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

War wir bislang hatten Einführungsbeispiel (Mars Polar Lander) Automotive Software Engineering Domänen-Engineering Modellbasierte Entwicklung Anforderungsdefinition und -artefakte Lastenheft TSG Ziele und Szenarien Strategien Modellierung physikalische Modellierung Anwendungs- und Verhaltensmodellierung Berechnungsmodelle, zeitabhängige & hybride Automaten Datenflussmodelle (Katze und Maus) Regelungstechnik PID-Regelung heute: HW für Regelungsaufgaben 15.6.2009

PID-Regler Proportionaler, integraler und differentialer Anteil bei der Regelung u(t) = k1*e(t) + k2*e(t) dt + k3*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 15.6.2009

Beispiel Wasserstandsregelung Wer hat‘s gemacht? 15.6.2009

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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 15.6.2009

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. 15.6.2009

Eingebettete Systeme: Aufbau Applikationsschicht Steuerungsalgorithmus Benutzungsschnittstelle Realzeit-Betriebssystem Middleware Hardware Sensorik, Aktuatorik Netzverbindung Prozessankopplung (Funk-) Netzwerk 15.6.2009

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) 15.6.2009

Renesas H8/3297-3292 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” http://eu.renesas.com/fmwk.jsp?cnt=product_folder.jsp&fp=/products/mpumcu/h8_family/h8300_series/h83297_group 15.6.2009

EA-Ports Sensoreingänge Motorausgänge 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 15.6.2009

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 15.6.2009

FT 30402 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) 15.6.2009

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 … 15.6.2009

Aufgabe Abstandsregelung Verfügbare HW einfacher P-Regler PID-Regelung Lego RCX Lego NXT Fischertechnik 15.6.2009