Érzékelők és beavatkozók

Mechatronikai szakirány

Érzékelők és beavatkozók 1. előadás: Bevezetés

Dr. Soumelidis Alexandros c. egyetemi tanár

Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2017-18. I. félév

-1-

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Közlekedés- és Járműirányítási Tanszék

Rendszer

Beavatkozás Mérés Adatgyűjtés

Kommunikáció Irányítás

Detektálás


-2-


Mérés, érzékelés Célok: • Megismerés

Tudományos megismerés, Elméletalkotás

• Absztrakció

Matematikai modellalkotás, Rendszeridentifikáció, Modell paraméterbecslés

• Döntéshozatal

Eseménydetektálás, Változásdetektálás, u Hibadetektálás, + Hibadiagnosztika

• Irányítás Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2017-18. I. félév

Vezérlés, Szabályozás

-3-

u

? y

P –

y

P

y

C Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Közlekedés- és Járműirányítási Tanszék

Irányítási rendszerek Irányítások típusai • Vezérlés

u

C

y

P

• Szabályozás – visszacsatolt irányítás y

u +

–

P 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 Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2017-18. I. félév

-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 ADATMEMÓRIA

P

P PROGRAMMEMÓRIA

CPU

ADATMEMÓRIA

P

Univerzális elrendezés algoritmizálható problémák megoldására. Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2017-18. I. félév

- 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 Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2017-18. I. félév

- 11 -


Beágyazott rendszerek ma • A gyártott mikroprocesszorok 90%-a beágyazott alkalmazásban kerül felhasználásra. gépjárművek: • Beágyazott rendszerek mindenütt: Mai modern 50-100 beágyazott Netgear ADSL modem/router:

számítógép: ECU

Mobiltelefonok:

4: processzor (Texas Instruments), 6: RAM 8 MB, 7: flash memória

Alapsávi processzor Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2017-18. I. félév

- 12 -

üzemanyagellátás ABS/ASR Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Közlekedés- és Járműirányítási Tanszék

Irányítási rendszerek Digitális irányítási séma u +

–

DA

Beavatkozó

P

Mérő / Érzékelő

AD

y

C

Numerikus algoritmus Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2017-18. I. félév

- 13 -


Beágyazott mérési séma x1(t)

A

y1(t)

zo(t)

D

HI

Mérőegység: beágyazott számítógép x2(t)

A

y2(t)

D ……..

xn(t)

Mérés-feldolgozási séma: numerikus algoritmus

A

yn(t)

zo(t)

D Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2017-18. I. félév

- 14 -

COM


Beágyazott irányítási séma x1(t)

A

y1(t)

z1(t)

D

D

A Irányító egység: beágyazott számítógép

x2(t)

A

y2(t)

z2(t)

D

D ……..

xn(t)

A ……..

Irányítási séma: numerikus algoritmus

A

yn(t)

zm(t)

D Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2017-18. I. félév

D A

- 15 -


Mérés x(t)

Érzékelő

y(t)

Feldolgozó

z(t)

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 x(t)

Érzékelő

y(t)

Feldolgozó

z(t)

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 Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2017-18. I. félév

- 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 Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2017-18. I. félév

- 21 -


Mikroszámítógép családok Mikroprocesszorok • Számítógép architektúra központi egységének egy áramköri lapkán megvalósított formája

Példa: Intel

Intel486-DX2

• 8-bites: 8080 (1974) • 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 Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2017-18. I. félév

- 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 Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2017-18. I. félév

- 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 Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2017-18. I. félév

- 24 -

Történelem: • SPARC (Sun), Alpha (DEC), MIPS, PA-RISC (Hp)

Ma: • Power, PowerPC • ARM • AVR (Atmel) • Blackfin (Analog Devices) • SuperH (Hitachi, Renesas) Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Közlekedés- és Járműirányítási Tanszék

Mikroszámítógép családok Mikrovezérlők • Teljes számítógép architektúra megvalósítása egy áramköri lapkán • Egyszerű 8-16-bites CPU (RISC)

PROGRAMMEMÓRIA

CPU

ADATMEMÓRIA

P

Harvard architektúra

• Belső RAM és programmemória

• Belső perifériakészlet: • időzítők, PWM • parallel digitális I/O: port-ok • soros interfészek: SPI, I2C, UART • hálózat: CAN, USB, Ethernet • Analóg I: AD, komparátor Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2017-18. I. félév

- 25 -


Mikroszámítógép családok Mikroszámítógépek • Teljes számítógép architektúra megvalósítása egy áramköri lapkán

CPU

PROGRAMés ADATMEMÓRIA

- 26 -

P

Neumann architektúra

• 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) Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2017-18. I. félév

P

Példák: ARM

PowerPC DSP (TI, AD)


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) Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2017-18. I. félév

- 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 Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2017-18. I. félév

- 28 -


Beágyazott rendszerek fejlesztőeszközei: hardver • Kiindulópont: • Modul szint • Integrált áramköri szint • Áramköri szint • FPGA realizációk • Félvezető lapka tervezés Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2017-18. I. félév

- 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 Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2017-18. I. félév

- 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) Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2017-18. I. félév

- 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 Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2017-18. I. félév

- 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) Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2017-18. I. félév

- 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. Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2017-18. I. félév

- 39 -


Beágyazott rendszerek a mechatronikában • Mérés • Irányítás

• Beavatkozás

Mechanikai rendszerek

• Kommunikáció • Mérő- és irányítórendszerek Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2017-18. I. félév

- 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 Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2017-18. I. félév

- 41 -


Példa: Pozíció szervo irányítás „Hobbi” szervo U(t)

Φ

(

t

)

Futaba S3003 servo

10 50

35

Professzionális változat:

41

16 10

10

62

Potmeter

Motor

10 10 10 16 32 1   62 50 35 41 8897 278.03125 Dr. Soumelidis Alexandros Érzékelők és beavatkozók, 2017-18. I. félév

- 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 -


Érzékelők és beavatkozók

Recommend Documents