Embedded Systems II Ihr Dozent

Embedded Systems 2 12.03.2013
Embedded Systems II
Themen am 12.03.13: Terminabsprachen Praktikum,
Zielvorstellungen, Softwareengineering für Embedded Systems,
XMega – Controller, Mechatronik, Entfernungsmessung, Sensoren,
dynamische Messungen mit 3-D-Beschleunigungssensoren
© Ulrich Schaarschmidt
FH Düsseldorf, SS 2013
Ihr Dozent
Ulrich G. Schaarschmidt
Raum M1.6 / L1.11, Josef-Gockeln-Str. 9
Telefon: 4351-334, Fax: 4351-334
email: U.Schaarschmidt(at)computer.org
Labor: M1.5b Telefon: (0211) 4351-367
Labormanager: Michael Kosub
email: Michael.Kosub(at)fh-duesseldorf.de
Laboringenieur: Oliver von Fragstein
Labor: M1.5a, Telefon: 4351-347
Email: Oliver.Fragstein@fh-duesseldorf.de
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Literaturhinweise (die Reihenfolge stellt KEINE
Wertung dar!)
Bolton, William:
Bausteine mechatronischer Systeme
3. Auflage 2004, Pearson Studium
Berns, K., Schürmann, B., Trapp, M.:
Eingebettete Systeme (Systemgrundlagen und Entwicklung
eingebetteter Software)
2010, Vieweg + Teubner Verlag | Springer Fachmedien
Schmitt; v. Wendorff; Westerholz:
Embedded-Control-Architekturen
Carl Hanser Verlag München Wien, 1999
Bollow; Homann; Köhn:
C und C++ für Embedded Systems
mitp-Verlag Bonn, 2002
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Literaturhinweise (die Reihenfolge stellt KEINE
Wertung dar!)
Vigenschow, Uwe:
Testen von Software und Embedded Systems (Professionelles
Vorgehen mit modellbasierten und objektorientierten Ansätzen)
2. überarbeitete und aktualisierte Auflage, dpunkt.Verlag
Craig Hollabaugh:
Embedded Linux (Hardware, Software, and Interfacing)
Addison-Wesley, 2002
Schwebel, Robert:
Embedded Linux (Handbuch für Entwickler)
mitp-Verlag
Yaghmour, Karim:
Building Embedded Linux Systems (Concepts, Techniques, Tricks,
and Traps)
O´Reilly, April 2003
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Embedded Systems 2 12.03.2013
Literaturhinweise (die Reihenfolge stellt KEINE
Wertung dar!)
Barr, Michael:
Programming Embedded Systems in C and C++
1999, O‘Reilly & Associates, Inc.
Pont, Michael J.:
Embedded C
Pearson Education Limited, 2002
Gadre, Dhananjay V.; Malhotra, Nehul:
TinyAVR Microcontroller Projects for the evil Genius
McGraw-Hill, 2011
Monk, Simon:
30 Arduino Projects for the Evil Genius
McGraw-Hill, 2010
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Im Internet
www.ipa.fraunhofer.de
www.roboticsonline.com
www.worldrobotics.org
www.eu-nited-robotics.net
www.kuka-roboter.de
www.schunk.com
www.orangecountychoppers.com
www.bda-tech.com
www.quarks.de
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Hinweise auf Robis und
ihre Bauelemente im Web
www.gorobotics.det/articles/, www.engr.isu.edu/magrobot.html
www.kreatives-chaos.com, www.k-team.com/robots/kalice/indexx.html
www.robostore.com
www.sitek.se (besonders PSD – Position Sensing Detector, Grundlagen- Tutorial)
www.roboterwelt.de, //ag-vp-www.informatik.uni-kl.de/Lehre/Praktikum
www.robotics.com, www.robotprojects.com/ir/angle.htm
www.robotbooks.com
www.elektronikladen.de/robotik.html
www.joker-robotics.com
www.eyebot.de, www.cs.cmu.edu/~reshko/PILOT/tech_info.html
www.ee.uwa.edu.au/~braunl/eyebot/about.html
www.robotoz.com.au
www.zagrosrobotics.com
www-user.tu-chemniz.de/~stj/lehre/praktikum.html
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Übersicht
Vorlesungen: 2-stündig, dienstags von 12:00 – 13:30
Übungen: 1-stündig, mittwochs von10:00 - 10:45,
Besprechung und Vorführung der Hausaufgaben,
Abgabe nach 1 Woche (nach der „aktiven“ Übung).
Praktika: 2-stündig (10 Termine), in 1 Gruppe 14-tägig
dienstags 10:00 – 11:30. Ab 09.04.2013
Die Praktikumsunterlagen sind selbständig (zu
Hause) durchzuarbeiten, um dann zu den
Praktikumsterminen erfolgreich Fragen der Betreuer
zu beantworten und im Labor arbeiten zu können.
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Übersicht
Arbeiten mit MikroControllern (Xmega und evtl.
andere) in Anwendungssystemen (Beschleunigungs-
und andere Sensoren mit Atmel Xmega-
AVR erweitert) mit Entwicklungstools.
Jeweils 2 Teilnehmer haben einen eigenen PC-
Arbeitsplatz.– (Assembler- und C-). Alle Praktika
müssen erfolgreich abgearbeitet und von einem
Betreuer abgezeichnet werden.
Zum jeweiligen Praktikum-Beginn müssen
Fragen zur Aufgabenstellung beantwortet
werden können.
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Voraussetzungen
Grundlagen der Digitaltechnik,
Mikroprozessortechnik,
Softwaretechnik (mit erster
Programmiererfahrung in C),
Embedded Systems I
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Ziele
Einbindung von MikroControllern in eine teilmechanische
Umgebung (Mechatronik) mittels
Interface (elektr./optisch),
Entwicklung von testbarer Hardware,
Kennenlernen von Softwaretestmethoden
Kennenlernen der Programmierung (top down
Entwicklung) und der Fehlersuche anhand eines
MikroControllers mit einer (dynamisch)
interagierenden Umgebung
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Ziele
Entwurf und Konfiguration,
Kennenlernen der wesentlichen Merkmale von
Firmware,
Hardwarenahe Programmierung in C,
Eigene Fachprüfung (PV = alle Praktikumsversuche
und Übungen erfolgreich und „aktiv“
absolviert).
Praktika mit Xmega – Hands-On und selbst
entwickelter Erweiterung in Versuchen 3 – 5.
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Quelle: Agilent educators corner
Ziele
Hamburger Abendblatt
30.09.2004
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ein weiteres Ziel: Gute Note
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Überblick
Taktik zur Messung von Bewegungen (von Menschen),
Aktuell: RFIDs /Kurzstrecken-Funk (ZigBee, ZWave
u.a.) Technik und Anwendungen,
Entwurf von ES unter dem Aspekt zu jeder Zeit der
Entwicklung debuggen zu können;
Hardwarenahe Programmierung
Assembler, C, Debugging
Einprogramm- / Mehrprogrammbetrieb
Timesharing, Realzeit,
16 – und 32-Bit-Mikrocontroller der Fa. Atmel, Renesas,
TI und anderen
Betriebssysteme
RTOS (Real Time Operating System),
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Embedded Systems und
Roboter (Mechatronik)
Üblicherweise besteht ein Roboter aus:
Sensoren (sensors), die ihn über seine Umwelt
informieren,
einem Mikrocontroller(evtl. auch zusätzlichen DSP),
der die Signale aus den Sensoren bearbeitet,
Stellgliedern (actuators), wie zum Beispiel Motore,
die die Antwort des Controllers wiederum in
Bewegungen umsetzen,
Einer Nutzlast, die für die Erledigung von Aufgaben
spezialisiert ist und aus einem Gestell, das sich
bewegt und die anderen Teile trägt.
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Embedded Systems 2 12.03.2013
Mechatronik
Integration von Elektronik, Computertechnik und
Regelungstechnik mit dem Maschinenbau.
Folge für uns:
Fachübergreifende und ganzheitliche
Vorgehensweise bei der Planung und
Durchführung der Projektarbeiten.
Es macht z.B. Sinn über die Lenkgeometrie des
Robis genau nachzudenken, wenn er präzise seine
Aufgabe absolvieren soll (wie ist z.B. der Radius, in
dem seine äusseren Begrenzungen agieren?).
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Systemantworten
Warum muss man darüber nachdenken?
Bolton 2004
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Systemantworten 2
Bolton 2004
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Der IR-Entfernungssensor
Sharp GP2D12
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Technische Daten GP2D12
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Technische Daten GP2D12
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A/D-C Ausgabewerte in Abh.
von der Messentfernung
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Messprinzip
[www.kreatives-chaos.com]
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Messprinzip II
www.sitek.se
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Nutzung eines GP2D02 an
der Uni Kaiserslautern
Sensor auf dem Robot senkrecht montiert und die Umgebung durch
Drehung des Robot aufgenommen. Auf die Asymmetrie der Messkeule
achten, damit nicht die Entfernung zum Boden schräg gemessen wird.
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Messung der Entfernung
über die US-Signallaufzeit
Aussendung eines Ultraschallsignals,
Start eines Zählers,
Diskriminieren des (1.) Echos und
Flankenverbesserung (Schmitt-Trigger),
Stoppen des Zählers,
Zählzeit äquivalent zur Entfernung.
Achtung: Wie ist der „Schallstrahl“ gebündelt?
Gibt es mehrere Entfernungsmesser?
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Linienverfolgung mit den
beiden Reflexlichtschranken
AATIS, PH14
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Programmdownload
AATIS, PH14
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Erweiterungen von ANSI - C zur
Unterstützung der Hardware
Zugriff auf Hardware – und integrierte
Peripheriefunktionen. Unendliche Vielzahl der MC-
Modelle, deshalb Beschränkung auf:
Kapazität des Programmspeichers,
Größe des Datenspeichers,
Anzahl der Peripheriefunktionen,
Art der Peripheriefunktionen,
Anzahl und Priorität der Interruptquellen,
In Assembler geschriebene Treiber / Funktionen
müssen problemlos einzubinden zu sein,
Eine Anpassung an bestimmte Bausteine eines
bestimmten Grundtyps muss möglich sein.
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Embedded Systems 2 12.03.2013
Compilereinstellung auf die
Prozessoranordnungen
Wie wird ein Wort (z.B. 16 Bit, 32 Bit) im
Bytespeicher abgelegt?
Little-Endian-Format (höherwertiges Byte
einer Mehr-Byte-Grösse) an höherer Adresse,
Big-Endian-Format (High-Byte an niedrigerer
Adresse; Low-Byte an höherer Adresse).
Wie landen die Befehle bei der
angeschlossenen Hardware?
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Schlüsselwörter in C für Eigenschaften
bzw. Speicherort von Variablen
Bollow, et.al., 2002
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Embedded Systems 2 12.03.2013
Hinweise auf weitere Robis
und ihre Bauelemente im Web
http://www.the-starbearer.de/
http://www.roboternetz.de/
http://www.robotikhardware.de/
http://www.robotmaker.de/
http://www.robot-electronics.co.uk/
http://www.roboter-teile.de/
http://www.rev-ed.co.uk/picaxe/
www.roboterwelt.de/
http://www.gs-roboter.de/
http://www.robotliga.de/
http://home.berg.net/opering/index.htm
http://www.hobbyelektronik.de/
http://www.leang.com/robotics/past/minibots/minibot.html
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Literaturhinweise
Atmel Datenblatt ATmega 8535(L), rev k
Atmel Application Notes
AVR-306 UART-Schnittstelle
AVR-151 SPI-Schnittstelle
Altenburg, Jens; Altenburg, Uwe:
Mobile Roboter (Vom einfachen Experiment zur
Künstlichen Intelligenz)
2. Auflage, 2000, Hanser Verlag
Nehmzow, Ulrich:
Mobile Robotik (Eine praktische Einführung)
2002, Springer-Verlag
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Embedded Systems 2 12.03.2013
Weitere Literaturhinweise
Wiegelmann, Jörg:
Softwareentwicklung in C für Mikroprozessoren
und Mikrocontroller (C-Programmierung für
Embedded Systeme)
3. Neu bearbeitete und erweiterte Auflage,
2004,Hüthig Verlag
Nehmzow, Ulrich:
Mobile Robotik (eine praktische Einführung)
Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2002
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Strom sparen
Die IR-Sensoren verheizen relativ viel
Strom, deshalb überlegen, ob sie nicht
abgeschaltet werden sollten, wenn der
Robi steht, oder die Meßfrequenz
herabgesetzt wird, wenn er langsam fährt.
Meßpausen mit ADC-Abschaltung
verringern auch die Leistungsaufnahme
des MC.
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Embedded Systems 2 12.03.2013
Interrupts I
Wird ein Interrupt ausgelöst, soll eine Interrupt Service
Routine (ISR) aufgerufen werden.
Währenddessen: andere Interrupts warten lassen
(ansonsten Schachtelung!)
-> Standard: alle Interrupts während der Verarbeitung gesperrt
-> Explizites Erlauben von geschachtelten Interrupts möglich
Rücksprung aus der ISR mittels RETI (Return from Interrupt
Routine)
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Interrupts II (Interruptvektoren)
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Embedded Systems 2 12.03.2013
A/D-C-Kanäle im AT90S8535
Frei für die 3 GP2D12 – Sensorausgänge sind
die ADC7, ADC6, ADC5 des AVR (an
Steckverbinder 1 – SV1).
Bezeichnungen hierzu:
ADCSR – ADC Control and Status Register,
ADEN – ADC Enable,
ADSC – ADC Start Conversion,
ADFR – ADC Free Running Select,
ADIF – ADC Interrupt Flag,
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AD-Wandler im ATmega8535
Datenblatt AVR
ATmega8535
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Embedded Systems 2 12.03.2013
Definitionen
Roboter sind multi-funktionale
Manipulatoren (oder Vorrichtungen),
deren Programm verändert werden kann.
Sie sind in der Lage, Materialien, Bauteile,
Werkzeuge oder Spezialgeräte in
variablen programmierten Abläufen so zu
bewegen, dass eine Vielfalt von
verschiedenen Aufgaben ausgeführt wird.
• Robotics Institute of America (RIA) [Nehmzow,2002]
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Definitionen
Die meisten Roboter, die heute in der Industrie
verwendet werden, sind Manipulatoren
(„Fliessbandroboter“), die an einem festen
Arbeitsplatz eingesetzt werden und nicht mobil
sind. (im Labor der Gelenk-Arm).
Mobile Roboter können ihren Standort durch
Lokomotion verändern. (im Lab Spybotics / aatis
/ CP5).
Der häufigste Typ des mobilen Roboters ist das
automatisierte spurgefürte Fahrzeug (AGV –
Automated Guided Vehicle).
• [Nehmzow,2002]
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Embedded Systems 2 12.03.2013
Roboter, Aufgabe und Umgebung
sind miteinander verknüpft
[Nehmzow,2002]
12.03.2013 U.G. Schaarschmidt, FH - D 46
Zyklus von Wahrnehmen-
Denken-Handeln
[Nehmzow,2002]
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Embedded Systems 2 12.03.2013
Verhaltensbasierte Aufspaltung
eines Robotersteuerungssystems
[Nehmzow,2002]
12.03.2013 U.G. Schaarschmidt, FH - D 48
Bezugssystem für Navigation
[Nehmzow,2002]
12.03.2013 U.G. Schaarschmidt, FH - D 49
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Embedded Systems 2 12.03.2013
Navigation durch
Landmarken
[Nehmzow,2002]
12.03.2013 U.G. Schaarschmidt, FH - D 50
Abbild durch Sensordaten
[Nehmzow,2002]
12.03.2013 U.G. Schaarschmidt, FH - D 51
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Embedded Systems 2 12.03.2013
Abbild durch Sensordaten - Ähnlichkeit
durch Vergangenheit beseitigen
[Nehmzow,2002]
12.03.2013 U.G. Schaarschmidt, FH - D 52
Fehlerhafte Bewertung
unterschiedlicher Sensoren
[Nehmzow,2002]
12.03.2013 U.G. Schaarschmidt, FH - D 53
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Embedded Systems 2 12.03.2013
Übungsaufgabe 1
Entwickeln Sie den Anschluss dreier IR –
Entfernungsmeßeinheiten (Ausgang
entfernungsabhängig 0,4V (80cm) 2,8V (10cm)
an den MikroController (s. bitte Conrad Katalog /
Web „Sharp mit analogem Ausgang“ (billiger als
UltraSchall))!
Entwerfen Sie hierzu die Treibersoftware
(differenziertes Ablaufdiagramm)! Aus dem
aufrufenden Programm soll die Aufforderung
zum Messen kommen und das Ergebnis der
Messung (Integer) zurückgegeben werden.
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