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Weiterentwicklung einer Mikrocontrollerplattform für den Einsatz als mobilen Stausensor
Graßhoff, Michael
| pdf-Format:
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| Dokument 1.pdf (3.652 KB)
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| Zugriffsbeschränkung: |
| nur innerhalb des Universitäts-Campus |
| DDC-Sachgruppe: |
| Handel, Kommunikation, Verkehr |
| Dokumentart: |
| Monographie |
| Sprache: |
| Deutsch |
| Erstellungsjahr: |
| 2011 |
| Publikationsdatum: |
| 19.05.2015 |
| Kurzfassung auf Deutsch: |
| Einleitung: Zur Bereitstellung von Verkehrsinformationen wurde im Bereich Verkehrstelematik am Institut für Automation und Kommunikation e.V. Magdeburg (ifak) ein mobiler Stausensor entwickelt. Dieser wird stationär über der Fahrbahn befestigt und erfasst mithilfe von Verkehrssensoren die Anzahl und Geschwindigkeit von Fahrzeugen auf einer oder mehreren Fahrspuren. Zusätzlich findet eine Klassifikation der Fahrzeuge in Gruppen wie Pkw oder Lkw statt. Die gewonnenen Messdaten werden per Funk an einen Server übermittelt, der durch die Auswertung dieser Daten gezielt Verkehrslenkungsmaßnahmen durchführen kann. Dies ist beispielsweise die Information der Verkehrsteilnehmer durch Wechselverkehrszeichen oder über Internetplattformen. Damit das System autark arbeitet, wird es aus einem Bleiakkumulator mit Energie versorgt, der über ein Solarmodul geladen wird. Mehrere Prototypen des mobilen Stausensors wurden seit 2006 an verschiedenen Standorten in Düsseldorf, Halle und Magdeburg getestet. Während dieser Testphase bestätigten sich die Vorteile der zeitnahen Bereitstellung von Verkehrsinformationen für eine gezielte Beeinflussung des Verkehrs. Andererseits zeigte der Langzeiteinsatz der Prototypen auch Mängel auf. Während der sonnenarmen Wintermonate reichte die durch das Solarmodul aufgenommene Energie in einigen Fällen nicht aus, um die Leistungsaufnahme des Systems zu decken. Die Abbildung 1.2 zeigt den Verlauf der Akkumulatorspannung eines Testgeräts vom Juni 2008 bis Juni 2009. Auf dieser ist ein deutliches Absinken der Spannung in den Wintermonaten zu erkennen. Durch das Erreichen einer Mindestspannung führte dies im Dezember zu mehreren Systemausfällen. Darüber hinaus zeigten sich Mängel durch Verbindungsabbrüche und Systemabstürze bei einigen Prototypen. Hierfür wird die Ursache in der komplexen Betriebssoftware des Systems vermutet. Das Ziel der Studienarbeit ist die Weiterentwicklung des mobilen Stausensors, ausgehend von der vorhandenen Mikrocontrollerplattform. Um Ausfälle des Systems bei geringer Sonneneinstrahlung zu vermeiden, soll die Leistungsaufnahme des Systems analysiert und gegebenenfalls optimiert werden. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die energieeffiziente Erzeugung der Versorgungsspannungen und die geringe Verlustleistung der Bauelemente gelegt. Die Komplexität der Betriebssoftware soll durch den Einsatz eines Betriebssystems verringert werden. Dazu werden im zweiten Schritt verfügbare Betriebssysteme untersucht und hinsichtlich ihres Funktionsumfangs verglichen. Anschließend werden verschiedene Prozessortypen gegenübergestellt, die für das gewählte Betriebssystem geeignet sind. Das wichtigste Merkmal stellt auch hier eine geringe Leistungsaufnahme dar.Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis: Abbildungsverzeichnisvi Tabellenverzeichnisviii Abkürzungsverzeichnisix 1.Einleitung1 2.Grundlagen3 2.1Aufbau des mobilen Stausensors3 2.2Gleispannungswandler5 2.2.1Lineare Spannungsregler6 2.2.2Schaltregler als Abwärtswandler8 2.2.3Ladungspumpen als Abwärtswandler11 2.2.4Vergleich der Verfahren13 2.3Betriebssysteme15 2.3.1Aufgaben eines Betriebssystems15 2.3.2Klassifizierung17 2.4Mikroprozessoren18 2.4.1Aufbau eines Mikroprozessors18 2.4.2Mikrocontroller und System-on-a-Chip19 2.4.3CISC- und RISC-Architekturen19 2.4.4Leistungsaufnahme eines Mikroprozessors20 3.Untersuchung und Optimierung der Leistungsaufnahme21 3.1Stromversorgungsstruktur21 3.2Stromversorgung der Verkehrsdetektoren23 3.3Stromversorgung des GPRS-Modems27 3.4Stromversorgung des Mikrocontrollers, der Speicher und des EIA-485-Treibers32 3.5Zusammenfassung34 4.Betriebssysteme für eingebettete Systeme36 4.1Freie Echtzeitbetriebssysteme37 4.1.1BeRTOS37 4.1.2FemtoOS39 4.1.3FreeRTOS40 4.1.4FunkOS40 4.1.5Nut/OS41 4.1.6YAVRTOS41 4.2Linux42 4.2.1Struktur des Kernels43 4.2.2Vorteile beim Einsatz von Linux43 4.2.3Besonderheiten beim Einsatz in eingebetteten Systemen47 4.2.4Minimale Hard- und Softwareanforderungen48 4.3Vergleich und Bewertung48 5.Prozessorarchitektur für Linux50 5.1Gegebene Anforderungen an ein System-on-a-Chip50 5.2Potenzielle Prozessorarchitekturen51 5.2.1Intel x8652 5.2.2Motorola 6800054 5.2.3PowerPC53 5.2.4MIPS54 5.2.5SuperH55 5.2.6ARM56 5.3Vergleich und Auswertung57 6.Zusammenfassung und Ausblick59 Glossar60 Literaturverzeichnis64Textprobe:Textprobe: Kapitel 4, Betriebssysteme für eingebettete Systeme: Auf der Platine des mobilen Stausensors stellt der Mikrocontroller das Bindeglied zwischen den einzelnen Komponenten dar. Er steuert die Messdatenerfassung mithilfe der Verkehrsdetektoren, verarbeitet und speichert die erhobenen Verkehrsdaten und schickt schließlich die Ergebnisse per Funk an einen Server. Der Mikrocontroller muss dabei mehrere Aufgaben quasiparallel ausführen. Über das GPRS-Modem besteht eine dauerhafte Verbindung zum Server. Um diese aufrechtzuerhalten und auf eventuelle Anfragen seitens des Servers reagieren zu können, muss eine permanente Kommunikation zwischen dem Mikrocontroller und dem Modem erfolgen. Parallel dazu werden einerseits die Verkehrsdaten der Sensoren abgerufen, andererseits Messdaten verarbeitet und auf der SD-Speicherkarte gespeichert. Weitere Aufgaben kommen durch den Anschluss zusätzlicher Sensoren über die Peripherieschnittstelle dazu. Jeder Aufgabe muss eine Priorität zugeordnet werden, anhand der entschieden wird, ob die gerade laufende Aufgabe durch eine anstehende unterbrochen werden darf. Die bisher eingesetzte Firmware des Mikrocontrollers verwendet kein Betriebssystem und daher musste die quasiparallele Ausführung mehrerer priorisierter Aufgaben von Hand implementiert werden. Weiterhin mussten die Treiber für das Modem, die Verkehrsdetektoren, die externen Speicher und die externen Sensoren manuell programmiert werden. Bei einer so komplexen Situation ist zum einen der Programmieraufwand hoch, zum anderen sind die erstellten Lösungen fehleranfällig. Schneller und vor allem sicherer lässt sich diese Aufgabe mit einem multitaskingfähigen Betriebssystem lösen. Dieses kann mehrere Prozesse verwalten und bietet je nach Ausführung unterschiedliche Gerätetreiber zur Abstraktion der eingesetzten Hardware. Damit die Entwicklungskosten und späteren Produktionskosten des mobilen Stausensors möglichst gering sind, werden hier keine kommerziellen Betriebssysteme wie VxWorks, Windows Embedded oder Symbian OS betrachtet, sondern nur frei verfügbare Betriebssysteme. 4.1, Freie Echtzeitbetriebssysteme: Eingebettete Systeme werden beispielsweise in Industriesteuerungen, Kraftfahrzeugen oder Flugzeugen eingesetzt. In all diesen Anwendungsbereichen muss der Mikrocontroller des eingebetteten Systems in einer definierten Zeit auf Ereignisse reagieren und externe Geräte steuern. Zudem müssen in den meisten Fällen Messdaten von Sensoren in festen Zeitintervallen abgefragt werden. Aus diesem Grund sind die meisten, speziell für eingebettete Systeme entworfene Betriebssysteme, echtzeitfähig. Laut [Gan04] existieren etwa 150 verschieden Echtzeitbetriebssysteme und eine Liste auf Wikipedia enthält 103 verschiedene echtzeitfähige Betriebssystemkerne. Diese Vielfalt macht es nötig, Einschränkungen bei Auswahl der zu betrachtenden Echtzeitbetriebssysteme vorzunehmen. In [ele10a] ist eine Tabelle abgedruckt, die Betriebssysteme enthält, welche sowohl frei, quelloffen als auch aktiv sind. Als aktiv werden hier Betriebssysteme betrachtet, deren Quellcode innerhalb der letzten sechs Monate aktualisiert wurde. 4.1.1, BeRTOS: Das Betriebssystem BeRTOS wird in zwei verschiedenen Versionen angeboten. Die freie Community Edition enthält den Quellcode des Echtzeitbetriebssystems und den Quellcode für ein grafisches Konfigurationsprogramm. Gegen eine Gebühr von 249 EUR kann das Commercial Software Development Kit (SDK) erworben werden. Das Commercial SDK enthält zusätzlich den vorkompilierten Konfigurator, die Toolchain für die beiden unterstützten Mikrocontrollerarchitekturen, eine Entwicklungsumgebung und ein erweiterten Support. BeRTOS kann sowohl auf Atmel-AVR-Mikrocontrollern, als auch auf Mikrocontroller mit ARM-Architektur eingesetzt werden. Als Schedulingstrategie kann entweder präemptives oder kooperatives Scheduling gewählt werden und für die Kommunikation zwischen zwei Prozessen stehen Signale, Semaphoren und Nachrichten zur Verfügung. Für diverse Controller der Atmel-ATmega-Reihe und der Atmel-AT91SAM7-Reihe werden Treiber für verschiedene Geräte angeboten. Beispielsweise werden Gerätetreiber für interne Peripheriefunktionen wie die serielle Schnittstelle oder der Analog-Digital-Wandler angeboten. Zusätzlich liefert BeRTOS Treiber für externe Geräte wie LC-Displays oder Schrittmotoren mit. Der Betriebssystemkern kann durch zusätzliche Module erweitert werden. Als Algorithmen bietet BeRTOS beispielsweise eine Lauflängenkodierung und -dekodierung und CRC16 an. Mithilfe eines weiteren Moduls können grafische Benutzeroberflächen erstellt werden und auch Netzwerkprotokolle wie das XModem-Protokoll werden unterstützt. Die Speicherung und Organisation von Daten wird durch die beiden Dateisysteme FatFs und BattFs erleichtert. |
