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2019 | Buch

Technische Grundlagen Eingebetteter Systeme

Elektronik, Systemtheorie, Komponenten und Analyse

verfasst von: Prof. Dr. Karsten Berns, Alexander Köpper, Dr. Bernd Schürmann

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

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Über dieses Buch

Lernen Sie mit diesem Lehrbuch eingebettete Systeme besser kennen

Embedded Systems (eingebettete Systeme) sind aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. In Smartphones, Fahrzeugen oder Haushaltsgeräten verbinden sie die analoge mit der digitalen Welt. Daraus ergeben sich speziell für Entwickler eingebetteter Systeme viele Anforderungen. Sie müssen nicht nur Kenntnisse aus der Entwicklung von Softwaresystemen mitbringen, sondern gleichzeitig Wissen in Sachen Elektrotechnik oder Systemkomponenten besitzen.

Dieses Lehrbuch führt Sie umfassend in das Feld eingebetteter Systeme ein. Die Autoren liefern Ihnen das notwendige methodische sowie systematische Wissen zur Systementwicklung. Zum optimalen Verständnis ist dieses Werk in vier Teile untergliedert:

Technische Grundlagen eingebetteter Systeme aus den Gebieten Elektronik, Systemtheorie, Steuerung und Regelung Systemtheoretische Grundlagen und Entwürfe von ReglernÜberblick und Einbindung der Systemkomponenten eingebetteter SystemeModellierung und Analyse von Algorithmen mit Blick auf Echtzeitanforderungen

Durch Anwendungsbeispiele und Methoden der Echtzeitplanung können Sie mit diesem Lehrbuch Ihr Wissen im Bereich eingebettete Systeme nachhaltig vertiefen.

Inhaltlich für Praktiker und Theoretiker zu empfehlen

Aufgrund seines thematischen Schwerpunkts profitieren von diesem Werk speziell folgende Leser:

a) Studierende und Anwender der Informatik ohne tiefgreifende Vorkenntnisse im Bereich Elektrotechnik

b) Ingenieure, Physiker und Mathematiker, die sich für die Grundlagen der Entwicklung eingebetteter Systeme interessieren

In den einführenden Kapiteln des Lehrbuchs definieren die Autoren zunächst die Merkmale eingebetteter Systeme. Sie zeigen Ihnen Anwendungsfelder und erläutern, in welcher Form diese Systeme zum Einsatz kommen – beispielsweise als Cyber-Physikalische Systeme (CPS). Im weiteren Verlauf werden u. a. diese Teilaspekte näher behandelt:

Elektrische NetzwerkeElektronische GrundschaltungenSignalverarbeitungsprozesseSensordatenverarbeitungAktuatorikRecheneinheiten für eingebettete SystemeKommunikation

Ein Grundlagenwerk mit verständlichem Konzept

Durch seinen systematischen Aufbau ermöglicht Ihnen dieses Werk einen schnellen Einstieg in die Materie. Anschauliche Tabellen, Grafiken, Anwendungsbeispiele sowie Modelle unterstützen Sie beim Lernprozess. Wenn Sie sich für eingebettete Systeme interessieren, darf dieses Lehrbuch in Ihrer Sammlung nicht fehlen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
Kapitel 1. Einleitung
Zusammenfassung
Eingebettete Systeme sind aus der modernen Welt nicht mehr wegzudenken. Sie sind überall dort zu finden, wo eine direkte Interaktion technischer Systeme mit der Umwelt stattfinden soll. Dabei finden Sie in verschiedensten Bereichen wie der Luft- und Raumfahrttechnik wie auch in Konsumgütern wie Fernsehern oder Waschmaschinen Anwendung. Kaum ein heute verfügbares technisches Gerät wäre ohne den Einsatz eingebetteter Hard- und Softwaresysteme realisierbar.
Karsten Berns, Alexander Köpper, Bernd Schürmann

Elektrische und Elektronische Grundlagen

Frontmatter
Kapitel 2. Elektrotechnische Grundlagen
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die wichtigsten Grundbegriffe und die grundlegenden physikalischen Prinzipien der Elektrotechnik eingeführt. Der Umgang mit wichtigen Rechengrößen, wie der Energie und Leistung im elektrischen Stromkreis, wird dabei ebenso behandelt, wie der Widerstand als zentrales Bauelement elektrischer Schaltungen. Damit werden die Voraussetzungen für die Berechnung elektrischer Schaltungen, die z. B. in der Signalverarbeitung genutzt wird, geschaffen. Schließlich wird der ohmsche Widerstand als das wichtigste Element elektrischer Schaltungen vorgestellt. Er dient u. a. zur Analyse elektrischer Netzwerke, die im nächsten Kapitel behandelt werden.
Karsten Berns, Alexander Köpper, Bernd Schürmann
Kapitel 3. Elektrische Netzwerke
Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird die Berechnung elektrischer Netzwerke eingeführt. Durch die wichtigsten Schaltungsregeln ist es mittels der Abstraktion zu Widerstandsnetzwerken und Zwei- bzw. Vierpolen möglich, die Spannungen und Ströme an verschiedenen Orten des Netzwerks zu bestimmen. Mittels Spannungsteiler können unterschiedliche Spannungen und mit dem Stromteiler verschiedene Ströme generiert werden. Dies ist beispielsweise eine wichtige Voraussetzung für den Aufbau von Messbrücken und Verstärkerschaltungen (vgl. Abschn. 8.5.2 und 4.5). Weiterhin werden die Bauteile Kondensator und Spule vorgestellt und deren Verhalten im elektrischen Netzwerk näher betrachtet. Diese Bauteile können genutzt werden, um analoge Zustände zu speichern. Hiermit können sowohl frequenzabhängige und schwingfähige Schaltungen (vgl. Abschn. 6.2.3) aufgebaut, als auch die Zeitabhängigkeit bestimmter Netzwerke modelliert werden. Beispielhaft wird der Tiefpass als wichtige Filterschaltung eingeführt.
Karsten Berns, Alexander Köpper, Bernd Schürmann
Kapitel 4. Elektronische Grundschaltungen
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die Grundlagen der Elektronik eingeführt. Neben einem Grundverständnis für das Funktionsprinzip von Halbleitern wird mit der Einführung der wichtigsten Halbleiterbauelemente, wie Diode und Transistor, die Möglichkeit eröffnet, komplexe Schaltungen zu untersuchen. Diese spielen beispielsweise bei der Umwandlung von analogen in digitale Signale (vgl. Abschn. 7.​5) oder in der Leistungselektronik von Elektromotoren (vgl. Abschn. 9.​2) eine wichtige Rolle. Weiterhin werden Verstärkerschaltungen und einfache Logikschaltungen auf dieser Grundlage eingeführt. Schließlich wird mit dem Operationsverstärker die Basis geschaffen, mathematische Funktionen wie Addition, Subtraktion und Integration in analogen Schaltungen abzubilden.
Karsten Berns, Alexander Köpper, Bernd Schürmann

Systemtheorie und Regelung

Frontmatter
Kapitel 5. Systemtheorie
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die theoretischen Grundlagen vorgestellt, die zur Modellierung und Regelung eines technischen Systems benötigt werden, wie es im nächsten Kapitel erläutert wird. Dazu wird zuerst das Signal in verschiedene Klassen gruppiert und die besonderen Eigenschaften der linearen, zeitinvarianten Systeme (LTI) beleuchtet. Weiterhin wird mit der Faltung eine Möglichkeit diskutiert, das Zusammenspiel zweier Funktionen, wie Signalen und Übertragungsfunktionen, im Zeitbereich zu bestimmen. Schließlich wird dies mit der Fourier- und Laplace-Transformation auf den Frequenz- bzw. Bildbereich überführt, sodass auch komplexe Systeme mit reduziertem Rechenaufwand analysiert werden können. Dies ist u. a. bei der Abtastung analoger Signale (vgl. Abschn. 7.​3.​1) und der Reglerauslegung essentiell.
Karsten Berns, Alexander Köpper, Bernd Schürmann
Kapitel 6. Regelung
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die grundlegenden Prinzipien der Regelungstechnik entsprechend dem in Abb. 6.1 gezeigten Arbeitsfluss eingeführt. Dazu wird zuerst das Funktionsprinzip eines klassischen Reglers und dessen Entwurfszyklus diskutiert. Im Anschluss werden wichtige Werkzeuge zur Entwicklung und Analyse vorgestellt, darunter Blockschaltbilder, Sprungantwortmessungen, Bode-Diagramme, Ortskurven und Pol-Nullstellen-Diagramme. Diese dienen beispielsweise der Systemidentifikation. Mit den danach eingeführten elementaren Gliedern ist es möglich, komplexe Systeme in einfach zu analysierende Komponenten aufzuteilen, um damit deren Eigenschaften zu bestimmen. Im Anschluss werden heuristische Entwurfsmethoden eingeführt und der Reglerentwurf nach Ziegler-Nichols erläutert. Eine Alternative zum klassischen Reglerentwurf, die auf einem mehr intuitiven Ansatz basiert, wird mit der Fuzzy-Regelung behandelt.
Karsten Berns, Alexander Köpper, Bernd Schürmann

Systemkomponenten Eingebetteter Systeme

Frontmatter
Kapitel 7. Signalverarbeitungsprozess
Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird die Wandlung zwischen analogen und digitalen Signalen (A/D bzw. D/A Wandlung) betrachtet. Der MSR-Kreislauf wird eingeführt, um die Arbeitsschritte der einzelnen Systemkomponenten zu verknüpfen. Danach werden die drei Phasen der A/D-Wandlung mit Anti-Aliasing-Filter, S&H-Verstärker und dem eigentlichen Wandler beschrieben. Die Auslegung der dazugehörigen Parameter basiert auf dem Abtasttheorem, das auch bei der Auslegung von Kommunikationskanälen (vgl. Abschn. 11.​4.​1) eine Rolle spielt. Anschließend wird die D/A-Wandlung mit den dazugehörigen Schaltungen vorgestellt, die ebenfalls in drei Schritten erfolgt. Somit können analoge (Sensor-)Signale in digitale Rechenwerte umgewandelt und digitale Steuerwerte in analoge Größen zurückgeführt werden, um z. B. Aktuatoren anzusprechen.
Karsten Berns, Alexander Köpper, Bernd Schürmann
Kapitel 8. Sensordatenverarbeitung
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die Grundlagen der Erfassung äußerer Stimuli in eingebetteten Systemen mittels Sensoren vermittelt. Zuerst werden mögliche Messfehler kategorisiert und die hierzu verwendete mathematische Darstellung erläutert. Insbesondere werden die Fehler zwischen dem abstrakten Sensormodell und dem realen Sensor betrachtet. Danach werden digitale Filter als effiziente Möglichkeit der Signalverarbeitung auf der Recheneinheit vorgestellt. Schließlich werden die Besonderheiten verschiedener spezifischer Sensorsysteme diskutiert.
Karsten Berns, Alexander Köpper, Bernd Schürmann
Kapitel 9. Aktuatorik
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden verschiedene Aktuatoren vorgestellt, mit denen eingebettete Systeme ihre Umgebung physisch beeinflussen können. Neben den Elektromotoren, vertreten durch den Gleichstrommotor und den Schrittmotor, werden auch verschiedene Getriebetypen vorgestellt. Mit Getrieben können die Kräfte bzw. Momente und die (Dreh-)Geschwindigkeiten der Aktuatoren angepasst werden. Schließlich werden rheologische Flüssigkeiten, piezoelektrische Aktuatoren und verschiedene thermische Aktuatoren als alternative Aktuatoren eingeführt. Dazu wird jeweils neben den Grundlagen auch der Einsatz dieser Komponenten an Beispielen erläutert.
Karsten Berns, Alexander Köpper, Bernd Schürmann
Kapitel 10. Recheneinheiten für Eingebettete Systeme
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden verschiedene Architekturen für die Recheneinheit(en) eingebetteter Systeme vorgestellt. Basierend auf Anforderungen, wie Echtzeit, Robustheit und Energieverbrauch werden unterschiedliche verfügbare Einheiten verglichen. Der Mikrocontroller als eine der meistverwendeten Recheneinheiten und der FPGA als der Hauptvertreter von programmierbarer Hardware werden detaillierter betrachtet und deren Einbindung in die Umgebung an einem Schaltungsbeispiel vermittelt.
Karsten Berns, Alexander Köpper, Bernd Schürmann
Kapitel 11. Kommunikation
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden die speziellen Anforderungen an Kommunikationssysteme in eingebetteten Systemen und deren Lösungsansätze eingeführt. Dabei wird das OSI-Schichtenmodell vorgestellt und dessen unteren beiden Schichten, die Bitübertragungsschicht und die Sicherungsschicht näher betrachtet. Dadurch wird der Zusammenhang zwischen den zugrundeliegenden, elektrischen Komponenten und den darüber übertragenen abstrakten Nachrichten vermittelt. Durch die korrekte Wahl und Auslegung des Übertragungsmediums können Nachrichten größtenteils störungsfrei zwischen Stationen übertragen und mittels Fehlersicherungsverfahren auftretende Fehler entdeckt und korrigiert werden. Weiterhin wird der Medienzugriff thematisiert, sodass die Kommunikation mehrerer Busteilnehmer kontrolliert werden kann. Als Beispiele solcher Kommunikationssysteme werden die Busprotokolle Profibus und CAN eingeführt.
Karsten Berns, Alexander Köpper, Bernd Schürmann

Analyse und Echtzeit

Frontmatter
Kapitel 12. Softwaremodellierung und Analyse
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden verschiedene Verfahren für die Modellierung eingebetteter Systeme vorgestellt. Neben verschiedenen Diagrammtypen für UML wird auch SDL betrachtet. Hiermit stehen Werkzeuge der grafischen Modellierung zur Verfügung, mittels derer eine interdisziplinäre Kommunikation und eine klare Strukturierung der Entwicklung eingebetteter Systeme möglich ist. Schließlich wird mit den Petrinetzen ein oft verwendetes Werkzeug zur Analyse nebenläufiger Prozesse, wie sie häufig in eingebetteten Systemen vorkommen, eingeführt.
Karsten Berns, Alexander Köpper, Bernd Schürmann
Kapitel 13. Echtzeitsysteme
Zusammenfassung
In diesem Kapitel werden Verfahren vorgestellt, mit deren Hilfe die Echtzeitfähigkeit eines Systems sichergestellt werden kann. Dazu wird mit der Allokation zuerst betrachtet, wie Prozesse sinnvoll auf verteilte Ressourcen aufgeteilt werden können. Danach werden verschiedene Schedulingverfahren mit ihren jeweiligen Stärken und Schwächen behandelt, wie das Planen durch Suchen, Earliest Deadline First, Least Laxity und Rate-Monotonic Scheduling. Somit ist es möglich, sowohl periodische und sporadische, als auch unterbrechbare und nicht-unterbrechbare Prozesse in sinnvoller Reihenfolge einzuplanen, sofern die vorhandenen Ressourcen dies erlauben.
Karsten Berns, Alexander Köpper, Bernd Schürmann
Backmatter
Metadaten
Titel
Technische Grundlagen Eingebetteter Systeme
verfasst von
Prof. Dr. Karsten Berns
Alexander Köpper
Dr. Bernd Schürmann
Copyright-Jahr
2019
Electronic ISBN
978-3-658-26516-8
Print ISBN
978-3-658-26515-1
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-658-26516-8