Mechatronikai szakirány Érzékelők és beavatkozók 1. előadás: Bevezetés c. egyetemi tanár - 1 -
Rendszer Mérés Adatgyűjtés Kommunikáció Beavatkozás Detektálás Irányítás - 2 -
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 -
Irányítási rendszerek Irányítások típusai Vezérlés C u P y Szabályozás visszacsatolt irányítás u + P y C - 4 -
Rendszer-realizációk: történelem A mindenható mechanika: már az ókorban Archimédesz Antikythera mechanizmus Héron Kteszibiosz (ismeretlen eredetű) - 5 -
Rendszer-realizációk: történelem A mindenható mechanika: középkor,újkor - 6 -
Rendszer-realizációk: történelem Elektromechanika: kapcsolók elektromágnesek relék villamos motorok - 7 -
Rendszer-realizációk: történelem Az elektronika beszivárgása: elektroncsövek tranzisztorok integrált áramkörök bonyolult vezérlések mérések szabályozások valósíthatók meg - 8 -
Rendszer-realizációk: történelem A számítástechnika benyomulása az elektronikával karöltve számítógépek mikroszámítógépek beágyazott számítástechnika - 9 -
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. - 10 -
Beágyazott rendszerek A kifejezés kb. 20 éve jelent meg. Beágyazott rendszerek szórványosan már előtte léteztek. Mikroprocesszorok, mikrovezérlők megjelenése: Intel 4004 4-bites mikroprocesszor: 1971 az első egy áramköri lapkán megvalósított komplett mikroprocesszor Intel 8080 8-bites mikroprocesszor: 1974 április az első iparban elterjedten alkalmazott mikroprocesszor Intel 8051 8-bites mikrovezérlő: 1980 az első egy áramköri lapkán megvalósított teljes Harvard architektúrájú mikrovezérlő kifejezetten beágyazott rendszerek céljára - 11 -
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: 50-100 beágyazott számítógép: ECU Alapsávi processzor üzemanyagellátás ABS/ASR - 12 -
Irányítási rendszerek Digitális irányítási séma u + DA Beavatkozó P Mérő / Érzékelő AD y C Numerikus algoritmus - 13 -
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 - 14 -
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 - 15 -
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 - 16 -
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. - 17 -
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. - 18 -
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. - 19 -
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 - 20 -
Beágyazott rendszerek komponensei Alapkomponensek Mikrovezérlők 8-16-32 bites egységek saját adat- és programmemóriával, perifériakészlettel Mikroszámítógépek 32-64 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 - 21 -
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 - 22 -
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 - 23 -
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) - 24 -
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 - 25 -
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) - 26 -
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) - 27 -
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 - 28 -
Beágyazott rendszerek fejlesztőeszközei: hardver Kiindulópont: Modul szint Integrált áramköri szint Áramköri szint FPGA realizációk Félvezető lapka tervezés - 29 -
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 - 30 -
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) - 31 -
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 - 32 -
Példa: 8-bites mikrovezérlő Atmel AT90CAN128 mikrovezérlő Egy példa-áramkör: CANboard Fejlesztő eszközök: hardware ISP, JTAG Fejlesztő eszközök: software fejlesztő környezet, C fordító, debugger - 33 -
Példa: 8-bites mikrovezérlő - 34 -
Atmel Studio: ingyenes programfejlesztési környezet - 35 -
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 - 36 -
AC6 System Workbench STM32 platformra (ingyenes) STM32Cube beágyazott szoftver (ingyenes) - 37 -
STM32CubeMX konfigurátor (ingyenes) - 38 -
Nem is olyan egyszerű az embedded fejlesztés! Professzionális tervező és fejlesztő eszközök igen költségesek 16-32-bites mikroszámítógépek előállítása komoly technológiát követel meg: 4-6-8 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. - 39 -
Beágyazott rendszerek a mechatronikában Mérés Irányítás Beavatkozás Mechanikai rendszerek Kommunikáció Mérő- és irányítórendszerek - 40 -
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 - 41 -
Φ( t ) Példa: Pozíció szervo irányítás Hobbi szervo U(t) Futaba S3003 servo 10 35 16 41 Professzionális változat: 50 10 10 62 Potmeter Motor 10 10 1016 62 50 35 41 32 8897 1 278.03125-42 -
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 - 43 -
Összefoglalás Mérő- és beavatkozó eszközök Digitális realizációk A beágyazott rendszer paradigma: számítógép architektúra alkalmazása Mikrovezérlők, mikroszámítógépek Mikroszámítógépes rendszerfejlesztés Hardver, szoftver és algoritmikus fejlesztés - 44 -