4. Instrumente wireless și rețele de senzori

4. Instrumente wireless și rețele de senzori • SCOP: • configurarea diverselor forme de instrumente fără fir, precum şi reţelele complexe • selectarea componentelor corespunzătoare pentru aplicație • aprecierea aspectelor importante în domeniul rețelelor fără fir de senzori şi instrumente. • Dezvoltarea în tehnologia fără fir este în mare măsură, sprijinită de îmbunătăţirile metodele defabricație ale circuitelor digitale şi de radiofrecvenţă (RF), progreselor în teoria și aplicațiile prelucrării semnalului, precum şi apariţia unor noi circuite integrate pe scară largă cu consum energetic redus (ICS) şi a altor dispozitivele adiacente. • În special, noile tehnologii IC au dus la echipamente radio mai mici, mai ieftine şi mai fiabile. În paralel cu extinderea şi diversitatea dispozitivelor fără fir, dorințele și nevoile consumatorilor au alimentat o expansiune la scară largă a sistemelor de comunicaţii fără fir.

4. Instrumente wireless și rețele de senzori Instrumentele şi senzorii wireless, precum și reţelele lor pot fi produse într-un număr diferit de moduri, cum ar fi: • Integrarea sistemului de comunicaţii fără fir în senzor sau instrument. • Adăugarea de module wireless la senzorii sau instrumentele existente. Acesta tehnică foloseşte transceivere off-the-shelf sau transcievere specifice aplicației integrate senzorului sau instrumentului. • Conectarea modem-urilor, cum ar fi RS-232 wireless, USB wireless, etc. • Folosind poduri, repetoare, gateway-uri, precum şi înregistratoare de date.

4.1 Arhitectura senzorilor wireless și proiectarea rețelelor. Alegerea cea mai importantă care trebuie făcută în dezvoltarea unei rețele de senzori wireless este aceea de selectare a frecvenţei de transmisie. 1. O opţiune este aceea a utilizării benzilor licenţiate în regiunile de foarte înaltă frecvenţă (VHF) şi ultra înaltă frecvenţă (UHF). 2. O altă opţiune este utilizarea sistemelor fără licenţă, dar acestea au restricţii privind puterea maximă care poate fi transmisă în benzile industriale, ştiinţifice şi medicale (ISM). Tehnologia care suportă benzile ISM se dezvoltă rapid, oferind posibilităţi diferite de aplicare pentru utilizatorii finali. Este încurajator, de asemenea, că vânzătorii furnizează o gamă diversă de produse, care, la rândul său, de fapt a determinat schimbări majore în tehnologia wireless. Benzile ISM utilizate în diferite regiuni ale lumii includ 13,56 MHz, 27.55 MHz, 303 MHz, 315 MHz, 404 MHz, 433 MHz, 868 MHz (Europa), 915 MHz, (America de Nord), 2.45 GHz, 5.2 GHz, 5.3 GHz, şi 5.7 GHz (America de Nord). Benzile ISM ofera flexibilitate la implementare, dar utilizatorii ar trebui să fie în temă cu posibilitatea de interferență care poate să apară în aceste benzi. Cu toate acestea, răspândirea tehnologiei spectrului de frecvenţe radio şi criptografie permite utilizatorilor să atingă o fiabilitate şi eficienţă satisfăcătoare.

4.1.1 Senzori și traductoare wireless. • Senzorii moderni fără fir sunt configurați fie ca dispozitive integrate, fie ca dispozitive modulare, folosind și alte componente. • În sistemele de senzori integrate, componentele de comunicație wireless sunt integrate în acelaşi cip cu senzorul. • În dispozitivele modulare, modulele RF cum ar fi transceiver-ele sunt adăugate în exteriorul senzorilor existenți. • Ambele metode sunt bazate pe tehnologia digitală a circuitelor integrate IC și sunt susținute de alte componente digitale şi sisteme de intrare/ieşire (I/O) corespunzătoare. • Există mai multe tipuri de senzori frecvent utilizați în sistemele de senzori wireless, cum ar fi: • senzori IC • senzori MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) • senzori web, senzori inteligenți, senzori fără fir • senzori ASIC (Application Specific Integrated Circuits).

4.1.1 Senzori și traductoare wireless.

4.1.1 Senzori și traductoare wireless. MEMS înseamna în primul rând ceva spectaculos. Dupa ce am integrat pe un chip cam tot ce se putea integra din punct de vedere electric (dar asta nu înseamna ca nu ar mai fi nimic de facut în aceasta directie!), e vremea sa integram si „bratele” mecanice pe care circuitele inteligente le comanda. Ca sa întelegem mai bine despre ce e vorba, sa apelam la cea mai raspândita clasa de circuite MEMS care poate fi gasita la ora actuala pe piata: senzorii MEMS. Un senzor cuprinde, în cazul general, un traductor ce converteste o marime fizica oarecare într-una electrica masurabila, si un conditionator de semnal care preia semnalul electric furnizat de traductor si îl prelucreaza înainte de a-l livra catre utilizator. În mod obisnuit, traductorul este implementat ca o piesa separata fata de conditionatorul de semnal. De exemplu, un traductor de temperatura poate fi un termocuplu sau un rezistor a carui rezistenta electrica variaza cu temperatura, sau un dispozitiv semiconductor care îsi modifica un parametru electric cu temperatura. Atunci când traductorul în sine este o componenta electronica ce poate fi în mod normal integrata într-un chip, problema este rezolvata. Dar ce ne facem cu un traductor de presiune sau unul de acceleratie?

4.1.1 Senzori și traductoare wireless. MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) ofera posibilitatea incredibila de a aduce si astfel de traductoare pe acelasi chip împreuna cu restul circuitelor electronice! De exemplu, un senzor MEMS de presiune cuprinde o membrana elastica de siliciu sau aluminiu care se deformeaza sub presiunea exercitata de exterior. Daca membrana este chiar una din armaturile unui micro-condensator electric, deformarea mecanica a sa cauzeaza modificarea capacitatii electrice a condensatorului, variatie ce poate fi usor masurata. Si totul pe un singur chip! O aplicatie înrudita este microfonul capacitiv, care în fond este.tot un traductor de presiune. Obtinerea structurilor mecanice tridimensionale în siliciu este posibila prin combinarea si modificarea diverselor metode tehnologice folosite în microelectronica (depunere, corodare, bombardare cu ioni, fotolitografiere etc.). Materialele folosite sunt siliciu, polimeri si metale. Faptul ca procesul MEMS este o extindere a procedeelor traditionale este de o importanta cruciala, deoarece el este în acest fel compatibil cu tehnologiile VLSI (very large scale integration – integrare pe scara foarte larga) CMOS, permitând realizarea pe acelasi chip atât a partii mecanice, cât si a celei electronice.

4.1.1 Senzori și traductoare wireless. Proiectarea partilor mecanice ale chipului trebuie sa tina cont de efectele ce apar în cazul unor dimensiuni atât de mici ale lor, deoarece acum se vor manifesta fortele electrostatice si efectele de tensiune superficiala. Alte tipuri raspândite de senzori de acest fel sunt accelerometrele. Acestea îsi gasesc diverse utilizari, cum ar fi în cadrul sistemelor de air-bag, când în cazul coliziunii automobilelor ele trebuie sa detecteze situatia în care se activeaza perna salvatoare. Constructia lor micro-mecanica este iarasi foarte simpla (în principiu): o micro-bucata de material (si care formeaza masa inertiala) este suspendata cu ajutorul unor micro-arcuri (ce nu sunt nimic altceva decât conductoare metalice, suspendate si modelate sub forma de serpentine). Putându-se misca sub efectul inertiei, masa inertiala face sa se modifice geometria unor micro-condensatoare (ce au una dintre armaturi mobila), ceea ce conduce la modificarea capacitatii electrice a acestora. Modificarea capacitatii este usor masurabila de catre un circuit electronic, integrat pe acelasi chip, care furnizeaza mai departe sistemului de decizie informatii despre valoarea acceleratiei. Într-un mod asemanator accelerometrului, au fost construite si giroscoape MEMS simple.

4.1.1 Senzori și traductoare wireless. Un alt prototip promite aparent imposibilul: o mini centrala electrica care sa înlocuiasca acumulatorii folositi în laptop-uri si alte echipamente portabile! Echipa de cercetatori sustine ca un astfel de micro-motor cu reactie ar putea furniza de cinci ori mai multa putere decât un acumulator actual, si asta în conditiile unor dimensiuni asemanatoare. La fel ca în cazul reactoarelor „macro” obisnuite, micro-pompe injecteaza combustibilul în aer aflat la presiune ridicata, dupa care amestecul este aprins. Gazul incandescent se destinde actionând o micro-turbina, care la rândul sau învârteste un micro-generator electric! Science-fiction? Pâna în prezent au fost realizate si testate componentele individuale, însa pâna la micro-centrala de buzunar complet functionala mai sunt destule obstacole de învins, cum ar fi izolarea termica a camerei de combustie fata de restul partilor. Si ramâne de vazut daca produsul final va fi atât de sigur în exploatare cum îsi imagineaza în prezent creatorii sai si daca se va încadra în standardele ecologice. Tehnologia MEMS actuală, combinând transcievere radio, senzori, şi circuitele este încă în fază incipientă. Tehnologia MEMS tinde să funcţioneze la frecvenţe scăzute, şi răspunsul senzorilor poate fi sensibil la interferenţele de joasă frecvenţă. În cazul accelerometrelor ca elemente de detecţie, sensibilitatea de condiţiile de mediu, cum ar fi de exemplu șocul, devine problematică.

4.1.1 Senzori și traductoare wireless. Un exemplu de un senzor wireless MEMS este un accelerometru de la Micro - Strain (http://www.microstrain.com/), ilustrat în figura 4.1. Acest senzor are un accelerometru triaxial care operează pe frecvența de 2,4 GHz, spectru de frecvențe directe, şi foloseşte noul standard IEEE 802.15.4. Acesta transmite datele continuu la o rată de baleiere de 1 kHz, pentru o perioadă de timp preprogramată. Modul de transmisie wireless continuu permite achiziţia de date în timp real şi afişarea de la un singur nod senzor de mai multe canale. Acest accelerometru poate să fie utilizat pentru a monitoriza mașini, echipamente și structuri basculante, vibrante și rotative. Mai mulți astfel de senzori pot fi dispuși într-o reţea într-o zonă largă, distribuită la mai multe maşini și în diferite locaţii. Când avansam spre NEMS exista chiar posibilitatea ciocnirii cu legile stranii ale cosmosului mic. De altfel, de curând a fost anuntata crearea unui dispozitiv ce se apropie de granita fizicii cuantice. Este vorba despre o „aschie” din aluminiu prinsa la ambele capete de un substrat din nitrura de siliciu si care poate vibra. În apropiere, un tranzistor supraconductor cu un singur electron trebuie sa detecteze vibratiile aschiei. Din cauza dimensiunilor minuscule ale dispozitivului, principiul lui Heisenberg începe sa îsi faca simtita prezenta: pozitia si impulsul nu mai pot fi simultan determinate, cu o precizie oricât de buna.

4.1.1 Senzori și traductoare wireless. Inertia-Link ® este o unitate de măsurare a inerției de înaltă performanță construit în tehnologia miniaturală a senzorilor MEMS. Acesta combină un accelerometru triaxial, un giroscop triaxial, senzori de temperatură, precum şi unprocesor care rulează un algoritm sofisticat de fuziune a senzorilor. Inertia-Link ® oferă o serie de date de ieşire de la măsurătorile inerţiale deplin calibrate (acceleraţie & rata unghiulară sau de vectori deltaAngle & deltaVelocity) până la estimări orientative calculate. Toate cantităţile sunt pe deplin compensate şi corectate cu temperatura. Interfața de comunicație pentru este conţinută într-un modul separabil, şi poate fi, prin urmare, uşor de personalizat. În prezent, modulele disponibile includ o interfaţă de emisie-recepţie radio, USB 2.0, RS232 şi RS422. O versiune OEM este disponibilă fără interfaţa de comunicaţii care să permită senzoruluisă fie integrat direct în placa de bază a sistemului gazdă, oferind o soluţie foarte compactă. Programarea se face cu un 3DM-GX2® Software Development Kit (SDK) care include și exemple de aplicații.

4.1.1 Senzori și traductoare wireless. Senzori de web au devenit dispozitive foarte populare, deoarece acestea permit conexiuni Web fără a fi nevoie de alte dispozitive intermediare. Ei sunt deosebit de utili în cazul în care este necesară achiziţia de date de la distanţă. Senzorii accesibili prin internet au un circuit de condiționare de semnal încorporat și o mini adresă de web astfel că utilizatorii pot să-l acceseze în mod direct sau prin intermediul unui site Web. Interfața este realizată în protocolul IEEE 451 NCAP (Network Capable Application Processors). Aceasta este de fapt o comunicație Ethernet prin care senzorul transmite informații provenind de la o interfață serială (RS-232, RS-485 …)

4.1.1 Senzori și traductoare wireless. Un exemplu tipic de astfel de nod cu senzor de web este ilustrat în figura

4.1.1 Senzori și traductoare wireless. • EM01 senzorul Web de la Esensor Inc (http://www.eesensors.com) este un exemplu de un senzor de web. • EM01 este capabil de a monitoriza temperatura, umiditatea și iluminarea. • Principalele părţi componente ale senzorului constau dintr-o unitate de bază, împreună cu două porturi de comunicare (Ethernet şi Esbus) combină o versiune de reţea a magistralei de interfață serială periferică (SPI), şi RS-232. • Ethernet este legătura la Internet • senzori Built-in de temperatură, umiditate şi lumină. • se poate folosi orice browser (Internet Explorer, Mozilla Firefox, etc) pentru a accesa şi de a configura. • toţi senzorii sunt în tehnologie digitală ceea ce înseamnă că nu necesită calibrare.

4.1.1 Senzori și traductoare wireless. Senzorii inteligenți sunt microsisteme avansate, care includ un senzor, circuite de interfață, precum şi recunoaşterea modelului, în acelaşi chip. Ele sunt utilizate pe scară largă în instrumente şi instrumentație. Unii dintre aceşti senzori sunt fabricați cu reţele neuronale, iar alții cu tehnici sofisticate de inteligență, cum ar fi fuzzy logic. Exista mai multe tipuri diferite de senzori inteligenți, inclusiv procesoare neuronale, sisteme de viziune, sisteme industriale şi procesoare paralele inteligente. Un exemplu de senzor wireless inteligent este acela de la Oak Ridge National Laboratory

4.1.2 Arhitectura rețelelor de senzori wireless În majoritatea aplicaţiilor, fiecare senzor trebuie să fie în mod individual legat la unele dispozitive de monitorizare a datelor. Cablarea senzorului este o muncă plictisitoare, problematică, care necesită mult timp precum şi costuri cu forța de muncă. Din aceste motive, multe companii au dezvoltat soluții wireless pentru a evita problemele legate de cablarea senzorilor. Cu toate acestea, există o serie de aspecte care trebuie să fie abordate în arhitectura de reţea wireless. Unele probleme acestea sunt: • comunicarea trebuie să fie stabilită la nivel fizic şi protocoalele de comunicare wireless trebuie să fie implementate pentru monitorizarea datelor, codare, şi transmiterea acestora. • arhitectura sistemului trebuie să asigure un control precis asupra transmisiei radio. Acest lucru este deosebit de important în aplicațiile de comunicație şi colectare a datelor. • algoritmii trebuie să permită crearea de reţele în mod eficient şi fără eroare.

4.1.2 Arhitectura rețelelor de senzori wireless Reţelele wireless pot fi realizate prin metode de comunicare punct-la-punct sau punct-la-multipunct. În reţelele mari, în care există mai mulți senzori wireless care operează în acelaşi timp, legarea în rețea necesită senzori inteligenți și algoritmi de programare speciali, astfel încât senzorii să se supună unei anumite structuri ierarhice. Dezvoltarea senzorilor legați în rețea progresează în câteva direcții. Acestea sunt: • Dezvoltarea senzorilor low-cost inteligenți şi programabili sustinută de procesarea de semnal hardware şi software low cost. Acest lucru poate duce la metode de detectare sofisticate, funcții de identificare şi de urmărire, precum şi colaborarea cu alte dispozitive din reţea. • Asigurarea unei vieți lungi de funcţionare a senzorilor care sunt eficienți energetic şi încapsulați în pachete mai mici şi mai uşoare. • Utilizarea de lățimi de bandă reduse şi tehnici cu spectru împrăştiat pentru fluxul de informaţii între senzorii wireless. Acest lucru oferă, de asemenea oarecum flux sigur de date şi de imunizare împotriva zgomotelor electromagnetice sau interferenţelor deliberate cauzate de terţi. • Minimizarea costul total al senzorului de reţea şi maximizarea duratei de viață a senzorului pe durata de viaţă a reţelei. • Furnizarea de tehnice și algoritmi de management autonom pentru senzor (auto-management) tehnici de şi algoritmi, cum ar fi selectarea automată a nodului şi autocalibrare (self-calibration).

4.2. Arhitectura instrumentelor wireless și proiectarea rețelelor. Comunicare fără fir de instrumente nu este nouă. Ce este nou este aplicarea de noi tehnologii (de exemplu, IEEE 802, Bluetooth, modularea tehnici), care a dus la proliferarea largă a acestor instrumente. Instrumente moderne sunt realizate wireless printr-o serie de tehnici: • prin înglobarea caracteristicilor wireless care sa devina parte a instrumentului. • prin adăugarea de dispozitive sau de module, cum ar fi transceiver-ele. • prin conectarea de modem-uri, cum ar fi wireless RS-232, USB wireless, etc. • prin utilizarea poduri, repetoare, gateway-uri, precum şi sisteme de înregistrare de date.

4.2. Arhitectura instrumentelor wireless și proiectarea rețelelor. • Instrumentele wireless integrate sunt formate din cinci componente principale: • senzori și condiționatoare de semnal, • hardware programabil digital, • memorie şi stocare, • componente I/O şi de comunicare, • alte componente, cum ar fi display-uri, tastaturi, precum şi surse de alimentare.

4.2. Arhitectura instrumentelor wireless și proiectarea rețelelor. Un instrument tipic fără fir este ilustrat în figură. Toate instrumentele au caracteristici similare cu cele prezentate, dar acestea diferă între ele prin modul în care semnalele sunt manipulate, transmise şi afişate.

4.2.1 Înregistratoare de date wireless. O aplicaţie de înregistrare de date wireless este un instrument de înregistrare care monitorizează şi raportează diverse măsurători, cum ar fi temperatura, umiditatea relativă, intensitatea luminii, tensiunea, presiunea sau şocul. Cele mai multe înregistratoare de date sunt autoalimentate, astfel că au mobilitate în timp ce înregistrează diferite mărimi. Sunt utilizate în general pentru monitorizarea la distanță a mărimilor greu accesibile, de exemplu explorările petroliere, monitorizarea mediului, starea vremii, … etc.

4.2.1 Înregistratoare de date wireless. Un exemplu de înregistrator de date e prezentat în figură

4.2.2. Considerații referitoare la puterea instrumentelor wireless Folosirea surselor AC/DC limitează în mod semnificativ posibilitățile de circulaţie în sistemele wireless. Din aceste motive, în mare măsură, producătorii se bazează pe baterii chimice. Bateriile sunt dispozitive electrochimice care stochează energia chimică și o transformă în energie electrică. Pentru multe instrumente wireless, alegerea corectă bateriilor este foarte importantă, deoarece acestea sunt singura sursa de putere. Toate bateriile au următoarele caracteristici: • ele au o durată de viaţă limitată şi aceasta este determinată de modul de utilizare. • bateriile oferă izolare şi operare fără zgomot. • puterea de ieşire, capacitatea, şi tensiunile la terminalele bateriilor sunt dependente de temperatură - cresc pe măsură ce creşte temperatura. • din cauza rezistenţei interne, tensiunea la borne scade atunci când sunt vehiculați curenți mari. • tensiunea de ieşire se deteriorează o dată cu „îmbătrânirea”, care pot fi atribuite deteriorării produselor chimice şi a electrozilor în interiorul bateriei. • curentul excesiv absorbit de la baterie poate provoca de încălzirea acesteia. Când există o scurgere mare curent, unele baterii, cum ar fi cele cu litiu şi a tipuri de nichel-cadmiu, pot fi permanent deteriorate. • mărimea rezistenţelor interne diferă. Bateriile cu litiu şi nickel-cadmiu au rezistenţe interne scăzute, în timp ce de bateriile zinc-carbon au rezistenţe ridicate. Bateriile sunt clasificate ca fiind primare (nereîncărcabile) sau secundare (reîncărcabile).

4.2.2. Considerații referitoare la puterea instrumentelor wireless În ambele categorii, există multe tipuri diferite în funcție de materialele folosite şi de procesele chimice implicate. Bateriile cu litiu sunt cunoscute a avea o performanţă bună în comparaţie cu alte tipuri. La punctul 3.3 V, bateriile cu litiu au un vârf de capacitate,autodescărcare scăzută, greutate scăzută, densitate mare de energie, un cost bun. Extinderea duratei de viaţă a bateriei Durata de viață a bateriei poate fi extinsă prin depozitarea bateriilor, la o temperatură scăzută, ca de exemplu într-un frigider sau congelator, deoarece reactiile chimice din baterii sunt mai lente. Astfel de metode de stocare pot extinde durata de viaţă a bateriilor alcaline cu ~ 5%, în timp ce sarcina bateriilor reîncărcabile poate fi extinsă de la câteva zile până la câteva luni. Pentru a ajunge la tensiunea lor maximă, bateriile trebuie să fie readuse la temperatura camerei; descărcarea unei baterii alcalină la 250 mAh la 0 ° C este doar pe jumătate eficientăcomparativ cu cea la 20 °C. În consecinţă, producătorii de baterii alcaline ca Duracell nu recomandă refrigerarea sau congelarea bateriilor.

4.3. Sisteme dedicate (Embedded systems) Sistemele dedicate sunt combinaţii de structuri de calcul hard si soft, circuite electronice şi respectiv componente electromecanice, concepute pentru a realiza o funcţie specifică (dedicată unei aplicaţii). Componenta hardware Componentele standard (microprocesoare (μP), microcontrolere (μC), procesoare de semnal (DSP)) Microprocesorul Microprocesorul este un circuit care încorporează toate funcţiile unei unităţi centrale de prelucrare (CPU) pe un singur circuit integrat. Unitatea centrală de prelucrare (CPU), denumită uneori procesor, este o componentă dintr-un microcalculator, care interpretează programul de instrucţiuni şi procesează datele (efectuează operaţii aritmetice şi logice). Procesorul de date include, pe lânga CPU, memorii (date/program), dispozitive intrare/ieşire şi dispozitve periferice. Un asemenea ansamblu reprezintă, în general, un microcalculator. CARACTERISTICI: Putere de procesare ridicată,Flexibilitate în aplicaţii, Complexitate ridicată a circuitelor. CONCLUZIE: Această soluţie este rar utilizată in sistemele dedicate, fără a fi total exclusă. Este, însă, o soluţie tipică pentru microcalculatoarele din calculatoarele de uz general (în particular, calculatoarele personale).

4.3. Sisteme dedicate (Embedded systems) Microcontrolerul Microcontrolerul este un circuit VLSI care include pe acelaşi chip toate elementele componente ale unui microcalculator (CPU, memorii, dispozitive intrare/iesire, dispozitive periferice). Spre deosebire de microcalculatoarele din calculatoarele de uz general, microcontrolerul deserveşte o aplicaţie bine precizată. CARACTERISTICI: Complextate scazută a circuitelor precum şi a aplicaţiilor soft. Prezenta unor circuite periferice şi de intrare/iesire extrem de elaborate, le recomandă pentru aplicaţii de comandă a proceselor (cele mai frecvente în aplicaţiile dedicate), Ofertă extrem de largă în ce priveşte performanţele şi la un pret de cost scăzut. CONCLUZIE: Microcontrolerul este componentă care se pretează în cea mai mare masură la implementarea procesorului de date din aplicaţiile dedicate. Procesorul numeric de semnal Procesorul numeric de semnal este un microprocesor (microcontroler) specializat pentru procesarea numerică a semnalelor. Arhitectura specializată în scopul creşterei vitezei de execuţie a operaţiilor aritmetice. Se recomandă a fi utilizat în aplicaţii de calcul în timp real, care necesita viteza de lucru ridicata precum si in aplicaţiile ce impun precizie de calcul ridicată (32 de biţi). Din ce în ce mai mult DSP sunt prevăzute cu dispozitive periferice şi de intrare/iesire tipice microcontroleror, pentru a concura cu succes cu acestea din urmă. Preţul de cost relativ ridicat (comparativ cu uC), fără a fi prea ridicat. CONCLUZIE: Implementarea procesorului de date utilizând DSP se justifică în cazul aplicaţiilor de prelucrări de semnale, în care precizia si mai ales viteza de execuţie sunt importante (telecomunicaţii, prelucrări multimedia, comanda acţionărilor electrice).

4.3 . Sisteme dedicate (Embedded systems) Implementari ale hardware-ului Implementări tehnologice: Application-Specific Integrated Circuits (ASIC) Application-Specific Standard Products (ASSPd) Field Programmable Gate Array (FPGA) Solutia “System on Chip” (SOC) ASIC şi ASSPd ASIC (application-specific integrated circuit) este un circuit integrat elaborat pentru a deservi o aplicatie particulara, bine precizata. ASSPd (application specific standard products) este un circuit integrat care implementeaza o functie specifica si care prezinta interes pentru o clasa larga de utilizatori. ASSPd se situeaza intre ASIC si circuitele integrate standard, de uz general. CARACTERISTICI: Costul implementarii cu ASIC este acceptabil numai in cazul aplicatiilor de serie mare, care fac posibila amortizarea costului relativ ridicat al proiectarii, Conditia mentionata este mai relaxanta in cazul circuitelor ASSPd, care se adreseaza unei clase mai largi de utilizatori, Procesorul de date implementat cu ASIC/ASSPd este performant deoarece proiectarea acestuia a fost facuta pornind de la specificatiile impuse de aplicatie. CONCLUZIE: Implementarea procesorului de date utilizind circuite ASIC/ASSPd este de dorit ori de cite ori pretul de proiectare/fabricare nu este prohibitiv

4.3 . Sisteme dedicate (Embedded systems) FPGA FPGA (field programmable gate array) este un dispozitiv electronic continind componente logice si conexiuni programabile. Programarea functionalitatii se face dupa fabricare, de catre utilizator (field programmabile). CARACTERISTICI: Comparativ cu ASIC, solutia utilizind FPGA este mai lenta, nu suporta aplicatii la fel de complexe iar consumul de la sursa de alimentare este mai ridicat, Prezinta flexibilitate ridicata, Costuri de implementare competitive la serii mici. CONCLUZIE: Implementarea procesorului de date utilizind circuite FPGA se justifica pentru serii mici si in aplicatii unde se necesita un calcul masiv paralel (viteza mare de procesare). SOC SOC (system on chip) reprezinta o solutie de realizare a unui sistem electronic conform careia toate componentele sistemului sunt integrate pe acelasi chip (circuite digitale, circuite analogice, mixte, s.a.). O solutie alternativa, mai ieftina, este SiP (system in package) in care mai multe chipuri sunt incluse in aceeasi capsula. CARACTERISTICI: Consum mai redus de la sursa de alimentare si fiabilitate sporita comparativ cu sistemele multichip, Costurile de implementare sunt acceptabile numai in cazul unor aplicatii de serie mare, datorita valorii ridicate a costului NRE (Non-recurring engineering - adica costul platit o singura data pentru cercetare, proiectare si testarea unui nou produs), Reprezinta o solutie mai eficienta decit ASIC, deoarece poate include pe acelasi chip si alte componente decit circuitele electronice (spre exemplu cristale de cuart, microcomponente electromecanice, etc.). CONCLUZIE: Implementarea procesorului de date utilizind tehnologia SOC este de dorit ori de cite ori pretul de proiectare/fabricare este competitiv.

4.3.Sisteme dedicate (Embedded systems) • Sistem de Operare • Sistemul de operare (SO) este un set de programe de calcul care controleaza resursele hardware si software ale unui calculator. In cazul sistemelor dedicate, SO trebuie sa fie: • de tip Timp real (Real-time Operating System – RTOS) • dedicat (Embedded) • Un sistem de operare dedicat prezinta urmatoarele caracteristici: • dimensiuni mici (uneori sute de octeti) • trebuie sa fie capababil sa ruleze pe perioade mari de timp (ani) fara interventie manuala • Sarcinile unui sistem de operare: • planificarea proceselor (task-urilor) • deservirea intreruperilor • comunicarea si sincronizarea intre procese • managementul memoriei • administreaza sistemul de fisiere • asigura conectarea in reteaua de calculatoare (TCP/IP) • comanda Interfata Grafica-Utilizator.

4.3.Sisteme dedicate (Embedded systems) • Un sistem de operare in timp real este capabil sa execute toate sarcinile sale respectind anumite constringeri de timp, bine precizate. • Citeva caracteristici: • Raspuns rapid si predictibil la evenimente externe urgente, • Comportament stabil la supraincarcari tranzitorii (cind sistemul este supraincarcat de evenimente incit nu pot fi respectate toate constringerile de timp impuse pentru anumite procese, critice, timpii de executie inca trebuie respectati) • Un inalt grad de programabilitate (constringerile de timp ale sistemului trebuie sa fie satisfacute la un nivel ridicat de utilizare a tuturor resurselor) • Trecerea in regimurile cu consum redus se face setind corespunzator anumiti biti dintr-un registru de comanda (PCON) • Exista, in general, doua regimuri cu consum redus: • IDLE (inactiv): Functionarea CPU este sistata, dispozitivele perifericile functioneaza, registrii interni si iesirile porturilor isi pastreaza starea, Iesirea din starea IDLE: prin resetare sau aparitia unei intreruperi validata • POWER DOWN

4.3.Sisteme dedicate (Embedded systems) • IDE • Un mediu integrat de dezvoltare (Integrated development environment - IDE sau Integrated design environment and integrated debugging) este o aplicatie software care asista programatorul la dezvoltarea de programe. • Un IDE include de regula: • Editor de cod sursa, • Asamblor/compilator/interpretor • Depanator (debugger) • Unelte pentru elaborarea interfetei grafice-utilizator (GUI). • Editorul de cod sursa are capabilitati de “highlighting” si autocompletare. Este un editor de text “non document”.

4.3.Sisteme dedicate (Embedded systems) Compilatorul este o aplicatie software care translateaza textul scris intr-un limbaj de programare (codul sursa) intr-un alt limbaj de programare (cod obiect). Compilatorul este utilizat pentru a translata un program sursa scris in limbaj de nivel inalt, intr-un cod cu limbaj de nivel mai scazut (limbaj de asamblare sau limbaj (cod) masina. Limblajul de asamblare este un limbaj de nivel scazut ; rezultatul asamblarii il constituie codul obiect (care se executa). "μVision2" este un IDE care combina facilitatile de administrara a proiectului, editare a codului sursa si depanare a programelor intr-un singur mediu, performant. Componente: C51 ANSI C – compilator optimizat (C Cross Compiler) care creiaza din codul C sursa module obiect relocabile, A51 Macro Assembler – creiaza module relocabile din codul sursa in limbaj de asamblare, BL51 Linker/Locator – combina modulele obiect relocabile creiate de C51 si A51 intr-un modul obiect absolut, LIB51 – bibliotecarul (Library Manager) combina modulele obiect intr-o biblioteca ce poate fi utilizata de linker (editorul de legaturi) OH51 – convertor cod obiect-HEX, creiaza fisiere Intel HEX din module cod absolut. RTX-51 sistem de operare in timp real (Real-time Operating System – RTOS) care simplifica elaborarea aplicatiilor software complexe.

4.3.Sisteme dedicate (Embedded systems) Emulatorul Emularea hardware este procesul de imitare a comportamentului uneia sau a mai multor componente hardware , incluse in sistemul proiectat, cu o alta componenta hardware, numita sistem de emulare sau emulator. El se implementeaza prin interfete specifice incluse in chip, spre exemplu BDM (Background Debug Mode) si accesate prin interfata JTAG => ICE. De cele mai multe ori este emulata UCP a microcontrolerului.

4.3.Sisteme dedicate (Embedded systems) • Limbajul de asamblareconstituie o reprezentre simbolica a codului masina si a constantelor necesare pentru a programa o UCP. • Obs.: Codul masina reprezinta un sistem de instructiuni si date ce pot fi direct interpretate si executate de catre UCP. Caracteristici: • Limbajul de asamblare este definit, de regula, de fabricantul hardware-ului si se bazeaza pe abrevieri sugestive (mnemonice) care sugereaza efectul instructiunii, registrii implicati, etc. • Limbajul de asamblare este specific unei arhitecturi fizice sau virtuale de UCP (nu este deci PORTABIL). • Programarea in limbaj de asamblare este mai dificila (necesita cunoasterea arhitecturi hardware, risc mare de aparitie a erorilor, productivitate scazuta); • Conduce la un cod masina optim (dimensiuni mici si viteza mare de executie). • Limbajul de asamblare este utilizat actualmente pentru comanda directa a subansamblului hardware, pentru portiuni de program care necesita viteza sporita de executie, memorie program de mica capaciate (drivere pentru dispozitive hardware, sisteme dedicate, sisteme de timp real). • Asamblorul este un program utilitar care translateaza instructiunile din limbaj de asamblare in instructiuni cod masina specifice procesorului utilizat. Translatarea este izomorfica (unu-la-unu) de la mnemonice la instructiuni si date cod masina.

4.3.Sisteme dedicate (Embedded systems) .

4. Instrumente wireless și rețele de senzori