Érzékelők és beavatkozók

Átírás

1 Mechatronikai szakirány Érzékelők és beavatkozók 1. előadás: Bevezetés c. egyetemi tanár - 1 -

2 Rendszer Mérés Adatgyűjtés Kommunikáció Beavatkozás Detektálás Irányítás - 2 -

3 Mérés, érzékelés Célok: Megismerés Absztrakció Döntéshozatal Irányítás Tudományos megismerés, Elméletalkotás Matematikai modellalkotás, Rendszeridentifikáció, Modell paraméterbecslés Eseménydetektálás, Változásdetektálás, Hibadetektálás, Hibadiagnosztika Vezérlés, Szabályozás u + u P P C? y y y - 3 -

4 Irányítási rendszerek Irányítások típusai Vezérlés C u P y Szabályozás visszacsatolt irányítás u + P y C - 4 -

5 Rendszer-realizációk: történelem A mindenható mechanika: már az ókorban Archimédesz Antikythera mechanizmus Héron Kteszibiosz (ismeretlen eredetű) - 5 -

6 Rendszer-realizációk: történelem A mindenható mechanika: középkor,újkor - 6 -

7 Rendszer-realizációk: történelem Elektromechanika: kapcsolók elektromágnesek relék villamos motorok - 7 -

8 Rendszer-realizációk: történelem Az elektronika beszivárgása: elektroncsövek tranzisztorok integrált áramkörök bonyolult vezérlések mérések szabályozások valósíthatók meg - 8 -

9 Rendszer-realizációk: történelem A számítástechnika benyomulása az elektronikával karöltve számítógépek mikroszámítógépek beágyazott számítástechnika - 9 -

10 Beágyazott számítástechnika Számítógép architektúra általános séma A specifikus funkcionalitást a szoftver valósítja meg. Neumann és Harvard architektúra CPU PROGRAMés ADAT- MEMÓRIA P P PROGRAM- MEMÓRIA CPU ADAT- MEMÓRIA P Univerzális elrendezés algoritmizálható problémák megoldására

11 Beágyazott rendszerek A kifejezés kb. 20 éve jelent meg. Beágyazott rendszerek szórványosan már előtte léteztek. Mikroprocesszorok, mikrovezérlők megjelenése: Intel bites mikroprocesszor: 1971 az első egy áramköri lapkán megvalósított komplett mikroprocesszor Intel bites mikroprocesszor: 1974 április az első iparban elterjedten alkalmazott mikroprocesszor Intel bites mikrovezérlő: 1980 az első egy áramköri lapkán megvalósított teljes Harvard architektúrájú mikrovezérlő kifejezetten beágyazott rendszerek céljára

12 Beágyazott rendszerek ma A gyártott mikroprocesszorok 90%-a beágyazott alkalmazásban kerül felhasználásra. Beágyazott rendszerek mindenütt: Netgear ADSL modem/router: 4: processzor (Texas Instruments), 6: RAM 8 MB, 7: flash memória Mobiltelefonok: Mai modern gépjárművek: beágyazott számítógép: ECU Alapsávi processzor üzemanyagellátás ABS/ASR

13 Irányítási rendszerek Digitális irányítási séma u + DA Beavatkozó P Mérő / Érzékelő AD y C Numerikus algoritmus

14 Beágyazott mérési séma x 1 (t) x 2 (t) A A D D y 1 (t) Mérőegység: beágyazott számítógép y 2 (t) z o (t) HI x n (t) A.. D Mérés-feldolgozási séma: numerikus algoritmus y n (t) z o (t) COM

15 Beágyazott irányítási séma x 1 (t) x 2 (t) A A D D y 1 (t) Irányító egység: beágyazott számítógép y 2 (t) z 1 (t) z 2 (t) D D A A x n (t) A.. D Irányítási séma: numerikus algoritmus y n (t) z m (t) D.. A

16 Mérés Érzékelő x(t) y(t) z(t) Feldolgozó Átalakító Érzékelő/átalakító (szenzor, távadó): feldolgozható formára hozza a mért jellemzőt Példák: Kinematikai érzékelők: sebességmérő, tachográf, GPS Dinamikai érzékelők: gyorsulás-, giro érzékelő Hőmérsékleti érzékelők: termoelem, ellenálláshőmérő Nyomásérzékelő: barométer, nyomáskülönbség távadó Villamos érzékelők: feszültségmérő, árammérő Komplex érzékelők: video kamera, GPS

17 Mérés Érzékelő x(t) y(t) z(t) Feldolgozó Átalakító Feldolgozás: a mérés nem szolgáltatja közvetlenül a felhasználás által megkövetelt jellemzőket. Okok: Mérési hibák, pontatlanságok, Zaj, Nem kívánt belső és környezeti hatások, Összefüggés a mért paraméterek között

18 Mérőeszközök a digitális irányítási sémában Az információt jelentő fizikai mennyiségeket az irányítási algoritmusokban alkalmazható numerikus értékekké alakítják. A eltávolítják a nem kívánt és zavaró hatásokat, zajokat. Követelmények: Pontosság, torzításmentesség, sebesség. Nem befolyásolják a mérendő rendszert

19 Beavatkozó szervek a digitális irányítási sémában Az irányítási algoritmusok által kiszámított numerikus értékeket analóg fizikai mennyiségekké alakítják. Teljesítményt szolgáltatnak a kívánt fizikai hatás elérése érdekében. Követelmények: Pontosság, torzításmentesség, sebesség. Kis teljesítményveszteség, magas hatásfok

20 Beágyazott rendszerek fejlesztése Komponensek Mikrovezérlők, mikroszámítógépek Memória elemek statikus/dinamikus RAM, flash Periféria áramkörök interfész, tárolás, kommunikáció Fejlesztőeszközök Tervezés, prototípus előállítás, mérés, tesztelés Hardver-, szoftver- és rendszerfejlesztési eszközök Módszerek Alapfeladatok, algoritmusok Rendszerrealizálási módszerek Módszertani fejlesztés

21 Beágyazott rendszerek komponensei Alapkomponensek Mikrovezérlők bites egységek saját adat- és programmemóriával, perifériakészlettel Mikroszámítógépek bites egységek belső ás külső memória és periféria meghajtó képességgel Digitális jelfeldolgozó processzorok (DSPk) speciális utasításkészlettel kiegészített mikrovezérlők Speciális feldolgozó elemek kommunikációs processzorok, hang- és képfeldolgozó processzorok Programozható logikai tömbök FPGA szoftprocesszorok

22 Mikroszámítógép családok Mikroprocesszorok Számítógép architektúra központi egységének egy áramköri lapkán megvalósított formája Példa: Intel 8-bites: 8080 (1974) Intel486-DX2 16-bites: 8086 (1978) 32-bites: I386 (1985), I486 (1989), Pentium (1993) 64-bites: Athlon 64 (2003), Intel Core 2 (2006) ma: multi (quad) core

23 Mikroszámítógép családok Mikroprocesszorok Fejlődésük során egyre komplikáltabbak lettek CISC Complex Instruction Set Computer Hátrányok: Intel quad Core I7-965 Extreme Edition Nagy bonyolultságú, nagyon sok alapelemet tartalmazó, nagyon finom rajzolatú integrált áramkörök költséges technológia Nagy teljesítményigény, nagy hődisszipáció, komplikált programok, programfejlesztési eszközök

24 Mikroszámítógép családok Egy másik út: RISC Reduced Instruction Set Computer Előnyei: Kis számú, egyszerű, egy órajelciklus alatt végrehajtódó utasítást tartalmazó utasításkészlet Egyszerű architektúra és áramköri realizáció Gyors programvégrehajtás Kis teljesítményigény, kis hődisszipáció Történelem: SPARC (Sun), Alpha (DEC), MIPS, PA-RISC (Hp) Ma: Power, PowerPC ARM AVR (Atmel) Blackfin (Analog Devices) SuperH (Hitachi, Renesas)

25 Mikroszámítógép családok Mikrovezérlők Teljes számítógép architektúra megvalósítása egy áramköri lapkán Egyszerű 8-16-bites CPU (RISC) Belső RAM és programmemória PROGRAM- MEMÓRIA CPU ADAT- MEMÓRIA P Harvard architektúra Belső perifériakészlet: időzítők, PWM parallel digitális I/O: port-ok soros interfészek: SPI, I2C, UART hálózat: CAN, USB, Ethernet Analóg I: AD, komparátor

26 Mikroszámítógép családok Mikroszámítógépek Teljes számítógép architektúra megvalósítása egy áramköri lapkán CPU PROGRAMés ADAT- MEMÓRIA Egyszerű 32-bites CPU (RISC) Kiegészítő külső RAM és flash memória Direkt memória hozzáférés (DMA) Lebegőpontos műveleti támogatás IDE, PCI, memóriakártya interfészek Kóderek/dekóderek: MP3, AES titkosítás Digitális jelfeldolgozási műveletek (DSP) P P Neumann architektúra Példák: ARM PowerPC DSP (TI, AD)

27 Beágyazott rendszerek komponensei Memória elemek Nem felejtő memóriák: ROM maszkprogramozott, PROM egyszer programozható EPROM törölhető, újraprogramozható ma leginkább flash memóriák elektronikusan nagyon sokszor újraprogramozható programtárolásra (Harvard architektúra) adattárolásra: adatgyűjtés, archiválás RAM memóriák: statikus kis méretű gyors memóriák átmeneti tárolásra dinamikus adattárolásra (Harvard architektúra) program- és adattárolásra (Neumann architektúra)

28 Beágyazott rendszerek komponensei Periféria áramkörök Interfész áramkörök: Analóg jelinterfészek: AD és DA konverterek Logikai jelinterfészek: digitális I/O Fizikai jelinterfészek: érzékelők, mérőeszközök, relék, motorok, különböző fizikai elveken alapuló beavatkozó szervek Kommunikációs interfészek: vezetékes és vezeték nélküli soros vagy hálózati interfészek Adattároló eszközök: Mágneses tároló eszközök: keménylemezes diszkek Optikai tároló eszközök: CD, DVD Félvezető tároló eszközök: multimédia, SD memória kártyák Kommunikációs eszközök: Vezetékes hálózatok: Ethernet, CAN, FlexRay Vezeték nélküli hálózatok: WLAN, ZigBee

29 Beágyazott rendszerek fejlesztőeszközei: hardver Kiindulópont: Modul szint Integrált áramköri szint Áramköri szint FPGA realizációk Félvezető lapka tervezés

30 Beágyazott rendszerek fejlesztőeszközei: hardver Hardver fejlesztő rendszerek: Rendszerszintű fejlesztő eszközök: rendszer specifikáló, konfiguráló eszközök, rendszerszintű teszt, validációs és verifikációs eszközök Áramkör és NYÁK tervező eszközök: elvi kapcsolási rajz szintű áramkörtervező és szimulációs, nyomtatott áramkörtervező eszközök Integrált áramköri lapka tervező eszközök: elvi kapcsolás, modul vagy tranzisztor szintű tervező, szimulációs és verifikációs eszközök

31 Beágyazott rendszerek fejlesztőeszközei: szoftver Szoftver és rendszerszintű fejlesztő rendszerek: Alacsony szintű fejlesztőeszközök: assemblerek, letöltő programok, kódszintű hibakereső programok Magas szintű programozási nyelvek: compiler, forrás-szintű debugger programok C, C++, C# compilerek, Eclipse környezet Magas szintű rendszerfejlesztési eszközök: szimbolikus, grafikus programgenerálási környezetek, rendszer konfigurációs eszközök Matlab/Simulink (Mathworks) LabView (National Instruments)

32 Milyen egyszerű az embedded fejlesztés! ISP In System Programming olcsó programozó eszközök a flash alapú mikrovezérlők programozására Gyártók által ingyenesen biztosított programfejlesztő környezetek Olcsó debugger eszközök - JTAG Ingyenes, open source GNU C, C++ compilerek és debugger programok. Olcsó demo panelek és ingyenes referencia tervek

33 Példa: 8-bites mikrovezérlő Atmel AT90CAN128 mikrovezérlő Egy példa-áramkör: CANboard Fejlesztő eszközök: hardware ISP, JTAG Fejlesztő eszközök: software fejlesztő környezet, C fordító, debugger

34 Példa: 8-bites mikrovezérlő

35 Atmel Studio: ingyenes programfejlesztési környezet

36 Példa: 32-bites mikrovezérlő ST Nucleo-64 board On-board ST-LINK/V2 USB programletöltő / debugger STM32F401RE mikrovezérlő ARM Cortex M3 architektúra FPU + DSP Fejlesztő eszközök: software fejlesztő környezet, C fordító, debugger, pl. GCC alapú AC6 ingyenes fejlesztőkörnyezet

37 AC6 System Workbench STM32 platformra (ingyenes) STM32Cube beágyazott szoftver (ingyenes)

38 STM32CubeMX konfigurátor (ingyenes)

39 Nem is olyan egyszerű az embedded fejlesztés! Professzionális tervező és fejlesztő eszközök igen költségesek bites mikroszámítógépek előállítása komoly technológiát követel meg: rétegű NYÁK, finom rajzolat, pontos szerelés Nagy órajelfrekvenciák vagy analóg interfészek komoly szakértelmet és speciális tervező eszközöket követelnek meg Tesztelés, bemérés komoly műszerparkot követel meg

40 Beágyazott rendszerek a mechatronikában Mérés Irányítás Beavatkozás Mechanikai rendszerek Kommunikáció Mérő- és irányítórendszerek

41 Példa: Inerciális mérőegység 3-irányú gyorsulásmérő 3-tengelyes giro Kombinálható GPS egységgel Szenzorfúzió megvalósítása, ezzel Pontos pozíció Sebesség, haladási irány Állásszögek (pl. Euler szögek) számítása

42 Φ( t ) Példa: Pozíció szervo irányítás Hobbi szervo U(t) Futaba S3003 servo Professzionális változat: Potmeter Motor

43 Tantermi példa a jelen félévre CAN hálózaton kommunikáló abszolút szögérzékelő fejlesztése motortengely szöghelyzetének mérésére. Motor hátsó tengely Mágnes foglalat Neodímium mágnes Áramköri panel Csatlakozó Érzékelő IC VCC CS CLK MISO GND CAN

44 Összefoglalás Mérő- és beavatkozó eszközök Digitális realizációk A beágyazott rendszer paradigma: számítógép architektúra alkalmazása Mikrovezérlők, mikroszámítógépek Mikroszámítógépes rendszerfejlesztés Hardver, szoftver és algoritmikus fejlesztés