Was bestimmt heutzutage die Funktionalität vieler technischer Systeme und was sind die Konsequenzen dieser Entwicklung?
Die Funktionalität vieler technischer Systeme wird wesentlich durch „eingebettete Software“ bestimmt. Um konkurrenzfähig zu bleiben, nimmt die Funktionalität der Systeme ständig zu, was zu immer komplexeren digitalen Steuerungen führt und häufig den Einsatz mehrerer Prozessoren erfordert, die miteinander kommunizieren müssen.
Welche technologischen Grundlagen der Rechnerkommunikation in eingebetteten Systemen lernen Sie in diesem Studienheft kennen?
Man lernt die physikalischen Grundlagen der Kommunikation, die Software-Protokollschichten heutiger Rechnernetze sowie die spezifischen Anforderungen eingebetteter Systeme an die Rechnerverbindung kennen.
Welche grundlegenden Eigenschaften haben eingebettete Systeme?
Eingebettete Systeme:
- sind informationsverarbeitende Systeme
- sind in größere Umgebungen integriert
- werden für spezielle Anwendungen entworfen
- führen dedizierte Funktionen innerhalb eines Gesamtsystems aus
- stehen mit der Umgebung über Sensoren/Aktuatoren in Verbindung
- bestehen aus Software, Hardware, Mikroelektronik, Mikromechanik, Standardprozessoren, ASICs, FPGAs oder DSPs und deren Verbindungen
Welche Kommunikationsstrukturen sind in einem eingebetteten System nach Abb. 1.2 erkennbar?
- Anbindung der Sensoren und Aktuatoren an das eingebettete System
- Kommunikation zwischen Prozessoren, die verschiedene Aufgaben (z.B. Vorverarbeitung, Planung, Steuerung) übernehmen
- Interaktion zwischen Benutzer und eingebettetem System über die Mensch-Maschinen-Schnittstelle
Wie hat sich die Verkabelung von Sensoren und Aktuatoren in eingebetteten Systemen geändert?
Früher wurde jeder Sensor und Aktuator separat an das Steuerungssystem angeschlossen, was zu einer Vielzahl von Einzelleitungen führte. Zur Reduzierung des Verkabelungsaufwands wurden Sensor-Aktuator-Busse und Feldbusse eingeführt.
Warum sind die Kommunikationsanforderungen in der Kfz-Technik ein Paradebeispiel für die zunehmende Komplexität von eingebetteten Systemen?
Die Kfz-Technik zeigt eine rasante Zunahme der Komplexität und Anforderungen an das Kommunikationssystem. Moderne Fahrzeuge enthalten bis zu 70 Prozessoren, die über verschiedene Bussysteme kommunizieren, und ein erheblicher Teil der Innovationen und Herstellungskosten wird durch Elektronik und Software bestimmt.
Welche Bussysteme werden in Fahrzeugen verwendet und warum?
- CAN-Bus: Der am weitesten verbreitete Bus zur Anbindung von Sensoren und Aktuatoren an Steuergeräte.
- LIN-Bus: Verwendet für einfachere Steuer- und Überwachungsaufgaben, wo CAN überdimensioniert wäre.
- MOST-Bus: Etabliert sich für die Vernetzung von Multimedia-Einheiten wie Radio, CD-Wechsler, Navigationsgerät und Telefon.
- FlexRay: Wird für Sicherheitskritische Anwendungen mit hoher Datenmenge verwendet, z.B. Steer by Wire
Wie unterscheiden sich die Kommunikationsanforderungen zwischen Stückgutprozessen und Fließgutprozessen in der Produktionsautomatisierung?
- Stückgutprozesse: Erfordern schnelle Sensoren, Aktuatoren und Steuergeräte mit hoher Abtastrate (etwa alle 5-10 ms) und kostenoptimierte Busankopplungen.
- Fließgutprozesse: Benötigen langsamere Automatisierungsmittel mit geringerer Abtastrate (etwa 2-3 mal pro Sekunde), aber eine höhere Datenmenge pro Übertragung und oft größere Übertragungsentfernungen.
Was sind die grundsätzlichen Aufgaben und der Mehrwert von Kommunikationssystemen?
- Kostengünstige Vernetzung von Stationen über gemeinsame Leitungen.
- Korrekte Datenübertragung durch Fehlerkorrektur.
- Bereitstellung von Kommunikationsdiensten (E-Mail, WWW, Electronic-Payment, etc.).
- Besserer Zugang zu Betriebsmitteln durch Ressourcenteilung.
- Erhöhung der Ausfallsicherheit durch redundante, gekoppelte Rechner.
Welche speziellen Anforderungen stellen technische Systeme an Kommunikationssysteme?
- Echtzeitdatenübertragung
- Verlässlichkeit der Kommunikation
- Hierarchische Verbindungsstrukturen
- Einbindung des Internets für Fernwartung
- Einsatz von LAN-Technologie in der Produktionsautomatisierung
Was ist notwendig zur Lösung der Aufgaben von Kommunikationssystemen?
- Physikalisches Übertragungsmedium
- Ausreichend schnelle Bitübertragung
- Übertragungsprotokoll(e)
- Wegbestimmung in komplexen Netzen
Warum ist Echtzeitdatenübertragung in technischen Systemen wichtig und wie wird sie gewährleistet?
- Garantien in Bezug auf die Übertragungszeit.
- Notwendigkeit einer synchronen bzw. isochronen Übertragung
Welche Anforderungen stellen Abtastsysteme an die Datenübertragung?
- Eine Zeitfunktion s(t) mit einem Frequenzspektrum bis zur Grenzfrequenz fg wird durch ein abgetastetes Signal vollständig beschrieben, wenn die Abtastfrequenz fa mindestens doppelt so groß ist wie fg.
- Formel: fa ≥ 2 * fg
Wie wird der Systembelastung durch ständige Abfragen in Steuerungssystemen begegnet?
- Verwendung von Interrupts, die bei Bedarf das aktuelle Programm unterbrechen.
- Notwendigkeit eines prioritätsgesteuerten Kommunikationssystems.
Was bedeutet Verlässlichkeit in eingebetteten Systemen und wie wird sie sichergestellt?
- Sicherheit: Garantie, dass das System keinen Schaden verursacht.
- Zuverlässigkeit: Garantie, dass das System nicht ausfällt.
- Maßnahmen: Reduktion von Störungen, Fehlersicherung auf analoger und digitaler Ebene.
Welche Maßnahmen helfen, Störungen in Kommunikationssystemen zu reduzieren?
- Erdung und Schirmung der Busankopplung.
- Verdrillung der Leitungen.
- Verwendung oberwellenarmer Impulsfolgen.
Wie werden Fehler in digitalen Kommunikationssystemen erkannt und korrigiert?
- Fehlererkennung: Untersuchung der empfangenen Nachricht auf Fehler.
- Fehlerkorrektur: Geeignete Maßnahmen im Fehlerfall ergreifen.
- Typische Bitfehlerwahrscheinlichkeiten berücksichtigen und Maßnahmen zur Reduktion umsetzen.
Sie wollen einen technischen Prozess regeln. Die Sensoren und Aktuatoren
seien mit dem Controller über einen zentralen Bus verbunden. Der Prozess
hat eine Grenzfrequenz von 2 kHz. Zur Regelung wird ein 8-Bit-Sensorwert
und ein 4-Bit-Stellwert verwendet. Wie viele Sensor- und Aktuatorwerte
muss der Bus pro Sekunde übertragen und wie groß ist in dieser
Sekunde das Gesamtdatenaufkommen?
Laut Abtasttheorem muss der Prozess mit 4 kHz abgetastet werden.
Dies ergibt 4000 Sensor- und Aktuatorwerte pro Sekunde.
Die dabei zu übertragende Datenmenge beträgt 4000 · (8 + 4) Bit
= 48 kBit/s.
In sicherheitskritischen Bereichen wie beispielsweise der Raumfahrt müssen
auch die Kommunikationssysteme verlässlich (sicher und zuverlässig
sein). Geben Sie für ein solches Kommunikationssystem jeweils ein Beispiel
an, bei dem das Kommunikationssystem
a) sicher, aber nicht zuverlässig
b) nicht sicher, aber zuverlässig und
c) weder sicher noch zuverlässig
ist. Was sind in diesen Fällen die Auswirkungen?
a) Eine Leitung, die starker EMV-Strahlung ausgesetzt ist, und bei der
keine Fehlersicherung durchgeführt wird. Es kann dann zu verfälschten
Daten kommen.
(Achtung: Auch wenn das Kommunikationssystem dabei selbst sicher
ist, da es keinen Unfall verursacht, kann das Gesamtsystem unsicher
werden, wenn es die verfälschten Daten weiterverarbeitet.)
b) Eine schlecht isolierte Steckerverbindung an einem Sensor in einem
Wasserstofftank. Ein kleiner Funke kann zur Explosion führen.
c) Die Steckerverbindung im Wasserstofftank ist wackelig. Beim Lösen
der Verbindung kann es entweder zu einem Datenverlust ( unzuverlässig)
oder durch einen Funken wieder zur Explosion ( unsicher)
kommen.
Der Bus aus Übung 1.1 habe eine Bitfehlerwahrscheinlichkeit von 10–10.
Jeder wievielte Sensorwert ist dabei im Mittel verfälscht?
Die Wahrscheinlichkeit, dass ein einzelnes Bit richtig ist, liegt bei
(1–10–10). Die Wahrscheinlichkeit, dass 8 Bit richtig sind, liegt dann bei
(1–10–10)8 = ca. (1 – 8·10–10) (genauer: 0,99999999920).
Die Wahrscheinlichkeit, dass eins dieser 8 Bits falsch ist, liegt demnach bei
etwa (1 – (1 – 8·10–10)) = 8·10–10.
Was ist die Hauptaufgabe eines elektrischen Kommunikationssystems?
Die Übertragung von Information von einem Sender über einen Übertragungskanal zu einem Empfänger.
Welche Geräte können als Sender und Empfänger in einem Kommunikationssystem fungieren?
Telefone, Faxgeräte, Computer, Sensoren, Aktuatoren und Steuergeräte.
Was versteht man unter einem (Übertragungs-) Kanal im informationstheoretischen Sinne?
Eine Vorrichtung zur Übermittlung von Informationen über räumliche oder zeitliche Distanz, z.B. durch Spannung, Frequenz elektromagnetischer Wellen oder magnetische Feldstärke.
Welche Klassen von Kommunikationsnetzen gibt es abhängig von der Entfernung?
Intrasystemkommunikation, FANs (Field Area Networks), LANs (Local Area Networks), WANs (Wide Area Networks), GANs (Global Area Networks).
