Sistemele de Control Automat

Introducere în Robotică

• Cursul este despre proiectarea sistemelor de calcul cu microprocesoare, inclusiv roboți.
• Cursul va include o discuție amplă despre proiectarea sistemelor de calcul.
• La laborator, studenții vor aplica cunoștințele dobândite pentru a construi propriile sisteme de calcul/roboți.
• La finalul cursului, studenții vor fi pregătiți să lucreze în echipă pentru a construi produse care includ un sistem de calcul.

Despre mine

• Profesor asociat la UPB
• Cercetare și predare în:
  • Arhitectura calculatoarelor, interacțiunea hardware/software
  • Calculatoare integrate și pervasive
  • Rețele de senzori fără fir
  • Arhitecturi de calcul cu consum redus de energie
  • Toleranță la erori
• Birou: 314
• Ore de primire: (aproape) oricând pe platforma Teams
• Proiecte: Vector Watch, Fitbit, Google

Asistenți (nu laboranți!)

• Lista de asistenți și imagini ale acestora.

Informații importante

• Notare: 1 punct activitate laborator, 1 punct lucrare laborator (colocviu final), 1 punct teme de casă, 3 puncte proiect, 5 puncte examen final, +0.3p bonus top 15 de proiecte din an, +0.3p bonus top 5 proiecte din an
• Pentru promovare: minim 50% punctaj parcurs și 50% puncte examen. Toate prezențele la curs și laborator sunt necesare pentru acces la examen.

Extra

• Bonusuri pentru rezultate la concursuri tehnice
• Echivalări pentru rezultate la concursuri

Practică

• Posibilitate de participare la practică în laborator
• Clasificarea unui dataset ca alternativă

Proiect

• Imagini ale unor proiecte anterioare, reprezentative.

Structură punctaj proiect

• Detalii despre punctajul fiecărui milestone pentru proiect. (Dat de prezentare, documentare și execuție a diferitelor părți ale proiectului de robotică).

Alegerea temelor

• Temele trebuie aplicate la asistentul de laborator
• Evita teme banale
• Trebuie să includă noțiuni din minim 3 lucrări de laborator
• Nu se bazează pe tutoriale YouTube

Cu ce veți rămâne după proiect?

• Cunoștințe generale despre funcționarea sistemelor de calcul
• Dezvoltare low-level in C
• Proiectarea si testarea hardware-ului (schematic, PCB)
• Teste analogice (osciloscop, multimetru)
• Teste digitale (analizor logic)
• Amintiri plăcute

Organizarea generală a unui calculator

• Descrierea generală a modelului calculatorului (CPU, memorie, I/O)

Arhitectura sistemelor de calcul

• Arhitectura clasică (von Neumann)
• Programe stocate sub formă de instrucțiuni (general-purpose)
• Date și instrucțiuni stocate în memorie
• Instrucțiuni executate în ordine
• Dependenţa de hardware și software

Programarea calculatoarelor înainte de von Neumann

• Ilustrație a calculatoarelor timpurii

Putting things into perspective

• Evoluția dimensiunii tranzistorilor în timp

Microprocesoare

• Performanţă ridicată, general-purpose pentru PC-uri și stații de lucru
• Decodificare și control instrucțiuni, operații aritmetice/logice, registre, temporizare, control extern
• Preţ tipic: 75-500$
• Cerere anuală: zeci de milioane

Microcontrollere

• Integrare mai mare a funcțiilor de microprocesor, memorie și dispozitive periferice on-chip (porturi, timere)
• "Instrument universal" în tehnologie
• Preț tipic: 0.1-25$
• Cerere anuală: miliarde

IoT

• Utilizări și aplicații ale IoT în diverse sectoare

Baseline Microcontroller

• Diagrama de funcționare a unui microcontroler tipic

8051 – Intel

• Diagrama de funcționare a lui 8051

ATmega328p – Atmel

• Descriere și arhitectură a microcontrolerului ATmega328p

MSP430 – Texas Instruments

• Descrierea hardware-ului MSP430

Caracteristici hardware-software M3, M3 Pro, M3 Max

• Caracteristici hardware-software

Ce vă trebuie pentru a reuși la acest curs?

• Cunoștințe de programare C și electronică
• Doriți să învățați cum funcționează calculatoarele
• Tenacitate (software și hardware sunt dificile)
• Dorința de a crea un produs complet

Diferențe între microcontroller și microprocesor

• Caracterizarea funcționalităților, costurilor și complexităților celor două tipuri de dispozitive

Tipuri de procesoare

• Descriere a tipologiei procesoarelor
• Diverse arhitecturi de procesoare

Tipuri de microcontrolere

• Lista tipologiei procesoarelor

Cum alegi procesorul potrivit pentru proiectul tău?

• Factori importanți de luat în considerare
• Exemple de la configurarea sistemului și la configurarea timpului de funcționare a sistemului.

De exemplu

• Exemple concrete de factori de care trebuie să ții cont la alegerea unui procesor
• Detalii concrete legate de eșantionare, afișare etc.

Alegerea temei

• Informații despre selectarea temei pentru proiect

Ce operaţii trebuie să execute soft cu periferic?

• Operații esențiale
• Cum se expune interfața din hardware

Port I/O

• Registrele perifericelor sunt mapate ca porturi
• Instrucțiuni speciale I/O
• Exemplu de porturi

Memory-Mapped I/O

• Registrele perifericelor sunt mapate la un spațiu de adresă
• Instrucțiuni obişnuite pentru acces
• Mecanisme de protecție (de ex memorie virtuală, paginare)

Exemplu din datasheet ATmega324P

• Informație tabulară

Memory-mapped I/O folosit pentru sisteme embedded

• Avantajele utilizării memory mapped I/O
• De ce nu este necesar un port I/O

Citirea și scrierea MMIO

• Comparare cu citirea și scrierea în RAM (diferențe semnificative).

GPIO - General Purpose I/O

• Funcţionare de bază a GPIO
• Folosire pentru controlul dispozitivelor
• Debuggare: Execuție prin ghidare, timpul de funcţionare etc.

Topologia unui pin GPIO

• Schema de funcționare a unui pin GPIO

Configurarea unui pin GPIO

• Diverse configurații posibile a unui pin GPIO.

Citire și scriere GPIO

• Exemple de cod C pentru citirea și scrierea pinurilor I/O

Fun stuff: Drive Strength

• Valorile minime, tipice și maxime ale tensiunii de ieșire a unui port IO.

AVR Programming

• Descriere despre cum se programează un microcontroller AVR

Mediul de programare

• Compilatoarele AVR-GCC
• Specificarea arhitecturii AVR
• Macro definirea portului.

Variabile şi constante

• Organizarea variabilelor și constantelor în raport cu memoria flash.

Stocarea variabilelor constante

• Cum sunt memorate variabilele locale/globale și constante. Rolul stivei și al heap-ului.

Hello World!

• Exemplu de cod pentru un program Hello World care folosește hardware-ul și interfața specifică

Compilare

• Procedura de compilare a unui program AVR
• Descriere a fișierelor generate în procesul de compilare

Dezasamblare

• Informații despre dezasamblare

Întreruperi la ATmega324P

• Specificațiile întreruperilor disponibile la ATmega324P.

Mecanismul de tratare al întreruperilor

• Descriere despre cum functionează un handler de interrupt.

Inițializare întreruperi

• Cum se configurează întreruperile într-un program AVR

Exemplu întreruperi externe

• Specificul întreruperilor externe la ATMega324P

ISR Attributes

• Alte specificații pentru ISR

Alte aspecte

• Aspecte despre folosirea variabilelor volatile.

Interfaţă de date USB la ATMega324P

• Caracteristici

Exemple cod LUFA

• Exemple de cod pentru comunicarea USB

Concluzii

• Caracteristici importante legate de funcționarea USB și AVR

Controller Area Network CAN

• Descriere a protocolului CAN
• Specificații și caracteristici

MODBUS

• Descriere a protocolului MODBUS

Tipuri MODBUS

• Specificații ale tipologiilor Modbus

Structura de date MODBUS

• Structura datelor folosite la protocolul Modbus

Modul de comunicare

• Schema de comunicare MODBUS la nivel fizic

Exemplu comunicație

• Exemplu concret de comandă și răspuns MODBUS

ADC

• Principii generale de funcționare ADC.
• Selectarea domeniului de valori
• Alegerea rezoluției corecte
• Alegerea rezoluției temporale
• Teorema Shannon-Nyquist

Exemplu conversie

• Exemplu de conversie analog-digital. Folosirea ADC, tensiuni și unități de măsurare.

Filtre anti-aliasing

• Folosirea filtrelor pe intrările ADC, Aliasing

Exemplu filtru

• Calcul pentru un exemplu concret de filtru

Chiar trebuie să filtrez semnalul înainte de ADC?

• Este întotdeauna necesar un filtru anti-aliasing pe intrarea unui ADC.

ATmega324p

• 10 biți rezoluție, 1024 valori, Domeniu 0-5V, 4.88mV rezoluție, 2LSB precizie
• Implementare ADC
• Funcționare ADC

Funcţionare ADC

• Procesul de conversie
• Registre importante și funcțiile lor

Exemplu cu polling

• Funcții de inițializare și citire ADC
• Canal selectabil ca parametru
• Citire cu busy waiting

Exemplu întreruperi

• Intreruperea ADC
• Folosirea variabilelor globale

ADC Auto-Triggering

• Metode pentru declanșare automată a conversiei

Exemplu auto-trigger

• Implementare cu utilizarea Timer 1 în modul CTC.
• Legarea surselor ADC
• Principii

Exemplu complex

• Cum se gestionează mai mulți senzori analogici pe un dispozitiv

Exemplu 1

• Conexiuni pentru mai mulți senzori analogici într-un dispozitiv.

Exemplul 2

• Implementare fără interrupt I

Comparatorul Analogic

• Descriere a funcționării comparatoarelor analogice
• Funcții
• Registre importante

Exemplu cod

• Exemplu de cod C pentru implementarea unui comparator pozitiv

Alte aspecte

• Notiuni despre ce este si cum functioneaza un sistem fuzzy

Teoria Mulțimilor Fuzzy

• Definiție
• Operații
• Exemplu practic

Variabile Lingvistice

• Exemplu practic prin definirea unor mulțimi fuzzy

Inferenţa Fuzzy

• Elemente de bază pentru un control fuzzy

Tipuri de Control Fuzzy:

• Tipuri de controllere fuzzy

Aplicații Control Fuzzy

• Exemple de aplicații

Rezumat al controlului Fuzzy

• Idei importante

Metode de acordare a parametrului Kp

• Manual Tuning
• Metoda Ziegler-Nichols

Implementări Regulaatoare PID

• Calcule coeficienți PID
• Implementare C

Concluzii Control PID

• Rezumat al funcționării și aplicabilității controllorului PID

Problema controlului

• Conceptul de sistem dinamic
• Introducere a conceptului de model dinamic.

Sisteme Dinamice

• Exemple de sisteme dinamice
• Teoria controlului

Modelarea Dinamică

• Rolul modelului dinamic
• Concept de parametri de intrare și de ieșire

Tipuri sisteme de control

• Sistemul in bucla deshisa

Teoria Controlului: Cibernetica

• Caracteristicile ciberneticii

Aplicații moderne ale sistemelor cu reacție

• Exemple moderne

Nevoia de a avea un model

• Rolul modelului în proiectarea sistemelor de control
• Obiectivele unui sistem de control

Probleme de implementare

• Probleme legate de structurile de date, de memorie, de timp, și algoritmi.

Implementări software

• Structura software a unui sistem de control
• Exemplu
• Algoritmi pentru calcule PID și rezultatele lor.

Măsurare și testare

• Cum se măsoară puterea unui sistem de control (exemple de circuite)

Alte optimizări

• Optimizare circuite electrice, altele și limitări

Stări de lucru - consum

• Consumuri în diferite stări de lucru a sistemului

Idle Mode

• Explicarea conceptului de mod Idle
• Calcul cu curent mediu Idle

Alte stări de power saving

• Descriere a modurilor de economisire a energiei
• Calcul cu curent mediu Power-save
• Specificații (exemple Power-down, Power-save)

Optimizări ADC

• Setări pentru optimizarea ADC
• Frecvențe, prescaleri și rezoluție.

Curent mediu cu ADC rapid

• Reducerea timpului de conversie ADC
• Calcul pentru condiții diferite

Optimizări frecvență

• Reducere frecvență de operare
• Implicațiile privind calcule și control

Calcul consum activ 1MHz

• Calculul consumului activ la 1MHz

Curent mediu cu 1MHz

• Calculul curentului mediu cu 1MHz

Alte optimizări

• Alte tipuri de optimizări
• Eficiența puterii, considerații.

Concluzii

• Rezumat al optimizărilor de putere

====Robotică - Teoria Sistemului (2)

• Sisteme digitale de control cu reacție
• Stabiliatea și Acurateța
• Proprietățile regulatoarelor
• Tipurile de control
• Acordare Kp
• Efectul polilor
• Efecte diferiților coeficienți Kp

Interfețe seriale (I²C la ATMega324P)

• Funcționarea lui I2C la ATMega324P
• Descriere detaliată a registrelor implicate (TWCR, TWSR, TWDR, TWAR)

Transmisia și recepția prin EEPROM 24C04

• Descriere etape scriere, citire, coduri de eroare

Variante de I²C (SMB, I²S)

• Descrierea variabilelor și tipurilor de I²C

Exemplu arbitrare I²C

• Probleme posibile legate de arbitrajul I²C

Concluzii I²C

• Caracteristici I²C

CAN (Controller Area Network)

• Caracteristici CAN
• Format CAN Frame
• Arbitraj CAN

MODBUS

• Informații despre protocolul Modbus.
• Structura de date MODBUS.
• Tipuri MODBUS
• Exemplu de comunicare

Concluzii

• Caracteristici, avantaje/dezavantaje MODBUS

USB (Universal Serial Bus) și AVR

• Funcționare și aplicații USB în AVR
• Registre importante

Exemplu cod V-USB

• Tipuri de transferuri, endpoints și coduri
• Principii

Concluzii USB

• Caracteristici importante legate de funcționarea USB și AVR

Implementare (software, hardware)

• Elemente software, hardware și optimizări