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mexle2020:start [2020/11/09 02:43] tfischer |
mexle2020:start [2024/04/18 12:10] (aktuell) mexleadmin |
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| + | MEXLE steht für **M**ultimodale **EX**perimentier- und **LE**rnumgebung. \\ MEXLE soll alle MINT-Interessierte im Lernen unterstützen. \\ Auf verschiedenen Wegen soll das selbstständige und selbstwirksame Lernen angeregt werden. \\ Ein Teil davon ist dieses Wiki. \\ \\ | ||
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| + | \\ Wir sind überzeugt davon, dass die Zukunft eigenständige und kreative Denker und Gestalter braucht. Dafür ist MI(N)Treißende Bildung ein wichtiger Baustein. | ||
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| + | Unsere Vision für ein MINT-Bildung 2030 wird durch drei Bausteine getragen: | ||
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| + | Diese Vision braucht eine Komponentenplattform, | ||
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| + | \\ Die Zielgruppe für MEXLE 2020 sind | ||
| + | * MINT-Lernende | ||
| + | * Schüler der Sekundarstufe II (Gymnasien, Berufsfach- und -oberschulen, | ||
| + | * Studenten in MINT-Fächern | ||
| + | * Multiplikatoren | ||
| + | * Lehrer und Professoren der obengenannten Bereiche | ||
| + | * Schülerlabore | ||
| + | * Makerspaces | ||
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| + | ====== etwas mehr Details ====== | ||
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| + | Ob ein (Weiter)bildungssystem im Jahr 2050 angesichts der Digitalisierung für alle Elemente des Lernens noch Lehrer, Professoren und Gebäude benötigt, ist angesichts der Digitalisierung nicht abzusehen. Lernen durch ein Be" | ||
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| + | Der MEXLE Ansatz hierbei soll den lernenden und den begleitenden Partner zur schöpferischen Mitarbeit aktivieren. Ein Baukasten aus Code, elektronischen und mechanischen Module, sowie Lern- und Basteleinheiten soll Mathematik, Informatik, Naturwissenschaft und Technik begreifbar machen. | ||
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| + | <WRAP right> {{youtube> | ||
| + | Die Module sind leicht über einen **Modulträger** miteinander verknüpfbar. Dieser ermöglicht Energieversorgung und Datenaustausch. | ||
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| + | Module können direkt auf den Modulträger gesteckt werden oder als **Hook-up** auf andere Module. Module können verschiedene Funktionen beinhalten (Sensor, Aktor, Verarbeitung in einem Microcontroller). | ||
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| + | \\ In den letzten 5 Semestern wurde mit den Studierenden des Studiengangs " | ||
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| + | Dadurch wurden diverse Konzepte und Komponenten entwickelt: | ||
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| + | * Pulsoximeter (Sauerstoffsättigungsmessgerät) | ||
| + | * verschiedene Motorsteuerungen für Kleinstfahrzeuge | ||
| + | * Gewächshausüberwachung mit " | ||
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| + | * unterschiedliche Spielekonsolen-Klassiker | ||
| + | * Analyseboard für Muskel- und Gehirnströme | ||
| + | * ein Kartenbezahlsystem auf RFID-Basis | ||
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| + | * verschiedene Akustik-Filter | ||
| + | * Ansteuerung von bionischen Händen | ||
| + | * Bluetooth und WLAN Anbindung | ||
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| + | Der verwendete Microcontrollertyp, | ||
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| + | Im Gegensatz zu den bisherigen Plattformen deckt MEXLE den Bereich von einfachen Widerständen bis zu komplexen Sensormodulen als steckbare Module ab. Das vereinfacht die Konzeptionierung, | ||
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| + | \\ Sehr viel! | ||
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| - | MEXLE steht für | ||
| - | **M**ultimodale | + | </ |
| - | \\ **EX**perimentier- und | + | <WRAP column 67%> |
| - | \\ **LE**rnumgebung | + | Aus den vorhandenen Modulen muss ein sinnvolles und getestetes Set erstellt werden. Dieses soll erschwinglich und kompakt sein. Außerdem soll es bereits verschiedene Experimente ermöglichen. Zusätzlich werden verschiedene Messgeräte benötigt. Aktuell ist ein Hand-" |
| - | Die Idee dahinter ist, dass Sie als Studenten in Ihrem Lernen unterstützt werden. Auf verschiedenen Wegen soll das selbstständige Lernen angeregt werden. Ein Teil davon ist dieses Wiki. | + | </ |
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| - | ---- | + | Aktuell sind auf diesem Wiki [[: |
| - | ====== MEXLE System ====== | + | </ |
| - | === MiniMEXLE - die Historie === | + | <WRAP group>< |
| - | In der Fakultät T1 an der Hochschule Heilbronn wird seit über 15 Jahren ein Mikrocontroller-Lernsystem (MiniMEXLE) für die Lehre in Labor und Projekten im Bereich Informatik/Mikrocontroller mit großem Erfolg eingesetzt. Ein wichtiger Teil dieses Erfolgs war dem Umstand zu verdanken, dass die Studierenden das Lernsystem entweder selbst erwerben oder ausleihen konnten und damit auch am heimischen Schreibtisch arbeiten konnten. Neben dem MiniMEXLE-Board waren dazu nur eine kleine Stromversorgung und ein PC mit Entwicklungsumgebung notwendig. Die Entwicklung des MiniMEXLE und seine Verbreitung wurden mehrfach im Rahmen des Programms LARS unterstützt. Dem bisherigen Lernsystem fehlt aber eine breitgefächerte Modularisierung, | + | \\ \\ |
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| - | === MEXLE 2020 === | ||
| - | MEXLE 2020 soll aus dem bisherig gelerntem einen fächerübergreifenden Baukasten entwickeln. Dazu werden - von Elektronik beginnend - Teilsysteme aufgebaut. Ab 2021 ist hierzu eine Verbreiterung des Systems geplant. Damit werden Bereiche wie Regelungstechnik, | ||
| - | ====== Hardwarekonzept ====== | ||
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| + | Bisher besteht MEXLE2020 aus vielen Einzelteilen, | ||
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| - | Die Konzeption der Hardware trägt der Flexibilität des Einsatzortes Rechnung. Aus diesem Grund wird | + | ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ |
| - | ein kleiner handlicher Koffer verwendet, der ganzflächig mit einem Modulträger bestückt ist (<imgref pic01>). Der Modulträger dient dabei sowohl als mechanischer Träger, wie auch zur elektrischen Verbindung der Module untereinander. Im Bild ist ein großer Modulträger für bis zu 4x8 Module zu sehen. Stromversorgung und Steuerbus werden durch die 6-poligen Stecker verteilt, welche jeweils unten auf den Modulpositionen zu sehen sind. Ein weiterer Signalpfad steht mit den Buchsen an den Ecken der Modulpositionen zur Verfügung | + | ====== Hardwarekonzept ====== |
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| + | \\ Die Konzeption der Hardware trägt der Flexibilität des Einsatzortes Rechnung. Aus diesem Grund wird | ||
| + | ein kleiner handlicher Koffer verwendet, der ganzflächig mit einem Modulträger bestückt ist. Der Modulträger dient dabei sowohl als mechanischer Träger, wie auch zur elektrischen Verbindung der Module untereinander. Im Bild ist ein großer Modulträger für bis zu 4x8 Module zu sehen. Stromversorgung und Steuerbus werden durch die 6-poligen Stecker verteilt, welche jeweils unten auf den Modulpositionen zu sehen sind. Ein weiterer Signalpfad steht mit den Buchsen an den Ecken der Modulpositionen zur Verfügung | ||
| Der Erstellung des Grundkonzepts liegen folgende Leitlinien zugrunde: | Der Erstellung des Grundkonzepts liegen folgende Leitlinien zugrunde: | ||
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| * Kostengünstige, | * Kostengünstige, | ||
| * Preisorientierung an studentischen Finanzen (Eigenerwerb erwünscht!) | * Preisorientierung an studentischen Finanzen (Eigenerwerb erwünscht!) | ||
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| - | <imgcaption pic02|Verschiedene Mexle 2020 Platinen (im Vordergrund) und kleiner 2x3 Modulträger> | + | < |
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| - | Für die einzelnen Modulplatinen sind verschiedene Formate definiert. | + | </ |
| + | Für die einzelnen Modulplatinen sind verschiedene Formate definiert. | ||
| Eine einfachere 1x1 Platine ohne Hook-up Buchsen und ohne Anschluss an Stromversorgung und Steuerbus des Modulträgers ist rechts im Bild zu sehen. | Eine einfachere 1x1 Platine ohne Hook-up Buchsen und ohne Anschluss an Stromversorgung und Steuerbus des Modulträgers ist rechts im Bild zu sehen. | ||
| Links im Bild ist eine 3x1 abgebildet. Diese nimmt mit den Maßen 3,2 Zoll Breite und 1 Zoll Höhe drei Modulpositionen auf dem Modulträger ein. Der 6-polige Anschluss an den Modulträger ist in diesem Fall rechts zu sehen. | Links im Bild ist eine 3x1 abgebildet. Diese nimmt mit den Maßen 3,2 Zoll Breite und 1 Zoll Höhe drei Modulpositionen auf dem Modulträger ein. Der 6-polige Anschluss an den Modulträger ist in diesem Fall rechts zu sehen. | ||
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| - | <imgcaption pic03|Prototyp für Mexle 2020 Koffer mit Modulträger> | + | <WRAP right><fs x-large> |
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| - | Prinzipiell sind verschiedene Größen für Module vorgesehen (<imgref pic03>). Kleine Module (0,25x1) können für einfache diskrete Elemente genutzt werden, z.B. Widerstände oder Dioden. Standard Module für Microcontroller-Platinen nehmen die Größe 1x1 ein. Für breitere Komponenten und Systeme, wie z.B. Displays oder die Filterstufen in <imgref pic02> können größere Module entwickelt werden. | ||
| - | Als Basis für Grundplatinen sollte stets das 1x1 Format und die Anschlüsse der Microcontroller-Platine [[mexle2020: | + | </ |
| + | Prinzipiell sind verschiedene Größen für Module vorgesehen. Kleine Module (0,25x1) können für einfache diskrete Elemente genutzt werden, z.B. Widerstände oder Dioden. Standard Module | ||
| - | <imgref pic04> zeigt verschiedene Platinen im Multi-Nutzen, | + | Als Basis für Grundplatinen dienen die Anschlüsse und das 1x1 Format der Microcontroller-Platine [[mexle2020: |
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| + | Links sind verschiedene Platinen im Multi-Nutzen | ||
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| - | <imgcaption pic04|Unbestückte Platinen | + | <WRAP right><fs x-large> |
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| + | Im Gegensatz zu anderen Produkten wie Arduino, Calliope mini, Raspberry Pi, Bricks' | ||
| + | * **Skalierbarkeit - von klassischen Elektrobaukasten bis zum Multi-Prozessor-System**: | ||
| + | * **Flexibilität und Kompatibilität - auf unterschiedliche Microprozessoren ausgelegt**: | ||
| + | * **Kompakt und steckbar - Etwas Großes ist die Summe von vielen Kleinen **: \\ Einfache MEXLE Module sind 1 Zoll mal 1 Zoll groß, also etwa 25 x 25 mm². Damit sind die Module etwa halb so groß wie ein Arduino Nano. Im Gegensatz zu Arduino wird bewusst auf das klassische Steckbrett für das Microcontrollerboard verzichtet. Warum? Wer länger mit Microcontrollerboards und dem Steckbrett gearbeitet hat, weiß, dass nach einigem Umstecken der Steckkontakt wackelt und nicht mehr zuverlässig verbindet. Bei MEXLE 2020 ermöglicht der eigene Modulträger das Stecken und Verbinden von Modulen - im Gegensatz zu anderen Produkten (z.b. MikroElektronika) ist dieser Aufbau sehr günstig und flexibel. Durch den Modulträger wird auch einem Kabel-Wirrwarr vorgebeugt. Daneben sind die vorhandenen Modulträger so angepasst, dass diese bündig in verfügbare Gehäuse und Koffer passen. | ||
| + | * ** Schnittstellen und Optionen - Module neben- und übereinander **: \\ Wie die anderen Produkte auch werden die seriellen Schnittstellen I2C und SPI unterstützt. I2C ist dabei auch die Schnittstelle zwischen den einzelnen Modulen. Damit werden komplexere Systeme mit mehreren Microcontrollern (z.B. je einen für Eingabe, für Verarbeitung, | ||
| + | * ** Offenheit und Preiswertigkeit **: \\ Dem MEXLE 2020 fehlen bewusst die Modulgehäuse. Damit bleibt für den Nutzer der Kontakt zu der Elektronik bestehen und die Kosten sinken. Dem lötinteressierten Sparfuchs wird zudem auch eine Variante zum Selbstlöten angeboten. | ||
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| + | Beispielaufbau mit Stromversorgung (links oben), Microcontrollerplatine (links unten), Motortreiberplatine (rechts) | ||
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| + | LED cube in Aktion | ||
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| + | LED cube entwickelt im 3. Semester Mechatronik und Robotik | ||
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| + | Elektronik des LED cube auf MEXLE2020 Basis (zwei ATMega328 zur Auswertung von Musiksignalen mit Eingangsfilter und FFT, sowie zur Ansteuerung des Würfels) | ||
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| + | Stromsensor zur berührungslosen Messung bis 3A als Hookup auf einem Board mit ATMega328 | ||
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| + | {{mexle2020: | ||
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| + | erster Prototyp des Demonstratorsystems " | ||
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| + | erster Prototyp eines Demonstratorsystems " | ||
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| + | {{mexle2020: | ||
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| + | MEXLE Microcontroller Board mit Bluetooth-Dongle und Display/ | ||
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| + | MEXLE Microcontroller Board mit selbst entwickeltem 8x8 Farb-LED Matrix (WS2812) auf 25x25mm² | ||
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| + | {{mexle2020: | ||
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| + | zwei MEXLE Microcontroller Boards: eines mit ATMega328, ein weiteres mit USB-Anschluss an ATMega32U4. | ||
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| - | <imgcaption pic05|Beispielaufbau mit Stromversorgung | + | ====== Softwarekonzept ====== |
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| + | Die notwendige Software für die Microcontroller-Module wurde und wird in Bibliotheken entwickelt. Damit fällt „Lab-in-a-Box“ Nutzern die ersten Schritte in Informatik und Technik leicht. Eine Anbindung an PCs oder Mobiltelefonen ist per USB oder WLAN möglich. | ||
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| + | Für den Test eigener Software wird das frei verfügbare Tool [[https:// | ||
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| + | Neben der Simulation von Microcontrollern, | ||
| + | Im Online-Skript zu den Vorlesungen ist eine Schaltungssimulation eingebaut. Diese soll es dem Studierenden ermöglichen verschiedene logische, elektrotechnische und elektronische Situationen leicht zu erfassen und zu verändern. Das Skript soll die praktische Übung mit den Lab-in-a-Box ergänzen. | ||
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| + | Teil des Stromkreises ist eine Batterie. Außerdem befinden sich zwei Schalter $S_1$ und $S_2$, sowie ein Last-Widerstand $R_L$ im Stromkreis. Zusätzlich wird die Spannung $U$ an der Batterie und der fließende Strom $I$ mit Farben visualisiert und als Zahlenwert dargestellt. | ||
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| + | Im unteren Teil der Simulation ist eine Diagramm zu sehen, welches die aktuelle Batteriespannung $U$ auf der x-Achse und den Strom $I$ auf der y-Achse darstellt. \\ Dieses Diagramm ist die Strom-Spannungs-Kennlinie. Der aktuelle Punkt $(U,I)$ heißt Arbeitspunkt. | ||
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| + | Aufgaben: | ||
| + | - Verändern Sie den Arbeitspunkt durch Schalten der Schalter (Doppelklick). Welcher maximale Strom $I_{max}$ und welche maximale Spannung $U_{max}$ lässt sich ablesen? \\ \\ | ||
| + | - Der Wert des Last-Widerstand $R_L$ lässt sich doch Doppelklick auf den Widerstand ändern. Außerdem befindet sich rechts neben der Simulation ein Schieberegler (Slider) '' | ||
| + | - Die Ausgangsspannung der Batterie ändert sich also, abhängig vom äußeren Widerstand. Dies lässt sich durch einen Spannungsabfall am einem gedachten Innenwiderstand $R_i$ der Batterie beschreiben. \\ Nun sollen Sie versuchen die Größe dieses Innenwiderstands anhand der Kenntnisse des Kapitels [[: | ||
| + | - Betrachten Sie die Ergebnisse aus den Aufgaben 1. und 3. . Wie lässt sich aus dem maximaler Strom $I_{max}$ und der maximalen Spannung $U_{max}$ der Wert des Innenwiderstands $R_i$ bestimmen? | ||
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| - | ====== Software-Konzept ====== | + | </ |
| - | Die für den Betrieb notwendige Software bezieht sich auf den Einsatz im Bereich Signalgenerierung und Messung. Zum einen wird ein für Ausbildung frei verfügbares Tool verwendet zum anderen wird das Benutzerinterface im Rahmen des Projekts selbst erstellt. Der Benutzer des „Lab-in-a-Box“ muss zur Verwendung keine Software selbst erstellen. | + | |
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| - | Die grundlegenden Lernmaterialien werden in einem projektspezifischen Wiki zusammengefasst. Dieses Wiki dient auch als flexible Kommunikationsplattform zwischen Lehrenden und Studierenden sowie zum Austausch unter den Studierenden. | + | ====== |
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| - | ====== Förderungen ====== | + | <panel type=" |
| + | Schon vor der Entwicklung von Arduino wurde in der Fakultät T1 an der Hochschule Heilbronn Mikrocontroller-Lernsysteme für die Lehre in Labor und Projekten im Bereich Informatik/ | ||
| - | <WRAP right> | + | Die Entwicklung des MiniMEXLE und seine Verbreitung wurden mehrfach im Rahmen des Programms LARS unterstützt. Diesem Lernsystem fehlte aber eine breitgefächerte Modularisierung, |
| + | </panel> | ||
| + | <panel type=" | ||
| + | MEXLE 2020 soll aus dem bisherig gelerntem einen fächerübergreifenden Baukasten entwickeln. Dazu werden - von Elektronik beginnend - Teilsysteme aufgebaut. Ab 2021 ist hierzu eine Verbreiterung des Systems geplant. Damit werden Bereiche wie Logik, Regelungstechnik, | ||
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| - | * 2018: [[https:// | + | </WRAP> |
| - | * 2019: [[https:// | + | |
| - | * 2020: [[https:// | + | |
| - | {{page>mexle2020: | + | ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ |
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