SPECJALNOŚĆ SYSTEMY WBUDOWANE

–  uruchomiona będzie w roku akademickim 2016/2017 – semestr letni

Gwarantujemy, że absolwent tej specjalności będzie potrafił samodzielnie zaprojektować, oprogramować i zbudować system wbudowany.

System wbudowany  (ang. Embedded System) to specyficzna forma wykorzystania specjalizowanego systemu komputerowego lub mikroprocesorowego, wyposażonego w dedykowane oprogramowanie, do celów pomiarowych oraz sterowania obiektami poprzez trwałe połączenie go z danym obiektem – wbudowanie do obiektu.

Kształcenie w ramach specjalności będzie realizowane na trzech poziomach:

  • Teoria: demonstracja możliwości wykorzystania mikrokomputerów i mikrokontrolerów do kontroli oraz sterowania urządzeniami, obiektami
    i procesami.
  • Narzędzia: prezentacja sprzętowych i programowych środków do realizacji systemów wbudowanych związanych integralnie z obiektem.
  • Praktyka: przykładowe rozwiązania.

W ramach specjalności będą realizowane autorskie przedmioty takie jak:

Nazwa przedmiotu Cel  kształcenia Prowadzący 
Sensory i aktuatory Zapoznanie z zasadami działania i możliwościami czujników i aktuatorów Bogdan Dziadak
Interfejsy analogowe Zapoznanie z metodami projektowania i wykonania układów analogowych – kondycjonowanie sygnałów Kamil Możdżyński
Mikrokontrolery w systemach wbudowanych Nauka programowania mikrokontrolerów  do systemów wbudowanych Marcin Kołodziej
Układy programowalne
i procesory sygnałowe
Zapoznanie z programowaniem procesorów sygnałowych (DSP) i programowalnych układów logicznych (FPGA) Tomasz Winek
Paweł Tarnowski
Transmisja informacji Zapoznanie z nowoczesnymi systemami komunikacji bezprzewodowej Łukasz Makowski
Projektowanie obwodów drukowanych Nauka projektowania
i wytwarzania obwodów drukowanych PCB
Paweł Irzmański
Aplikacje w diagnostyce
i monitorowaniu
Programowanie systemów wbudowanych z wykorzystaniem komercyjnego
i otwartego oprogramowania narzędziowego
Adam Jóśko

Siatka godzinowa wygląda tak:

SYSTEMY WBUDOWANE
SEMESTR    6          
Nazwa przedmiotu W L P E ECTS
Sensory i aktuatory 15 30 15   4
Interfejsy analogowe 15 30 15   5
Aplikacje w diagnostyce i monitorowaniu 15 15 30 E 6
Mikrokontrolery w systemach wbudowanych   30 30   4
Transmisja informacji 15 30 15 E 6
Projekt przejściowy zespołowy     60   5
Razem 60 135 165   30
Razem w sem.  6 360
SEMESTR   7          
Nazwa przedmiotu W L P E ECTS
Układy programowalne i procesory sygnałowe 15 30 15   4
Projektowanie obwodów drukowanych 15 15 30   4
Projekt przejściowy indywidualny     60   4
Razem 30 45 105   12
Razem w sem.  7 180

Zawartości merytoryczne przedmiotów:

Interfejsy analogowe
  • Identyfikacja sygnału przetwornika:
    • – Odczytywanie charakterystyk przetwarzania,
    • – Określenie zakresu pracy
  • Identyfikacja parametrów przetwornika ADC:
    • – Określenie parametrów przetwornika ADC do wymogów  procesu pomiarowego
  • Projektowanie układu kondycjonera:
    • – Identyfikacja warunków pracy:
      • + Filtracja,
      • + Ekranowanie,
      • + Separacja galwaniczna,
    • – Dobór układu skalującego:
      • + Układy wzmacniaczy,
      • + Komparatory,
      • + Konwertery,
    • – Integracja sensorów
  • Podstawy Interfejsów komunikacyjnych:
    • – Dobór alternatywnych układów pomiarowych,
    • – Transmisja danych przy użyciu magistral: CAN, SPI, I2C
Sensory i aktuatory
  • Podstawy: definicje, podział, struktura, właściwości,
  • Przetworniki tensometryczne: budowa, właściwości, układy pracy, technologia klejenia,
  • Przetworniki indukcyjnościowe: dławikowe, selenoidalne, wiroprądowe, magnetosprężyste, prostowniki fazoczułe w układach przetworników indukcyjnościowych,
  • Przetworniki pojemnościowe: układy proste i różnicowe,
  • Przetworniki fotoelektryczne: fotorezystor, fotodioda, fototranzystor, fotoogniwo, światłowód,
  • Przetworniki termoelektryczne: termorezystory (metalowe i półprzewodnikowe), termoogniwa, układy pracy, korekcja własności statycznych i dynamicznych,
  • Pirometria: pirometry radiacyjne, pirometry, pasmowe (fotoelektryczne), pirometry monochromatyczne, pirometry bichromatyczne,
  • Przetworniki piezoelektryczne: monokrystaliczne (kwarc), foliowe (PVDF), kondycjonowanie sygnałów z przetworników piezoelektrycznych,
  • Przetworniki pola magnetycznego: cewki indukcyjne, cewka Rogowskiego, magnetorezystancyjne, transduktorowe, nadprzewodnikowe (SQUID), rezonansowe, zawory spinowe GMR, hallotrony.
  • Akutatory w aplikacjach przemysłowych: siłowniki, serwomotor, enkoder, sprzężenie zwrotne.
Transmisja informacji
  • Synteza i mieszanie sygnałów: Wykorzystanie syntezatora harmonicznych do kształtowania sygnałów, praktyczne wykorzystanie transformacji Fouriera i krzywych Lissajous, operacje dodawania, mnożenia i mieszania sygnałów.
  • Zastosowania częstotliwości LF, MF i HF: obserwacje za pomocą SDR, podział pasm, zakresy rozgłoszeniowe i amatorskie, transmisje nietypowe.
  • Modulacja AM: analiza w dziedzinie czasu i częstotliwości, badanie praktycznego modulatora/demodulatora amplitudy na bazie układu MC1496.
  • Modulacja FM: analiza w dziedzinie czasu i częstotliwości, badanie praktycznego modulatora częstotliwości na pasmo 10,7 MHz (NE564).
  • Transmisja przewodowa i światłowodowa: badanie modelu łącza światłowodowego, badanie antenowych przewodów koncentrycznych za pomocą reflektometru i oscyloskopu z generatorem impulsów.
  • Standardy IEEE 802.15 oraz ZigBee: konfiguracja i badanie modułów XBee
  • Odbiór i nadawanie w paśmie VHF: obserwacje za pomocą SDR (rtl-sdr) nadających stacji licencjonowanych, badanie nadawania i odbioru z użyciem modułów radiowych Si47x, wykorzystywana jest antena na dachu SK oraz wewnętrzna.
  • Wykorzystanie pasm ISM: obserwacje za pomocą SDR (bladerf), badanie nadawania i odbioru z użyciem dostępnych modułów radiowych (nRF24), wykorzystywana jest antena na dachu SK oraz wewnętrzna.
Mikrokontrolery w systemach wbudowanych
Celem przedmiotu jest nauka programowania mikrokontrolerów z rodziny AVR dla systemów wbudowanych z wykorzystaniem platformy Arduino. Po zakończeniu kursu, student potrafi samodzielnie oprogramować mikroprocesor, wykorzystać podstawowe czujniki, aktuatory, układy przetwarzania i transmisji danych. Treści obejmują praktyczne aspekty wykorzystania techniki mikroprocesorowej:

  • Mikroprocesor: Programowanie procesora  ATtiny85 na płytce prototypowej. Konfiguracja środowiska Arduino IDE. Dokumentacja procesora ATmega 328P.
  • Peryferia: Wejścia/wyjścia cyfrowe, PWM, wejścia/wyjścia analogowe.
  • Oprogramowanie ukladów we/wy. Podstawowe funkcje do sterowania w języku C. Standardowa biblioteka Arduino.
  • Programowanie czujników i aktuatorów: typowe inteligentne czujniki temperatury, ciśnienia, wilgotności, CO2. Ultradźwiękowy czujnik odległości. Detektory ruchu, światła. Serwomotor i silnik DC. Wykorzystanie biblioteki Arduino C do sterowania i odczytu danych z typowych czujników.
  • Układy na płytkach prototypowych – Układy przetwarzania i transmisji danych: Sterowanie i odczyt informacji z wykorzystaniem magistrali SPI, I2C. Sterowanie wyświetlaczem LCD, nadajnik/odbiornik radia 433, RFID, odbiornik GPS, moduł GSM, moduł Wi-Fi. Karty SD, moduł RTC, ekrany dotykowe.
  • Zaawansowane środowisko programistyczne: Podstawy profesjonalnego oprogramowania IDE Atmel Studio 7. Konfiguracja, optymalizacja USBasp a Atmel Studio, debugger, Arduino IDE for Atmel Studio 7, Arduino Debugger.
Układy programowalne i procesory sygnałowe
  • Architektura układów DSP i FPGA, architektury hybrydowe, układy peryferyjne, regulatory.
  • Bloki funkcjonalne układów DSP i FPGA: złożoność procesu projektowania, ustalenia wymagań co do dla platformy obliczeniowej, projektu schematu i wytworzenia układu elektronicznego oraz implementacji algorytmów.
  • Podstawy programowania układów DSP i FPGA: środowisko programistyczne (Verilog/VHDL), algorytmy, struktury logiczne, wydajność obliczeniowa, jednostka obliczeniowa, macierz bramek, typy pamięci.
  • Algorytmy cyfrowego przetwarzania sygnałów: FFT, filtry cyfrowe.
  • Nowoczesne zastosowania układów programowalnych
    (SDR – Software Defined Radio)
Projektowanie obwodów drukowanych
  • Środowisko projektowe: podstawowe możliwości dostępnych rozwiązań profesjonalnych i półprofesjonalnych (w tym kontrola wersji projektów SVN/GIT).
  • Filozofia pracy w środowisku: ekosystem, podstawy edycji schematów.
  • Podstawy edycji PCB: interakcja ze schematem (nawigacja globalna), biblioteki i modele.
  • Praca w edytorze PCB 3D: tworzenie modeli komponentów, wykrywanie kolizji, zależności konstrukcyjne i te wynikające z wymogów normatywnych (IPC-A-610E).
  • Normy: Reguły (IPC-A-610E) i bezpieczeństwo (PN-EN 60664) ,wymogi normatywne w tym EMC (PN-EN 61000).
  • Tworzenie własnego schematu modularnego: (MCU, FPGA, Peryferia, CAN, LIN, JTAG).
  • Przeniesienie schematu do PCB: generacja BOM, konfiguracja warstw i  przelotek.
  • Własne reguły projektowe: Rozmieszczanie elementów, konfiguracja, kompilacja raportowanie. Prowadzenie ścieżek o zadanej długości/impedancji, unikanie przesłuchów “crosstalks”, „return currents”, ” loop antenas”.
  • Generowanie dokumentacji technologicznej.
Aplikacje w diagnostyce i monitorowaniu

Przedmiot obejmuje zagadnienia związane z programowaniem systemów pomiarowych zarówno z wykorzystaniem złożonych i profesjonalnych środowisk komercyjnych takich jak: LabVIEW, LabWindows/CVI czy Measurement Studio, Matlab/Simulink jak i open source z Eclipse, NetBeans i Java. Z drugiej strony środowiska mniej zaawansowane począwszy od Arduino poprzez Nucleo Discovery, Rasbperry i inne oparte na kontrolerach Atmega i ARM. Chodzi o to, aby w ramach przedmiotu zebrać w sposób syntetyczny możliwości tworzenia systemów pomiarowych, zarówno w oparciu o zaawansowane, komercyjne środowiska i sprzęt oraz rozwiązania programowo-sprzętowe dostępne na zasadzie open-source czy open-project. Tematyka obejmuje również zagadnienia łączenia ww. narzędzi.

 

 


Przy Zakładzie działa
Koło Naukowe Biometrii i Komunikacji Człowiek-Komputer   – „AKSON”

Instytut Elektrotechniki Teoretycznej i Systemów Informacyjno-Pomiarowych