Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Hardwareprogrammierung.

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2 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink WARR-Workshop im WiSe 2014 von Martin Dziura (martin.dziura@tum.de)

3 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Motivation / Einführung Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

4 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Hintergrund Problem Kleinere Teststände in der ganzen WARR Fehlendes Know-How für Elektronik und Programmierung Knowledge-Transfer ist extrem schwierig Lösungsansatz Verwendung grafischer Tools (LabView, Simulink, …) Schnelle Einarbeitung Lesbare und verständliche Programme Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

5 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Workshop-Hardware Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura STM32F4-Discovery mit Erweiterungsboard

6 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Workshop-Hardware Vorteile Sehr günstig (17€ Board + 25€ Shield + Erweiterungen) Für TUM-Studenten frei verfügbare Software MATLAB/Simulink Sehr umfangreiches User-Generated-Blockset verfügbar (Waijung) Sehr weit verbreiteter Prozessor (STM32F4 + STM43F0)  Große Community, viele Open-Source-Projekte,  Einfache Portierung auf andere Plattformen möglich Nachteile Weniger umfangreiche Funktionen als beispielsweise in LabView Unterstützung für GUIs ist sehr umständlich / externe Tools sinnvoll Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

7 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Beispiel für die Portierung: Quadrocopter Quanton Flight Control rev 1 Flugregler mit STM32F4- Prozessor und kompletter Sensorik (Acc, Gyro, Mag) Komplett Open Source (Schaltpläne + Software) Programmierschnittstelle (SWD) Programmierbar mit MATLAB/Simulink und den hier vorgestellten Konzepten Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

8 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Vorstellungsrunde Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

9 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Planung / Weiterer Ablauf Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

10 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Zeitplan Termin 117. Oktober Einführung in Simulink und Stateflow Termin 224. Oktober Einführung in Targets und Waijung - Vorstellung der Workshop-Hardware - Einfache Beispielprogramme Termin 331. OktoberHalloween-Special - Verwendung von Schnittstellen Termin 47. NovemberGastvortrag MathWorks (mit LEGO) Termin 514. NovemberGastvortrag Jonis / Eigene Projekte Termin 621. NovemberEigene Projekte / Fazit / Ausblick Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

11 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Teilnehmer / Teameinteilung Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura TeamMitglied 1Mitglied 2Projekt 1Thomas LausenhammerJonas Pfisterer 2Joachim SturmAndreas Lindner 3Björn WagnerMartin Hacker 4Xaver LamprechtDaniel Bart 5Felix RößlerPhilipp Neumann 6Daniel EiringhausFlorian Ettemeyer 7Yannick ApfelAlexander Schmitt 8Alexander FrericksSebastian Reigber 9Maximilian BambauerStefan Raab 10Ralf SüssJohannes Kugele 11

12 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Grundlagen zu Simulink und Stateflow Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

13 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Quellen und Literaturempfehlung 1) Das „MATLAB-Buch“ Angermann, Anne; Beuschel, Michael et al.: MATLAB – Simulink – Stateflow. Grundlagen, Toolboxen, Beispiele. Oldenbourg Verlag, 7. Auflage, 2011 Zusätzliche Online-Ressourcen unter: http://matlabbuch.de/ http://matlabbuch.de/ 2) Simulink Dokumentation MathWorks: Simulink. Simulation and Model-Based Design http://www.mathworks.de/help/simulink/ (geprüft am 16.10.2014) http://www.mathworks.de/help/simulink/ 3) Vorlesungsunterlagen TUM-Lehrstuhl EAL: Simulation mit Simulink/MATLAB. WiSe 2012/13 Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

14 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Was ist Simulink? Simulink ist eine Erweiterung (Toolbox) von MATLAB –Kann fast ohne MATLAB-Kenntnisse verwendet werden –Kann sehr wirkungsvoll mit MATLAB verknüpft werden Simulink dient der Modellierung und Simulation Simulink ist eine grafische Oberfläche für Signalflussgraphen Simulink bietet wiederum umfangreiche Erweiterungen –Klassen mit Funktionsblöcken (Blocksets), z.B. Aerospace Blockset, … –Funktionale Erweiterungen, z.B. Simulink Coder, Stateflow, … Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

15 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Aufbau von Simulink Starten über die Simulink-Schaltfläche oder die Eingabe von simulink in die Kommandozeile von MATLAB Library BrowserModel Designer Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

16 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Funktionsbausteine (Blöcke) Grundlage sind Funktionsbausteine (Blöcke) Blöcke sind gekennzeichnet durch –Name (änderbar) –Ein oder mehrere Eingänge –Ein oder mehrere Ausgänge –Darstellung (Block-Icon) –Einstellungen (Parameter) Bei Doppelklick öffnet sich der Block Parameters Dialog Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

17 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Basic Blocksets - Sources Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

18 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Basic Blocksets - Sinks Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

19 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Basic Blocksets - Math Operations Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

20 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Basic Blocksets – Signal Routing Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

21 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Beispiel: Gedämpfte Sinusschwingung (Aufgabe) Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

22 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Beispiel: Gedämpfte Sinusschwingung (Lösung) Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

23 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Die Steuerungsleiste Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura Neues Modell erstellen Speichern Navigation (Vor / Zurück / Ebene Hoch) Library Browser Globale Modell-Einstellungen Modell Explorer Ablaufsteuerung Simulationszeit

24 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Globale Modell-Einstellungen / Solver Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

25 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Diagnose und Fehlersuche (1) Grafische Hilfsmittel einschalten Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

26 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Diagnose und Fehlersuche (2) Simulation Diagnostics ViewerModel Explorer Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

27 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Subsysteme Komplexere Systeme können in Subsysteme unterteilt werden, z.B. –(Atomic) Subystem(Atomic: selbstständige Einheit) –Enabled/Triggered Subystem Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

28 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Beispiel: Einfaches Subsystem Eine einfache Geradengleichung als Subsystem Realisiert mit einem Input-Port (x) und einem Output-Port (y) Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

29 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Maskierung von Subsystemen Über Masken können Subsysteme parametrisiert werden. Die in einer Maske angelegten Variablen können innerhalb des Blocks benutzt werden. Einfach: Rechtsklick auf ein Subsystem > Mask > Create Mask … Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

30 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Was ist Stateflow? Stateflow ist eine Erweiterung von MATLAB/Simulink –Stateflow kann in Simulink integriert werden –Simulink kann in Stateflow integriert werden Stateflow dient der Modellierung und Simulation Stateflow ist ein grafisches Werkzeug für Zustandsautomaten Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

31 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Grundelemente von Stateflow Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura Zustände (States) -Werden durch ihren Namen identifiziert -Können entweder Aktiv oder Inaktiv sein -Auf jeder Ebene kann immer nur ein Zustand aktiv sein -Kann als Ausgang des Charts gesetzt werden Übergänge (Transitions) -Verbinden zwei Elemente -Werden durch ein Event ausgelöst -Können Bedingungen enthalten -Können weitere Events auslösen Initialisierung (Default Transition) -Muss auf jeder Ebene existieren -Führt zum Initialzustand -Wird bei der ersten Ausführung ausgeführt

32 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Einbindung von Stateflow in Simulink 1.Erstellen des Diagramms 2.Ausgangszustände festlegen 3.Eingangs- und Ausgangsevents im Model Explorer definieren –Vektorwertig bei Signalen 4.Eingangs- und Ausgangsdaten im Model Explorer definieren Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

33 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Stateflow-Beispiel: PKW-Steuerung Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

34 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Zeit für Fragen!

35 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Übungsaufgaben zu Simulink und Stateflow Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

36 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Aufgabe 1-1: Raketengleichung Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

37 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Test-Raketendaten für Unkreative Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

38 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Aufgabe 1-2: Maskiertes Subsystem Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura

39 Wissenschaftliche Arbeitsgemeinschaft für Raketentechnik und Raumfahrt Lehrstuhl für Raumfahrttechnik Technische Universität München Aufgabe 1-3: Stateflow Erstellt mit Hilfe des maskierten Subsystems und Stateflow eine Simulation für eine zwei- (oder mehr-) stufige Rakete. a)Überlegt euch welche Zustände das System hat und definiert diese in einem Stateflow-Chart. b)Überlegt euch welche Ereignisse auftreten und welche zu einem Zustandswechsel führen. Legt die Ereignisse im Model Explorer an und erstellt die dazugehörigen Transitions. c)Überlegt euch, welche Daten an welcher Stelle vorliegen müssen und legt die Pfade entsprechend an. Termin 1 - 17. Oktober 2014Hardwareprogrammierung mit MATLAB/Simulink - Martin Dziura