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EDV-Dompteur

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Donnerstag, 21. November 2013, 00:10

Arduino steuert komplettes Waschcenter

Beschreibung eines Service-Einsatzes, aus dem schließlich ein interessantes Projekt wurde.

Ein Neukunde, rief mich an: "Die Steuerzentrale meines Waschcenters ist ausgefallen; nichts geht mehr! Brauche sofort Hilfe!"

Während ich noch meine sieben Sachen zusammenpackte, machte er sich schon auf den Weg, mich mit dem Auto abzuholen.
Situation vor Ort:



Hier das Objekt der Erregung: Die Steuerzentrale.
Von hier aus bezahlen und starten die Kunden ihre jeweiligen Waschmaschinen, Trockner, etc.




Ein Blick hinter die Tür:



Die Taster werden in Matrixschaltung abgefragt. Die Leuchtdioden in den Tastern werden wiederum in Form einer Matrix angesteuert, wobei beide Schatungsteile ineinander greifen (gemeinsam benutzte Spaltentreiber).
Eine Matrixschaltung ist zwar kein grundsätzliches Hindernis, erschwert die schnelle Fehlersuche allerdings doch, zumal in einer solchen, ineinandergreifenden Schaltungsvariante.

Beide der übereinander montierten Matrix-Platinen waren defekt.



Die Funktion diese Platinen war genügend weitgehend klar, um sie reparieren zu können. Wenngleich ein programmierter PIC-Controller in solchen Schaltungen einem Servicetechniker doch ziemlich das Leben erschweren kann. Doch zum Glück war der PIC gesockelt.

Schadhaft waren die Zeilen- und Spaltentreiber der Matrix, aus den Typenreihen ULN und UDN. Exakt die hier benötigten Typen hatte ich nicht dabei, aber da nur einzelne Treiberkanäle defekt waren, konnte ich deren Funktion mit draufgeschusterten Transistoren nachbilden.

Wie sich zeigte, waren aber auch einige der LEDs in den Leuchttastern hinüber.
- Da gab es LEDs, die nur noch ganz schwach leuchteten.
- Andere leuchteten nicht mehr, verhielten sich rein elektrisch aber nach wie vor normal.
- Wieder andere waren hochohmig.
- Und wieder andere bildeten einen satten Kurzschluss.

Schon ungewöhnlich, diese Kombination, zumal mir der Besitzer des Waschcenters versicherte, dass bis zuletzt noch alle Leuchten in den Tastern in Ordnung waren.

Nachdem die Matrix bei simulierter Ansteuerung wieder das tat, was sie sollte, die Anlage jedoch weiterhin komplett bockte, nahm ich mir das Herz der Steuerung zur Brust: Die Prozessorkarte.



Wobei es, nur so als Randbemerkung, sogar noch eine weitere, recht ähnliche Prozessorkarte gab:



Die erste Prozessorkarte bedient die Tastaturmatrix, fragt die Münzprüfer ab und steuert schließlich vier identische Relaiskarten an (von denen das folgende Bild drei Stück zeigt):



Obige Relaiskarten sind sehr klassisch konstruiert: Per Flachbandkabel werden serielle Daten in Schieberegister geclockt, dahinter die üblichen Treiber (ULN), die ihrerseits dann die Relais ansteuern. Jeweils 2 x 8 Stück, um je acht Kanäle wahlweise positiv oder negativ ansteuern zu können.
Sonst sind auf den Karten nur noch ein paar DIP-Schalter und weitere Schieberegister plus Optokoppler vorhanden, zum Abfragen der "Fertig"-Meldung der Maschinen.
Solide, klassische Technik; da kann nicht viel schief gehen. Falls doch mal, wären diese Karten natürlich leicht reparabel.
Großartig vereinfachen könnte man die ohnehin nicht, weswegen ich die bei meinem späteren Umbau unmodifiziert beibehalten habe.

Von den Relaiskarten führen (im Bild nicht sichtbare, da abgezogene) Kabel zu den einzelnen Maschinen. Viel mehr als An/Aus passiert da nicht.
Doch, eines passiert noch: Die Abfrage, ob eine Maschine fertig ist.


Die Waschmaschinen bringen durchaus ihre Eigenintelligenz mit. Hier eine ihrer Steuerplatinen:



Ansonsten gibt es noch weitere Platinen in der Steuerzentrale. Z.B. diese Karte, welche die beiden Rüttler für die Ausgabe des Seifenpulvers bedient:



Bei den entscheidenden Teilen war im eingebauten Zustand partout nicht beizukommen. Es half leider alles nichts, ich musste die Nacht durchmachen und die Zentrale auseinanderbauen.



Wie sich zeigte, war die Prozessorkarte völlig hinüber. Floatende Signale, ohne definiertem Logikpegel - Totalschaden!
Bestückt mit diversen programmierten PIC-Controllern und einem EPROM, zudem in nicht mehr auftreibbaren Gehäuseformen, ist ohne Kenntnis des Programms eine schnelle Reparatur dieser Karte nicht zu machen gewesen.
Ein "Plan B" musste her …


Eine neue Steuerzentrale hätte 25.000,- EUR gekostet. Das war nicht drin. Was also tun?

Ich schlug dem Besitzer folgendes vor:
  1. Zunächst improvisiere ich eine Notbetriebsart; derart, dass ein Mitarbeiter, der auch das Geld der Kunden in Empfang nehmen muss, in der Lage ist, die Maschinen von Hand zu starten und zu stoppen.
    Etwa 1-2 Wochen muss also ein Mitarbeiter permanent vor Ort sein.

  2. Während dieser Zeit würde ich die Reparatur durch weitgehenden Umbau der Zentrale vornehmen.
    Angesichts des Schadensumfangs war nach meinem Ermessen der schnellste und preisgünstigste Weg um das Waschcenter wieder autark lauffähig zu bekommen folgender:
  • Ausbau aller Taster und des Textdisplays.
  • Ersatz dieser Teile durch ein Android-Tablet, das lediglich als Eingabemedium und der Visualisierung dient.
  • Das Tablet kommuniziert per USB mit einer von mir gebauten Steuerung, die ich programmiere.

Eigentlich ein wahres Paradebeispiel und Musterprojekt für MoSteuS …
… mit dem ich leider noch immer nicht fertig bin :-(

Da notgedrungen SOFORT eine funktionierende Lösung her musste, verwendete ich (fast unter Tränen!) einen Arduino Mega 2560 R3.

Eigentlich bin ich kein großer Freund der Arduinos, aber was sollte ich tun?
Die Dinger sind rotzbillig, gut verfügbar, jederzeit nachkaufbar und haben genug Power.
Da noch ein selbstgefrickeltes Shield drauf, und gut ist. Der Rest wäre nur noch Programmierung.

Für ein schickes Platinenlayout reichte die Zeit nicht, also frickelte ich das Shield per Hand auf Lochraster:



Die folgenden drei Bilder zeigen einen ersten Testlauf, mit angeschlossenem Logic-Analyzer:







Und hier nun das fertige Resultat (Tadaaaa!): :030:



Eine schicke Edelstahlplatte verdeckt die Löcher, in denen vormals die Leuchttaster eingebaut waren.
In einem rechteckigen Ausschnitt dieser Platte sitzt nun das Tablet:



Das Tablet dient jedoch wirklich nur der Visualisierung, sowie - per Touchscreen - als Eingabemedium, anstelle der alten Leuchttaster.

Es klingt fast ulkig, aber es war einfacher die vielen Taster und das zweizeilige Textdisplay durch das Tablet zu ersetzen, als diese Teile beizubehalten.
Der Arduino hätte auch in Matrixschaltung nicht genügend Anschlüsse gehabt, um all die vielen Leuchtaster anzusteuern/abzufragen; von dem Textdisplay ganz abgesehen.
Da hätte ich also erst noch eine Porterweiterung, oder einen zweiten Arduino im Mehrprozessorbetrieb dranfrickeln müssen.

Doch das wäre alles wieder etwas speziell gewesen. Ich wollte die neue Steuerung so konstruieren, dass alle Teile die überhaupt kaputt gehen können, schnell und einfach ersetzt werden können.
Für das Tablet und den Arduino trifft das definitiv zu. Mein Shield war ursprünglich unkaputtbar, denn es enthielt nur Schnittstellenstecker, jedoch (von den vier LEDs abgesehen) keine Halbleiter; diese wurden erst später hinzugefügt, um eine weitere Karte der alten Steuerzentrale wegrationalisieren zu können.

Übernommen habe ich von der alten Steuerung nur die noch intakten Relaiskarten, sowie die beiden Netzteile. Alles andere flog raus.

Man muss sich aber wundern, wie viele Prozessoren, bzw. Controller im Rest der Steuerung zuvor verbaut waren.
Nach meinem Umbau steuert letztendlich mein Arduino Mega 2560 das komplette Waschcenter. Eine rotzbilllige Platine für rund 13,- EUR!

Das Tablet dient ganz bewusst nur als dummer Touchscreen, der eine Oberfläche darstellt, die letztendlich vom AVR des Arduinos kommt.
Damit steckt die Software nahezu ausschließlich im AVR. Das vereinfacht die Pflege enorm, weil im Regelfall nur das BASCOM-Programm im AVR upgedatet werden muss.

Ja, richtig gehört: BASCOM! Was anderes kommt mir nicht in die Tüte!
Die komplette, parallelisierte Multithreading-Software habe ich in BASCOM geschrieben und ein simpler 8-Bit AVR steuert das gesamte Waschcenter:

- Fragt die beiden Münzprüfer ab.
- Steuert individuell die 27 Maschinen.
- Steuert die beiden Seifenpulverrüttler und die Pumpe der Weichspülerausgabe.
- Aktualisiert sekündlich die Anzeige auf dem Tablet.
- Nimmt Button-Betätigungen vom Tablet entgegen.
- Steuert einige superhelle Multicolor-LEDs in den Ausgabeschächten.

Und das alles natürlich parallel.

Liebend gerne hätte ich jetzt voller Stolz das Innere des Steuerschrankes gezeigt, bestückt mit MoSteuS-Komponenten.
Aber MoSteuS ist noch nicht fertig, so blieb es halt bei dem Arduino-Board mit meinem handgelöteten Shield auf Lochraster (Provisorien sind doch stets die stabilsten Lösungen - echt wahr!)
Und das gegenwärtige Innere sollte ohnehin lieber nicht jeder sehen, immerhin wurde die alte Steuerzentrale nach meiner Diagnose durch Sabotage/Vandalismus zerstört.

Letzteres der Versicherung zu verklickern, bzw. deren "Sachverständigem", ist mein jetziger Job.
Ein Thema für sich …
Fortsetzung wird vermutlich folgen; der Bericht des "Sachverständigen" strotzt demaßen vor Eigentoren, dass er förmlich danach kreischt, in anonymisierter Form veröffentlicht zu werden!


Bei Interesse an der hier vorgestellten Lösung:

Fa. EDV-Dompteur
Stefan Denk
Tel.: 040/ 64 94 17 49
Hirsekamp 20
22175 Hamburg
(Hausbesuche bitte nur nach telefonischer Vereinbarung!)
Macht Technik dir das Leben schwör, ruf' schnell den EDV-Dompteur! ;-)

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Donnerstag, 21. November 2013, 01:41

Ein bewährter Partner!

Bezogen auf das im Vorposting beschriebene Projekt muss ich unbedingt noch lobende und dankende Worte an den guten, alten Hubert Kahlert loswerden, Firma HK-Datentechnik, mit dem ich seit 'nem Viertel-Jahrhundert gemeinsame, erfolgreiche Projekte habe!

Die schicke Bedienoberfläche, die das im Vorposting gezeigte Tablet darstellt, hat "Hubi " programmiertechnisch umgesetzt.
Ich selbst programmiere nicht unter Android, doch irgend eine Instanz musste die vom Arduino geschickten Daten ja annehmen, um sie zu visualisieren.
Die APK, die dort läuft, hat Hubi mir gestrickt.

Besonderes Lob verdient er dafür, dass er meine Anforderung erfolgreich umsetzen konnte, die untere Bedienleiste zu eliminieren, die Android sonst einblendet. Schließlich sollen Kunden des Waschcenters keine Möglichkeit haben, das Programm zu beenden und andere Dinge auf dem Tablet anzustellen!

Gemeinsam machten Hubert und ich uns 'nen Kopf um die Art und Weise, wie Arduino und Android miteinander kommunizieren sollten; wie ein sinnvolles Datenformat aufgebaut sein müsste; und so weiter.
Hubert lieferte so schnell wie man es nur wünschen konnte ein erstes, funktionierendes Resultat. Ebenso flott reagierte er auf die (doch unerwartet vielen) Änderungswünsche, die im weiteren Projektverlauf auftraten.

Weil das zuerst eingebaute Tablet einen (auf manche Kundenfinger) schlecht reagierenden Tauchscreen hatte, musste ein anderes Modell her. Doch bei diesem gab es völlig unerwartete und ziemlich hartnäckige Probleme mit der USB-Schnittstelle, die ich ohne Huberts Hilfe nicht in vertretbarer Zeit hätte beheben können.

Vielen Dank an Hubi, für sein engagiertes Mitwirken! :486:
Und zugleich meine beste Empfehlung, bei jedem Kummer, der auch nur irgendwie in die Kategorie "Datentechnik" fallen könnte, einen Blick auf die Webpräsenz von HK-Datentechnik zu werfen!
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Dienstag, 26. November 2013, 10:06

For English speaking users:

Hubert gave the hint about this "hack" to hackaday.com:
http://hackaday.com/2013/11/25/running-a…ith-an-arduino/

As it seems, my explanations about the damage was a little bit short and not clear enough.
Also I should better explain why Arduino wasn't the my prefered solution in this case ...

Please give my some days for the next part of the report. I will give much more details.
Only two things, for a short impression:
  1. The damage was really massive. I'm sure, somebody tried to manipulate the system by using a source of high voltage. There're a lot of clear symptoms in this direction. But these days I'm still in a battle with the assurance company about this, so I can't give more details at the moment.

  2. Arduino wasn't my prefered system, because I started (but until now not finished) my own open-source project: "MoSteuS".
    http://edv-dompteur.de/forum/index.php?page=Board&boardID=2

    Like Arduino, MoSteuS also uses AVR-Controllers and it will be programmable with the Arduino IDE (by the way: I'm prefering BASCOM).
    But MoSteuS uses another formfactor, specially built for an industrial enviroment and home automation, with a scalable architecture based on RS-485, comming with some own data-protocols, a bundle of well fiting housings, and so on.
    So, as I wrote that Arduino wasn't my prefered system, the meaning was that for good reasons I had prefered my own system: MoSteuS.
    Arduino isn't exatly bad, it's worth the price. But in my opinion it's much more a nice toy for hobbyists, but (for some reasons) not such a good platform for professional, more industrial uses.

Please stay in contact. I'll give more informations in a few days. And I'm also looking for some competent enthusiasts which want to help me finnishing MoSteuS. As I said: It will be an open source project.
Fo a short impression about MoSteuS please have a look on its predecessor:
:!: MoSteuS - der Vorgänger :!:

Then, I think you'll understand why Arduino isn't my biggest love.


Best regards to hackaday.com
by

Stefan

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Dienstag, 26. November 2013, 15:41

Wieso, weshalb, warum?

Seit der Veröffentlichung des Berichtes häufen sich die Fragen, warum wir ein biliges 08/15-Tablet eingesetzt haben, statt einem Mega-Gorillaglas-Superduper-Antivandalismus-Touchscreen in der Ausführung "forte plus".

Nun, der Grund ist einfach: Keine Kohle, keine Zeit!
Es musste so schnell und so preiswert wie nur irgend machbar eine akzeptable Übergangslösung her.

Dem Betreiber des Waschcenters, wie auch mir, war von Anfang an klar, dass ein normaler Tablet-PC bezüglich Vandalismus ernsthaft gefährdet sein würde und vermutlich beim ersten harten Draufschlagen zerstört werden würde.
Aber - ey - ein Tablet kostet kaum 100,- EUR …
Da legt man sich eines oder zwei auf Reserve und gut ist. Immer noch weit billiger, als Vandalismus-sichere Profi-Teile.
Zudem hatte ich Ideen, wie man es montieren kann, so dass es zumindest deutlich mehr aushält, als normal.

Der Betreiber ist das Risiko eingegangen, in der Erwartung, damit genügend lange arbeiten zu können, bis Geld und Zeit vorhanden ist, eine Vandalismus-sichere Variante einzubauen.

Btw.:
Der Thread heißt: "Arduino steuert …"
Er heißt nicht: "Android steuert …"

Will sagen: Es mag sein, dass das Tablet eines Tages ersetzt wird. Durch was auch immer. Worum es in diesem Thread geht, ist dass ein AVR, in Form einer spottbilligen Arduino-Karte, ein ganzes Waschcenter anzusteuern in der Lage ist. Und das sogar mit moderner GUI (die momentan halt auf einem Android-Tablet dargestellt wird).

Weil der AVR/Arduino die Hauptaufgabe macht, ist es jederzeit und mit wenig Aufwand möglich ein anderes "Bedienterminal" einzusetzen.
Es werden nur ganz simple Kommandos in Form kurzer Strings zwischen Android und AVR ausgetauscht.

Das GUI auf dem Android ist weitgehend eine Art HTML-Oberfläche. Aber in Form einer eigenständigen APK, nicht Browser-basiert.
Jedenfalls könnte die Funktionalität der GUI relativ leicht und schnell auf ein anderes Bedienterminal übertragen werden, ob nun Android, Windows, Apple, oder sonst was.
Die eigentliche Steuerung erledigt der AVR.

Das ist in meinen Augen ein unglaublich effizienter Weg, schnell und im Team eine Anwendung zu realisieren:
Ein Teammitglied kümmert sich nur um die GUI und um ein simples Datenprotokoll. Dieser Mitarbeiter braucht von Elektronik Null Ahnung zu haben.
Ein anderes Teammitglied kümmert sich um die Ansteuerung der Elektronik, kennt sich mit Schieberegistern aus, mit PWM, mit ADC …
Aber er braucht sich nicht um das Design des Userinterfaces zu scheren.

Genau das war der Trick, wie Hubert und ich hier gemeinsam schnell eine Lösung am Start hatten.
Obwohl Hubert super-kompetent in puncto Elektronik ist, war er in diesem Fall der Mann fürs GUI. Schön daheim, in seinem Haus im fernen, fernen Örtchen Dormagen sitzend.

Meine Wenigkeit hingegen, war in Hamburg, im Waschcenter am Wurschteln. So mit Oszilloskop, Logic-Analyzer, Lötkolben und einem Schwung Datenblätter, aller möglichen Bauteile.
Also auf der Ebene von AVR & Co.
Softwaremäßig ist Bascom mein geliebtes Werkzeug, sobald AVR ins Spiel kommt. :454:

Weil ich gerade keine selbstentwickelte Mikrocontroller-Karte mit genügend I/O mehr herumliegen hatte und weil die Zeit für eine professionelle Platinenfertigung nicht reichte, griff ich halt zum Arduino und frickelte da ein auf Lochraster flott zusammengebratenes Shield oben drauf.
Übrigens: Mein erstes Arduino-Projekt überhaupt!
Ich finde die Dinger aus diversen Gründen gar nicht sooo toll und programmieren tue ich eh in Bascom. Aber zu dem Preis von 13,- EUR für den Arduino Mega 2560 R3 kann einfach keine andere Lösung gegenan stinken.

Unterschätzt hatte ich übrigens das Thema Software.
Zwar hatte ich ruckzuck die grundlegenden Sachen implementiert, aber bis insbesondere alle Arten von Fehlbedienung abgefangen wurden, verursacht durch die Kunden des Waschcenters ...
:222: :498: :223: :208: :210: :408: :410: :449: :447: :455:

... das war dann doch ein langer und überraschend schwieriger Kampf!

Viele Arten von Fehlbedienung konnte ich vorhersehen, aber die Phantasie der Leute, wirklich ultimativen Schwachsinn zu tun, übertraf meine schlimmsten Befürchtungen!
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Dienstag, 26. November 2013, 19:28

Die Kombination AVR+Android wirft als angenehmen Nebeneffekt noch eine Reihe weiterer Vorteile ab, die man allein mit einem AVR kaum kriegen kann.

So gibt es die Möglichkeit, per Bootloader und geeigneter APK die Firmware des AVR aus der Ferne, per Internet zu aktualisieren.
https://play.google.com/store/apps/detai…xrom.avrhidprog
http://www.obdev.at/products/vusb/bootloadhid.html

Obige Lösung habe ich derzeit noch nicht ausprobiert, werde das aber sicher bald nachholen und dann darüber berichten!

Dass das Userinterface sehr viel mehr Möglichkeiten bekommen hat, gegenüber den alten Leuchttastern, sollte jedem Leser von allein aufgefallen sein.
But what about sound? :488:

- Im Waschcenter sind Lautsprecherboxen montiert und es existiert eine Verstärkeranlage.
Es wäre jetzt theoretisch ohne größere Probleme machbar, auch akustische Meldungen aller Art zu machen.
Z. B. Sprachausgaben der Art: "Waschmaschine Nr. 13 ist fertig".

Und überhaupt das Thema Userinterface:
Ein AVR tut sich mit ansprechender Grafik natürlich schwer.
Im Waschcenter kam zwar eine echte APK zum Einsatz, aber vieles lässt sich prinzipiell auch per Webbrowser erledigen.
Eine speziell gestaltete HTML-Seite, eventuell garniert mit JavaScript, läuft auf so ziemlich jedem Device, inkl. Apple-Zeugs.
Also z. B. eine Website, die ein Userinterface zur Verfügung stellt, um diverse Parameter des AVRs einzustellen.

Beispiel Waschcenter: Es existieren zwei unabhängige Seifenpulverrüttler, die leider nicht exakt gleich arbeiten.
Je nach gewählter Waschmaschinengröße (wovon es drei an der Zahl gibt), wird eine unterschiedliche Menge Waschpulver ausgegeben.
Drei unterschiedliche Mengen, zwei Rüttler, die alternierend angesteuert werden - da waren also sechs Parameter (Rüttelzeiten) notwendig.

Gelöst hatte ich das per im Quelltext hinterlegten Variablen, mit normalerwiese festem Wert. Zusätzlich gibt es zwei Trimmer für den Feinabgleich.
Im Grunde wären aber sechs Trimmer besser gewesen.
Aber da müsste vom Betreiber dauernd nachgeregelt werden, weil die Konsistenz des Waschmittels nicht immer gleich ist.

Viel eleganter wäre also ein grafisches Userinterface mit dort dargestellten Schiebereglern, in einer HTML-Oberfläche, die der Betreiber jederzeit per Smartphone bedienen kann. Sogar aus der Ferne, wenn ein Kunde anruft und über zu geringe Ausgabemenge klagt.

Die Idee ist also, die GUI in HTML aufzubauen und bei Bedarf vom AVR zu senden. Ins WLAN gepustet wird die Oberfläche dann vom Tablet.
Man vergleiche die Einfachheit der Lösung mit anderen Wegen, einen AVR ins WLAN zu bringen! Oder ihn gar mit der direkten Ansteuerung eines Grafikdisplays zu quälen!

So lagert man den rechenintensiven Grafikkram aus und überlässt die Darstellung einem Device mit genügend Rechenpower (Smartphone, Tablet).
Der AVR bleibt aber der König, was die Ansteuerung der Elektronik betrifft und sogar die Oberfläche kommt aus dem AVR. Aber halt in Form von "Text" (HTML + Scripte).

Was will ich damit sagen?
- Nun, die Verbindung AVR + Tablet beschert dem mit AVR vertrauten Elektroniker eine riesige Menge neuer Möglichkeiten, ohne dass er sich großartig in die Programmierung von Tablets vertiefen müsste!
:211:
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