Mikroprocesorová technika (FSI-RTE)

Akademický rok 2022/2023
Garant: Ing. Jan Knobloch, Ph.D.  
Garantující pracoviště: ÚMTMB všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky: čeština
Cíle předmětu:
Osvojení teoretických a praktických základů číslicové techniky a mikropočítačů, seznámení s algoritmy řízení.
Výstupy studia a kompetence:
Praktické uplatňování číslicové techniky a jednočipových mikropočítačů při řízení mechatronických procesů, programování v jazyce C, samostatná práce s laboratorním vývojovým systémem. Orientace v moderních mikroprocesorových systémech a základních metodách číslicového řízení.
Prerekvizity:
Základy programování.
Základní znalost anglického jazyka.
Obsah předmětu (anotace):
Posluchači jsou seznámeni s aplikacemi mikropočítačové techniky při měření a řízení procesů. Seznámí se s fungováním procesorů ARM a některých periferií a dále některých algoritmů využívaných zejména při řízení elektrických pohonů. Ve cvičení se využívá poměrně snadno dostupných vývojových sad a softwarových nástrojů, se kterými posluchači pracují samostatně a programují v jazyce C.
Metody vyučování:

Předmět je vyučován formou přednášek, které mají charakter výkladu základních principů a teorie dané disciplíny. Výuka je doplněna laboratorními cvičeními, která jsou zaměřena na konkrétní aplikaci.
Způsob a kritéria hodnocení:

V průběhu semestru lze celkem získat až 40 bodů za:
aktivitu ve cvičeních: max 10,
samostatný projekt 1: max 10,
samostatný projekt 2: max 20.

Podmínky udělení zápočtu:
získání alespoň 21 bodů ze 40.

Závěrečná zkouška je písemná, může zahrnovat vývoj softwaru pro mikrokontrolér a lze za ni získat až 60 bodů.
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky:
Povinná účast v laboratorních cvičeních (min. 80 %). Zpracování úkolů, možnost nahrazení dle individuální dohody s vyučujícím.
Typ (způsob) výuky:
    Přednáška  13 × 2 hod. nepovinná                  
    Laboratorní cvičení  13 × 2 hod. povinná                  
Osnova:
    Přednáška 1. Organizační informace. Reprezentace čísel, číselné soustavy a převody mezi nimi, logické funkce, Booleova algebra. Ukázka použitých nástrojů TrueStudio a CubeMX, zdroje informací.
2. Základy jazyka C: operátory, proměnné, funkce, ukazatele, hlavičkové soubory, linker.
3. Port GPIO. Časovače: základní schéma, princip funkce; vstup: měření délky pulzu, počítání počtu pulzů, PWM vstup; výstup: generování pulzů, PWM pro řízení pulzních měničů.
4. Architektura procesorů ARM: organizace paměti, sběrnice, registry.
5. Architektura procesorů ARM: běh programu a zpracování dat, podprogramy, výjimky.
6. Úvod do zpracování signálů, instrukce MAC. Číslicový integrátor a filtr prvního řádu, odvození diferenční rovnice, přepis na algoritmus.
7. AD převodník: princip, rychlost vs. šum, referenční napětí, praktické použití.
8. DA převodník a DMA. Zpracování signálů z čidel polohy a rychlosti pomocí časovače.
9. Stavový automat, základní princip. Aritmetika s pevnou vs. plovoucí řádovou čárkou, realizace výpočtů na procesorech ARM s a bez FPU.
10. Diskrétní PID regulátor ve složkovém a uzavřeném tvaru; odvození, výpočet, anti-windup, praktická realizace.
11. Generování funkčních závislostí: Taylorova řada, tabulka. Praktické použití.
12. Synchronizace ADC s PWM modulátorem, důvody a potřebnost. Dopravní zpoždění regulační smyčky, návrh regulátoru.
13. Základy mikropočítačového řízení el. pohonů.
    Laboratorní cvičení 1. Úvod, bezpečnostní předpisy, seznámení s vývojovými nástroji.
2. Konfigurace vstupů/výstupů GPIO, rozsvícení LED na stisk tlačítka.
3. Časovače I: generování periodického přerušení, ošetření zákmitů tlačítka s použitím časovače.
4. Časovače II: výstupní režim PWM, komplementární výstup, deadtime.
5. Samostatný projekt 1.
6. Integrátor a číslicový filtr 1. řádu, generování signálu obdélník a trojúhelník pomocí integrátoru. Možnosti ladění v reálném čase.
7. AD převodník: nastavení, vyčítání dat, synchronizace s PWM.
8. Měření otáček a polohy pomocí časovače.
9. Využití přímého přístupu k paměti (DMA): převodníky DA a AD, časovače.
10. Diskrétní regulátor PID: složkový a uzavřený tvar.
11. Praktická realizace funkčních závislostí.
12. Samostatný projekt 2.
13. Vyhodnocení projektu, zápočet.
Literatura - základní:
1. PM0214 Programming manual: STM32 Cortex®-M4 MCUs and MPUs programming manual. STMicroelectronics [online]. Geneva, Switzerland: STMicroelectronics, 1994- [cit. 2019-02-25]. Dostupné z: https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/programming_manual/6c/3a/cb/e7/e4/ea/44/9b/DM00046982.pdf/files/DM00046982.pdf/jcr:content/translations/en.DM00046982.pdf
2. RM0364 Reference manual: STM32F334xx advanced Arm®-based 32-bit MCUs. STMicroelectronics [online]. Geneva, Switzerland: STMicroelectronics, 1994- [cit. 2019-02-25]. Dostupné z: https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/reference_manual/71/30/2e/f3/20/5b/46/c1/DM00093941.pdf/files/DM00093941.pdf/jcr:content/translations/en.DM00093941.pdf
3. Klíma B., Stupka R.: Mikroprocesorová technika v elektrických pohonech. Studijní opora, Elektronický text, VUT Brno - FEKT, 2004
4. HEROUT, Pavel. Učebnice jazyka C. 4., přeprac. vyd. České Budějovice: Kopp, 2004. ISBN 80-7232-220-6.
Literatura - doporučená:
1. BROWN, Geoffrey. Discovering the STM32 Microcontroller [online]. 1. Indiana University: Indiana University, 2016 [cit. 2019-03-07]. ISBN 0000. Dostupné z: https://www.cs.indiana.edu/~geobrown/book.pdf
2. MACHO, Tomáš. Mikroprocesory [online]. Brno, 2017 [cit. 2019-03-12]. Elektronický učební text. FEKT VUT v Brně.
Zařazení předmětu ve studijních programech:
Program Forma Obor Spec. Typ ukončení   Kredity     Povinnost     St.     Roč.     Semestr  
CŽV prezenční studium CZV Základy strojního inženýrství -- zá,zk 5 Povinný 1 1 L
N-MET-P prezenční studium --- bez specializace -- zá,zk 5 Povinný 2 1 L