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Was ist ein Embedded System?

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Aufbau und Komponenten von Embedded Systemen

Bild 2: Erweiterte Referenzarchitektur eines eingebetteten Systems
Bild 2: Erweiterte Referenzarchitektur eines eingebetteten Systems
(Bild: Siemers)

Während der logische Aufbau eingebetteter Systeme oftmals sehr ähnlich ist, hängt die tatsächliche Realisierung insbesondere der Hardware stark von den Gegebenheiten am Einsatzort ab. Hier können viele Störfaktoren herrschen, zudem muss das eingebettete System Sorge dafür tragen, nicht selbst zum Störfaktor zu werden.

Einige Störfaktoren sind: Wärme/Kälte, Staub, Feuchtigkeit, Spritzwasser, mechanische Belastung (Schwingungen, Stöße), Fremdkörper, elektromagnetische Störungen und Elementarteilchen (z.B. Höhenstrahlung). Allgemeine und Herstellerspezifische Vorschriften enthalten teilweise genaue Angaben zur Vermeidung des passiven und aktiven Einflusses, insbesondere im EMV-Umfeld (Elektromagnetische Verträglichkeit). Dieses Gebiet ist nicht Bestandteil dieser Vorlesung, aber es soll an dieser Stelle darauf hingewiesen werden.

Der logische Aufbau der eingebetteten Systeme ist jedoch recht einheitlich, in der

Regel können fünf strukturelle Bestandteile identifiziert werden:

  • Die Kontrolleinheit bzw. das Steuergerät ( siehe Kasten, Definition 5), d.h. das eingebettete Hardware/Software System,
  • die Regelstrecke mit Aktoren (bzw. Aktuatoren) (actuator) und Sensoren (sensor), d.h. das gesteuerte/geregelte physikalische System,
  • die Benutzerschnittstelle,
  • die Umgebung sowie
  • den Benutzer.

Mit stark zunehmender Tendenz werden diese Systeme noch vernetzt, so dass sich neben der lokalen Ebene noch eine globale Vernetzungsebene mit physikalischem Zugang zur Kontrolleinheit und logischem Zugang zu allen Komponenten des Systems ergibt.

Bild 2 stellt diese Referenzarchitektur eines eingebetteten Systems als Datenflussarchitektur dar, in der die Pfeile die gerichteten Kommunikationskanäle zeigen. Solche Kommunikationskanäle können (zeit- und wert-)kontinuierliche Signale oder Ströme diskreter Nachrichten übermitteln. Regelstrecke und Umgebung sind hierbei auf meist komplexe Weise miteinander gekoppelt, die schwer formalisierbar sein kann.

Bild 3 zeigt die geschlossene Wirkungskette, die ein eingebettetes System einschließlich der Umgebung bildet. Der zu regelnde oder steuernde Prozess ist über Sensoren und Aktoren an das Steuergerät gekoppelt und kommuniziert mit diesem darüber. Sensoren und Aktoren fasst man unter dem (aus dem Von-Neumann-Modell wohlbekannten) Begriff Peripherie (peripheral devices) oder I/O-System (input/output) zusammen.

Zu den einzelnen Einheiten seien einige Anmerkungen im folgenden Abschnitt eingeführt:

Kontrolleinheit

Bild 3: Wirkungskette System/Umgebung
Bild 3: Wirkungskette System/Umgebung
(Bild: Siemers)

Die Kontrolleinheit bildet den Kern des eingebetteten Systems, wobei sie selbst wieder aus verschiedenen Einheiten zusammengesetzt sein kann. Sie muss das Interface zum Benutzer (falls vorhanden) und zur Umgebung bilden, d.h., sie empfängt Nachrichten bzw. Signale von diesen und muss sie in eine Reaktion umsetzen.

Wie bereits dargestellt wurde ist diese Kontrolleinheit fast aus-schließlich als reaktives System ausgeführt. Die Implementierung liegt in modernen Systemen ebenso fast ausnahmslos in Form programmierbarer Systeme, also als Kombination Hardware und Software vor. Hierbei allerdings gibt es eine Viel-zahl von Möglichkeiten: ASIC (Application-Specific Integrated Circuit), PLD/ FPGA (Programmable Logic Devices/Field-Programmable Gate Arrays) , General-Purpose Mikrocontroller, DSP (Digital Signal Processor), ASIP (Application-Specific Instruction Set Processor), um nur die wichtigsten Implementierungsklas-sen zu nennen. Man spricht hierbei von einem Design Space bzw. von Design Space Exploration.

Peripherie: Analog/Digital-Wandler

Bild 4: Vorgänge bei der AD-Wandlung
Bild 4: Vorgänge bei der AD-Wandlung
(Bild: Siemers)

Ein Analog/Digital-Wandler (Analog/Digital-Converter, ADC), kurz A/D-Wand-ler, erzeugt aus einem (wert- und zeit-)analogen Signal digitale Signale. Die Um-setzung ist ein vergleichsweise komplexer Prozess, der in Bild 1.4 dargestellt ist. Hierbei handelt es sich nicht um eine Codierung, und der Prozess ist nicht exakt reversibel.

Der technisch eingeschlagene Weg besteht aus der Abtastung zuerst (Bauteil: Sample&Hold- bzw. Track&Hold-Schaltung), gefolgt von einer Quantisierung und der Codierung. Die Abtastung ergibt die Zeitdiskretisierung, die Quantisierung die Wertediskretisierung. Man beachte, dass mit technischen Mitteln sowohl die Abtastfrequenz als auch die Auflösung zwar ”beliebig“ verbessert werden kann, aber niemals kontinuierliche Werte erreicht werden. In eingebetteten Systemen werden diese Werte den Erfordernissen der Applikation angepasst.

Für die Umsetzung von analogen Werten in digiatle Werte sind verschiedene Ver-fahren bekannt: Flash, Half-Flash, Semi-Flash, Sukzessive Approximation, Sigma-Delta-Wandler usw.

Peripherie: Digital/Analog-Wandler

Der Digital/Analog-Wandler, kurz D/A-Wandler (Digital/Analog-Converter, DAC) erzeugt aus digitalen Signalen ein analoges Signal (meist eine Spannung). Dies stellt die Umkehrung der A/D-Wandlung dar. Die Umsetzung erfolgt exakt, abgesehen von Schaltungsfehlern, d.h. ohne prinzipiellen Fehler wie bei der A/D-Wandlung.

Gängige Verfahren sind: Pulsweiten-Modulation (pulse width modulation, PWM) und R-2R-Netzwerke.

Peripherie: Sensoren

Zunächst sei die Definition eines Sensors gegeben:

Ein Sensor ist eine Einrichtung zum Feststellen von physikalischen oder chemischen Eingangsgrößen, die optional eine Messwertzuordnung (Skalierung) der Größen treffen kann, sowie ggf. ein digitales bzw. digitalisierbares Ausgangssignal liefern kann.

Sensoren stellen also das primäre Element in einer Messkette dar und setzen variable, im Allgemeinen nichtelektrische Eingangsgrößen in ein geeignetes, insbesondere elektrisches Messsignal um. Hierbei können ferner rezeptive Sensoren, die nur passiv Signale umsetzen (Beispiel: Mikrofon), sowie signalbearbeitende Sensoren, die die Umwelt stimulieren und die Antwort aufnehmen (Beispiel: Ultraschall-Sensoren zur Entfernungsmessung), unterschieden werden.

Als Smart Sensors bezeichnete Sensoren enthalten bereits eine Vorverarbeitung der Daten. Hierdurch sind Netzwerke von Sensoren möglich, die auch ganz neue Strategien wie gegenseitige Überwachungen bzw. Plausibilitätskontrollen ermöglichen.

Peripherie: Aktuatoren

Aktuatoren bzw. Aktoren verbinden den informationsverarbeitenden Teil eines ein-gebetteten Systems und den Prozess. Sie wandeln Energie z.B. in mechanische Arbeit um.

Die Ansteuerung der Aktuatoren kann analog (Beispiel: Elektromotor) oder auch digital (Beispiel: Schrittmotor) erfolgen.

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