Hardware-nahe Softwareentwicklung: Schnittstellen, Treiber & Protokolle

Seminarziel

Nach dem Seminar beherrschen Sie die Entwicklung modularer und robuster Schnittstellensoftware für industrielle Protokolle. Sie können Gerätekommunikation über serielle, busbasierte und netzwerkbasierte Protokolle sicher und wartbar umsetzen. Darüber hinaus sind Sie in der Lage, moderne Softwarearchitekturen für hardware-nahe Systeme zu entwerfen, Anforderungen zu dokumentieren und Ihre Lösungen mit Tools wie UML verständlich darzustellen. Ihr Know-how reicht vom Treiber über Protokollanalyse bis hin zur strukturierten Projektumsetzung in C#, C++ und Python.

Inhalt

• Einführung in die hardware-nahe Softwareentwicklung
  • Was bedeutet „hardware-nah“ in der modernen Softwarearchitektur?
  • Typische Einsatzbereiche: Industrie, Medizintechnik, Automotive, Haushalt
• Überblick über relevante Schnittstellen
  • RS-232/485, UART, I2C, SPI, CAN, TCP/IP, REST, OPC UA
  • Vergleich der Protokolle hinsichtlich Einsatzgebiet, Echtzeit, Robustheit
• Architektur und Designprinzipien
  • Layered Architecture (Treiber-, Transport-, Anwendungsschicht)
  • Adapter Pattern, Dependency Injection, lose Kopplung
  • Wiederverwendbare Basistreiber und Plug-in-Schnittstellen
• Serielle Kommunikation und UART-Treiber
  • Aufbau, Synchronisation, Protokollverhalten, Frame Parsing
  • Logging, CRC, Retry-Mechanismen, Implementierung in C++ und Python
• Industrielle Busprotokolle: I2C, SPI und CAN
  • Busstruktur, Master/Slave-Konzepte, Bitübertragung
  • CAN-Treiber mit SocketCAN (Linux), python-can oder C++ mit Hardware-Library
  • Analyse mit CAN-Analyzer und virtuellem Bus
• Modbus RTU und TCP
  • Frame-Struktur, Adressierung, CRC, Funktionscodes
  • NModbus4 (C#), pymodbus (Python), libmodbus (C++)
  • Entwicklung einer abstrahierten Modbus-Treiberschicht mit mehreren Backends
• Netzwerkkommunikation über TCP/UDP
  • Aufbau eines Kommunikationslayers über Sockets
  • Logging, Heartbeat, Reconnect-Strategien
  • Vergleich zu REST & WebSockets
• OPC DA und OPC UA
  • Unterschiede, Architektur, Security Model, Zertifikate
  • OPC UA .NET Standard SDK, python-opcua, open62541
  • Subscriptions, Adressraum, DataChangeNotifications
• Requirements Engineering & Dokumentation
  • Anforderungsanalyse mit Use Cases und User Stories
  • Modellierung mit UML-Diagrammen: Sequenzdiagramme, Aktivitätsdiagramme, Zustandsmodelle
  • Toolunterstützung: PlantUML, draw.io, Visual Studio Class Designer
• Projektarbeit: Entwicklung eines Kommunikationssystems
  • GUI-Steuerung mit WPF oder Qt
  • Gerätekommunikation via UART + CAN + OPC UA
  • Logging, Konfigurierbarkeit, Modularität, Simulation
  • Dokumentation und Präsentation der Architektur
• Abschluss & Ausblick
  • Review Best Practices
  • Erweiterungsmöglichkeiten: MQTT, REST-APIs, BLE
  • Transfer in reale Projekte und Produktentwicklung