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‎16_Aktoren.md‎

Lines changed: 394 additions & 0 deletions
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1+
<!--
2+
3+
author: Sebastian Zug & André Dietrich & Fabian Bär
4+
email: sebastian.zug@informatik.tu-freiberg.de & andre.dietrich@informatik.tu-freiberg.de & fabian.baer@student.tu-freiberg.de
5+
version: 0.0.5
6+
language: de
7+
narrator: Deutsch Female
8+
9+
import: https://raw.githubusercontent.com/liascript-templates/plantUML/master/README.md
10+
https://github.com/LiaTemplates/Pyodide
11+
https://fjangfaragesh.github.io/AVR8js-mem/INCLUDE.md
12+
13+
script: https://cdn.jsdelivr.net/chartist.js/latest/chartist.min.js
14+
link: https://cdn.jsdelivr.net/chartist.js/latest/chartist.min.css
15+
link: https://cdnjs.cloudflare.com/ajax/libs/animate.css/3.7.0/animate.min.css
16+
17+
18+
mark: <span style="background-color: @0;
19+
display: flex;
20+
width: calc(100% + 32px);
21+
margin: -16px;
22+
padding: 6px 16px 6px 16px;
23+
">@1</span>
24+
red: @mark(#FF888888,@0)
25+
blue: @mark(#898AE3,@0)
26+
gray: @mark(gray,@0)
27+
-->
28+
29+
[![LiaScript](https://raw.githubusercontent.com/LiaScript/LiaScript/master/badges/course.svg)](https://liascript.github.io/course/?https://raw.githubusercontent.com/TUBAF-IfI-LiaScript/VL_EingebetteteSysteme/master/16_Aktoren.md)
30+
31+
# Ansteuerung von peripheren Komponenten
32+
33+
| Parameter | Kursinformationen |
34+
| -------------------- | -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- |
35+
| **Veranstaltung:** | `Eingebettete Systeme` |
36+
| **Semester** | `Wintersemester 2021/22` |
37+
| **Hochschule:** | `Technische Universität Freiberg` |
38+
| **Inhalte:** | `Konzepte und Nutzung von Timern und Interrupts` |
39+
| **Link auf GitHub:** | [https://github.com/TUBAF-IfI-LiaScript/VL_Softwareentwicklung/blob/master/16_Aktoren.md](https://github.com/TUBAF-IfI-LiaScript/VL_EingebetteteSysteme/blob/master/16_Aktoren.md) |
40+
| **Autoren** | @author |
41+
42+
![](https://media.giphy.com/media/10PNyg7YOcaBQA/giphy-downsized.gif)
43+
44+
---------------------------------------------------------------------
45+
46+
** Fragen an die Veranstaltung**
47+
48+
+ Charakterisieren Sie die Merkmale eines eingebetteten Systems!
49+
+ Beschreiben Sie aktuelle Entwicklungstendenzen eingebetteter Systeme.
50+
+ Erklären Sie an einem Beispiel die Notwendigkeit für die interdisziplinäre Arbeit bei der Entwicklung von Sensor-Aktor-Systemen!
51+
52+
<!--
53+
style="width: 80%; min-width: 420px; max-width: 720px;"
54+
-->
55+
```ascii
56+
57+
Abstraktionsebenen
58+
59+
+----------------------------+ -.
60+
Ebene 6 | Problemorientierte Sprache | |
61+
+----------------------------+ |
62+
⎬ Anwendungssoftware
63+
+----------------------------+ | ╔═══════════════╗
64+
Ebene 5 | Assemblersprache | | ◀══║ HIER SIND WIR!║
65+
+----------------------------+ -. ╚═══════════════╝
66+
67+
+----------------------------+
68+
Ebene 4 | Betriebssystem | Systemsoftware
69+
+----------------------------+
70+
71+
+----------------------------+
72+
Ebene 3 | Istruktionsset | Maschinensprache
73+
+----------------------------+
74+
75+
+----------------------------+ -.
76+
Ebene 2 | Mikroarchitektur | |
77+
+----------------------------+ |
78+
⎬ Automaten, Speicher, Logik
79+
+----------------------------+ |
80+
Ebene 1 | Digitale Logik | |
81+
+----------------------------+ -.
82+
83+
+----------------------------+
84+
Ebene 0 | E-Technik, Physik | Analoge Phänomene
85+
+----------------------------+ .
86+
```
87+
88+
---------------------------------------------------------------------
89+
90+
## Motivation
91+
92+
Bislang haben wir uns allein mit dem Controller beschäftigt, wie aber nutzen
93+
wir nun die Funktionalität in einem eingebetetten System. Damit gehen wir in
94+
unser Betrachtung von Mikrocontrollern noch einen weiteren Schritt zurück und integrieren nun auch die extern angeschlossene Elemente.
95+
96+
**Eingebettete Systeme ...**
97+
98+
> _... sind informationsverarbeitende Systeme, die in ein größeres Produkt integriert sind, und die normalerweise nicht direkt vom Benutzer wahrgenommen werden._ [Marwedel]
99+
100+
> _... bezeichnet einen elektronischen Rechner oder auch Computer, der in einen technischen Kontext eingebunden (eingebettet) ist. Dabei übernimmt der Rechner entweder Überwachungs-, Steuerungs- oder Regelfunktionen oder ist für eine Form der Daten- bzw. Signalverarbeitung zuständig _ [Wikipedia]
101+
102+
Dabei spielt die Größe des Systems keine Rolle. Die Implementierungsvarianten reichen von Mikrorobotern und _Smart Dust_ bis hin zu zusammengesetzten _Systems-of-Systems_ wie einem autonomen Automobil.
103+
104+
Als zentrale Merkmale folgen daraus:
105+
106+
1. Interaktion mit der Umgebung (Sensor/Aktor Systeme)
107+
2. ggf. hohe Anforderungen an die Verlässlichkeit (u.a. Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit)
108+
109+
![Bild](./images/16_Aktoren/1280px-Kernkraftwerk_Grafenrheinfeld_-_2013.jpeg "Kernkraftwerk Grafenrheinfeld - 2013 [^Wiki_Kraftwertk]")<!-- style="width: 75%; max-width: 1000px" -->
110+
111+
3. Schwerpunktentwicklungsziel Effizienz (Energieverbrauch, Speicher, Ausführungsdauer)
112+
113+
4. explizite Berücksichtigung der Ausführungs- und Reaktionsdauer (Reaktive Systeme, Echtzeitsysteme)
114+
115+
5. Spezifischer Zuschnitt einer Lösung
116+
117+
> Ein eingebettetes System:
118+
>
119+
> + erfüllt eine spezielle Aufgabe mit
120+
> + problemangepasste Hardware und Software
121+
> + einer spezifischen Benutzerschnittstelle
122+
> + ist häufig konkreten Zeitanforderungen unterworfen
123+
> + garantiert ein angepassten Grad an Verlässlichkeit und
124+
> + setzt die Aufgabenstellung effektiv und kostengünstig um.
125+
126+
Der Versuch einer Zukunftsperspektive ist unter anderem auf folgender Webseite versucht worden [Link](https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/microcontroller-market)
127+
128+
> Eingebettete Systeme sind ein boomender Markt, der spezifische Programmierkenntnisse und ein interdisziplinäres Verständnis erfordert.
129+
130+
Im Rahmen dieser Veranstaltung wollen wir uns auf die Integration in eine Mikrocontrollerschaltung konzentrieren.
131+
132+
> **Aktoren** ... (Wandler; Antriebselemente) setzen die elektronischen Signale in mechanische Bewegung oder andere physikalische Größen um und greifen damit aktiv in die Umgebung des eingebetteten Systems ein.
133+
134+
Sie unterscheiden sich durch:
135+
136+
+ zugeführte Energieform (elektrischer Strom, Brennstoff)
137+
+ abgegebene Energieform (mechanische Energie, Wärme, magnetische Felder, Strahlung )
138+
+ Freiheitsgrade (maximal 6, linear Gelenke, Rotation)
139+
+ Diskret / wertkontinuierlich
140+
141+
Beispiele:
142+
143+
+ Dioden, 7-Segment-Anzeigen, Displays
144+
+ Ventile (Pneumatik, Hydraulik)
145+
+ Motoren (Gleichstrom/Wechselstrom)
146+
+ Magnete (Manipulatoren, Lautsprecher)
147+
148+
[^Wiki_Kraftwertk]: Wikipedia, Autor Avda, Kernkraftwerk Grafenrheinfeld - 2013, [Link](https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kernkraftwerk_Grafenrheinfeld_-_2013.jpg)
149+
150+
## Ansteuerung digitaler Ausgänge
151+
152+
Die Beschaltung eines externen Gerätes wird aus Sicht des Mikrocontrollers durch zwei zentrale Faktoren beschränkt:
153+
154+
1. maximales Strom/ Spannungsniveau der Pins
155+
2. Zahl der verfügbaren vs. benötigte Pins
156+
157+
**Lösungsansätze zu 1:**
158+
159+
Elektronische, elektromechanische Bereitstellung einer entsprechenden Leistung.
160+
161+
![Bild](./images/16_Aktoren/ControlPins.png "Ansteuerung einzelner Ausgänge [^OutputPin]")<!-- style="width: 75%; max-width: 1000px" -->
162+
163+
**Lösungsansätze zu 2:**
164+
165+
1. Verwendung von Dekoder-Bausteinen
166+
167+
Der CD4543 Baustein dient der Ansteuerung von 7-Segment-Anzeigen. Mit dem Dekodieren einer 4-Bit Zahlendarstellung auf die zugehörigen Steuerleitungen werden 3 Pins eingespart. Vergleichen Sie die Schaltung mit der in Vorlesung 4 hergeleiteten Lösung.
168+
169+
![Bild](./images/16_Aktoren/CD4543.png "CMOS BCD-to-Seven-Segement [^TI_BCD]")<!-- style="width: 75%; max-width: 1000px" -->
170+
171+
2. Multiplexiing
172+
173+
Mittels Muliplexing lassen sich nun mehrere 7-Segment-Anzeigen durch ein Set von Ausgängen beschalten. Allerdings wird in dieser Lösung pro Anzeige eine weitere Steuerleitung verwendet. Zudem ist eine Berücksichtigung der Schaltzeiten der Displays zu berücksichtigen.
174+
175+
![Bild](./images/16_Aktoren/Multiplexer.gif "7-Segment gemultiplext [^Mux_7-Segmente]")<!-- style="width: 75%; max-width: 1000px" -->
176+
177+
3. Shift-Register (Sequenzialisierung)
178+
179+
![Bild](./images/16_Aktoren/ShiftRegister.png "Struktur Bit-Shift Registers With 3-StateOutputRegisters [^TI_SNx4HC5958]")<!-- style="width: 45%; max-width: 800px" -->
180+
181+
![Bild](./images/16_Aktoren/ShiftRegisterTiming.png "Zeitverlauf im SNx4HC5958")<!-- style="width: 65%; max-width: 1000px" -->
182+
183+
[^TI_SNx4HC5958]: Texas Instruments, SNx4HC5958-Bit Shift Registers With 3-StateOutputRegisters, [Link](https://www.ti.com/lit/ds/symlink/sn74hc595.pdf?ts=1612165666219&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fproduct%252FSN74HC595)
184+
185+
[^TI_BCD]: Texas Instruments, CMOS BCD-to-Seven-Segement Latch/Decoder/Driver, [Link](https://www.ti.com/lit/ds/symlink/cd4543b.pdf?ts=1612176181441&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F)
186+
187+
[^Mux_7-Segmente]: mikrocontroller.net, 7-Segment gemultiplext, Tutorium, [Link](https://www.mikrocontroller.net/articles/Datei:Tut_7_Seg_03.gif)
188+
189+
[^OutputPin]: mikrocontroller.net, Beschaltung von Digitalen Ausgängen, Zusammenfassung der grafischen Darstellungen
190+
191+
## Ansteuerung von Motoren
192+
193+
Gleichstrommotor
194+
===================
195+
196+
An dieser Stelle konzentrieren wir uns auf eine spezifische Variante des Gleichstrommotors und seine Ansteuerung mittels PWM.
197+
198+
![Gleichstrom](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a8/Gleichstrommaschine.svg/1280px-Gleichstrommaschine.svg.png)<!-- style="width: 65%; max-width: 750px" --> [^4]
199+
200+
[^4]: Wikipedia, Autor Honina, Schematische Darstellung der Arbeitsweise einer permanenterregten Gleichstrommaschine, [Link](https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gleichstrommaschine.svg)
201+
202+
Welche Kernparameter bestimmen das Verhalten unseres Motors?
203+
204+
![Gleichstrom](./images/16_Aktoren/Kennlinie.png)<!-- style="width: 75%; max-width: 750px" --> [^5]
205+
206+
[^5]: Firma Dunker Motoren, Handbuch, [Link](http://www.dunkermotoren.de/default.asp?id=18&lang=1)
207+
208+
Wie erfolgt der Betrieb aus Sicht des Mikrocontrollers? Wir haben zwei vorgaben, die wir umsetzen wollen, die Drehrichtung und die Geschwindigkeit.
209+
210+
Für die Drehrichtung wird die Änderung der Polarität über eine H-Brücke umgesetzt. Mit 4 Schaltern kann der Stromfluss durch den Motor angepasst werden.
211+
![Gleichstrom](./images/16_Aktoren/HBruecke.png)<!-- style="width: 75%; max-width: 750px" -->
212+
213+
Die Drehgeschwindigkeit ergibt sich aus der Vorgabe eines PWM Signals.
214+
215+
![Gleichstrom](./images/16_Aktoren/PWM.png)<!-- style="width: 75%; max-width: 750px" -->
216+
217+
![Gleichstrom](./images/16_Aktoren/L293D.png)<!-- style="width: 75%; max-width: 750px" --> [^6]
218+
219+
[^6]: Firma Texas Instruments, Datenblatt L293D, [Link](https://www.ti.com/lit/ds/symlink/l293.pdf)
220+
221+
### Schrittmotoren
222+
223+
Ein Schrittmotor ist ein Synchronmotor, bei dem der Rotor (ein drehbares Motorteil mit Welle) durch ein gesteuertes, schrittweise rotierendes, elektromagnetisches Feld der Statorspulen um einen kleinen Winkel (Schritt) oder sein Vielfaches gedreht werden kann.
224+
225+
![Schrittmotor](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/74/Schrittmotor.PNG "Schrittmotor Wirkprinzip [^Schrittmotor]")<!-- style="width: 65%; max-width: 750px" -->
226+
227+
Die technische Realsierung kann dabei zwei grundlegenden Mustern folgen. Man unterscheidet uni- und bipolare Schrittmotoren.
228+
229+
![SchrittmotorVarianten](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/48/Stepmotscheme.jpg/1024px-Stepmotscheme.jpg "Schrittmotorvarianten [^StepperVariants]")<!-- style="width: 65%; max-width: 750px" -->
230+
231+
```c
232+
uint8_t pattern[4]={9,5,6,10};
233+
// 1001 -> 0101 -> 0110 -> 1010
234+
235+
void Vschritte(uint16_t ns, char dir)
236+
{
237+
uint16_t z;
238+
int32_t n;
239+
for (z=0; z<ns; z++){
240+
if (dir == 1) n++;
241+
else n--;
242+
PORTD=pattern[n & 3];
243+
delay(10);
244+
}
245+
}
246+
```
247+
248+
> Frage: Welche Idee setzt dieser Code um? Was meinen Sie zur Lesbarkeit?
249+
250+
Wird ein Schrittmotor durch ein externes Lastmoment oder durch die anzutreibende Masse beim starken Beschleunigen beziehungsweise Verzögern überlastet (d. h. Lastmoment > Motormoment), kann der Rotor dem Drehfeld nicht mehr folgen. Es werden Schritte übersprungen, und die Information über die aktuelle Position des Rotors geht verloren.
251+
252+
Eine sehr schöne Erklärung zur Funktionsweise von Schrittmotoren liefert das folgende Video.
253+
254+
<iframe width="560" height="315" src="https://www.youtube.com/embed/spWVb9cb7dA" frameborder="0" allow="accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture" allowfullscreen></iframe>
255+
256+
[^Schrittmotor]: Wikipedia, Autor Honina, Schema eines Schrittmotors mit vier Schritten für eine Umdrehung (und unipolarer Beschaltung), [Link](https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Schrittmotor.PNG)
257+
258+
[^StepperVariants]: Wikipedia, Autor Ulfbastel, Schrittmotor-Schaltungsvarianten), [Link](https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Stepmotscheme.jpg)
259+
260+
### Servomotoren
261+
262+
Als Servomotor werden Elektromotoren bezeichnet, die die Kontrolle der Winkelposition ihrer Motorwelle sowie der Drehgeschwindigkeit und Beschleunigung erlauben. Sie integrieren neben dem eigentlichen Elektromotor, eine Sensorik zur Positionsbestimmung und eine Regelelektronik. Damit kann die Bewegung des Motors entsprechend einem oder mehreren einstellbaren Sollwerten – wie etwa Soll-Winkelposition der Welle oder Solldrehzahl – bestimmt werden.
263+
264+
![ServoMotor](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9e/Rc-receiver-servo-battery_b.jpg)<!-- style="width: 65%; max-width: 750px" --> [^5]
265+
266+
[^5]: Wikipedia, Autor Bernd vdB, Servo and receiver connections, [Link](https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Rc-receiver-servo-battery_b.jpg)
267+
268+
<!--
269+
style="width: 80%; min-width: 420px; max-width: 720px;"
270+
-->
271+
```ascii
272+
273+
274+
Nulllage (1500ms)
275+
Minima(1ms) | Maxima (2ms)
276+
| v |
277+
High | v v
278+
| +------+... +---
279+
| | . | : |
280+
| | . | : |
281+
| | . | : |
282+
| | . | : |
283+
| | . | : |
284+
| | . | : |
285+
|--+ +---------------------------+
286+
|
287+
+-------------------------------------|----> .
288+
0 20ms
289+
```
290+
291+
```
292+
#define F_CPU 1000000UL // ACHTUNG, wir nehmen einen generellen Prescaler
293+
// an!
294+
#include <avr/io.h>
295+
#include <avr/interrupt.h>
296+
297+
ISR( TIMER1_COMPA_vect ){
298+
OCR1A = 2500-OCR1A; }
299+
300+
int main (void){
301+
TCCR1A = (1<<COM1A0);
302+
TCCR1B = (1<<WGM12) |
303+
(1<<CS11);
304+
TIMSK = (1<<OCIE1A);
305+
OCR1A = 2312;
306+
sei();
307+
while( 1 ) {
308+
...
309+
OCR1A = OCR1A + 3;
310+
_delay_ms(40);
311+
...
312+
return 0;
313+
}
314+
```
315+
316+
> Aufgabe: Erklären Sie das Zeitverhalten, das von diesem Programm realisiert ist. An welchem Pin müssen wir unseren Servomotor anschließen?
317+
318+
319+
{{1-2}}
320+
********************************************************************************
321+
322+
```
323+
#define F_CPU 1000000UL // ACHTUNG, wir nehmen einen generellen Prescaler
324+
// an!
325+
#include <avr/io.h>
326+
#include <avr/interrupt.h>
327+
328+
ISR( TIMER1_COMPA_vect ){
329+
OCR1A = 2500-OCR1A; }
330+
331+
int main (void){
332+
TCCR1A = (1<<COM1A0); // Togglen bei Compare Match
333+
TCCR1B = (1<<WGM12) | // CTC-Mode
334+
(1<<CS11); // Prescaler 8
335+
TIMSK = (1<<OCIE1A); // Timer-Compare Interrupt an
336+
OCR1A = 2312; // Neutralposition
337+
sei(); // Interrupts global an
338+
while( 1 ) {
339+
...
340+
OCR1A = OCR1A + 3;
341+
_delay_ms(40);
342+
...
343+
return 0;
344+
}
345+
```
346+
347+
Mit unserem Prescaler der Taktrate geben erreichen wir 1MHz. Mit dem avisierten Prescaler 8 wird entsprechen 20ms 2500 Ticks im Zähler. Ein Tick ist 0.008ms lang.
348+
349+
<!--
350+
style="width: 80%; min-width: 420px; max-width: 720px;"
351+
-->
352+
```ascii
353+
354+
Zählerwert | Zeitdiagramm (20ms) für die Nulllage
355+
OCR1A | 2500 Ticks
356+
| <--------->
357+
| 2312 + +
358+
| /| /
359+
| / | /
360+
| / | /
361+
| / | /
362+
| / | /
363+
| / | + /
364+
| / |/|/
365+
| / + +
366+
|
367+
PB1 | +-+ +---
368+
OC1A | | | |
369+
| --+ +-------+
370+
+----------:---------:----> .
371+
20ms
372+
```
373+
374+
********************************************************************************
375+
376+
377+
## Finales Anwendungsbeispiel
378+
379+
![Gleichstrom](./images/16_Aktoren/Beispiel.png)<!-- style="width: 75%; max-width: 750px" -->
380+
381+
https://www.tinkercad.com/things/lu1Gt48hNsL-gleichstrommotor-mit-encoder/editel
382+
383+
384+
## Blick zurück
385+
386+
Welche Themenfelder sind wir in den vergangenen Monaten durchlaufen?
387+
388+
+ Boolsche Algebra
389+
+ Minimierung von Schaltfunktionen
390+
+ Standardschaltnetze
391+
+ Flip-Flop Konzepte
392+
+ Standardschaltwerke
393+
+ Basiselemente des Modellrechners
394+
+ Hardwarenahe Programmierung

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