I in P und F
INformatik
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Cartes-fiches
Ubiquitous Computing
• Allgegenwärtiges Rechnen • deckt auch mobile Szenarien mit ein (z.B. Haustechnik, die mit dem Smartphone gesteuert ist mobil) • Universeller und allgemeiner
Pervasive Computing
• Ist Ubiquitous Computing nur für Industrie • Industrieller Anwendungskontext • Bedeutet durchdringend • Verwendet gleiche Paradigmen wie UbiComp
Ambient Intelligence
• Haustechnik (z.B. Licht geht automatisch an) • Ortsfest, fest installiert • Logik die auf SPS basieren kann • Smart Home Begriff benutzt für Werbung • Laut Busch bestes Synonym: Gebäudesystemtechnik
Industrie 4.0
• Fertigungsanlagen mit vielen Sensoren und Aktoren die miteinander vernetzt sind (Bussysteme mit Leitebene, Prozessebene und Feldgeräte) • Generell: heute ist alles intelligent • Totale Vernetzung der Komponenten o Ziel: Flexibilisierung • Ermöglicht „On
- Demand“-Fertigung
- Produktionswege sollen nachvollziehbar sein
- Auslesen der Geräte (Speicherung aller Informationen)
- WICHTIG: Jede Komponente hat eine eigene Adresse URI (Uniform Resource Identifier) à man kann auf Komponente zugreifen und Infos auslesen
- Semantic Web (Infos aus Fertigungsprozess mit Produkt und Maschine verknüpfen)
http://www.itwissen.info/definition/lexikon/Semantisches-Web-semantic-web.html - Komponenten speichern Wissen über eigenen Zustand
- Semantic Web (Infos aus Fertigungsprozess mit Produkt und Maschine verknüpfen)
- Was ist der Unterschied zwischen TTL und LV-TTL? Aus welchem Grund wird bevorzugt LV-TTL-Logik bei der Entwicklung eingebetteter Systeme verwenden?
TTL: Transistor-Transistor-Logik: Ist für einen Betrieb von 0V bis 5V ausgelegt. Logische „1“ im Bereich von 4,1V bis 5V, kleinere Spannungen z.B. 3V werden nicht erkannt.
Um kleiner anliegende Spannungen erkennen zu können braucht man ein LV-TTL (Low Voltage TTL):
Erkennt Spannungen (logische „1“) von 2,7V bis 3,3V.
LV-TTL werden für eingebettete Systeme bevorzugt, da diese eine geringere Leistungsaufnahme haben.
- Was ist ein eingebettetes System?
- Auch Embedded System (ES) genannt
- Bauliche Integration als SoC (System on a Chip)
- Dedizierte Aufgaben (Abarbeitung von speziellen Aufgaben)
- Programmierbarkeit!! Hat Prozessorkern den man programmieren kann
- Ausgangspunkt für höhere Kontexte
- Bestehend aus AD-Wandler, DA-Wandler, Prozessorkern, ROM und RAM
- Wodurch zeichnet sich der ARM-Microcontroller aus?
- LV-TTL
- „ist schön“ sagt Busch
- Hat Peripherieeinheiten im Kern integriert
- Der Controller verfügt über:
- Schnittstelle für die serielle Kommunikation
- Schnittstelle für die Diskretisierung
- Schnittstelle nach außen über Digital IO
- Integrierte Peripherie zur Integration zeit- und ereignisgesteuerter Vorgänge (Funktionalitäten, die nicht vom Prozessorkern sondern von zusätzlicher Hardware zur Verfügung gestellt wird)
- Kann auf Ereignisse und Unterbrechungen reagieren
- RISC-Prozessorkern (RISC = Reduced Instruction Set Computing)
- Aus Programmiersicht: einfach zu handhaben, „rundum sorglos Paket“
- 32-Bit Controller
- Welche grundsätzlichen Typen von Rechenkernen kommen für eingebettete Systeme in Frage? Nennen und erläutern Sie diese?
RISC-Prozessoren: sind Microcontroller, dazu gehören ARM-Derivate und Atmega-Derivate
- Haben eine integrierte Peripherie (on board)
- Günstig zu kaufen
FPGA (rekonfigurierbare Logikbausteine)
- Eher für Sonderfälle geeignet, nach Kundenwunsche
- Teuer in der Beschaffung
DSP (digitaler Signalprozessor)
- Dient der kontinuierlichen Bearbeitung von digitalen Daten
- Wichtig in Bild- und Audioverarbeitung, Medizintechnik
- Was ist der Unterschied zwischen reaktiven, steuernden und transformierenden Systemen? Nennen Sie Beispiele.
Reaktiv:
- Externes Ereignis bestimmt internen Ablauf
- Nutzerinteraktion
- Regelndes System
Steuernd:
- Keine Rückkopplung à problematisch bei Störgrößen
Transformierend:
- Umfasst jedes System, das Umgebungsinformationen erfasst und nach außen hin ausgibt
- Umwandlung in visuelle Ausgabe (z.B. Desktop)
- Beispiel: Audioverarbeitung
- Was ist ein SoC? Erläutern Sie den Begriff anhand eines anschaulichen Beispiels.
SoC: System on Chip
- Beispiel: Taschenrechner, AD-Wandler
- Funktion die schaltungslogisch umgesetzt wird
- Je mehr Funktionen desto komplexer ist das SoC
- Besitzt klare Schnittstellen nach außen für bauliche Integration
- Kapselung als gesamtes System
- Kann mehrlagig sein
- Muss kein embedded System sein, hat keinen Rechenkern
- Nicht programmierbar
- Was ist ein Umformer?
- Überführt physikalische Messgröße in spannungs- oder stromäquivalente Messgröße
- Piezoelememt (Kraft auf der einen Seite wird in Piezospannung überführt)
- Dehnungsstreifen (Widerstandswert ändert sich)
- Welche Probleme können auftreten, wenn Sensorik oder Aktorik mit einem Microcontroller vernetzt werden soll?
Spannungen sind zu groß, keine galvanische Trennung oder Wechselspannung liegt an àdie Signale werden nicht verstanden
- Was ist ein verteiltes System? Erläutern Sie den Begriff mithilfe einer Skizze.
- Verschiedene eingebettete Systeme, die miteinander verknüpft sind
- Zwei Smartphones miteinander verknüpfen
- Haustechnik
- Automobile (viele eingebettete Systeme Mediensteuerung, Fahrzeugsteuerung, ABS, Airbag à stehen als Fahrzeugsteuerung in einem Zusammenhang, somit verteiltes System)
- Erläutern Sie den Begriff Diskretisierung mithilfe einer aussagekräftigen Skizze.
Zwei Ansätze: Zeit- und Wertdiskretissierung
- Zeitdiskretisierung:
Eine stetige Funktion soll in eine Treppenfunktion überführt werden
Für ein festes Intervall mit der Samplerate/Abtastzeit nTs wird ein Signal „eingefroren“. Dazu wird ein Abtast-Halteglied, eine Sample & Hold-Schaltung, verwendet (Bild Folie 64 blaues Skript).
- Wertdiskretisierung:
Eine stetige Funktion wird in Integer klassifiziert (siehe Beschriftung Achsen) à Rundung des analogen, reellen Wertes auf eine ganze Zahl
Problem Quantisierungsfehler: Abweichung des digitalisierten Wertes von Analogen
Basiert auf die Stromteilerregel, man braucht ein Summierglied
- Welche Möglichkeiten zur Skalierung von Messsignalen kennen Sie? Benutzen Sie für die Ausführung eine Skizze.
Man unterscheidet horizontale und vertikale Skalierung:
Horizontale Skalierung:
- Zeitbezogene Messungen
- Beeinflusst die Abtastrate ändert
- Skizze siehe oben Zeitdiskretisierung
Vertikale Skalierung;
- Eingangsempfindlichkeit: für Messungen wichtig, bei denen es auf Amplitude ankommt
- Z.B. Spitze-Spitze Effekte, Effektivwert, Maximum oder Minimum
- Wirkt sich auf die Auflösung des AD-Wandlers aus (2-Bit, 3-Bit,…32-Bit)
- Je höher Bit-Zahl desto besser die Auflösung des Messsignals
- Skizze siehe oben Wertdiskretisierung
- Welches Problem kann sich ergeben, falls ein LV-TTL-System über einen vollduplexfähigen Bus angebunden ist?
Spannungen unterscheiden sich voneinander (zu hoch oder zu niedrig) à Kommunikation nicht möglich
- Was ist der Unterschied zwischen voll- und halbduplex?
Beschreibt Kommunikationsarten im Netzwerk
Vollduplex: Übertragung der Daten findet gleichzeitig in beide Richtungen statt, zwei Kanäle vorhanden (z.B. Telefonie)
Halbduplex: Datenübertragung findet abwechselnd statt, da Daten nicht gleichzeitig in beide Richtungen übertragen werden können, nur ein Kanal vorhanden (z.B. Amateurfunk)
- Erläutern Sie das Master-Slave-Prinzip anhand des SPI-Busses.
- SPI = Serial Peripheral Interface
- Vollduplexfähig
- Master-Slave-Prinzip:
- Ein Bus-Master gibt den Takt vor
- Master sendet über MOSI (Master Out Slave In) Anfragen an Slave
- Slave antwortet mit MISO (Master In Slave OUT)
- Während Kommunikation wird der ChipSelect (CS) auf low gestellt, damit Sensor weiß, dass er angesprochen wird (normalerweise stehen Sensorleitungen auf high)
- Geht immer nur für eine/n Sensor/Slave zur Zeit
- Damit funktioniert serielle Kommunikation immer
Erläutern Sie den Begriff IC
Integrierter Schaltkreis:
OP ist zum Beispiel ein integrierter Schaltkreis (Folie 36), Funktion wird umgesetzt durch komplexe Schaltung à Ein Schaltsymbol wird erstellt
Was ist ein Glitch?
Verspätete Information am Ausgang, obwohl beide gleichzeitig am Eingang hätten anliegen müssen. Diese liegen jedoch erst verspätet an, da die Signale unterschiedliche Laufzeiten haben (physikalisches Problem à lange Leitung, mehrere Logikschaltungen zuvor)
Was bedeutet der Begriff Takt? Wofür wird ein Taktsignal benötigt?
Zur Synchronisierung verschiedener Systeme
Welche Möglichkeiten zur Temperaturmessung sind Ihnen bekannt? Erläutern Sie die jeweilige Funktionsweise und stellen Sie den jeweiligen Aufbau + Schaltung dar.
Thermoelemente, Widerstandsthermometer
Welche Möglichkeiten zur Kraftmessung kennen Sie? Skizzieren Sie den grundsätzlichen Aufbau + Schaltung.
Piezo-Elemente
Was ist ein Pt200? Wie lassen sich Pt200 auswerten (mit Skizze der Schaltung)?
PT-200 à Platinwiderstandsthermometer
Sie haben eine Signalquelle, die keine großen Lastströme verträgt, ohne dass es zu negativen Rückkopplungen kommt. Wie können Sie den Widerstand der Signalquelle an die Last der folgenden Messschaltung anpassen (mit Skizze).
Impedanzwandler z. B. Zehnder-Diode
Sie haben ein Differenzsignal, welches Ihrer Messgröße entspricht und wollen dieses mit einem AD-Wandler diskretisieren. Wie gehen Sie vor (mit Skizze).
Differenzsignal = Brückenspannung à hat kein Massebezug
AD-Wandler hat Massebezug/ benötigt Signal mit Massebezug
- Man muss einen Subtrahierverstärker (Differenz zwischen zwei Potentialen messen) verwenden, damit das Differenzsignal einen Massebezug erhält (Folie 46)
Was ist ein PTC? Erläutern Sie den Begriff mithilfe einer Kennlinie.
z. B PT-100
Widerstandsthermometer mit positivem Temperaturkoeffizienten
Für welche Aufgaben werden Zenerdioden verwendet? Geben Sie eine Standardbeschaltung an.
Spannungsstabilisierung
Spannungsbegrenzung à Abschneiden von Spannungsspitzen
Was bedeutet der Begriff Galvanische Trennung?
Potentiale werden voneinander getrennt à Hohe Spannungen von niedrigen Spannungen
z. B. Subtrahierverstärker
