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15.6.2009 Eingebettete Systeme Qualität und Produktivität Prof. Dr. Holger Schlingloff Institut für Informatik der Humboldt Universität und Fraunhofer.

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1 Eingebettete Systeme Qualität und Produktivität Prof. Dr. Holger Schlingloff Institut für Informatik der Humboldt Universität und Fraunhofer Institut für Rechnerarchitektur und Softwaretechnik

2 Folie 2 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme War wir bislang hatten 1. Einführungsbeispiel (Mars Polar Lander) 2. Automotive Software Engineering Domänen-Engineering Modellbasierte Entwicklung 3. Anforderungsdefinition und -artefakte Lastenheft TSG Ziele und Szenarien Strategien 4. Modellierung physikalische Modellierung Anwendungs- und Verhaltensmodellierung Berechnungsmodelle, zeitabhängige & hybride Automaten Datenflussmodelle (Katze und Maus) 5. Regelungstechnik PID-Regelung heute: HW für Regelungsaufgaben

3 Folie 3 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme PID-Regler Proportionaler, integraler und differentialer Anteil bei der Regelung u(t) = k 1 *e(t) + k 2 * e(t) dt + k 3 *e (t) Ziel: Vermeidung bzw. Dämpfung von Überschwingungen P(proportionaler) Anteil: Je größer die Regelabweichung, umso größer muß die Stellgröße sein I(integraler) Anteil: Solange eine Regelabweichung vorliegt, muß die Stellgröße verändert werden D(differentieller) Anteil: Je stärker sich die Regelabweichung verändert, umso stärker muß die Regelung eingreifen Einstellen des Reglers erst den proportionalen Anteil einstellen, erhöhen bis leichte Oszillation auftritt dann integralen Teil hoch regeln, solange bis die Oszillation aufhört dann differentiellen Anteil, damit Zielgerade möglichst schnell erreicht wird

4 Folie 4 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme Beispiel Wasserstandsregelung Wer hats gemacht?

5 Folie 5 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme

6 Folie 6 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme Deployment Wie realisiert man elektrische / elektronische / elektronisch programmierbare Regler? welche Hardware, Software? welche Peripherie (Sensorik, Aktuatorik?) wie kommt die SW auf die HW? Übung mit Lego- und Fischertechnik- Systemen

7 Folie 7 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme Eingebettete Systeme: Hardware Spezielle Prozessoren 4-bitter, minimale Kosten, energieoptimiert keine MMU, Coprozessoren, FloatingPoint Microcontroller mit zusätzlichen Steuerungsleitungen Spezialprozessoren (DSP, SoC, Krypto) Trend: FPGAs Spezielle Speicher meist bewegungslos (keine magnetischen/optischen Medien) ROM, PROM, EEPROM; zunehmend: Flash Disks minimaler RAM, auch; dual ported RAM Zusatzhardware Spezielle Platinen, AD/DA-Wandler, ASICs einsatzspezifische Sensoren und Aktuatoren Einfache Kommunikationsbusse und –netze CAN, Feldbusse; zunehmend auch Ethernet, Bluetooth etc.

8 Folie 8 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme Eingebettete Systeme: Aufbau Applikationsschicht SteuerungsalgorithmusBenutzungsschnittstelle Realzeit- Betriebssystem Hardware ProzessankopplungNetzverbindung Sensorik, Aktuatorik Middleware (Funk-) Netzwerk

9 Folie 9 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme Beispiel: Lego RCX Robotic Command Explorer (1998) Programmable Brick ursprüngliches Design: S. Papert, MIT Media Lab Vorläufer: Code Pilot, Cybermaster, Scout wie programmieren? Nachfolger: NXT (2006) Hitachi Single-Chip-Mikrocontroller Display, 4 Knöpfe, Batteriefach 3 analoge Eingänge, 3 analoge Ausgänge IR-Kommunikation (seriell)

10 Folie 10 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme Renesas H8/ Microcontroller H8/300-CPU 16 KB ROM 0,5 KB (!) RAM 8 E/A-ports (8-Bit), SCI 16 Register (8-Bit) max. 16 MHz Takt Timer, A/D-Wandler etc. disencouraged

11 Folie 11 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme EA-Ports Sensoreingänge Spannungsmessung, 100=Kurzschluss, 0=kein Kontakt Über U=R.I lässt sich Widerstand messen Schalter, Temperatursensor (passiv) Lichtsensor, Drehsensor (aktiv) - 3 ms Batteriespannung, 0.1 ms Sensorwert Motorausgänge Leistungssteuerung über Pulsweitenmodulation Verschaltungssicher Motoren, Lämpchen

12 Folie 12 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme NXT Lego Technik Serie Atmel 32-Bit-ARM-Prozessor AT91SAM7S256; 256 kB Flash-Speicher, 64 KB RAM, 48 MHz Koprozessor: Atmel 8-Bit AVR, ATmega48; 4 KB Flash-Speicher, 512 Byte RAM, 8 MHz digitale Sensoren (Ultraschall, Spezialsensoren), 4 Stecker I2C-Bus digital/analog-Kabel mit Spezialstecker Motoren mit Drehwinkelsensor Bluetooth-Kommunikation, USB-Anschluss Punktmatrix-Display, 8-bit Sound Firmware mit Dateisystem

13 Folie 13 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme FT Atmel 8-bit Prozessor TS80, 32kB RAM vier umpolbare Anschlüsse für Motoren, acht digitale Eingänge, zwei Analogeingänge Programmierung über seriellen Port technische Funktionsmodelle Lucky-Logic für Windows (LLWin)

14 Folie 14 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme Atmel RN-mega 2560 ATmega AVR® 8-Bit Microcontroller RISC Architecture, up to 16 MIPS Throughput at 16 MHz, On-Chip 2-cycle Multiplier 100 pin 256 K Flash 8K RAM, 4K EEPROM Timer, PWM-Kanäle 16 analoge Eingänge, 86 programmierbare I/O Leitungen vier TTL UARTS (RX/TX) RS232, USB, I2C, SPI-Bus …

15 Folie 15 H. Schlingloff, Eingebettete Systeme Aufgabe Abstandsregelung einfacher P-Regler PID-Regelung Verfügbare HW Lego RCX Lego NXT Fischertechnik


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