Weiterentwicklung einer Mikrocontrollerplattform für den Einsatz als mobilen Stausensor

Graßhoff, Michael

Weiterentwicklung einer Mikrocontrollerplattform für den Einsatz als mobilen Stausensor

Zusammenfassung

Inhaltsangabe: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 […]

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Michael Graßhoff

Weiterentwicklung einer Mikrocontrollerplattform für den Einsatz als mobilen

Stausensor

ISBN: 978-3-8428-2220-7

Herstellung: Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2011

Zugl. Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Magdeburg, Deutschland, Studienarbeit,

2011

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http://www.diplomica.de, Hamburg 2011

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

viii

Abk¨

urzungsverzeichnis

Einleitung

Grundlagen

2.1

Aufbau des mobilen Stausensors

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2

Gleichspannungswandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.1

Lineare Spannungsregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.2

Schaltregler als Abw¨

artswandler

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2.3

Ladungspumpen als Abw¨

artsregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2.4

Vergleich der Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3

Betriebssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.3.1

Aufgaben eines Betriebssystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.3.2

Klassifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.4

Mikroprozessoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.4.1

Aufbau eines Mikroprozessors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.4.2

Mikrocontroller und System-on-a-Chip . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.4.3

CISC- und RISC-Architekturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.4.4

Leistungsaufnahme eines Mikroprozessors . . . . . . . . . . . . . . . 20

Untersuchung und Optimierung der Leistungsaufnahme

3.1

Stromversorgungsstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

3.2

Stromversorgung der Verkehrsdetektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.3

Stromversorgung des GPRS-Modems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.4

Stromversorgung des Mikrocontrollers, der Speicher und des EIA-485-Treibers 32

3.5

Zusammenfassung

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

Betriebssysteme f¨

ur eingebettete Systeme

4.1

Freie Echtzeitbetriebssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

4.1.1

BeRTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

Inhaltsverzeichnis

4.1.2

FemtoOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.1.3

FreeRTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.1.4

FunkOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4.1.5

Nut/OS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.1.6

YAVRTOS

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

4.2

Linux

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.2.1

Struktur des Kernels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.2.2

Vorteile beim Einsatz von Linux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.2.3

Besonderheiten beim Einsatz in eingebetteten Systemen . . . . . . . 47

4.2.4

Minimale Hard- und Softwareanforderungen . . . . . . . . . . . . . . 48

4.3

Vergleich und Bewertung

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Prozessorarchitekturen f¨

ur Linux

5.1

Gegebene Anforderungen an ein System-on-a-Chip . . . . . . . . . . . . . . 50

5.2

Potenzielle Prozessorarchitekturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

5.2.1

Intel x86 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

5.2.2

Motorola 68000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.2.3

PowerPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

5.2.4

MIPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

5.2.5

SuperH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5.2.6

ARM

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

5.3

Vergleich und Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Zusammenfassung und Ausblick

Glossar

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

1.1

Zwei Montagem¨

oglichkeiten des mobilen Stausensors . . . . . . . . . . . . .

1.2

Beispielhafter Verlauf der Akkumulatorspannung ¨

uber ein Jahr . . . . . . .

2.1

Blockschaltbild des mobilen Stausensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.2

Mikrocontrollerplattform des mobilen Stausensors . . . . . . . . . . . . . . .

2.3

Schaltungsstruktur eines linearen Serienreglers

. . . . . . . . . . . . . . . .

2.4

Schaltungsstruktur eines Low-Dropout-Spannungsreglers . . . . . . . . . . .

2.5

Grundprinzip eines Abw¨

artswandlers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.6

Schaltung eines asynchronen Abw¨

artswandlers . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.7

Schaltung eines synchronen Abw¨

artswandlers . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.8

Schalternetzwerk einer einfachen Ladungspumpe . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.9

Ersatzschaltbild der ersten Schalterkonfiguration . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.10 Ersatzschaltbild der Ladungspumpe mit Ersatzwiderstand . . . . . . . . . . 13

2.11 Schichtmodell eines Betriebssystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.12 M¨

ogliche Zust¨

ande eines Tasks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.13 Pr¨

aemptives und kooperatives Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.14 Aufbau eines Mikroprozessors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.1

Stromversorgungsstruktur des mobilen Stausensors . . . . . . . . . . . . . . 23

3.2

Messaufbau zur Ermittlung der statischen Stromaufnahme . . . . . . . . . . 24

3.3

Grafische Darstellung der Leistungsaufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.4

Messaufbau zur Ermittlung der dynamischen Stromaufnahme . . . . . . . . 25

3.5

Stromverlauf beim Start des Verkehrsdetektors . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.6

Stromverlauf bei einer Daten¨

ubertragung

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.7

Stromaufnahme bei Verwendung eines Energiesparmodus

. . . . . . . . . . 27

3.8

Zeitverhalten des Cyclic Sleep Mode 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.9

Zeitverhalten des Cyclic Sleep Mode 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.10 Messaufbau zur Ermittlung der Stromaufnahme des Modems . . . . . . . . 29

3.11 Stromaufnahmeverlauf ohne Schlafmodus

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.12 Stromaufnahmespitzen w¨

ahrend des Sendens

. . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.13 Stromaufnahmeverlauf mit Cyclic Sleep Mode 7 . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.14 Stromaufnahmeverlauf mit Cyclic Sleep Mode 9 . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.15 Simulationsschaltung des LTC3642 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Abbildungsverzeichnis

3.16 Optimierte Stromversorgungsstruktur des mobilen Stausensors

. . . . . . . 35

4.1

BeRTOS Konfigurationsprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.2

BeRTOS Entwicklungsumgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

4.3

Nut/OS Konfigurationsprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

4.4

Struktur des Kernels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

4.5

Konfiguration des Linuxkernels mit menuconfig . . . . . . . . . . . . . . . . 46

4.6

Picotux 100 Modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.7

Google Nexus One . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

5.1

Blockschaltbild des ZFx86 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

5.2

Blockschaltbild eines PIC32 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

5.3

Popularit¨

at eingebetteter Prozessoren

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

vii

Tabellenverzeichnis

2.1

Vergleich der Verfahren zur Herabsetzung einer Gleichspannung . . . . . . . 14

3.1

Versorgungsspannung der Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.2

Strom- und Leistungsaufnahme eines Detektors . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.3

Geeignete Schaltregler f¨

ur die Spannungsversorgung des Verkehrsdetektors . 26

3.4

Vergleich der Stromaufnahme zwischen TC63 und TC63i . . . . . . . . . . . 28

3.5

Geeignete Schaltregler f¨

ur die Spannungsversorgung des Modems . . . . . . 31

3.6

Geeignete Schaltregler f¨

ur die Versorgung des 3,3 V-Zweiges . . . . . . . . . 33

4.1

Ubersicht ¨

uber freie Echtzeitbetriebssysteme f¨

ur Atmel AVR

. . . . . . . . 37

5.1

Leistungsaufnahme der betrachteten System-on-a-Chip . . . . . . . . . . . . 58

viii

Abk¨

urzungsverzeichnis

Q . . . . . . . . . . . . . . . . . ¨Anderung der elektrischen Ladung [C]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirkungsgrad

TC63i; CSM1

. . . . . . . . . mittlere Stromaufnahme ohne Energiesparmodus [A]

TC63i; CSM7

. . . . . . . . . mittlere Stromaufnahme im Cyclic Sleep Mode 7 [A]

TC63i; CSM9

. . . . . . . . . mittlere Stromaufnahme im Cyclic Sleep Mode 9 [A]

MobS

. . . . . . . . . . . . . . mittlere Ausgangsspannung des Akkumulators [V]

C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kapazit¨at [F] / Kondensator

D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diode

Mess

. . . . . . . . . . . . . . . Energieaufnahme w¨

ahrend einer Messphase [J]

Start

. . . . . . . . . . . . . . . Energieaufnahme w¨

ahrend des Starts [J]

f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Frequenz [Hz]

G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verst¨arkung

I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . elektrischer Strom [A]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausgangsstrom [A]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eingangsstrom [A]

Mess

. . . . . . . . . . . . . . . . Stromst¨

arke w¨

ahrend einer Messphase [A]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . Ruhestromaufnahme [A]

Start

. . . . . . . . . . . . . . . Stromst¨

arke w¨

ahrend des Starts [A]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . Strom durch den Spannungsteiler [A]

L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Induktivit¨at [H] / Spule

P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistung [W]

MobS

. . . . . . . . . . . . . . Leistungsaufnahme des mobilen Stausensors [W]

Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . elektrische Ladung [C]

Akku

. . . . . . . . . . . . . . Ladungsmenge des Akkumulators [Ah]

R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Widerstand []

ers

. . . . . . . . . . . . . . . . Ersatzwiderstand []

. . . . . . . . . . . . . . . . . . Lastwiderstand []

S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schalter

T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transistor

t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zeit [s]

Akku

. . . . . . . . . . . . . . . ¨

Uberbr¨

uckungsdauer des Akkumulators [s]

Mess

. . . . . . . . . . . . . . . . Zeitdauer einer Messphase [s]

Abk¨

urzungsverzeichnis

Start

. . . . . . . . . . . . . . . . Zeitdauer des Starts [s]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zeitdauer der Schlafphase [s]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausgangsspannung [V]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . Eingangsspannung [V]

ref

. . . . . . . . . . . . . . . . . Referenzspannung [V]

ALU . . . . . . . . . . . . . . . . Arithmetic and Logical Unit

API . . . . . . . . . . . . . . . . Application Programming Interface

ARM . . . . . . . . . . . . . . . Advanced RISC Machine

ARP . . . . . . . . . . . . . . . . Adaptive Routing Protocol

AT . . . . . . . . . . . . . . . . . Attention

CAN . . . . . . . . . . . . . . . Controller Area Network

CH1 . . . . . . . . . . . . . . . . Channel 1

CISC . . . . . . . . . . . . . . . Complex Instruction Set Computer

CPU . . . . . . . . . . . . . . . . Central Processing Unit

CRC . . . . . . . . . . . . . . . . Cyclic Redundancy Check

CSM . . . . . . . . . . . . . . . Cyclic Sleep Mode

CTS . . . . . . . . . . . . . . . . Clear to Send

DHCP . . . . . . . . . . . . . . Dynamic Host Configuration Protocol

EEPROM . . . . . . . . . . Electrically Erasable Programmable Read Only Memory

EIA . . . . . . . . . . . . . . . . Electronic Industries Alliance

EMV . . . . . . . . . . . . . . . elektromagnetische Vertr¨

aglichkeit

FTP . . . . . . . . . . . . . . . . File Transfer Protocol

GNU . . . . . . . . . . . . . . . GNU's Not Unix

GPRS . . . . . . . . . . . . . . General Packet Radio Service

GSM . . . . . . . . . . . . . . . Global System for Mobile Communications

HAL . . . . . . . . . . . . . . . . Hardware Abstraction Layer

HTTP . . . . . . . . . . . . . . Hypertext Transfer Protocol

C . . . . . . . . . . . . . . . . . Inter-Integrated Circuit

IA-32 . . . . . . . . . . . . . . . Intel Architecture 32-Bit

ifak . . . . . . . . . . . . . . . . . Institut f¨

ur Automation und Kommunikation e.V. Magdeburg

IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . Internet Protocol

LCD . . . . . . . . . . . . . . . . Liquid Crystal Display

LDO . . . . . . . . . . . . . . . . Low Dropout Regulator

Manpage . . . . . . . . . . . Manual Page

ME . . . . . . . . . . . . . . . . . Mobile Equipment

MIPS . . . . . . . . . . . . . . . Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages

MMC . . . . . . . . . . . . . . . Multimedia Card

MMU . . . . . . . . . . . . . . . Memory Management Unit

MobS . . . . . . . . . . . . . . . mobiler Stausensor

Abk¨

urzungsverzeichnis

MOSFET . . . . . . . . . . . Metal-Oxid-Semiconductor Field-Effect Transistor

MS-DOS . . . . . . . . . . . . Microsoft Disk Operating System

Mutex . . . . . . . . . . . . . . Mutual Exclusion

OS . . . . . . . . . . . . . . . . . Operating System

PC . . . . . . . . . . . . . . . . . Personal Computer

PDA . . . . . . . . . . . . . . . . Personal Digital Assistant

PFM . . . . . . . . . . . . . . . Pulsfrequenzmodulation

PIC . . . . . . . . . . . . . . . . Programmable Interface Controller

PowerPC . . . . . . . . . . . Performance Optimization with Enhanced RISC Performance Chip

PPC . . . . . . . . . . . . . . . . siehe PowerPC

PPP . . . . . . . . . . . . . . . . Point to Point Protocol

PWM . . . . . . . . . . . . . . Pulsweitenmodulation

RISC . . . . . . . . . . . . . . . Reduced Instruction Set Computer

RTAI . . . . . . . . . . . . . . . Real Time Application Interface

RTLinux . . . . . . . . . . . . Real Time Linux

RTOS . . . . . . . . . . . . . . Real Time Operating System

RTS . . . . . . . . . . . . . . . . Request to Send

SCC . . . . . . . . . . . . . . . . Switched Capacitor Converter

SD . . . . . . . . . . . . . . . . . Secure Digital

SDK . . . . . . . . . . . . . . . . Software Development Kit

SoC . . . . . . . . . . . . . . . . System-on-a-Chip

SPARC . . . . . . . . . . . . . Scalable Processor Architecture

SPI . . . . . . . . . . . . . . . . . Serial Peripheral Interface

TB . . . . . . . . . . . . . . . . . Time Base

TCP . . . . . . . . . . . . . . . . Transport Control Potocol

UART . . . . . . . . . . . . . . Universal Asynchronous Receiver Transmitter

UDP . . . . . . . . . . . . . . . User Datagram Protocol

UMTS . . . . . . . . . . . . . . Universal Mobile Telecommunications System

VPN . . . . . . . . . . . . . . . Virtual Private Network

YAVRTOS . . . . . . . . . . Yet Another AVR Real Time Operating System

1 Einleitung

Zur Bereitstellung von Verkehrsinformationen wurde im Bereich Verkehrstelematik am In-

stitut f¨

ur Automation und Kommunikation e.V. Magdeburg (ifak) ein mobiler Stausensor

entwickelt. Dieser wird station¨

ar ¨

uber der Fahrbahn befestigt (Abbildung 1.1) und erfasst

mithilfe von Verkehrssensoren die Anzahl und Geschwindigkeit von Fahrzeugen auf einer

oder mehreren Fahrspuren. Zus¨

atzlich findet eine Klassifikation der Fahrzeuge in Gruppen

wie Pkw oder Lkw statt. Die gewonnenen Messdaten werden per Funk an einen Server

ubermittelt, der durch die Auswertung dieser Daten gezielt Verkehrslenkungsmaßnahmen

durchf¨

uhren kann. Dies ist beispielsweise die Information der Verkehrsteilnehmer durch

Wechselverkehrszeichen oder ¨

uber Internetplattformen. Damit das System autark arbei-

tet, wird es aus einem Bleiakkumulator mit Energie versorgt, der ¨

uber ein Solarmodul

geladen wird.

Abbildung 1.1: Zwei Montagem¨

oglichkeiten des mobilen Stausensors

Mehrere Prototypen des mobilen Stausensors wurden seit 2006 an verschiedenen Stand-

orten in D¨

usseldorf, Halle und Magdeburg getestet. W¨

ahrend dieser Testphase best¨

atigten

sich die Vorteile der zeitnahen Bereitstellung von Verkehrsinformationen f¨

ur eine gezielte

Beeinflussung des Verkehrs. Andererseits zeigte der Langzeiteinsatz der Prototypen auch

M¨

angel auf. W¨

ahrend der sonnenarmen Wintermonate reichte die durch das Solarmodul

1 Einleitung

aufgenommene Energie in einigen F¨

allen nicht aus, um die Leistungsaufnahme des Systems

zu decken. Die Abbildung 1.2 zeigt den Verlauf der Akkumulatorspannung eines Testger¨

ats

vom Juni 2008 bis Juni 2009. Auf dieser ist ein deutliches Absinken der Spannung in den

Wintermonaten zu erkennen. Durch das Erreichen einer Mindestspannung f¨

uhrte dies im

Dezember zu mehreren Systemausf¨

allen. Dar¨

uber hinaus zeigten sich M¨

angel durch Ver-

bindungsabbr¨

uche und Systemabst¨

urze bei einigen Prototypen. Hierf¨

ur wird die Ursache

in der komplexen Betriebssoftware des Systems vermutet.

Abbildung 1.2: Beispielhafter Verlauf der Akkumulatorspannung ¨

uber ein Jahr

Das Ziel der Studienarbeit ist die Weiterentwicklung des mobilen Stausensors, ausgehend

von der vorhandenen Mikrocontrollerplattform. Um Ausf¨

alle des Systems bei geringer Son-

neneinstrahlung zu vermeiden, soll die Leistungsaufnahme des Systems analysiert und ge-

gebenenfalls optimiert werden. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die energieeffiziente

Erzeugung der Versorgungsspannungen und die geringe Verlustleistung der Bauelemente

gelegt.

Die Komplexit¨

at der Betriebssoftware soll durch den Einsatz eines Betriebssystems ver-

ringert werden. Dazu werden im zweiten Schritt verf¨

ugbare Betriebssysteme untersucht

und hinsichtlich ihres Funktionsumfangs verglichen. Anschließend werden verschiedene

Prozessortypen gegen¨

ubergestellt, die f¨

ur das gew¨

ahlte Betriebssystem geeignet sind. Das

wichtigste Merkmal stellt auch hier eine geringe Leistungsaufnahme dar.

2 Grundlagen

In diesem Kapitel werden zun¨

achst die Grundlagen f¨

ur das Verst¨

andnis sp¨

aterer Kapi-

tel erl¨

autert. Im ersten Abschnitt wird der Aufbau des mobilen Stausensors dargestellt.

Weiterhin wird gezeigt, wie die einzelnen Komponenten verschaltet sind und wie sie zu-

sammenwirken.

Bei der Untersuchung der Leistungsaufnahme des Systems in Kapitel 3 liegt ein Schwer-

punkt auf der energieeffizienten Erzeugung der Versorgungsspannungen f¨

ur die verschiede-

nen Schaltkreise. Daher werden im zweiten Abschnitt dieses Kapitels verschiedene Schal-

tungsstrukturen zur Herabsetzung einer Gleichspannung vorgestellt und ihre Eigenschaften

verglichen. Im Fokus steht dabei der Wirkungsgrad der Verfahren, der die Effizienz der

Gleichspannungswandlung bestimmt.

Die Aufgaben und Funktionen eines Betriebssystems werden im dritten Teil vorgestellt.

Bei der Verwendung eines Betriebssystems erm¨

oglichen diese Funktionen eine einfachere

und sicherere Entwicklung der Anwendungssoftware des mobilen Stausensors. Zus¨

atzlich

wird gezeigt, wie sich Betriebssysteme anhand ihrer Eigenschaften klassifizieren lassen und

was die besonderen Eigenschaften eingebetteter Betriebssysteme sind.

Im abschließenden Teil des Kapitels wird der Aufbau von Mikroprozessoren erl¨

autert.

Weiterhin werden die Unterschiede zwischen Mikrocontroller und System-on-a-Chip, sowie

zwischen CISC- und RISC-Befehlss¨

atzen dargestellt. Im letzten Teil wird gezeigt, wie

sich die Leistungsaufnahme eines Mikroprozessors zusammensetzt. Dies wird im Kapitel 5

aufgegriffen, da dort verschiedene Prozessortypen hinsichtlich ihrer Leistungsaufnahme

verglichen werden.

2.1 Aufbau des mobilen Stausensors

Die Abbildung 2.1 zeigt das Blockschaltbild des mobilen Stausensors. Die gesamte Elek-

tronik, bis auf den Laderegler und die Verkehrsdetektoren, befindet sich auf einer im ifak

entwickelten Mikrocontrollerplattform, die in Abbildung 2.2 dargestellt ist.

Als externe Verkehrssensoren werden passive Infrarotdetektoren des Typs ASIM IR 254-

759 eingesetzt. Diese ermitteln die Geschwindigkeit und die L¨

ange vorbeifahrender Fahr-

zeuge. Die Messdaten werden ¨

uber eine EIA-485-Schnittstelle an den Mikrocontroller

ubermittelt. Bevor die Messdaten an einen Server verschickt werden, verarbeitet der Mi-

2 Grundlagen

krocontroller diese. Dabei werden beispielsweise die Fahrzeuge klassifiziert oder der Durch-

schnittswert der Fahrzeuganzahl gebildet.

Mikro-

controller

GPRS-

Modem

SD-Karte

EEPROM

Periph.-

schnittst.

Temp.-

sensor

weitere

Module

EIA-485-

Treiber

Verkehrs-

detektor

Solar-

modul

Lade-

regler

Blei-

akku.

Gleichsp.-

wandler

Datenverbindung

Solarspannung

12 V-Versorgung

5,9 V-Versorgung

3,8 V-Versorgung

3,3 V-Versorgung

Abbildung 2.1: Blockschaltbild des mobilen Stausensors

Anschließend werden die Daten per GPRS-Modem zum Server geschickt. Dazu wird das

weitverbreitete GSM-Mobilfunknetz verwendet. Bei Verbindungsproblemen k¨

onnen die

Daten auf einer SD-Speicherkarte gesichert und sp¨

ater verschickt werden. Zus¨

atzlich kann

auf der SD-Speicherkarte eine Sicherungskopie der Daten erstellt werden.

In einem nichtfl¨

uchtigen EEPROM-Speicher werden Konfigurationsdaten gespeichert. Die-

se stehen auch nach Ausfall der Betriebsspannung zur Verf¨

ugung. An den Mikrocontroller

ist externer Arbeitsspeicher angeschlossen, um auch gr¨

oßere Datenmengen im Hauptspei-

cher verarbeiten zu k¨

onnen. Durch eine Peripherieschnittstelle ist es m¨

oglich, den mobilen

Stausensor mit zus¨

atzlichen Sensoren zu erweitern. So wurde f¨

ur diese Schnittstelle eine

Leiterplatte entwickelt, die es erm¨

oglicht die Umgebungstemperatur zu messen [Sch08].

Damit das System autark betrieben werden kann, wird es durch ein Solarmodul mit Ener-

gie versorgt. Die gewonnene Energie wird in einem Bleiakkumulator zwischengespeichert.

2 Grundlagen

Das Ladeverfahren wird dabei durch einen Laderegler umgesetzt. Eine weitere Aufgabe

des Ladereglers ist die ¨

Uberwachung der Akkumulatorspannung, um eine Tiefentladung

oder ¨

Uberladung zu verhindern. Aus der Akkumulatorspannung werden die ben¨

otigten

Spannungen zur Versorgung der einzelnen Komponenten mit Gleichspannungswandlern

erzeugt.

Abbildung 2.2: Mikrocontrollerplattform des mobilen Stausensors

2.2 Gleichspannungswandler

Ein Gleichspannungswandler erzeugt aus einer Eingangsspannung eine Ausgangsspannung,

wobei es sich bei beiden Spannungen um Gleichgr¨

oßen handelt. Eine Stabilisierung soll

erreichen, dass die Ausgangsspannung unabh¨

angig von der Eingangsspannung, der Tempe-

ratur und der Strombelastung des Ausgangs konstant ist. Dies ist n¨

otig, da digitale Schalt-

kreise h¨

aufig nur Betriebsspannungsschwankung von wenigen Prozent tolerieren [Sei03].

Ein wichtiger Kennwert von Gleichspannungswandler ist der Wirkungsgrad

. Dieser ist

durch das Verh¨

altnis zwischen Abgabeleistung und Aufnahmeleistung definiert.

Abgabe

Aufnahme

(2.1)

Besonders bei batteriebetriebenen Anwendungen ist ein hoher Wirkungsgrad erw¨

unscht,

um m¨

oglichst viel Energie der Batterie nutzen zu k¨

onnen.

Die Anforderungen einer konstanten Ausgangsspannung und eines hohen Wirkungsgrades

2 Grundlagen

k¨

onnen nur geregelte Gleichspannungswandler erf¨

ullen. Es wird zwischen Reglern mit ste-

tiger und unstetiger Regelung unterschieden. Die Versorgungsspannungen auf dem mobilen

Stausensor werden aus einer Gleichspannung erzeugt, die im Bereich von etwa 1015 V

liegt. Da die erzeugten Versorgungsspannungen kleiner als die Eingangsspannung sind,

werden nachfolgend nur Schaltungen betrachtet, die eine Gleichspannung herabsetzen.

2.2.1 Lineare Spannungsregler

Lineare Spannungsregler verwenden eine stetige Regelung der Ausgangsspannung. Es wird

zwischen Parallel- und Serienregler unterschieden. Beim Serienregler befindet sich das

Stellglied in Serie zur Last, w¨

ahrend es beim Parallelregler parallel zur Last geschaltet ist.

Parallelregler haben den großen Nachteil, dass die Stromaufnahme immer so hoch ist, wie

bei maximaler Last. Damit sinkt der Wirkungsgrad besonders bei geringen Belastungen.

Aus diesem Grund werden h¨

aufiger Serienregler eingesetzt, um die Eingangsspannung

herabzusetzen und zu stabilisieren.

Die Abbildung 2.3 zeigt die Schaltungsstruktur eines linearen Serienreglers. Als Stellglied

ref

Abbildung 2.3: Schaltungsstruktur eines linearen Serienreglers

wird der Leistungstransistor

T eingesetzt, welcher in Serie zur Last R

liegt. Die Sollgr¨

oße

liefert die Referenzspannungsquelle

ref

und die Istgr¨

oße wird mithilfe des Spannungs-

teilers

und

aus der Ausgangsspannung abgeleitet. Der Operationsverst¨

arker stellt

die Basis-Emitter-Spannung des Transistors so ein, dass die Spannungsdifferenz zwischen

dem invertierenden und dem nicht-invertierenden Eingang null wird. Dies kann durch die

Formel

ref

ausgedr¨

uckt werden.

2 Grundlagen

Das Umstellen der Formel ergibt die Ausgangsspannung in Abh¨

angigkeit des Spannungs-

teilers und der Referenzspannung.

1 +

ref

(2.2)

Wie in Abbildung 2.3 gezeigt, verwenden klassische lineare Serienregler einen NPN-Leis-

tungstransistor als Stellglied, da diese eine technologisch bedingte h¨

ohere Stromverst¨

ar-

kung als PNP-Typen haben. Um eine noch h¨

ohere Stromverst¨

arkung zu erzielen, wer-

den h¨

aufig auch Darlingtonkombinationen eingesetzt. Damit ein Darlingtontransistor im

aktiven Bereich arbeitet, muss dessen Basispotenzial etwa 1,4 V positiver sein als sein

Emitterpotenzial. Da auch in der Ausgangsstufe des Operationsverst¨

arkers zus¨

atzlich eine

Spannung abf¨

allt, muss dessen Betriebsspannung mehrere zehntel Volt ¨

uber dem Basis-

potenzial liegen. Zus¨

atzlich f¨

allt ¨

uber einen Strommesswiderstand, der zur ¨

Uberwachung

des Ausgangsstroms dient, noch etwas Spannung ab. In der Regel darf die Differenz zwi-

schen Eingangsspannung und Ausgangsspannung daher nicht kleiner als 2,53,0 V werden

[Sei03]. Besonders bei kleinen Ausgangsspannungen nimmt so der Wirkungsgrad drastisch

ab.

Die minimale Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung l¨

asst sich verringern, wenn

als Stellglied anstatt eines bipolaren Transistors ein selbstsperrender P-Kanal-MOSFET

eingesetzt wird (Abbildung 2.4). Schaltungen, die so aufgebaut sind, werden Low Dro-

pout Regulator (LDO) oder Spannungsregler mit geringem Spannungsverlust bezeichnet.

Das h¨

ochste Potenzial liegt am Gate des Transistors, wenn der Ausgang unbelastet ist. In

ref

Abbildung 2.4: Schaltungsstruktur eines Low-Dropout-Spannungsreglers

diesem Fall ist die Gatespannung um etwa die Schwellenspannung kleiner als die Eingangs-

spannung. Da die Schwellenspannung im Bereich einiger Volt liegt, reicht es aus, wenn der

2 Grundlagen

Operationsverst¨

arker mit der Eingangsspannung betrieben wird. Die Spannungsdifferenz

zwischen Ein- und Ausgangsspannung des Reglers wird somit nur durch den Spannungs-

abfall ¨

uber der Drain-Source-Strecke des Transistors und dem Spannungsabfall an einem

Strommesswiderstand erzeugt. ¨

Ubliche Werte liegen zwischen 0,11,0 V [Sei03]. Beispiels-

weise ben¨

otigt der Typ LT1965 von Linear Technology nur 310 mV Spannungsdifferenz

bei einem Laststrom von 1,1 A [Lin08].

Der Wirkungsgrad eines linearen Serienreglers kann mit Formel 2.1 auf Seite 5 berechnet

werden. Die Ausgangsleistung setzt sich aus der Ausgangsspannung

und dem Aus-

gangsstrom

zusammen und das Produkt aus Eingangsstrom

und Eingangsspannung

bildet die Eingangsleistung.

Abgabe

Aufnahme

· I

Der Eingangsstrom

setzt sich aus dem Ausgangsstrom

, dem Strom durch den Span-

nungsteiler

und dem Ruhestrom

der Schaltung zusammen.

(2.3)

Der Ruhestrom ist zum Betrieb des Operationsverst¨

arkers und der Referenzspannungs-

quelle n¨

otig und schwankt je nach verwendetem Spannungsregler.

· I

· (I

)

· I

W¨

ahrend die weit verbreite Spannungsreglerfamilie 7800 etwa 8 mA f¨

ur die Versorgung

der Schaltung und des Spannungsteilers ben¨

otigt [Nat00], verbraucht ein moderner Low-

Drop-Spannungsregler wie der TPS76701 nur etwa 85

A [Tex04]. Wird der Spannungstei-

ler hochohmig dimensioniert, kann dessen Querstrom

in den meisten F¨

allen gegen¨

uber

dem Ausgangsstrom vernachl¨

assigt werden. Wird zus¨

atzlich der Ruhestrom des Span-

nungsreglers vernachl¨

assigt, kann dessen Wirkungsgrad ¨

uber

· I

· (I

)

· I

(2.4)

berechnet werden.

2.2.2 Schaltregler als Abw¨

artswandler

Ein Nachteil der linearen Spannungsregler ist der geringe Wirkungsgrad bei hohen Span-

nungsdifferenzen zwischen dem Ein- und Ausgang und die damit verbundene W¨

armeent-

wicklung bei hohen Laststr¨

omen. Dieser Nachteil wird bei Reglern mit unstetiger Regelung

Details

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Erscheinungsform: Originalausgabe
Jahr: 2011
ISBN (eBook): 9783842822207
DOI: 10.3239/9783842822207
Dateigröße: 3.5 MB
Sprache: Deutsch
Institution / Hochschule: Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg – Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, Studiengang Informationstechnologie / Technische Informatik
Erscheinungsdatum: 2011 (November)
Note: 1,0
Schlagworte: mikrocontroller leistungsaufnahme schaltregler betriebssysteme prozessorarchitekturen

Autor

Michael Graßhoff (Autor:in)

Weiterentwicklung einer Mikrocontrollerplattform für den Einsatz als mobilen Stausensor

Zusammenfassung

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

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Autor

Michael Graßhoff (Autor:in)