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Ratgeber
Sowohl in der Industrie als auch im Haushalt privater IT-Fans sind Entwicklerboards im Einsatz. Mit ihnen können Vorgänge überwacht und Alltagsprobleme mit IT-Projekten gelöst werden. Was genau leisten die unterschiedlichen Tools und worauf sollte man beim Kauf eines Entwicklerboards achten? Unser Ratgeber gibt Ihnen einen schnellen Überblick.
Die international auch Development Board genannte Hardware besteht aus aufgelöteten Komponenten auf einer einzelnen Platine. Daher ist synonym auch die Bezeichnung Einplatinencomputer oder Single-Board Computer mit der Abkürzung SBC geläufig. Herzstück ist immer ein fest integrierter Mikroprozessor, oft auch Mikrocontroller genannt. Als System-on-a-Chip, kurz SoC, dient er dazu, Programme auszuführen oder Datensätze zu berechnen.
Welche Unterschiede gibt es zwischen Entwicklerboards?
In der Praxis werden die Einplatinencomputer entsprechend ihrer Ausstattungsmerkmale in verschiedene Untergruppen aufgegliedert. Häufig werden folgende Arten benannt:
Vollwertiger SBC
Auch wenn der Name Einplatinencomputer als Oberbegriff dient, werden nur die Module als vollwertige SBC bezeichnet, die sowohl über CPU und Arbeitsspeicher als auch einen Onboard-Grafikchip und Schnittstellen für Peripheriegeräte wie Tastatur, Maus und Monitor besitzen. Sie können als Mini-PCs genutzt werden. Dazu zählen unter anderem der Raspberry Pi 4 und der khadas VIM4, beide mit einer guten Anzahl Prozessorkerne, denn beide nutzen eine Quad-Core-CPU von ARM Cortex.
MCU
Zur leichteren Abgrenzung werden Einplatinencomputer, die als reine Controller dienen, meist als Mikrocontroller-Boards, kurz MCU, bezeichnet. Auf der Platine befinden sich nur der Mikroprozessor und mindestens eine Schnittstelle für die Programmierung, häufig ein USB-Slot. Möglich sind auch Interfaces wie SPI (Serial Peripheral Interface), LCD-Controller zum Ansteuern von LDC-Displays oder PWM-Ausgänge zur Steuerung analoger Schaltungen über digitale Ausgänge.
Der prominenteste Name im Bereich Mikrocontroller lautet Arduino: Die Physical-Computing-Plattform ist quelloffen und bietet im Bereich Hardware verschiedene Boards, darunter Arduino UNO und den besonders kleinen Arduino Nano.
Breakout Boards
Sie besitzen eine Sonderstellung, denn mit ihrer Hilfe können bei der Entwicklung von Prototypen diese getestet werden, ohne dass ein Prototyp über eigene Schnittstellen integriert wird. Wer beispielsweise ein Arduino-Board nutzt, müsste neue Elemente über das Verlöten von Bauteilen integrieren. Breakout Boards „brechen“ diese Beschränkung auf, indem Geräte über die Kontakte (Pins) via Klemmen kompatibel werden und ein Auslesen und Arbeiten möglich wird. Man könnte sie daher auch Adapter-Platinen nennen. Der Aufwand, Prototypen über physische Slots erst kompatibel machen zu müssen, entfällt dank ihnen.
Häufig ist auch von Evaluation Boards die Rede, wenn das Breakout Boards dafür genutzt wird, gewünschte Kontrollfunktionen nutzbar zu machen. Es kann zum Beispiel ein Sensor in das System integriert werden, um Temperaturentwicklungen zu evaluieren.
In der Industrie nutzen sie Unternehmen, um Maschinen zu steuern und mechanische Vorgänge sowie Füllstände zu überwachen. In Ausbildungsbetrieben sowie an Fachhochschulen und Universitäten werden sie zudem für Experimente und Projekte im Fachgebiet MSR (Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik) eingesetzt. Durch Programmierungen nahe an der Hardware werden Softwareentwicklung und der Umgang mit Elektronik geschult.
Die Anwendungsgebiete reichen aber auch in den Alltag der Endanwender hinein, denn Einplatinencomputer sind fester Bestandteil in größeren Geräten wie Heizungsanlagen oder Waschmaschinen und in kleineren Geräten etwa TV, Radio und Fernbedienung. Sie dienen zudem als Module in Automatikgetrieben, sind in Chipkarten und Uhren verbaut und ermöglichen das Funktionieren von Eingabe- und Ausgabegeräten wie Tastatur, Maus, Monitor und Co.
Der klassische Desktop-PC nimmt mit seinem Tower viel Platz auf oder unter dem Tisch ein. Selbst ein Notebook benötigt deutlich mehr Raum als ein Einplatinencomputer. Auch samt Gehäuse passen sie in eine Handfläche, sodass sie transportfähig und platzsparend sind.
Ein weiterer Vorteil liegt in der Vielfältigkeit der Entwicklerboards. Sie können durch Programmierung und Schnittstellen für viele Anwendungsfälle genutzt und erweitert werden. Mikrocontroller, die für eine spezifische Anwendung programmiert wurden, besitzen eine große Leistungsaufnahme, da keine anderen Prozesse ihre Kapazität beanspruchen. Ein robusteres Design der Boards macht sie zudem geeignet für ein industrielles Umfeld.
Hinzu kommt der Kostenaspekt: Die Boards sind im Vergleich zu klassischen PCs günstig. Viele Unternehmen bestellen sie in hoher Stückzahl und können damit enorm wirtschaftlich arbeiten.
Welche Schnittstellen für Entwicklerboards gibt es?
Die vorgesehenen Schnittstellen unterscheiden sich je nach Board, weshalb vor dem Kauf genau auf diese geachtet werden muss. Möglich sind:
- USB Typ-A (USB 2.0 oder USB 3.0)
- USB Typ-C
- Mini-USB
- HDMI
- RS-232
- SD-Karten
- I²C (Inter-IC Sound)
- Ethernet
- Wi-Fi
Welche Anbieter für Entwicklerboards gibt es?
Die zwei bekanntesten Namen sind Arduino sowie Raspberry Pi und auch das ASUS Tinker Board ist häufiger anzutreffen. Zu den weiteren Marken gehören Banana Pi, micro:bit, ODROID und Sparkfun. Außerdem stellen Anbieter wie Adafruit Industries, Whadda und Joy-it sowie AZ-Delivery und Tru Components Komponenten hier, die kompatibel zu den SBCs sind.
Welche Module sind für Einsteiger?
Für erste Schritte empfehlen sich vollausgestattete SBCs, die mit Grafik-Chip und mehreren Anschlüssen für USB-Kabel nahe an einem einfachen Desktop-PC sind. Reine Mikrocontroller wie Arduino-Module sind die nächste Stufe. Um Programmcode in den Prozessor aufzuspielen, werden sie über ihre Schnittstellen mit einem Computer verbunden.
Development Tools
Das Deckenlicht passt sich dem Wetter an, aus dem Wecker ertönt morgens der neueste Hit nach persönlichem Musikgeschmack und der Kühlschrank kauft von selbst ein. Im Zeitalter „intelligenter“ Haushaltswaren und dem Internet der Dinge ist der Bedarf an kleinen, einfach zu programmierenden Rechnern höher denn je. In unserem Ratgeber erfahren Sie, welches Development Tool für Ihr Projekt am besten geeignet ist.
Development Tools sind rudimentäre Computersysteme auf einer einzelnen Leiterplatine. Sie gehören also im weitesten Sinne zu den Einplatinencomputern (englisch: „Single-Board Computer”, kurz „SBC”). In ihrer Bauweise ähneln sie den ersten Computern vor dem Aufkommen moderner Komplett-PCs in den 70er und 80er Jahren des 20. Jahrhunderts. Allerdings sind sie wesentlich kleiner als ihre kleiderschrankgrossen Vorgänger.
Die Ähnlichkeit kommt nicht von ungefähr. Development Tools dienen als (zum Teil experimentelle) Steuer- und Messeinheiten innerhalb eingebetteter Systeme, für die herkömmliche PCs zu gross, zu teuer und schlicht „überqualifiziert“ sind. In der Regel sind auf der Platine eines Development Tools lediglich Schnittstellen, die je nach vorgesehenem Einsatz variieren, und ein Mikrocontroller verbaut. Ein Mikrocontroller ist ein System-on-a-Chip (englisch für „System-auf-einem-Chip”, kurz „SoC”), integriert also einen Prozessor, der Programme durchführt und Daten berechnet, und andere wesentliche Hardware-Komponenten auf einem einzelnen Chip.
Raspberry Pi
Die bekanntesten Einplatinencomputer sind die Raspberry Pis. Seit 2010 entwickelt und vertreibt die Raspberry Foundation die kleinen Rechner, mit der Absicht, Einsteiger und vor allem junge Menschen für Computertechnik zu begeistern. Durch ihre Vielseitigkeit sind sie allerdings auch bei erfahrenen Bastlern beliebt. Der Raspberry Pi des Modells 4b eignet sich etwa problemlos als sparsamer PC für Büro und Zuhause. Die Raspberry Foundation hat für ihre SBCs ein eigenes Betriebssystem mit dem Namen „Raspbian” entwickelt.
Arduino Boards
Arduino Boards sind die Hardware-Komponente des Arduino-Systems, einer Physical-Computing-Plattform. Physical Computing ist eine spezielle Disziplin der Computertechnik, die darauf abzielt, mithilfe von Software physische Systeme zusammenzustellen, die mit der analogen Umgebung interagieren. Arduino ist eine einheitliche, umfassende Umgebung für Tüftler und Bastler, die sich mit Physical Computing beschäftigen. Da die Hardware-Komponenten wie die Boards, auf denen sich in der Regel ein Mikrocontroller und verschiedene Input-Output-Schnittstellen befinden, mit Software-Komponenten wie einer eigenen Programmiersprache abgestimmt sind, lassen sich beide leichter kombinieren.
Evaluation Boards
Evaluation Boards stellen eine besondere Form der Breakout Boards da. Sie dienen Entwicklern neuer Geräte für Test- und Kontrollfunktionen.
Durch ihre äusserst einfachen, meistens auf eine Aufgabe wie Bluetooth-Konnektivität begrenzten Anwendungsbereiche sind sie preisgünstig und platzsparend. Hersteller und Bastler können ihr Projekt somit ohne grossen Aufwand auf ihre Funktionstüchtigkeit und Kompatibilität mit bestimmten Technologien testen.
Breakout Boards
Da Eingabe-Ausgabe-Boards wie Arduinos und SBCs wie Raspberry Pis möglichst minimalistisch konstruiert sind, bietet es sich an, sie gemäss ihrem angedachten Aufgabenbereich zu erweitern. Normalerweise müssten dafür weitere elektronische Bauteile aufwendig aufgelötet werden. Durch Breakout Boards, auf denen die Bauteile bereits verlötet sind, lassen sie sich hingegen ganz einfach aufstecken. Solche Erweiterungsplatinen sind leicht austauschbar und erlauben eine flexiblere Nutzung eines Development Tools.
Arduino Shields und Pi HATs
Arduino Shields und Pi HATs sind speziell für Arduino Boards beziehungsweise Raspberry Pis entwickelte Erweiterungsplatinen.
Da sie haargenau auf die Form und Pinbelegung der jeweiligen Hauptplatinen angepasst sind, ist die Erweiterung der Hauptplatine noch bequemer als durch herkömmliche Breakout Boards.
Mikrocontroller Boards & Kits (MCU)
Ähnlich wie Einplatinencomputer sind Mikrocontroller Boards kleine Rechner auf einer Platine, die vor allem in eingebetteten Systemen steuer-, mess- und regelungstechnische Aufgaben übernehmen. Im Gegensatz zu SBCs sind sie jedoch keine vollwertigen Computer. Ihnen fehlt ein multifunktionales Betriebssystem und sie verfügen in der Regel nur über eine Schnittstelle zur Programmierung.
Einplatinencomputer (Single Board Computer)
Einplatinencomputer beziehungsweise Single-Board Computer (kurz SBC) sind simple Computer, die alle notwendigen Komponenten auf einer einzelnen, in der Regel kreditkartengroßen Hauptplatine vereinen. CPU, RAM, BIOS und diverse Peripherieschnittstellen sind auf kleinem Raum untergebracht. Im Gegensatz zu klassischen PCs verfügen SBCs nicht einmal über ein Gehäuse. Dadurch sind die Systeme ungehindert zugänglich, lassen sich leicht um- und in eingebetteten Systemen verbauen. Das macht sie beliebt bei Bastlern und Herstellern von Haushaltsgeräten, die sie für Mess-, Steuer- und Regelungsvorgänge in ihren Konstruktionen nutzen.
Worauf ist bei dem Kauf eines Development Tools zu achten?
Welches Development Tool für ein Projekt infrage kommt, hängt in erster Linie von den gestellten Anforderungen ab. SBCs wie die Raspberry Pis lassen sich am vielfältigsten anwenden. Sie dienen nicht nur als Development Tools, sondern gegebenenfalls als eigenständige PCs. Dafür benötigen sie im Gegenzug mehr Platz und sind teurer als sparsamere Lösungen. Breakout-, Evaluation- und Mikrocontroller-Boards von Drittanbietern sind dagegen günstigere Lösungen für konkrete Aufgaben. Arduino Systeme, seien es Boards oder Shields, stellen einen guten Kompromiss dar, denn sie bieten eine grosse Auswahl an vorgefertigter, aufeinander abgestimmter Hard- und Software.
Unser Praxistipp: Kurzschlüsse von Development Tools vermeiden
Um Kurzschlüssen vorzubeugen, ist es wichtig, Hände und Werkzeug elektrostatisch zu entladen, bevor sie mit Development Tools und anderen Hardware-Komponenten in Berührung kommen. Dafür bietet es sich an, ein antistatisches Armband zu tragen. Durch Berührung mit anderen leitenden Gegenständen kann ebenfalls eine Entladung durchgeführt werden. Ausserdem sollten Development Tools nur in einer trockenen Umgebung gelagert, genutzt und installiert werden.