Ingenieursvaadigheden: Design & Prototyping

Laurent Segers - lasegers@vub.ac.be

Yannick Verbelen - yannick.verbelen@vub.ac.be

Introductie

De presentatie van het wekkerproject die tijdens het hoorcollege informatica van 3 oktober 2016 plaatsvond kan via deze link gevonden worden.

Overzicht

De kracht van ingenieurs schuilt in hun vaardigheden om ideeën en concepten te realiseren in concrete prototypes. "Prototypes, not PowerPoints" is met goede reden de slogan van ons fablab. Het leren ontwerpen, ontwikkelen en documenteren van prototypes is dus een belangrijk aspect van elke échte ingenieursopleiding. In het vak Ingenieursvaardigheden: Design & Prototyping wordt de basis gelegd voor ontwerp- en prototypingtechnieken.

Het vak bestaat uit 2 delen: begeleide labosessies en zelfstandig werk. In de labosessies zal je in kleine groepen kennis maken met prototypingtechnieken: je leert microcontrollers programmeren, elektronische schakelingen bouwen op breadboard, eenvoudige printplaatjes ontwerpen en etsen, solderen, bekabelen, testen, behuizingen ontwerpen, lasercutten enzovoort. Dit gebeurt onder begeleiding van laboverantwoordelijken. In het deel zelfstandig werk zal je je vaardigheden vervolgens moeten bewijzen via een concrete opgave: het ontwerp en de bouw van een wekker. Hiervoor krijg je een volledig academiejaar de tijd.

Opgave

De opgave luidt als volgt:

Ontwerp een elektronische wekker die de correcte tijd weergeeft op een manier die in het donker zichtbaar is. Via een wekkerfunctie moet een tijdstip kunnen ingesteld worden waarop de wekker moet “aflopen”, en deze gebeurtenis moet met een duidelijk hoorbaar audiosignaal gesignaleerd worden aan de gebruiker. Er moet ook een “snooze”-functie voorzien zijn waarmee het aflopen van de wekker onderbroken en met 10 minuten verlaat wordt. De wekker moet visueel aangeven of het alarm op staat of niet.

De opgave staat ook op pagina 1 van de begeleidende nota's.

De opdracht omvat een solide realisatie van de elektronica, in een stevige en goed ontworpen behuizing. Het doel is een duurzaam werkende wekker te realiseren, en geen prototype dat slechts één keer werkt en dan uit elkaar valt.

Beoordeling

Je wekker wordt beoordeeld door een jury van docenten, waaraan je je ontwerp zal voorstellen. Er wordt onder meer gechecked of de basisfunctionaliteiten in de opgave ge\"implementeerd zijn, welke andere features je hebt toegevoegd, hoe stevig je behuizing is, of alle onderdelen bereikbaar en gemakkelijk vervangbaar zijn, hoe verzorgd de bekabeling is, enzovoort. Je kan enkel beoordeeld worden op een werkende wekker. Wekkers die "bijna" werken worden niet beoordeeld en resulteren dus in een score 0.

In de loop van het academiejaar worden regelmatig tussentijdse evaluatiemomenten voorzien waarvan je kan gebruik maken om advies in te winnen over de stand van zaken van je wekker. Deze evaluatiemomenten be\"invloeden je eindscore niet, maar geven je alvast een indicatie van je voortgang. Op basis van deze feedback kan je jezelf bijsturen indien nodig. Het is dan ook warm aanbevolen om van deze evaluatiemomenten gebruik te maken.

Materiaal

De elektronische componenten waaruit je je wekker opbouwt, zijn aanwezig in het elektronicalabo of in het fablab. Voor het materiaal dien je echter zelf te zorgen. Er wordt o.a. van je verwacht om een eigen Arduino Uno microcontroller development board, enkele breadboards en bijhorende kabels, een multimeter, een schuifmaat, een schroevendraaierset, een kniptang, een striptang en een nijptang aan te schaffen en deze ook mee te brengen naar de labosessies. Dit materiaal komt grotendeels overeen met de benodigdheden voor het vak Basiselektronica. De volledige lijst met aan te kopen materiaal en enkele concrete suggesties vind je in de materiaallijst. Je hoeft niet steeds alle materiaal mee te brengen, er zal op voorhand aangekondigd worden welk materiaal je nodig hebt voor elke labosessie.

Een laptop is voor een moderne ingenieur een even essentieel stuk gereedschap als een multimeter of schroevendraaier. Je hebt een laptop nodig om elektronische schema's te lezen, datasheets op te zoeken, mechanische ontwerpen te tekenen, en uiteraard om samen te werken met je medestudenten. Een laptop hoeft geen grote hap uit je budget te nemen. Als je reeds in het bezit bent van een laptop, dan kan je die gerust gebruiken, en hoef je er dus zeker geen nieuwe te kopen. De enige vereisten zijn dat je Linux Mint kan draaien, met daarop een virtual machine (zie hieronder). Een dual core processor en een eenvoudige grafische kaart met 3D-acceleratie zijn hiervoor in principe voldoende. In de materiaallijst vind je een aanbeveling voor een laptop. Voor het academiejaar 2016-2017 is dit de Medion Akoya E7415 die te koop is vanaf 550 EUR.

Tot slot heb je ook de begeleidende nota's voor dit project nodig om mee te kunnen volgen tijdens de labosessies. Het is aanbevolen om deze nota's aan te kopen bij de cursusdienst omdat je op papier gemakkelijker aantekeningen kan maken.

Software

Het aanbevolen besturingssysteem voor het academiejaar 2016-2017 is Linux Mint 18, codenaam "Sarah". Linux Mint is een moderne, gebruiksvriendelijke fork van Ubuntu, en deelt er de software repository ("Universe") mee. Linux Mint is FOSS (Free and Open Source Software) en is dus gratis te downloaden. Let erop de 64-bit editie te kiezen als je over een 64-bit laptop beschikt, wat de performantie van veel software aanzienlijk zal verbeteren. Linux Mint ondersteunt verschillende desktops, waaronder Cinnamon, MATE en GNOME de voornaamste zijn. We raden Cinnamon aan. Alle demonstraties tijdens de labosessies zullen ook op Linux Mint 18 gebeuren. Als je reeds over een andere (recente) versie van Linux Mint, Ubuntu of Debian beschikt dan hoef je niet te upgraden naar Linux Mint 18. De kans is groot dat de benodigde software ook op je huidige besturingssysteem zal werken.

Het staat je vrij om te kiezen voor een ander besturingssysteem dan Linux Mint, Ubuntu of Debian, maar de docenten zullen je daarbij dan geen ondersteuning kunnen bieden. Als je met technische problemen wordt geconfronteerd, dan zal je die dus zelf moeten oplossen. Eventueel kan je wel de hulp inroepen van medestudenten, of van de ICT-dienst die ervaring hebben met een groot aantal verschillende besturingssystemen.

Voor het ontwerp van je wekker zal je gebruik maken van een aantal geavanceerde softwaretools. Om historische redenen draaien 2 ervan, Altium CircuitMaker en Autodesk Inventor, enkel op het oudere besturingssysteem Microsoft Windows. Om het gebruik van deze tools te vergemakkelijken zonder dat je daarvoor het besturingssysteem Microsoft Windows moet installeren op je laptop, hebben we een image voorzien van Microsoft Windows waarop de software reeds voorge\"installeerd staat, en correct geconfigureerd is om meteen gebruikt te worden. Download het image.

Let op: het image is 30.2\,GB groot, en downloaden kan dus enige tijd in beslag nemen afhankelijk van de snelheid van je internetverbinding.

Het image is gezipt in een archive en moet eerst uitgepakt worden. Rechterklik het archive en kies Extract Here. Het uitpakken kan enige tijd in beslag nemen. Eens uitgepakt is het aanbevolen om meteen een backup te maken van het image. Het besturingssysteem Microsoft Windows draait veel minder stabiel dan Linux Mint, en kan om onverklaarbare redenen crashen. In dat geval is het handig om snel een kopie te kunnen inzetten zonder dat je het volledige image opnieuw moet downloaden.

Tot slot heb je nog virtualisatiesoftware nodig om het image te kunnen draaien onder Linux Mint. De beste optie hiervoor is VMware Workstation 12 Player. Download en installeer het package. Let erop dat grafische acceleratie moet ingeschakeld zijn om 3D-modellen te kunnen zien in CircuitMaker of Inventor. Open VMware Workstation 12 Player en kies Open a Virtual Machine. Selecteer het image dat je hiervoor hebt gedownload en uitgepakt, klik het aan in de lijst, en klik tot slot Play virtual machine onder het preview-venster.

Afhankelijk van de hardwarespecificaties van je laptop kan je meer of minder resources toewijzen aan de virtual machine. Meer resources zal de machine versnellen. In de standaardconfiguratie gebruikt de virtual machine slechts één processorkern van je laptop, en een maximum van 2\,GB werkgeheugen. Dit is weliswaar ruim voldoende om de software vlot te kunnen draaien.

Het image is bedoeld voor educatieve doeleinden en geoptimaliseerd om de voorge\"installeerde software CircuitMaker, Inventor en Visual Studio zo effici\"ent mogelijk te draaien. Het is mogelijk om eigen software toe te voegen, maar dit kan de performantie negatief be\"invloeden en is dus niet aan te bevelen. Hoewel het image met de meeste zorg is samengesteld, blijft het besturingssysteem Microsoft Windows onbetrouwbaar. Zorg er dus steeds voor dat je bestanden die je maakt in Autodesk Inventor na afloop van de sessie kopieert naar een definitieve locatie op je host zodat dataverlies vermeden wordt als de virtual machine crasht en het image corrupt geraakt. CircuitMaker slaat alle bestanden op in de cloud dus daarmee loop je geen risico.

Tot slot wordt samenwerking een steeds belangrijker aspect van elk project, en ook hiervoor zijn er softwaretools beschikbaar.

OwnCloud

OwnCloud is een FOSS cloud storage platform. Elke student heeft 4\,GB online opslag ter beschikking op de VUB-server. Je kan hier gebruik van maken via de OwnCloud client. De versie in de Universe is ietwat verouderd, dus het is aanbevolen om de laatste versie rechtstreeks van de OwnCloud website te downloaden. Eens gedownload en ge\"installeerd, selecteer je in OwnCloud een map op je lokale computer die dan gesynchroniseerd zal worden met de server. Op die manier wordt van alle bestanden in die map automatisch een kopie bijgehouden, die als backup kan dienen mocht het originele exemplaar verloren gaan door een gecrashte harde schijf, gestolen laptop, een val, enz.

OwnCloud laat je ook toe om publieke links te delen voor je online bestanden, zodat je grote bestanden kan delen met medestudenten bijvoorbeeld.

Slack

Slack is een IRC client in een modern jasje, en biedt een gebruiksvriendelijk communicatie- en discussieplatform. Voor Slack moet je eerst een account aanmaken vooraleer je kan inloggen in het "team" voor de elektronicavakken binnen de opleiding Industrieel Ingenieur. In het kanaal Wekkerproject kan je vervolgens je vragen kwijt, of zelf deelnemen aan discussies met medestudenten.