Embedded Systems & Digitale Signalverarbeitung

Embedded Systems & Digitale Signalverarbeitung

Modultyp: Pflicht
Dozent: Professor Dr.-Ing Englberger
Studienrichtung: Applied Computer Technology (ACT), Applied Communcation Technology (CT)
Leistungspunkte: 11

Modulbestandteile:

  • Embedded Systems (Vorlesung) (5 TWS)
  • Embedded Systems (Übung) (1 TWS)
  • Embedded Systems (Praktikum) (2 TWS)
  • Digitale Signalverarbeitung (Vorlesung) (3 TWS)
  • Digitale Signalverarbeitung (Übung) (1 TWS)

Inhalte:

Die Studierenden erwerben umfassende Kenntnisse über den Aufbau eines Embedded Systems, den Aufbau eines Mikrocontrollers sowie die Fähigkeit einen Mikrocontroller zu programmieren. Sie erwerben die notwendigen Kenntnisse um ein System der digitalen Signalverarbeitung entwerfen und realisieren zu können. Hierbei werden besonders Realisierungen auf einem Signalprozessor (DSP) bzw. einem Mikrocontroller betrachtet.

Im Fach Embedded Systems:

  • werden den Studierenden die grundlegenden Komponenten eines Embedded Systems und deren Funktionsweise vorgestellt.
  • erhalten die Studierenden eine Einführung in den grundlegenden Aufbau und die Funktion eines Prozessors und eine Einführung über die prinzipiellen Möglichkeiten zur Anbindung von externem Speicher.
  • wird den Studierenden das Programmers Model der Cortex M3-Architektur (ARM) am Beispiel der NXP LPC17-Familie vorgestellt.
  • wird neben dem Thumb2-Befehlssatz auch der ARM-, sowie der Thumb-Befehlssatz vorgestellt und die Möglichkeit des Interworking zwischen ARM- und Thumb-Befehlssatz erläutert.
  • wird das Exception-System des Cortex M3 vorgestellt. Insbesondere werden die Möglichkeiten des Nested Vectored Interrupt Controllers NVIC vorgestellt.
  • wird eine Auswahl von OnChip-Peripherie-Bausteinen – z. B. Portlogik, Timer, A/D- und D/A-Umsetzer, asynchrone und synchrone serielle Übertragungsbausteine (UART, SPI, IIC) – vorgestellt.
  • werden die Grundlagen für den Einsatz von Echtzeitbetriebssystemen in Embedded Systemen am Beispiel der ARM Real-Time-Library erläutert.
  • wird den Studierenden eine Demo-Version der Entwicklungsumgebung zur Verfügung gestellt. Da dieses Programm über einen leistungsstarken Simulator der CPU und der OnChip-Peripherie verfügt, können die Aufgaben von den Studierenden praxisnah gelöst werden. Um die Praxisnähe für die Studierenden noch weiter zu erhöhen werden bei einigen Aufgaben Simulationsfunktionen zur Verfügung gestellt, die die Eigenschaften externer Peripherie simulieren können.

Die im theoretischen Teil vermittelten Kenntnisse werden in einem Praktikum vertieft. In diesem Teil des Moduls:

  • erhalten die Studierenden die Möglichkeit den Einsatz von Entwicklungstools (C-Compiler, Assembler, Linker und insbesondere Debugger) in einer Zielhardware unter realen Bedingungen zu üben.
  • werden die Aufgaben im Schwerpunkt mithilfe der Hochsprache C gelöst.
  • werden die unterschiedlichen Programmiertechniken (Unterprogrammtechnik, Modularisierung) eingeübt.
  • sind Aufgaben aus verschiedenen Anwendungsgebieten zu lösen, z.B. Motorsteuerung, Drehzahlmessung, Auswertung analoger Signale, Erzeugung von pulsweitenmodulierter Signale zur Steuerung eines Servos, Entfernungsmessung mit einem Ultraschallsensor, Datenübertragung über eine serielle Schnittstelle, Steuerung eines Aufzugmodells, Steuerung eines Roboterarms. Die Studierenden erhalten jeweils in jedem Jahr eine Auswahl aus den genannten Aufgaben.

Im Fach Digitale Signalverarbeitung

  • erhalten die Studierenden eine Einführung in die Beschreibung zeitdiskreter Signale und Systeme im Zeit- und Frequenzbereich (z-Transformation, Fourier-Transformation).
  • werden die Studierenden mit dem Aufbau der Einrichtungen (ADC, DAC) zur Umsetzung zwischen zeit- und wertdiskreten und zeit- wertkontinuierlichen Signalen bekannt gemacht.
  • werden die Regeln für die Dimensionierung der Abtastrate, sowie der analogen Ein- und Ausgangsfilter vorgestellt.
  • werden die Regeln für die Auswahl von ADC- und DAC-Bausteinen vorgestellt, sowie die notwendigen Berechnungsvorschriften (Quantisier- und Begrenzungsverzerrleistung) für die Dimensionierung der Anpassschaltungen vermittelt.
  • werden die grundlegenden Strukturen digitaler Filter vorgestellt (Nichtrekursive (FIR) und rekursive (IIR, ARMA) Filter, direkte und transponierte Strukturen, Kaskaden- und Parallelstruktur).
  • erhalten die Studierenden eine Einführung in den Entwurf digitaler Filter mithilfe eines Entwurfsprogramms, dabei werden einige typische Filtertypen vorgestellt (Butterworth, Chebychev, Elliptic).
  • wird den Studierenden der Umgang mit Festkommazahlen vermittelt. Hierbei wird im Detail die Vorgehensweise bei der Darstellung rationaler Zahlen im Festkommaformat sowie die Arithmetik der Grundrechenraten in Festkommaarithmetik vorgestellt.
  • wird die Vorgehensweise bei der Partitionierung von Filtern (Second order section) beschrieben.
  • wird den Studierenden die Vorgehensweise bei der Skalierung von Kaskadenfiltern im Detail vorgestellt.
  • werden die Möglichkeiten der Realisierung eines digitalen Filters mithilfe von Hochsprachenprogrammierung (C) vorgestellt. Dabei wird die Realisierung der Filter in Gleitkomma- und Festkommaarithmetik beschrieben und intensiv mit den Studierenden eingeübt.
  • werden die Probleme bei der Realisierung von digitalen Filtern (Koeffizientenquantisierung, Rundungsrauschen, Grenzzyklen), sowie die Maßnahmen zur Bekämpfung dieser Probleme (z.B. Dynamikbereichserweiterung) vorgestellt.
  • wird den Studierenden das Einsatzgebiet von digitalen Filtern anhand einiger Anwendungsbeispiele (Modulation, Demodulation, Impulsformung, Korrelatoren) gezeigt.
     

Qualifikationsziele:

Im Fach Embedded Systems

  • erwerben die Studierenden die Kompetenz die Einsatzmöglichkeiten eines Embedded Systems zu beurteilen.
  • erwerben sie die Befähigung Fähigkeit ein Embedded System zusammenzustellen und zu programmieren.
  • erwerben die Studierenden die Fähigkeit Systeme für die Kommunikationstechnik und die Technische Informatik mithilfe von Embedded Systemen zu realisieren.
  • sind sie in der Lage obige Kompetenzen und Fähigkeiten bei dem verwendeten ARM-Prozessor direkt einzusetzen.

Im Fach Digitale Signalverarbeitung

  • erwerben die Studierenden die Kompetenz ein System zur digitalen Signalverarbeitung zu realisieren.
  • erhalten sie die Befähigung zeitdiskrete Signale und Systeme mithilfe der z-Transformation zu beschreiben.
  • erwerben die Studierenden die notwendigen Kenntnisse um die Umsetzeinrichtungen eines Systems zur digitalen Signalverarbeitung dimensionieren zu können.
  • kennen die Studierenden die grundlegenden Algorithmen der digitalen Signalverarbeitung.
  • sind sie in der Lage ein digitales Filter, das von einem Entwurfsprogramm entworfen wurde, bezüglich seiner Realisierbarkeit zu bewerten.
  • sind die Studierenden in der Lage ein ARMA-Filter zu partitionieren und zu skalieren.
  • sind sie in der Lage ein digitales mithilfe von Gleitkomma- und Festkommaarithmetik zu realisieren.
  • erwerben die Studierenden die Fähigkeit Komponenten von Systemen für die Kommunikationstechnik und die Technische Informatik mithilfe von Digitaler Signalverarbeitung zu realisieren.