EasyKit Eine allgemeine Methodik für die Entwicklung von Steuerungskomponenten

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1 EasyKit Eine allgemeine Methodik für die Entwicklung von Steuerungskomponenten Alois Knoll Lehrstuhl für Eingebettete Systeme und Robotik Fakultät für Informatik Technische Universität München 18. März 2010

2 Überblick Ausgangslage Das EasyKit Projekt Match-X Baukastensystem EasyLab Fallstudien Ausblick 2

3 Ausgangslage/Analyse der SW-Entwicklung Traditionelles Vorgehen bei kleinen Anwendungen: Sequentielle Entwicklung von Maschine Steuerungselektronik Software Steuerungselektronik Ziele Zentralisierte Lösungen Hoher Verkabelungsaufwand Oftmals Einsatz teurer, proprietärer Technik Adhoc-Entwicklung von eingebetteten Systemen Hardware-Entwicklung ist aufwendig Programmierung wird meist manuell und für jeden Anwendungsfall neu durchgeführt Parallelisierung des Entwicklungsprozesses Dezentralisierung von Steuerungskomponenten: Lokale Sensordaten-Verarbeitung sowie Regelung Modularisierung von Hardware und Software Modellbasierte Softwareentwicklung 3

4 Das Projekt EasyKit Rahmenkonzept Forschung für die Produktion von morgen Verbundprojekt EasyKit - Innovative Entwicklungs- und Didaktikwerkzeuge für mechatronische Systeme Projektlaufzeit:

5 5 EasyKit Entwicklungsprozess

6 Hardware-Entwicklung mit dem Match- Baukastensystem 6

7 Stufe 1 Funktionsmuster Einsatz: Frühe Entwicklungs- und Testphase Verbindung vorgefertigter Funktionsgruppen über definierte Schnittstellen zu Komplettsystemen Funktionsträger (Einzelplatine) Abgeschlossene Einzelfunktionen Können in Kombination übergeordnete Gesamtfunktion erfüllen Bausteine In sich geschlossene Funktionsträger Zu Systemen kombinierbar Beispiel: Prozessorbaustein CPU3.x Bausteine sind beschaltet und enthalten komplette Funktionalität Taktgeber, Reset-Funktion Schnittstellen: RS232 oder RS485, SPI Baugröße: 12,5mm x 12,5mm 7

8 Stufe 2 Test und Kleinserien (Prototyp) Ziele Systemaufbau für Test und Kleinserie (1 bis 100 Stück) Schneller Übergang von Stufe 1 zu Stufe 2 Wiederverwendung der Funktionsgruppen und der Software Einfach und zuverlässig montierbar Reduzierung der Bauelemente und Schnittstellen Vorgehen Integration eigener oder anderer marktverfügbarer Komponenten Funktionsträger und Komponenten einzeln verfügbar Konventioneller Leiterplattenaufbau 8

9 Stufe 3 Serienprodukt Einfacher Übergang zu Serienprodukt Schaltungen und Bauelemente- Auswahl aus Stufe 1/2 verwendbar Layout-Bibliotheken verwendbar Softwarebibliotheken verwendbar Basislayout verfügbar Schaltung einfach integrierbar Empfehlungen für Leiterplattenhersteller Bauelemente und Funktionsträger verfügbar 9

10 Modellbasierte Software- Entwicklung mit EasyLab 10

11 Software-Entwicklungsprozess in EasyLab 1. Spezifikation der Zielhardware 2. Modellierung der Zustandslogik sowie der abzuarbeitenden Aufgabe je Zustand 3. Simulation des Programms zum Testen und zur Erkennung von Fehlern 4. Codegenerierung und Echtzeit-Visualisierung des Zustands der Zielhardware 1. Hardwaremodell 3. Simulation 4. Codegenerierung, Deployment Testen, Parametrisieren 2. Anwendungsmodell Echtzeit- Visualisierung Simon Barner, Michael Geisinger, Christian Buckl, and Alois Knoll. EasyLab: Model-based development of software for mechatronic systems. In IEEE/ASME International Conference on Mechatronic and Embedded Systems and Applications, pages , Beijing, China, October

12 Graphical Modelling: CADiSP von 1990 (auf NeXT Rechnern) LEVELS OF ABSTRACTION The system is divided into three main levels of abstraction: a) the problem-oriented level III on which applications are built using powerful modules b) the level of primitives (level II), on which the sophisticated modules available on level III are defined using primitives like multiplication, addition, etc. and c) the processor level I, on which primitive functions are defined for use on level II. CADiSP - A GRAPHICAL COMPILER FOR THE PROGRAMMING OF DSP IN A COMPLETELY SYMBOLIC WAY Alois Knoll and Rupert Nieberle Technische Universitaet Berlin Proc. IEEE ICASSP 1990, pp By employing the same or similar graphical methods and rules on three levels of abstraction, the user may seamlessly integrate software specific to his application into predefined modules on each of these levels.

13 Hardware-Modell Hardware Mikrocontroller Sensoren und Aktoren Geräte Hierarchische Beschreibung der Hardware Ressourcenmanagement Modellierung der Hardwarefunktionalität Beispiele: I/O-Pins, ADCs, Timer,... Schnittstelle zur Anwendungslogik Hardwarezugriff Geräte bieten eine Menge von Funktionsblöcken an 13

14 EasyLab: Synchroner Datenfluss Funktionsblöcke Eingänge und Ausgänge Interner Zustand Zugeordnete Aktionen Komposition von Funktionsblöcken Typisierte Verbindungen In Bearbeitung: Hierarchische Funktionsblöcke Grundlagen Synchrone Ausführungsweise Weite Verbreitung in Anwendungsdomäne ( black boxes ) Effizienz und Zuverlässigkeit Berechnung statischer Ausführungspläne Deterministisches Laufzeitverhalten Statische Speicherallokation (RAM) Erzeugung kompakten Codes (ROM) 14

15 EasyLab: Zustandsfluss-Diagramme 15 Zustandsfluss-Diagramme An IEC angelehnt Zustand: Referenz auf SDF-Modell Transitionsbedingungen: Boolesche Ausdrücke mit Variablen Komposition von Zuständen Zustandsfolgen Alternativ- und Parallelzweige Sprünge Vorteile Modellierung von Zuständen (vgl. Automaten) Diagrammart weit verbreitet in Anwendungsdomäne

16 Ausführung von Modellen EasyLab Deployment Zielplattform ohne BS Anw.-Modell Hw.-Modell Fehlersuche (Debugging) Gerätetreiber Sensoren Aktoren EasyLab Anw.-Modell Hw.-Modell Deployment Fehlersuche (Debugging) Interpreter Zielplattform mit BS Gerätetreiber Sensoren Aktoren EasyLab Deployment Zielplattform mit BS Anw.-Modell Hw.-Modell Vermittlung Geräteschnittstelle Gerätetreiber Sensoren Aktoren Michael Geisinger, Simon Barner, Martin Wojtczyk, and Alois Knoll. A software architecture for model-based programming of robot systems. In Torsten Kröger and Friedrich M. Wahl, editors, Advances in Robotics Research - Theory, Implementation, Application, pages , Braunschweig, Germany, June Springer-Verlag Berlin Heidelberg 16

17 EasyLab: Codegenerierung Generierung von C-Code für Kleinstsysteme: Kompromiss zwischen Portabilität, Effizienz und Compilerunterstützung Plattformabhängige Codevorlagen (Templates) für atomare Elemente (z.b.: Funktionsblock) Laufzeitbibliothek als Abstraktionsschicht Eigenschaften der Ausführungsplattform Abbildung von Datentypen Adaptierung an Zielplattform ( bare metal, Middleware, BS) Synchroner Datenfluss Generierung von C-Funktionen für Funktionsblock-Typen Darstellung von Funktionsblock-Instanzen mit Hilfe von C-Structs Zustandsfluss-Diagramme: Implementierung von Zuständen als C-Funktionen Treiberprogramm zur Verwaltung des aktiven Zustandes Code- Templates Laufzeitbibliothek Analyse Codegenerator Generierter Code Hardware Anwendungsmodell Hardwaremodell Ausführungs- Plattform Middleware Betriebssystem 17

18 Online-Auswertung und Parametrisierung Fehlersuche (Debugging) Erweiterung der Codegenerierung, um Programmausführung auf dem Zielsystem in EasyLab auf dem Entwicklungssystem zu visualisieren Übertragung aller Werte und Zustände des Modells Setzen bzw. Modifizieren aller Werte des Modells Wartungsschnittstelle Explizite Auswahl von Werten, die übertragen werden sollen Anbindung von externen Werkzeugen möglich (Service-PDA, HMI, ) EasyLab RS485 USB Zielsystem 18

19 Simulation Einsatzgebiet Testen der Programmlogik Parametrisierung (Regler, ) Fließender Übergang zwischen Entwicklung und Testen Einsehen und Modifikation von Werten zur Laufzeit Simulation von Sensoren und Aktoren Modelle zur Laufzeit voll modifizierbar 19

20 Erweiterbarkeit Eigene Funktionsblöcke Gruppierung existierender Komponenten Atomare Komponenten Spezifikation der Schnittstellen Codevorlagen und Plugins Unterstützung neuer Zielplattformen Portierung der Laufzeitbibliothek Plattform-Definition: Anpassung an Middleware, BS Werkzeugketten-Definition 20

21 EasyLab Systemarchitektur Grafische Bedienelemente für Funktionsbl. Grafische Bedienelemente für Geräte Hauptanwendung Menüs Fenstermanagement Benutzerinteraktion Bibliothek für grafische Benutzeroberfläche (GUI) Model-View-Controller Rückgängig/Wiederherstellen Projektmanagement Uploader- Plugins Debugger- Plugins Wartungs- Plugins Observer Pattern, Callbacks Funktionsblock- Spezifikationen (XML) Anwendungs-Modell Zustandsdiagramm Datenflussprogramm Ausführung auf Basis von virtuellen Maschinen Funktionsblock- Simulation Geräte- Spezifikationen (XML) Transformierte Modelle Ausführungspläne Optimierte Modelle Hardware-Modell Ein-/Ausgabepuffer Gerätekonfiguration Visitoren Abgeleitete Modelldaten Codegenerierung Abgeleitete Modelldaten Stubs Templates Geräte- Simulation Funktionsblock- Templates Geräte- Templates 21

22 22 Fallstudien

23 Fallstudie Didaktik-Konzept für allgemeinbildende Schulen (efm-systems, digiraster, Festo-Didactic) Das Thema Technik wird für allgemeinbildende Schulen immer relevanter Relativ eingeschränktes Budget Vertretbare Einarbeitungszeit muss gewährleistet werden Aktion EasyKit macht Schule 1000 Starter-Kits an über 300 Schulen verlost Zwei Schüler-Workshops auf Karlsruher Arbeitsgesprächen 2010 (mit insges. 60 Schülern)* Starter-Kit Basisplatine EasyKit Starter ARM Cortex-M3 USB-Schnittstelle Ein- und Ausgänge mit Hilfe von Match-X konfigurierbar Applikationsplatine mit Motor EasyLab Starter Edition Auf vorliegende Anwendung zugeschnitten Komplexität der Bedienung skalierbar Erhöhtes Abstraktionsniveau erlaubt Bearbeitung anspruchsvollerer Aufgaben * 23

24 Fallstudie Pneumatischer Zylinder (Festo-Didactic) Hardware Zylinder Positionssensor (Kolben) Endlagenschalter Zwei Magnetventile Steuerungseinheit Mikrocontroller Analog-Digital-Wandler Treiber für induktive Lasten Ziel: Positionssteuerung des Kolbens 24

25 25 Fallstudie Pumpen-Auswertungseinheit (KSB AG) Ausgangslage : Steigende Funktionsdichte in hydromechatronischen Pumpensystemen Variantenvielfalt im konfigurierbaren Standard-Produktportfolio Schnelle Bereitstellung von Kunden- und auftragsspezifischen Lösungen Ansatz Eingebettete Plattformlösungen Werkzeugbasierte Entwicklungsprozesse Studie: Aufbau einer Pumpen-Auswertungseinheit Hardware: EasyKit Mikrocontroller-Baustein (16 Bit) Zwei Bausteine mit analogem Stromeingang (4-20mA) Ein Baustein mit analogem Spannungseingang (0-10V) Ein Baustein mit analogem Stromausgang (4-20mA) Kommunikationsschnittstellen: RS485 (Systembus), RS232 (Wartung) Software: EasyLab Anbindung an produktübergreifend eingesetztes Service-Werkzeug zur Bedienung, Parametrisierung und Auswertung

26 Fallstudie Dreitanksystem (TU Ilmenau) Modellierung u. Simulation Strecke Realität Simulation Entwurf Regler/Steuerung Modellierung Regler/Steuerung Simulation des geschl. Kreises Streckenmodell Code- Generierung Test des realen Systems Strecke Controller Controller 26

27 Fallstudie Dreitanksystem Modellierung u. Simulation Strecke Code- Generierung Entwurf Regler/Steuerung Simulation des geschl. Kreises Modellierung Regler/Steuerung Test des realen Systems aus: Föllinger, Regelungstechnik ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( 1/ 1/ 1/ 0 1/ 1/ 1/ 1/ 0 1/ 1/ ) ( ) ( ) ( ) ( t u t q t q B q q t x t h t h t h A T T T T T T T T T t x t h t h t h dt d ) ( ) ( t x t y C Systembeschreibung im Zustandsraum 27

28 Simulation der Strecke Modellierung u. Simulation Strecke Entwurf Regler/Steuerung Modellierung Regler/Steuerung Simulation des geschl. Kreises Code- Generierung Sprungantwort Tank 1 Tank 3 Test des realen Systems Zeit in s 28

29 Reglerentwurf Modellierung u. Simulation Strecke Entwurf Regler/Steuerung w S Vorfilter K Regler u B. x x(0) 1 x A C Strecke y Modellierung Regler/Steuerung Simulation des geschl. Kreises z.b. mit Matlab: Code- Generierung Test des realen Systems 29

30 Geschlossener Regelkreis Modellierung u. Simulation Strecke Entwurf Regler/Steuerung w S Vorfilter K Regler u B. x x(0) 1 x A C Strecke y Modellierung Regler/Steuerung Simulation des geschl. Kreises Sprungantwort Tank 1 Code- Generierung Tank 3 Test des realen Systems Zeit in s 30

31 Geschlossener Regelkreis Modellierung u. Simulation Strecke Entwurf Regler/Steuerung w S Vorfilter K Regler u B. x x(0) 1 x A C Strecke y Modellierung Regler/Steuerung In EasyLab: Simulation des geschl. Kreises Code- Generierung w S Test des realen Systems K x 31

32 Code-Generierung und Test Modellierung u. Simulation Strecke Strecke Entwurf Regler/Steuerung Modellierung Regler/Steuerung Live-Debugging Controller Simulation des geschl. Kreises Code- Generierung Test des realen Systems 32

33 33 Perspektiven Modellierung Einbeziehung der Steuerungs- und Prozessleit-Ebene Konfiguration von Sensor-Aktor-Netzen und deren Überwachung Rigide Spezifikationsmöglichkeiten von nicht-funktionalen Eigenschaften Quality-of-Service (Zeitaspekte, Kommunikationsdienste) Redundanzmanagement und Fehlertoleranzmechanismen Untersuchung und Modellierung von Ausfallsstrategien Verifikation und Integration formaler Methoden Verifizierbare, domänenspezifische Codegeneratoren Zertifizierbarkeit gemäß einschlägiger Richtlinien Zielplattformen (Heterogene) Mehrkern-Architekturen für Eingebettete Systeme Physikalische Limits Optimierung des Energieverbrauchs Große verteilte vernetzte Systeme, Service-orientierte Architekturen

34 Zusammenfassung EasyKit = Entwicklungsprozess für Steuerungskomponenten Unterstützt dreistufigen Hardware-Entwicklungsprozess Funktionsmuster Kleinserien Serienproduktion Modellbasierter Software-Entwurf mit EasyLab Ab der Erstellung des ersten Prototypen kann mit der Programmierung begonnen werden Online-Debugging auf Modell-Ebene bietet intuitives Verständnis Mehr Informationen unter 34