................................... 84 3.2.2 EasyKit Applikationsboard .......................................................... 85 3.2.3 Vereinfachung von EasyLab für den EasyKit Starter ................. 86 3.2.4 Vor der Nutzung des EasyKit Starters ......................................... 87 Inhaltsverzeichnis VII 3.2.5 Das EasyKit Gesamtkonzept ........................................................ 89 3.3 Nutzertests ......................................................................................... 90 3.3.1 Expertentests ................................................................................ 90 3.3.2 Tests mit Lehrern ......................................................................... 91 3.3.3 Nutzertests mit Schülern .............................................................. 94 3.4 Zusammenfassung ........................................................................... 100 4 Erweiterte Entwicklungskonzepte ................................................... 103 4.1 Drei-Ebenen-Konzept der Softwaremodellierung ........................... 103 4.2 Modellierung ereignisgesteuerter Abläufe ...................................... 114 4.3 Integrierte Entwicklung von Hardund Software ........................... 120 4.3.1 Modellierung der Entwicklungsplattform .................................. 120 4.3.2 Inbetriebnahme und Programmierung der informationstechnischen Plattform ............................................ 122 4.3.3 Modellierung der Sensoren und Aktoren ................................... 123 4.3.3.1 Testaufbauten aus dem Hobbyund Freizeitbereich .......... 123 4.3.3.2 Akademische und industrielle Testaufbauten ..................... 127 4.3.3.3 Aktoren und Sensoren der Beispielanwendungen .............. 132 4.3.4 Zusammenhänge zwischen Hardware und Software ................. 135 4.3.5 Darstellungsmöglichkeiten der Hardware.................................. 136 4.4 Signale und Datentypen ................................................................... 138 4.4.1 Datentypen ................................................................................. 139 4.4.2 Signalarten und ihre Datentypen ................................................ 140 4.5 Zusammenfassung ........................................................................... 142 5 Implementierung und Nutzertests ................................................... 145 5.1 Implementierung in einer Testumgebung ........................................ 145 5.1.1 Auswahl der Hardwareplattform ................................................ 146 5.1.2 Hauptarbeitsoberfläche .............................................................. 148 5.1.3 Modellierung der Sensoren und Aktoren ................................... 153 5.1.4 Funktion der Schnittstellenebene ............................................... 154 5.1.5 Behandlung von Datentypen ...................................................... 158 VIII Inhaltsverzeichnis 5.1.6 Parametrierung der Funktionsbausteine des Datenflussplans ... 160 5.1.7 Implementierung des Drei-Ebenen-Konzepts ........................... 161 5.1.8 Vorgehen bei der Entwicklung eines mikrocontrollerbasierten mechatronischen Systems mit Hilfe der Testumgebung ........... 163 5.2 Nutzertests ....................................................................................... 166 5.2.1 Auswahl der Testnutzer ............................................................. 167 5.2.2 Ablauf der Nutzertests ............................................................... 168 5.2.3 Ergebnisse der Nutzertests ......................................................... 174 5.3 Zusammenfassung ........................................................................... 181 6 Zusammenfassung und Ausblick..................................................... 183 6.1 Zusammenfassung ........................................................................... 183 6.2 Ausblick ........................................................................................... 186 Literaturverzeichnis ................................................................................. 191