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Software für Elektronik - Unbrauchbares und wie man es besser macht



Wer kennt sie nicht, die völlig unleserlichen Eagle-Schaltbilder, denen man von Weitem schon ansieht, dass sie von einer Maschine für eine Maschine gemacht sind, aber keineswegs für Menschen lesbar sein sollen? Hier mein gesammelter Frust über so viel Zumutung. Und dann, wie man es besser und viel effektiver macht. Wer mit Eagle oder Fritzing konditioniert wurde, wird die neuen Freiheiten genießen, allerdings zum Preis von etwas mehr manueller Vorbereitungszeit.
  1. Die einsame Spitze der Schupserei: fritzing
  2. Arbeiten ohne Ablenkung: einfache Methoden

1 Die einsame Spitze der Schubserei: fritzing

Der neueste Schrei auf dem Markt für elektronische Laien ist Fritzing. Ein Open-Source-Projekt, also schon mal Pluspunkte.

Fritzing ist für den fleißen Arduino-Käufer ideal: sie macht vom Breadboard-Layout über das Schaltbild bis hin zum fertigen Platinenlayout angeblich alles alleine fertig. Von Elektronik muss man nicht allzu viel verstehen, eher einer der vielen Arduinos auswählen und an ein Breadboard anschließen. Aber gemach: es ist nicht Gold, was da glänzt, sondern schnödes Katzengold.

1.1 Das Standard-Projekt Multivibrator im Fritzing

Als Beispielprojekt lassen wir den simplen Multivibrator auf das Fritzing los. In der Breadboard-Ansicht ist die Schaltung schnell zusammengeklickt:

Breadboard layout Was heißt hier schnell: auf der Suche nach einem Widerstand kommen in einem fünfminütigen Suchlauf so ziemlich alle gespeicherten Komponenten zur Anzeige, zu 98% solche die mit Widerständen rein gar nix zu tun haben und Arduino heißen. Unter dem Unbrauchbaren sind mindestens 15 Arduino-Varianten aller Couleur, das Spielzeug scheint mit allen Untervarianten vollständig implementiert. Klar: auf jeder dieser Komponenten ist mindestens ein Widerstand verbaut, und genau dieses Lieblingsspielzeug durfte in der Liste der Widerstände genau nicht fehlen.

Hat man aus dem unnützen Wust dann einen 220Ω-Widerstand ausgewählt und auf dem Breadboard platziert, lohnt ein zweiter Blick auf dessen Eigenschaften. Ist es ein SMD-Typ, dürfte er eigentlich gar nicht auf das Breadboard passen, so ganz ohne Anschlussdrähte. Macht aber nix, alle Widerstände sehen auf dem Breadboard halt gleich aus (nur dann im Platinenlayout nicht mehr).

Das Zusammenklicken der wenigen Komponenten dauert ungefähr so lange, wie so eine optimale Platzierung auf einem Breadboard nun mal so dauert. Bis alles schön aussieht, geht da schon mal eine Stunde rum. Wer die Schaltung gar nicht auf dem Breadboard aufbauen will, für den bleibt diese Stunde danach nutzlose Nebenbeschäftigung.

1.2 Das Fritzing-Schaltbild des Multivibrators

Hat man alle Komponenten beisammen und schön auf dem Breadboard platziert, macht Fritzing daraus ein Schaltbild. Das sieht dann aber so aus:

Fritzing Schaltbild Ganz interessant ist schon die Platzierung der Komponenten: der Programmierer scheint einen Zufallsgenerator bemüht zu haben, um die maximale Unordnung anzurichten. Da passt fast nix zu gar nix anderem und die Verbindungsfäden gehen wild durcheinander.

So dürften die beiden LEDs eigentlich mit ihren Kathoden direkt an den beiden 220Ω-Widerständen liegen, die beiden Komponenten LED und Widerstand gehören offenbar zusammen und nicht wild irgendwo anders hin.

Auch die Drehung der Komponenten ist mehr Zufall als Absicht. Die beiden Transistoren sind im Breadboard-Layout absichtlich um 180° gedreht, die Schaltbild-Software hat sich aber entscheiden, dass 90° bei einem der beiden irgendwie besser aussieht. Reine Willkür.

Ab jetzt taucht der User für etwa zwei Stunden darin ab, der Software platzierungsmäßig Hilfestellung zu leisten. Wir wissen schon, wie das Schaltbild aussehen muss, die Software ist aber layoutmäßig doof wie Stroh und kriegt die einfachsten Sachen nicht gebacken. Verschieben, verdrehen, links und rechts sowie oben und unten vertauschen: mühsame manuelle Arbeit bis das Ganze so aussieht wie es soll. Nämlich etwa so:

Manuelle Komponentenplatzierung Nachdem jetzt durch viel manuelle Handarbeit in dem Bild eine gewisse Ordnung eingezogen ist, könnten die Verbindungen jetzt eigentlich ziemlich simpel gezogen werden. Vier bis fünf gerade Linien, ein paar Verbindungspunkte setzen und fertig ist das Schaltbildwerk. Nicht so bei Fritzing's routing:

Nach dem Routen Der Router hat da jetzt so ganz eigene Vorstellungen zur Leitungsführung. Es hilft auch nicht, die zahlreichen unerklärlichen Verknickungen in den Leitungen an die gewünschte Position zu schupsen, beim nächsten Routen sind die mühsam vorgenommenen Änderungen alle wieder da. Prädikat: nicht besonders lernfähig und anwenderfreundlich. Und alles andere als elektrisch ästhetisch.

Was jetzt noch kommt, ist von der Software gestohlene und völlig verlorene Zeit. Das Ding ist so hartnäckig, dass aus dieser Arbeit nur Frust resultiert. Diese verlorene Zeit resultiert aus der Grundentscheidung, keinen Schaltbild-Editor, sondern die Breadboard-Stöpselei als fröhlicher und netter Gimmick, aber als völlig nutzlose Grundlage für die Schaltbild-Eingabe zu wählen.

1.3 Fritzing und seine fehlenden Komponenten

Eigentlich sollte es in einem Elektronikprogramm einfach sein, neue Komponenten zu entwerfen und zu definieren. Nicht so bei Fritzings: für die triviale Aufgabe, eine Spule neu anzulegen, braucht die Computerzeitschrift c't ganze vier Seiten mit Von-hinten-durch-die-Brust-ins-Auge-Tricks. Die Unzulänglichkeiten von Softwareprojekten lassen sich daran hervorragend demonstrieren: der Elektroniker wird zum cleveren Trickser umerzogen, um Probleme zu lösen, die er ohne die Software gar nicht hätte. Wertlose Selbstbeschäftigung mit Nix, und das viele Stunden lang.

2 Arbeiten ohne Ablenkung: einfache Methoden

2.1 Schaltbilder malen

Schaltbilder malt man ganz einfach mit jedem guten Vektor-Malprogramm. Hier mal das Vorgehen beim Open-Office-Draw. Zuerst malt man sich alle Symbole, die man in der Schaltung braucht, also etwa so:

Open Office Draw Symbole

Kann man mit Draw umgehen, ist das eine Sache von maximal 15 Minuten, mit allen Schnörkeln etwas mehr. Beim Draw kriegt man allerdings beim Rotieren (da fehlt einfach der 90°-Drehknopf) mancher zusammengesetzter Komponenten (z. B. einer Leuchtdiode) arge Probleme, das ist z. B in tgif besser gelöst.

Open Office Draw 555 Auch neue ICs, die man für das Schaltbild braucht, hat man schnell zusammengezimmert, hier ein 555-Timer. Das geht ratzfatz und sieht auch noch gut aus. Keine vierstündige Forschungsarbeit wie bei Fritzings. Im Gegensatz zu den Fritzing-Komponenten haben hier die Pins auch die richtige Reihenfolge und sind nicht durch Vermischen fast beliebig umsortiert. Der Elektroniker auf Fehlersuche in seiner Schaltung schätzt es, wenn er die Komponente im Schaltbild genau so sieht, wie er auf sie im richtigen Leben draufschaut.

Fritzing 555 So sieht der Fritzing-555 im Schaltbild aus. Die Pin-Bezeichnungen sind Null aussagekräftig, obwohl sogar doppelt vorhanden. Dass sie hellgrau formatiert sind und dadurch nur mit einiger Vergrößerung lesbar sind, scheint so eine Standard-Unart von Elektroniksoftware zu sein. Mit solchem unbrauchbaren Unsinn muss man nicht die Zeit totschlagen.

Mehrere Pin-Funktionen Selbst ICs, bei denen Pins mit mehreren Funktionen belegt sind, kann man mit dem Zeichenprogramm einwandfrei darstellen (hier ein Mikrocontroller). Mach das mal mit so einer doofen Elektronik-Software, die kann das einfach nicht.

Natürlich sollte man dieses Pin-Chaos in einem leserlichen Schaltbild auf diejenigen Funktionen einengen, die bei den Pins tatsächlich benutzt werden, schließlich will der Schaltbildleser nicht wissen, was alles noch mit einem Pin gemacht werden könnte, wenn man wollte. Ratzfatz sind im Malprogramm die nicht benötigten Funktionen einfach herausgelöscht. Und das Ergebnis ist verständlich, auch bei Augenproblemen noch gut lesbar und schnell verständlich.

Fritzing tn24 So sieht die Komponente bei Fritzing aus. Immerhin sind noch zwei der maximal fünf Funktionen vorhanden, eine Auswahlmöglichkeit gibt es nicht. Und die Platzierung ist zwar besonders wertvoll, zwingt aber zum elendigen genauen Abzählen der - wieder in sanftem hellgrau formatierten - Pins, weil der Designer alles schön durcheinander gewirbelt hat.

Die Pins sind hier allerdings für eine andere Packungsart angegeben. Platziert man die Komponente auf dem Breadboard, wird dort eine 21(!!!)-polige DIP-Packung gemalt, so dass man ohne die - überdies klitzeklein formatierten Pinnummern - aus dem Schaltbild nicht hinkommt. Kompromisse, die das Leben maximal erschweren. Hat man alles beim manuellen Zeichnen gar nicht, da geht einfach alles, mit maximaler Flexibilität und nur durch den Geschmack des Bedieners begrenzt.

Mal eben PB0 mit XTAL1, PB1 mit XTAL2 bezeichnen, einen Quarz und zwei Keramikkondensatoren dran und fertig ist der quarzgetriebene Mikrocontroller. Bei Fritzings gibt es aber gar nicht erst solche Quarze, und die Software beschäftigt den Anwender folglich für zwei bis drei Stunden mit der Frage, von welcher vorhandenen Komponente man nun einen Quarz mit der Von-hinten-durch-die-Brust-ins-Auge-Methode umstrickt. In Draw eine Sache von zwei Minuten, bei Fritzing wird das ein anstrengendes Tagwerk.

2.2 Platinenlayout erstellen

Für das Erstellen eines Platinenlayouts braucht man auch keine spezielle Software, die genauso viel unnützen Ärger macht wie Fritzing. Das geht auch mit jedem Vektor-Malprogramm.

Als Beleg dafür hier die schöne Linux-Software tgif.

Neue tgif-Datei Um mit tgif zu arbeiten, reicht es aus, eine neue leere Textdatei mit der Extension .obj anzulegen. tgif speichert Zeichnungen in dieser Datei im Textformat, wer will kann darin mit einem Texteditor herumfummeln. Normalerweise braucht man das aber nicht.

tgif Start So sieht tgif aus, wenn man auf die leere obj-Datei klickt. Mit den Symbolen am linken Rand kann man Texte, Rechtecke, Kreise (nach Durchmesser und nach Radius), Striche und andere Geraden (ohne oder mit Knicken), geschlossene Mehrecke beliebiger Geometrie, Kreisabschnitte (nach Mittelpunkt oder nach Rundungsbogen), abgerundete Vierecke oder beliebige freie Objekte malen. Die Dicke der Objekte kann zwischen 1 und 7 (- 1 - ist hier eingestellt) verstellt werden. Rahmen zeichnen oder gefüllte Formen (hier gewählt None = keine Füllung), dem Füllmodus kann eine Schraffur hinterlegt werden.

Metrische Maße tgif eignet sich hervorragend für exakt bemaßte Zeichnungen, wie man sie in der Elektronik braucht. Die Größe von Platinen kann man am Besten in mm festlegen, z. B. 160*100 mm für eine Europlatine, 100*80 mm für eine halbe oder 80*50 für eine Viertel. Pinabstände von ICs und anderen Bauteilen sind besser in Inch, z. B. 2,54 mm oder 5,08. Mit beidem kommt tgif zurecht, indem man das Layout mittels Menue auf metrisches Format umstellen kann. Hier kann man das Zeichenblatt auch von Portrait- auf Landschaftsformat umstellen.

Zeichenmassstab Es hilft ungemein, wenn man das Layout vergrößert entwirft. In unserem Fall wird aus einer Achtel-Europlatine 50*40 mm eine Zeichenplatine im tgif von 250*200 mm, also fünffach größer.

Entsprechend legt man sich für Bohrungen von 3 mm (für Befestigungen), 1 mm (für dickere Pins) und 0,8 mm (für die meisten Elektronikkomponenten) maßstabsgerechte Vorlagen an. Daraus kann man sich dann durch Kombinieren der 0,8 mm-Bohrloch-Schablone mit Geraden, Rechtecken, Kreisausschnitten, etc. horizontale oder vertikale Einzelpins basteln.

Selbstverständlich kann man Teile der Zeichnung (z. B. einen horizontalen oder vertikalen Pin-Anschluss) gruppieren, duplizieren (mit Strg-D) und auch wieder entgruppieren, um ihn passend zu machen. Sehr komfortabel: beim Duplizieren merkt sich tgif den einmal eingestellten Abstand und die Richtung zum vorausgehenden Duplikat und dupliziert bei weiteren Duplikaten exakt im selben Abstand. So hat man schnell ein 40-poliges IC hineindupliziert und alles im exakten 2,54 mm-Raster.

Das exakte Platzieren der Komponenten macht man dazu in der Inch-Format-Rasteransicht, womit für mehr-pinnige Komponenten sichergestellt wird, dass alle Pins im 2,54 mm-Raster zu liegen kommen und auch bei einem 40-poligen Monster-IC alle Einzelpins exakt im Raster platziert sind.

Zoomen kriegt man übrigens ganz schnell mit Alt-Z, Herauszoomen mit Alt-O.

Farblayer tgif ermöglicht einen sehr einfachen Umgang mit farbigen Layern. Im Bild sind Leiterbahnen in schwarz, Bohrlöcher mit 0,8 mm in rot und Bestückungskomponenten in blau gezeichnet.

Durch Auswahl der farbigen Felder kann man die angezeigten Farblayer ganz einfach manipulieren.

Blau abgeschaltet Mit dem Ausschalten des blauen Layers verschwinden die Komponenten aus der Zeichnung, sind aber noch da.

Layout Leitseite Durch Ausblenden aller Farben ausser schwarz kommt man zu einer Druckvorlage für einen Laser- oder Tintendrucker. Die seitenverkehrte Beschriftung ist etwas aufwändig, weil sie aus horizontal gespiegelten, mit abknickenden Geraden konstruierten Einzelbuchstaben besteht.

tgif bietet zum Export eine Vielzahl von Exportformaten an. Darunter sind so gebräuchliche wie EPS, GIF, PNG, PDF und noch einige mehr.

Hat man sich für ein Ausgabeformat entschieden, kann man die Zeichnung z. B. mit gwenview auf den Drucker bringen. Dabei kann man im Druckdialog von gwenview den exakten Maßstab auf das Zielformat bringen (hier: 50*40 mm) und kriegt ziemlich exakte Verkleinerungen. Dabei hilft es, wenn man die Zeichnung mit einem exakten Rechteck (in dünnster Ausführung) umrandet hat, weil das beim Verkleinern hilft und das Rechteck beim Verkleinern sowieso verschwindet.

Bestückung Mit etwas Umfärben der Layer (alle Farben bis auf schwarz ausblenden, alles Sichtbare auswählen, Farbe von schwarz auf gelb wechseln, dasselbe mit den anderen Farben) kriegt man dann aus der Originalzeichnung einen schönen Bestückungs- und Bohrplan heraus.

Fazit: Sich von den Fesseln der Elektroniksoftware zu lösen bringt jede Menge neue Gestaltungsmöglichkeiten, von gut lesbaren und aussagekräftigen Schaltbildern über exakt maßstäbliche Platinenlayouts.

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©2017 by Gerhard Schmidt