SISTEMI DI CONTROLLO EMBEDDED

SISTEMI DI CONTROLLO EMBEDDED

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iten
Codice
72537
ANNO ACCADEMICO
2020/2021
CFU
5 cfu al 3° anno di 8784 INGEGNERIA MECCANICA (L-9) LA SPEZIA
SETTORE SCIENTIFICO DISCIPLINARE
ING-INF/04
LINGUA
Italiano
SEDE
LA SPEZIA (INGEGNERIA MECCANICA )
periodo
2° Semestre
moduli
Questo insegnamento è un modulo di:
materiale didattico

PRESENTAZIONE

I sistemi di controllo a microprocessore, spesso denominati sistemi embedded, sono sistemi elettronici di elaborazione basati su microprocessori di diversa natura (microcontrollori, DSP, FPGA, etc.) progettati appositamente per una determinata applicazione, non riprogrammabili dall'utente, integrati nel sistema che controllano ed in grado di gestirne tutte o parte delle funzionalità richieste. La loro diffusione nell'automazione e meccatronica è estremamente ampia.

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

Alla fine del corso lo studente sarà in grado di: Effettuare una stima dei principali requisiti per un’applicazione embedde in termine di risorse (memoria, I/O, velocità dei canali di comunicazione, potenza di calcolo). Identificare le periferiche più utili per una specifica applicazione e programmarne il funzionamento. Progettare, sviluppare e testare codice ad eventi ed applicazioni real-time per microcontrollori. Compilare, ed effettuare il download ed il debug di programmi per microcontrollori.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

Al termine del modulo lo studente dovrà:

  • Sapere analizzare sistemi di elaborazione dei segnali e sistemi di controllo rappresentati da diagrammi a blocchi.
  • Derivare le dipendenze funzionali di segnali in ingresso ed uscita di sottosistemi interconnessi rappresentati da diagrammi a blocchi.
  • Linearizzare semplici modelli dinamici a tempo continuo anche multivariabili.
  • Discretizzare modelli dinamici a tempo continuo anche multivariabili e derivare lo pseudo codice per la loro implementazione digitale.
  • Conoscere che cos'è un sistema embedded
  • Saper programmare un sistema basato su microcontrollore
    • Saper utilizzare i tool di sviluppo per la compilazione e download del codice 
    • Conoscere, configurare e programmare le principali periferiche (p.es., I/O digitali, timers, ADC, PWM, SPI, UART)
  • Avere conoscenze di base sulla progettazione dei sistemi embedded

Modalità didattiche

Il modulo è suddiviso in lezioni teoriche e attività di laboratorio (programmazione dei sistemi embedded con l'utilizzo di una scheda di sviluppo fornita).

PROGRAMMA/CONTENUTO

Il programma del modulo è cosi strutturato:

  • Richiami sui modelli dinamici nel dominio del tempo e della frequenza con particolare riferimento a quelli Lineari Tempo Invarianti (LTI) a tempo continuo. Modelli scalari (single input - single output, SISO) e loro rappresentazione ingresso - uscita nel dominio del tempo e della frequenza. Introduzione ai modelli nello spazio degli stati con particolare riferimento a quelli LTI a tempo continuo. Sistemi multivariabili (multi input - multi output, MIMO). Soluzione di modelli LTI a tempo continuo nello spazio degli stati e cenno all'analisi modale con esempi (sistemi di navigazione, motori elettrici, etc.). 
  • Algebra dei blocchi. Regole di riduzione e trasformazione di schemi a blocchi per operatori lineari. Rappresentazione di sistemi dinamici LTI con schemi a blocchi.
  • Linearizzazione di sistemi dinamici a tempo continuo non lineari.
  • Introduzione al problema della discretizzazione di modelli dinamici LTI a tempo continuo. Richiami al problema del campionamento. Derivazione di algoritmi ricorsivi a tempo discreto come realizzazioni digitali di modelli dinamici LTI a tempo continuo. 
  • Cenno allo pseudo codice di algoritmi per il filtraggio di segnali o per la realizzazione di controllori PID.
  • Che cos'è un sistema embedded e quali sono le sue principali caratteristiche, l'hardware di base per la sua realizzazione e la architetture principali
  • Strumenti di sviluppo dedicati per i sistemi embedded.
  • Programmazione di sistemi embedded 
    • gestione delle periferiche:
      • I/O digitali
      • Configurazione dell'oscillatore e utilizzo dei timer
      • Acquisizione sensori tramite conversione analogico digitale (ADC)
      • Controllo motori tramite periferica PWM
    • Comunicazione con altri dispositivi.
      • utilizzo del bus SPI per comunicazione con un altro microcontrollore
      • utilizzo della seriale UART per comunicazione con un PC
    • Interrupt e programmazione ad eventi.  

TESTI/BIBLIOGRAFIA

Tutte le slides utilizzate durante  le lezioni e altro materiale didattico saranno disponibili su aulaweb. In generale, gli appunti presi durante le lezioni e il materiale su aulaweb sono sufficienti per la preparazione dell'esame.

I seguenti testi possono essere utilizzati per approfondimenti sulla materia:

  • Q. Li, C. Yao, Real-Time Concepts for Embedded Systems, CMP Books, 2003. (ISBN: 1578201241).
  • D. E. Simon, An Embedded Software Primer, Addison-Wesley Professional, 1999. (ISBN: 020161569X).
  • G. Ricci e E. Valcher, Segnali e sistemi, Progetto Libreria, 2015. (ISBN: 8896477727)
  • P. Bolzern, R. Scattolini, N. Schiavoni, Fondamenti di Controlli Automatici, McGraw Hill, 2015. (ISBN: 8838668825)

DOCENTI E COMMISSIONI

Ricevimento: Ricevimento su appuntamento. Dove: Laboratorio di Robotica e Automatica, secondo piano padiglione E, Via Opera Pia 13

Ricevimento: A margine delle lezioni frontali o su appuntamento per email da concordare con qualche giorno lavorativo di anticipo.

Commissione d'esame

ENRICO SIMETTI (Presidente)

GIOVANNI INDIVERI

MASSIMO NARIZZANO

LEZIONI

Modalità didattiche

Il modulo è suddiviso in lezioni teoriche e attività di laboratorio (programmazione dei sistemi embedded con l'utilizzo di una scheda di sviluppo fornita).

ESAMI

Modalità d'esame

Orale

Modalità di accertamento

I dettagli sulle modalità di preparazione per l’esame e sul grado di approfondimento di ogni argomento verranno dati nel corso delle lezioni. 

L’esame orale verterà sugli argomenti trattati durante le lezioni e avrà lo scopo di valutare se lo studente:

  • ha raggiunto un livello adeguato di conoscenza dei modelli LTI a tempo continuo e sulle tecniche elementari della loro discretizzazione;
  • ha raggiunto un livello adeguato di conoscenza dei sistemi embedded e delle loro architetture
  • ha la capacità di utlizzare la programmazione C nell'ambito della programmazione dei microcontrollori (possibilmente tramite piccoli esercizi)
  • ha acquisito una adeguata conoscenza delle diverse periferiche del microcontrollore e del loro utilizzo