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Systemorientierte InformatikInstitut für Angewandte Informatik
Professur Technische Informationssysteme
Prof. Dr.-Ing. habil.Klaus Kabitzsch
(Nöthnitzer Str. 46 (INF), Zi. 1074)
E-Mail: [email protected]
Webseite: http://www.iai.inf.tu-dresden.de/tis
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Systemorientierte Informatik
Literatur
• Kabitzsch, K.: Informations- und Steuerungssystemein: Werner, D., u.a.: Taschenbuch der Informatik, Fachbuchverlag Leipzig Lehrbuchsammlung
• Kabitzsch, K.: Skript zur Vorlesung Webseite
• weitere Literaturstellen siehe Skript
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Systemorientierte Informatik
Webseite
• http://www.inf.tu-dresden.de/index.php?node_id=1751&ln=de
• beinhaltet alle Informationen zur Lehrveranstaltung:
• Beschreibung
• Organisatorisches
• Lehrmaterialien
• insbesondere „Aktuelles“ beachten regelmäßig besuchen!
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Systemorientierte Informatik
Vorlesung
• Termin und Ort: Dienstag, 4. DS, HSZ 0003
• findet jede Woche statt
• Ablauf siehe Zeitplan auf Webseite
• Skript und Folien werden auf Webseite bereitgestellt
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Systemorientierte InformatikÜbungen
• Organisation:
•Dr.-Ing. Heinz-Dieter Ribbecke
• weitere Übungsleiter:
• Prof. Dr.-Ing. habil. Klaus Kabitzsch
• Dr.-Ing. Heinz-Dieter Ribbecke
•DI Wagner, DI Hensel, DI Mai
• bei Fragen oder Problemen am besten persönlich ansprechen oder eine E-Mail schreiben:[email protected]
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Systemorientierte Informatik
Übungen (2)
• Termine und Orte laut Stundenplan/jExam/Webseite
• finden wöchentlich statt
• vorherige Einschreibung über jExam erforderlich
• Beginn: Mittwoch, 22.10.2014
• Ablauf siehe Zeitplan auf Webseite
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Systemorientierte Informatik
Übungen (3)
• im eigenen Interesse: persönliche Angaben in jExam prüfen:
• Angaben teilweise fehlerhaft und/oder unvollständig
• selbst korrigieren oder per E-Mail ([email protected]) Änderung erbitten
• z.B. über E-Mail-Adresse wichtige Infos verteilt
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Systemorientierte Informatik
Übungen (4)
• Aufgaben:
• komplett überarbeitet
• stehen auf Webseite
• Ausdruck „2 auf 1“ empfohlen
• bitte vorher lösen!
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Systemorientierte Informatik
Konsultationsmöglichkeit während des Semesters
•Ort: INF 1082
• Termine siehe Webseite
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Systemorientierte Informatik
Klausur
• findet in der Prüfungszeit statt
• Dauer: 90 Minuten
• eine Konsultation wird nach dem Ende der Vorlesungszeit angeboten
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Systemorientierte Informatik
Und danach…
• Lehrveranstaltungen in den Fach- und Vertiefungsgebieten „Angewandte Informatik“ und „Technische Informatik“ Master-Studium, z.B.:
• Programmierung von Echtzeitsteuerungen
• Netzwerke in der Gebäudeautomation
• Modellierung von technischen Prozessen
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Jetzt geht’s los
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1. Objekte und Systeme (Vorbetrachtungen)
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OUTPUT
INPUT
Beispiele:
Textverarbeitung, Graphik, Zeichnungen, Tabellenkalkulation, Datenbanken, Programmentwicklung
Mit diesen Beispielen werden wir uns nicht beschäftigen ! (ausschließlich Rechner)
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OUTPUT
INPUT
Beispiele:
Textverarbeitung, Graphik, Zeichnungen, Tabellenkalkulation, Datenbanken, Programmentwicklung
Netz
Mit diesen Beispielen werden wir uns nicht beschäftigen ! (ausschließlich Rechner)
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Informations-systeme
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Informations-systeme
Technische Informations-
systeme
Zusätzlich zu den Rechnern gibt es noch weitere Bestandteile:
Handel: Nachrichtentechnik: Produktionstechnik: Rundfunk: Transport: Verfahrenstechnik: Medizin: Konsumgüter: Umwelttechnik: Raumfahrt:
Die Beispiele zu dieser Vorlesungsehen immer so aus:
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Informations-systeme
Technische Informations-
systeme
Software:
(aus Objekten)
Prozess:
(aus Systemen)
Signale
Deshalb heißt die Vorlesung auchsystemorientierte Informatik !
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Informations-systeme
Technische Informations-
systeme
Software:
(aus Objekten)
Prozess:
(aus Systemen)
Signale
Beispiele
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Die Rechner sind in den Prozess(das Auto) „eingebettet“ !(heute meist vernetzt)
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Normaler Rechner Eingebettetes System
• Rechner + Peripherie– Eigentlicher Rechner– Festplatte– Monitor + Tastatur
• So kompakt wie möglich• Oft alles auf einem Chip:
System-on-Chip• Riesige Vielfalt
– Dutzende Hersteller– Hunderte von Familien
MSP430x31x (TI): P3.0 P3.7VCC VSS RST/NMI
MAB, 16bit
Com0..3
S0..28/O2..28S/O 29
TMSTCK
TDITDO
XIN XOut XBuf
Oscillator
System Clock
ACLK
MCLK
Test
JTAG
FLL
incl. 16reg.
CPU
URX
24kB ROM 1024B
SRAM
WatchdogTimer
I/O Port
LCDBasicTimer
MAB,4bit
MDB,8bit
MCB
15bit
30 Segment
1, 2, 3, 4 Mux
Power-on-
ResetRAM
Lines
f LCD
R03 R23
32kB OTP
USART
Busconv.
8 I/O's, all with
1 Int. Vectors
interr. cap.
P4.x
I/O Port1x8 I/O's
P2.x P1.x
I/O Port2x8 I/O's
R13 R33
P0.0 P0.7
I/O Port8 I/O's, all with
3 Int. Vectors
interr. cap.
88
TP.0 .. 5 C_in
6
ADC
Timer/Port
Appl.’s:UTX
UCK
8bitTimer/
Counter
RXD
8
TXD
UART
TimerA
5 CCReg.
TimerA
TACLK TA0..5
8bT/C
H/WMPY
MDB, 16bit
32kB ROM
CPU+Cache
NorthbridgeGrafik DRAM
DRAM
Southbridge
SATA
USB
I2CPS2
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Microcontroller
• Variationsbreite:– Speicher, Wortbreite (8,16,32 Bit), Peripherie
• Wg. der Einbettung:– Spezialisierung
• Nur die benötigte Peripherie• Nur die unmittelbar benötigte SW
– HW-Unterstützung der Software– Extreme SW-Bedingungen
• Kein oder minimales OS• Sehr lange Laufzeiten
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Informations-systeme
Technische Informations-
systeme
Software:
(aus Objekten)
Prozess:
(aus Systemen)
Signale
Beispiele
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Die Rechner sind in die Fabrik„eingebettet“ !(heute meistvernetzt)
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Informations-systeme
Technische Informations-
systeme
Software:
(aus Objekten)
Prozess:
(aus Systemen)
Signale
Beispiele
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Die Rechner sind in das Gebäude„eingebettet“ !(heute meist vernetzt)
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Die Rechner sind in das Gebäude„eingebettet“ !(heute meist vernetzt)
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Informations-systeme
Technische Informations-
systeme
Software:
(aus Objekten)
Prozess:
(aus Systemen)
Signale
Beispiele
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Informations-systeme
Technische Informations-
systeme
Software:
(aus Objekten)
Prozess:
(aus Systemen)
Signale
Beispiele
weitere Beispiele…
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MedizintechnikHalbleiterindustrie
BahntechnikKonsumgüterUniversitäten…
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Modellfabrik an der Fakultät Informatik
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Versuchsanlage: Vernetzte, eingebettete Rechnerfür das „intelligente Gebäude“an der Fakultät Informatik
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Informations-systeme
Technische Informations-
systeme
Software:
(aus Objekten)
Prozess:
(aus Systemen)
Signale
Definitionen:
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Definition
Prozess:
Unter einem Prozess versteht man Abläufe, mit welchen
Materie, Energie und Information
umgeformt, gespeichert bzw. transportiert werden.
DIN EN ISO 10628
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Definition Technischer Prozess:
ist ein Prozess, dessen Ein-, Ausgangs- und Zustands-größen mit technischen Mitteln gemessen, gesteuert und/oder geregelt werden können.
Sensoren
erfassen E/A/Z-größen durch Wandlung der phys. Größen und leiten diese über die Messperipherie zum Computer.
Aktoren
sind Stelleinrichtungen, über die mittels Informationen aktiv in den Prozess eingegriffen werden kann.
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Informations-systeme
Technische Informations-
systeme
Software:
(aus Objekten)
Prozess:
(aus Systemen)
Signale
Definitionen:
SensorenAktoren
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2. Eigenschaften dynamischer Systeme
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2.1. Allgemeine Systemeigenschaften
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Software:
(aus Objekten)
Prozess:
(aus Systemen)
Signale
Informatiker kennt sich sehr gut aus
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Software:
(aus Objekten)
Prozess:
(aus Systemen)
Signale
Informatiker kennt sich sehr gut aus
Informatiker hat wenig Ahnung !?
egal ?
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Software:
(aus Objekten)
Prozess:
(aus Systemen)
Signale
Informatiker kennt sich sehr gut aus
Informatiker hat wenig Ahnung !
In den meisten Unternehmen stehen Rechner nicht allein, sondern werden mit (technischen) Prozessen verknüpft (bzw. in diese „eingebettet“).
Auftraggeben (Kunden) erwarten vom Informatiker keine Programme, sondern „Lösungen“. Dazu muss dieser
• die Prozesse des Kunden verstehen
• wissen, wie er seine Rechner mit diesen Prozessen koppelt
?
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Informatiker (für ihre Software) und Ingenieure / Ökonomen (für ihre Prozesse) benutzen die gleiche Methode, um sich Überblick zu verschaffen:
Die Zerlegung komplexer Software bzw. Prozesse in kleine, einfach verständliche Teile:
in
Objekte und Systeme
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SYSTEME
OBJEKTE
Materie
Energie
Information
PROZESS
SOFTWARE
Materie*
Energie*
Information*
Software: objektorientiert
Prozess: systemorientiert
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Objekt System
Ein Objekt ist in der objektorientierten Programmierung ein Softwaregebilde mit individuellen Merkmalen. Es defi-niert sich über:
seine Identität, seinen
Zustand und
sein Verhalten.
Der Zustand eines Objekts wird durch
Instanzvariablen
sein Verhalten durch
Methoden
implementiert.
In objektorientierten Programmen bilden Objekte die Einheiten der Datenkapselung.
Ein System enthält eine Menge von Ele-menten zwischen denen Relationen be-stehen. Es charakterisiert sich über:
seine Identität, seinen
seinen inneren Zustand und sein Verhalten
Der Zustand eines Systems wird durch
Zustandsgrößen
sein Verhalten durch die
Funktionalität der Elemente
bestimmt.
Systeme sind mehr oder weniger von der Umwelt abgegrenzt (offene oder geschlossene Systeme)
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SYSTEME
OBJEKTE
Materie
Energie
Information
PROZESS
SOFTWARE
Materie*
Energie*
Information*
Software: objektorientiert
Prozess: systemorientiert
Gemeinsamkeiten von Objekten und Systemen:
Ihr Zusammenwirken ist nur über Schnittstellen möglich (Botschaften zwischen Objekten, Signale zwischen Systemen)
Es interessiert nur ihr Verhalten an den Schnittstellen, nicht ihr interner Aufbau (information hiding = Verbergen und Schützen der internen Implementierung): Es reicht aus, das Verhaltenan den Schnittstellen zu kennen !
Es gibt bewährte Ordnungsprinzipien zur Beherrschung der Vielfalt (Klassenbildung, Instanziierung)
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Was lernen Sie in dieser Vorlesung ?
• Wie zerlegt man einen großen Prozess in kleine, einfache Systeme ?• Nach welchen Gesetzen verhalten (bewegen) sich diese (z. B. Zeitverläufe) ? • Wie kann man dieses Verhalten durch Rechner nachbilden (Simulation) ?• Wie werden Sensoren / Aktoren an den Rechner angeschlossen ?• Welche Algorithmen braucht der Rechner, um den Prozess gezielt zu bewegen ?
S1
S2
Sj-1
Sj
Si
Prozess
E A
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SYSTEME
OBJEKTE
Materie
Energie
Information
PROZESS
SOFTWARE
Materie*
Energie*
Information*
Software: objektorientiert
Prozess: systemorientiert
Was lernen Sie in dieser Vorlesung ?
• Wie zerlegt man einen großen Prozess in kleine, einfache Systeme ?• Nach welchen Gesetzen verhalten (bewegen) sich diese (z. B. Zeitverläufe) ? • Wie kann man dieses Verhalten durch Rechner nachbilden (Simulation) ?• Wie werden Sensoren / Aktoren an den Rechner angeschlossen ?• Welche Algorithmen braucht der Rechner, um den Prozess gezielt zu bewegen ?
?t
x
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Was lernen Sie in dieser Vorlesung ?
• Wie zerlegt man einen großen Prozess in kleine, einfache Systeme ?• Nach welchen Gesetzen verhalten (bewegen) sich diese (z. B. Zeitverläufe) ? • Wie kann man dieses Verhalten durch Rechner nachbilden (Simulation) ?• Wie werden Sensoren / Aktoren an den Rechner angeschlossen ?• Welche Algorithmen braucht der Rechner, um den Prozess gezielt zu bewegen ?
PROZESS
Messwert-Erfassung
Steuerwert-ausgabe
SOFTWARE
Sensoren Aktoren
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Was lernen Sie in dieser Vorlesung ?
• Wie zerlegt man einen großen Prozess in kleine, einfache Systeme ?• Nach welchen Gesetzen verhalten (bewegen) sich diese (z. B. Zeitverläufe) ? • Wie kann man dieses Verhalten durch Rechner nachbilden (Simulation) ?• Wie werden Sensoren / Aktoren an den Rechner angeschlossen ?• Welche Algorithmen braucht der Rechner, um den Prozess gezielt zu bewegen ?
PROZESS
Messwert-Erfassung
Steuerwert-ausgabe
SOFTWARE ?
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2.1.1 Signale
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PROZESS
Messwert-Erfassung
Steuerwert-ausgabe
SOFTWARE
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Beispiel:
Gebäude-automatisierung
Eingabe-Peripherie (z.B. Tastatur)
Meß-Peripherie(z.B. Sensoren)
Stell-Peripherie(z.B. Aktoren)
Ausgabe-Peripherie (z.B. Bildschirm)
Rechner
Aöffnen
Zschließen
MElektromotor
100 %
0 %Schieber-position
Durchfluß
Strömungs-geschwindigkeit VS
Sensor(Fotozelle)
Lampe
Flügel-rad
Informations-Verarbeitung
I-Eingabe I-Ausgabe
I-Nutzung I-Gewinnung
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Beispiel:
Gebäude-automatisierung
Eingabe-Peripherie (z.B. Tastatur)
Meß-Peripherie(z.B. Sensoren)
Stell-Peripherie(z.B. Aktoren)
Ausgabe-Peripherie (z.B. Bildschirm)
Rechner
Aöffnen
Zschließen
MElektromotor
100 %
0 %Schieber-position
Durchfluß
Strömungs-geschwindigkeit VS
Sensor(Fotozelle)
Lampe
Flügel-rad
Informations-Verarbeitung
I-Eingabe I-Ausgabe
I-Nutzung I-Gewinnung
Signale Signale
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Definition: SIGNAL
Unter einem Signal versteht man den zeitlichen Verlauf x(t) einer physikalischen Größe, welcher Informationen in sich trägt.
t
t
x#
t
x
x#
t
x
tk tk
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Definition:
kontinuierlich diskontinuierlich
zeitkontinuierlich zeitdiskret
analog diskret
wertkontinuierlich wertdiskret
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Kombinationsmöglichkeiten:
wer
tkon
tinui
erlic
hw
ertd
iskr
etzeitkontinuierlich zeitdiskret
ZEIT
IP
analog
digital
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wertkontinuierlich-zeitkontinuierlich
x(t)
Definition: x(t) ist ein Signal, das zu jedem Zeitpunkt existiert und (in einem bestimmten Intervall) jeden beliebigen Wert an-nehmen kann
t
x
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wertkontinuierlich-zeitdiskret
x(tk)
Definition: x(tk) ist ein Signal, das nur zu bestimmten Zeitpunkten existiert und (in einem bestimmten Intervall) jeden beliebigen Wert annehmen kann ( zeitdiskretes Signal)
t
x
tk
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wertdiskret-zeitkontinuierlich
x#(t)
Definition: x#(t) ist ein Signal, das zu jedem Zeitpunkt existiert und nur abzählbar viele Werte annehmen kann.
t
x#
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wertdiskret-zeitdiskret
x#(tk)
Definition: x#(tk) ist ein Signal, das nur zu bestimmten Zeitpunkten existiert und nur abzählbar viele Werte annehmen kann.
Man spricht von digitalen Signalen, wenn die Werte aus einem Alphabet entnommen werden.
t
x#
tk
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tk
x(t) x(tk)
Abtastelement
tk – tk-1 = t Abtastsystem
falls t = T =const äquidistantes Abtastsystem
T := Abtastperiode
fa = 1/T := Abtastfrequenz
Wie entsteht aus einem zeitkontinuierlichen Signal x(t) einzeitdiskretes Signal x(tk) ? durch Abtasten
t
x
t
x
tk
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Eingabe-Peripherie (z.B. Tastatur)
Meß-Peripherie(z.B. Sensoren)
Stell-Peripherie(z.B. Aktoren)
Ausgabe-Peripherie (z.B. Bildschirm)
Rechner
Aöffnen
Zschließen
MElektromotor
100 %
0 %Schieber-position
Durchfluß
Strömungs-geschwindigkeit VS
Sensor(Fotozelle)
Lampe
Flügel-rad
Informations-Verarbeitung
I-Eingabe I-Ausgabe
I-Nutzung I-Gewinnung
Hier ist das Abtastelement eingebaut !
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tk
x(t) x#(tk)
Abtastelement
ADU
Das Signal wird von seiner phys. Trägergröße gelöst und als digitaler Wert (abstrakte Zahl) abgebildet.
Wie entsteht aus einem zeitkontinuierlichen Signal x(t) nach demAbtasten [ x(tk) ] auch noch ein wertdiskretes Signal x#(tk) ?
durch einen Analog-Digital-Umsetzer (ADU)
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Eingabe-Peripherie (z.B. Tastatur)
Meß-Peripherie(z.B. Sensoren)
Stell-Peripherie(z.B. Aktoren)
Ausgabe-Peripherie (z.B. Bildschirm)
Rechner
Aöffnen
Zschließen
MElektromotor
100 %
0 %Schieber-position
Durchfluß
Strömungs-geschwindigkeit VS
Sensor(Fotozelle)
Lampe
Flügel-rad
Informations-Verarbeitung
I-Eingabe I-Ausgabe
I-Nutzung I-Gewinnung
Hier ist auchder ADU eingebaut !
Im Rechner existieren nur noch Zahlenfolgen (=zeitdiskrete+wertdiskrete Signale)
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Wie wird der ADU in der Praxis gebaut?
Messgröße häufig keine Spannung!(Licht, Druck, Temperatur, ...)
Verschiedene Verfahren, je nach Ziel– Minimale Kosten: Dual Slope Wandlung– Maximale Abtastfrequenz: Flash-AD-Wandlung– Beste Integrierbarkeit: Sukzessive Approximation– Weitere Verfahren
(aber selten in Embedded Systems)Je nach Variante integriert oder als extra Chip
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Und die Aktor-Seite?
• Wie produziert man wert-kontinuierliche Ausgabewerte?• Einfache Verfahren mit hoher Energieeffizienz gesucht!• Naive Ansätze produzieren hohe Verlustleistung
• Was kann Microcontroller dazu beitragen?• Spezielle Verfahren (Puls-Breiten Modulation)• Direkte HW-Implementierung