Michael Graßhoff
Weiterentwicklung einer Mikrocontrollerplattform für den Einsatz als mobilen
Stausensor
ISBN: 978-3-8428-2220-7
Herstellung: Diplomica® Verlag GmbH, Hamburg, 2011
Zugl. Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Magdeburg, Deutschland, Studienarbeit,
2011
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© Diplomica Verlag GmbH
http://www.diplomica.de, Hamburg 2011
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
vi
Tabellenverzeichnis
viii
Abk¨
urzungsverzeichnis
ix
1
Einleitung
1
2
Grundlagen
3
2.1
Aufbau des mobilen Stausensors
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2.2
Gleichspannungswandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.2.1
Lineare Spannungsregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.2.2
Schaltregler als Abw¨
artswandler
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2.2.3
Ladungspumpen als Abw¨
artsregler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.4
Vergleich der Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3
Betriebssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.1
Aufgaben eines Betriebssystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.2
Klassifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4
Mikroprozessoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.1
Aufbau eines Mikroprozessors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.2
Mikrocontroller und System-on-a-Chip . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4.3
CISC- und RISC-Architekturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4.4
Leistungsaufnahme eines Mikroprozessors . . . . . . . . . . . . . . . 20
3
Untersuchung und Optimierung der Leistungsaufnahme
21
3.1
Stromversorgungsstruktur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2
Stromversorgung der Verkehrsdetektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.3
Stromversorgung des GPRS-Modems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.4
Stromversorgung des Mikrocontrollers, der Speicher und des EIA-485-Treibers 32
3.5
Zusammenfassung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4
Betriebssysteme f¨
ur eingebettete Systeme
36
4.1
Freie Echtzeitbetriebssysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.1.1
BeRTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
iv
Inhaltsverzeichnis
4.1.2
FemtoOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.1.3
FreeRTOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.1.4
FunkOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.1.5
Nut/OS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1.6
YAVRTOS
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2
Linux
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2.1
Struktur des Kernels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2.2
Vorteile beim Einsatz von Linux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.2.3
Besonderheiten beim Einsatz in eingebetteten Systemen . . . . . . . 47
4.2.4
Minimale Hard- und Softwareanforderungen . . . . . . . . . . . . . . 48
4.3
Vergleich und Bewertung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5
Prozessorarchitekturen f¨
ur Linux
50
5.1
Gegebene Anforderungen an ein System-on-a-Chip . . . . . . . . . . . . . . 50
5.2
Potenzielle Prozessorarchitekturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.2.1
Intel x86 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.2.2
Motorola 68000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2.3
PowerPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2.4
MIPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.2.5
SuperH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.2.6
ARM
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.3
Vergleich und Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
6
Zusammenfassung und Ausblick
59
Glossar
60
Literaturverzeichnis
64
v
Abbildungsverzeichnis
1.1
Zwei Montagem¨
oglichkeiten des mobilen Stausensors . . . . . . . . . . . . .
1
1.2
Beispielhafter Verlauf der Akkumulatorspannung ¨
uber ein Jahr . . . . . . .
2
2.1
Blockschaltbild des mobilen Stausensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2.2
Mikrocontrollerplattform des mobilen Stausensors . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.3
Schaltungsstruktur eines linearen Serienreglers
. . . . . . . . . . . . . . . .
6
2.4
Schaltungsstruktur eines Low-Dropout-Spannungsreglers . . . . . . . . . . .
7
2.5
Grundprinzip eines Abw¨
artswandlers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.6
Schaltung eines asynchronen Abw¨
artswandlers . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.7
Schaltung eines synchronen Abw¨
artswandlers . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.8
Schalternetzwerk einer einfachen Ladungspumpe . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.9
Ersatzschaltbild der ersten Schalterkonfiguration . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.10 Ersatzschaltbild der Ladungspumpe mit Ersatzwiderstand . . . . . . . . . . 13
2.11 Schichtmodell eines Betriebssystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.12 M¨
ogliche Zust¨
ande eines Tasks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.13 Pr¨
aemptives und kooperatives Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.14 Aufbau eines Mikroprozessors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.1
Stromversorgungsstruktur des mobilen Stausensors . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2
Messaufbau zur Ermittlung der statischen Stromaufnahme . . . . . . . . . . 24
3.3
Grafische Darstellung der Leistungsaufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.4
Messaufbau zur Ermittlung der dynamischen Stromaufnahme . . . . . . . . 25
3.5
Stromverlauf beim Start des Verkehrsdetektors . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.6
Stromverlauf bei einer Daten¨
ubertragung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.7
Stromaufnahme bei Verwendung eines Energiesparmodus
. . . . . . . . . . 27
3.8
Zeitverhalten des Cyclic Sleep Mode 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.9
Zeitverhalten des Cyclic Sleep Mode 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.10 Messaufbau zur Ermittlung der Stromaufnahme des Modems . . . . . . . . 29
3.11 Stromaufnahmeverlauf ohne Schlafmodus
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.12 Stromaufnahmespitzen w¨
ahrend des Sendens
. . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.13 Stromaufnahmeverlauf mit Cyclic Sleep Mode 7 . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.14 Stromaufnahmeverlauf mit Cyclic Sleep Mode 9 . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.15 Simulationsschaltung des LTC3642 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
vi
Abbildungsverzeichnis
3.16 Optimierte Stromversorgungsstruktur des mobilen Stausensors
. . . . . . . 35
4.1
BeRTOS Konfigurationsprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2
BeRTOS Entwicklungsumgebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3
Nut/OS Konfigurationsprogramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.4
Struktur des Kernels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.5
Konfiguration des Linuxkernels mit menuconfig . . . . . . . . . . . . . . . . 46
4.6
Picotux 100 Modul . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.7
Google Nexus One . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.1
Blockschaltbild des ZFx86 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.2
Blockschaltbild eines PIC32 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
5.3
Popularit¨
at eingebetteter Prozessoren
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
vii
Tabellenverzeichnis
2.1
Vergleich der Verfahren zur Herabsetzung einer Gleichspannung . . . . . . . 14
3.1
Versorgungsspannung der Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2
Strom- und Leistungsaufnahme eines Detektors . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3
Geeignete Schaltregler f¨
ur die Spannungsversorgung des Verkehrsdetektors . 26
3.4
Vergleich der Stromaufnahme zwischen TC63 und TC63i . . . . . . . . . . . 28
3.5
Geeignete Schaltregler f¨
ur die Spannungsversorgung des Modems . . . . . . 31
3.6
Geeignete Schaltregler f¨
ur die Versorgung des 3,3 V-Zweiges . . . . . . . . . 33
4.1
¨
Ubersicht ¨
uber freie Echtzeitbetriebssysteme f¨
ur Atmel AVR
. . . . . . . . 37
5.1
Leistungsaufnahme der betrachteten System-on-a-Chip . . . . . . . . . . . . 58
viii
Abk¨
urzungsverzeichnis
Q . . . . . . . . . . . . . . . . . ¨Anderung der elektrischen Ladung [C]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wirkungsgrad
I
TC63i; CSM1
. . . . . . . . . mittlere Stromaufnahme ohne Energiesparmodus [A]
I
TC63i; CSM7
. . . . . . . . . mittlere Stromaufnahme im Cyclic Sleep Mode 7 [A]
I
TC63i; CSM9
. . . . . . . . . mittlere Stromaufnahme im Cyclic Sleep Mode 9 [A]
U
MobS
. . . . . . . . . . . . . . mittlere Ausgangsspannung des Akkumulators [V]
C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kapazit¨at [F] / Kondensator
D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Diode
E
Mess
. . . . . . . . . . . . . . . Energieaufnahme w¨
ahrend einer Messphase [J]
E
Start
. . . . . . . . . . . . . . . Energieaufnahme w¨
ahrend des Starts [J]
f . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Frequenz [Hz]
G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verst¨arkung
I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . elektrischer Strom [A]
I
a
. . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausgangsstrom [A]
I
e
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Eingangsstrom [A]
I
Mess
. . . . . . . . . . . . . . . . Stromst¨
arke w¨
ahrend einer Messphase [A]
I
Q
. . . . . . . . . . . . . . . . . . Ruhestromaufnahme [A]
I
Start
. . . . . . . . . . . . . . . Stromst¨
arke w¨
ahrend des Starts [A]
I
st
. . . . . . . . . . . . . . . . . . Strom durch den Spannungsteiler [A]
L . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Induktivit¨at [H] / Spule
P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Leistung [W]
P
MobS
. . . . . . . . . . . . . . Leistungsaufnahme des mobilen Stausensors [W]
Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . elektrische Ladung [C]
Q
Akku
. . . . . . . . . . . . . . Ladungsmenge des Akkumulators [Ah]
R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Widerstand []
R
ers
. . . . . . . . . . . . . . . . Ersatzwiderstand []
R
L
. . . . . . . . . . . . . . . . . . Lastwiderstand []
S . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Schalter
T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Transistor
t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zeit [s]
t
Akku
. . . . . . . . . . . . . . . ¨
Uberbr¨
uckungsdauer des Akkumulators [s]
t
Mess
. . . . . . . . . . . . . . . . Zeitdauer einer Messphase [s]
ix
Abk¨
urzungsverzeichnis
t
Start
. . . . . . . . . . . . . . . . Zeitdauer des Starts [s]
t
s
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zeitdauer der Schlafphase [s]
U
a
. . . . . . . . . . . . . . . . . . Ausgangsspannung [V]
U
e
. . . . . . . . . . . . . . . . . . Eingangsspannung [V]
U
ref
. . . . . . . . . . . . . . . . . Referenzspannung [V]
ALU . . . . . . . . . . . . . . . . Arithmetic and Logical Unit
API . . . . . . . . . . . . . . . . Application Programming Interface
ARM . . . . . . . . . . . . . . . Advanced RISC Machine
ARP . . . . . . . . . . . . . . . . Adaptive Routing Protocol
AT . . . . . . . . . . . . . . . . . Attention
CAN . . . . . . . . . . . . . . . Controller Area Network
CH1 . . . . . . . . . . . . . . . . Channel 1
CISC . . . . . . . . . . . . . . . Complex Instruction Set Computer
CPU . . . . . . . . . . . . . . . . Central Processing Unit
CRC . . . . . . . . . . . . . . . . Cyclic Redundancy Check
CSM . . . . . . . . . . . . . . . Cyclic Sleep Mode
CTS . . . . . . . . . . . . . . . . Clear to Send
DHCP . . . . . . . . . . . . . . Dynamic Host Configuration Protocol
EEPROM . . . . . . . . . . Electrically Erasable Programmable Read Only Memory
EIA . . . . . . . . . . . . . . . . Electronic Industries Alliance
EMV . . . . . . . . . . . . . . . elektromagnetische Vertr¨
aglichkeit
FTP . . . . . . . . . . . . . . . . File Transfer Protocol
GNU . . . . . . . . . . . . . . . GNU's Not Unix
GPRS . . . . . . . . . . . . . . General Packet Radio Service
GSM . . . . . . . . . . . . . . . Global System for Mobile Communications
HAL . . . . . . . . . . . . . . . . Hardware Abstraction Layer
HTTP . . . . . . . . . . . . . . Hypertext Transfer Protocol
I
2
C . . . . . . . . . . . . . . . . . Inter-Integrated Circuit
IA-32 . . . . . . . . . . . . . . . Intel Architecture 32-Bit
ifak . . . . . . . . . . . . . . . . . Institut f¨
ur Automation und Kommunikation e.V. Magdeburg
IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . Internet Protocol
LCD . . . . . . . . . . . . . . . . Liquid Crystal Display
LDO . . . . . . . . . . . . . . . . Low Dropout Regulator
Manpage . . . . . . . . . . . Manual Page
ME . . . . . . . . . . . . . . . . . Mobile Equipment
MIPS . . . . . . . . . . . . . . . Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages
MMC . . . . . . . . . . . . . . . Multimedia Card
MMU . . . . . . . . . . . . . . . Memory Management Unit
MobS . . . . . . . . . . . . . . . mobiler Stausensor
x
Abk¨
urzungsverzeichnis
MOSFET . . . . . . . . . . . Metal-Oxid-Semiconductor Field-Effect Transistor
MS-DOS . . . . . . . . . . . . Microsoft Disk Operating System
Mutex . . . . . . . . . . . . . . Mutual Exclusion
OS . . . . . . . . . . . . . . . . . Operating System
PC . . . . . . . . . . . . . . . . . Personal Computer
PDA . . . . . . . . . . . . . . . . Personal Digital Assistant
PFM . . . . . . . . . . . . . . . Pulsfrequenzmodulation
PIC . . . . . . . . . . . . . . . . Programmable Interface Controller
PowerPC . . . . . . . . . . . Performance Optimization with Enhanced RISC Performance Chip
PPC . . . . . . . . . . . . . . . . siehe PowerPC
PPP . . . . . . . . . . . . . . . . Point to Point Protocol
PWM . . . . . . . . . . . . . . Pulsweitenmodulation
RISC . . . . . . . . . . . . . . . Reduced Instruction Set Computer
RTAI . . . . . . . . . . . . . . . Real Time Application Interface
RTLinux . . . . . . . . . . . . Real Time Linux
RTOS . . . . . . . . . . . . . . Real Time Operating System
RTS . . . . . . . . . . . . . . . . Request to Send
SCC . . . . . . . . . . . . . . . . Switched Capacitor Converter
SD . . . . . . . . . . . . . . . . . Secure Digital
SDK . . . . . . . . . . . . . . . . Software Development Kit
SoC . . . . . . . . . . . . . . . . System-on-a-Chip
SPARC . . . . . . . . . . . . . Scalable Processor Architecture
SPI . . . . . . . . . . . . . . . . . Serial Peripheral Interface
TB . . . . . . . . . . . . . . . . . Time Base
TCP . . . . . . . . . . . . . . . . Transport Control Potocol
UART . . . . . . . . . . . . . . Universal Asynchronous Receiver Transmitter
UDP . . . . . . . . . . . . . . . User Datagram Protocol
UMTS . . . . . . . . . . . . . . Universal Mobile Telecommunications System
VPN . . . . . . . . . . . . . . . Virtual Private Network
YAVRTOS . . . . . . . . . . Yet Another AVR Real Time Operating System
xi
1 Einleitung
Zur Bereitstellung von Verkehrsinformationen wurde im Bereich Verkehrstelematik am In-
stitut f¨
ur Automation und Kommunikation e.V. Magdeburg (ifak) ein mobiler Stausensor
entwickelt. Dieser wird station¨
ar ¨
uber der Fahrbahn befestigt (Abbildung 1.1) und erfasst
mithilfe von Verkehrssensoren die Anzahl und Geschwindigkeit von Fahrzeugen auf einer
oder mehreren Fahrspuren. Zus¨
atzlich findet eine Klassifikation der Fahrzeuge in Gruppen
wie Pkw oder Lkw statt. Die gewonnenen Messdaten werden per Funk an einen Server
¨
ubermittelt, der durch die Auswertung dieser Daten gezielt Verkehrslenkungsmaßnahmen
durchf¨
uhren kann. Dies ist beispielsweise die Information der Verkehrsteilnehmer durch
Wechselverkehrszeichen oder ¨
uber Internetplattformen. Damit das System autark arbei-
tet, wird es aus einem Bleiakkumulator mit Energie versorgt, der ¨
uber ein Solarmodul
geladen wird.
Abbildung 1.1: Zwei Montagem¨
oglichkeiten des mobilen Stausensors
Mehrere Prototypen des mobilen Stausensors wurden seit 2006 an verschiedenen Stand-
orten in D¨
usseldorf, Halle und Magdeburg getestet. W¨
ahrend dieser Testphase best¨
atigten
sich die Vorteile der zeitnahen Bereitstellung von Verkehrsinformationen f¨
ur eine gezielte
Beeinflussung des Verkehrs. Andererseits zeigte der Langzeiteinsatz der Prototypen auch
M¨
angel auf. W¨
ahrend der sonnenarmen Wintermonate reichte die durch das Solarmodul
1
1 Einleitung
aufgenommene Energie in einigen F¨
allen nicht aus, um die Leistungsaufnahme des Systems
zu decken. Die Abbildung 1.2 zeigt den Verlauf der Akkumulatorspannung eines Testger¨
ats
vom Juni 2008 bis Juni 2009. Auf dieser ist ein deutliches Absinken der Spannung in den
Wintermonaten zu erkennen. Durch das Erreichen einer Mindestspannung f¨
uhrte dies im
Dezember zu mehreren Systemausf¨
allen. Dar¨
uber hinaus zeigten sich M¨
angel durch Ver-
bindungsabbr¨
uche und Systemabst¨
urze bei einigen Prototypen. Hierf¨
ur wird die Ursache
in der komplexen Betriebssoftware des Systems vermutet.
Abbildung 1.2: Beispielhafter Verlauf der Akkumulatorspannung ¨
uber ein Jahr
Das Ziel der Studienarbeit ist die Weiterentwicklung des mobilen Stausensors, ausgehend
von der vorhandenen Mikrocontrollerplattform. Um Ausf¨
alle des Systems bei geringer Son-
neneinstrahlung zu vermeiden, soll die Leistungsaufnahme des Systems analysiert und ge-
gebenenfalls optimiert werden. Besonderes Augenmerk wird dabei auf die energieeffiziente
Erzeugung der Versorgungsspannungen und die geringe Verlustleistung der Bauelemente
gelegt.
Die Komplexit¨
at der Betriebssoftware soll durch den Einsatz eines Betriebssystems ver-
ringert werden. Dazu werden im zweiten Schritt verf¨
ugbare Betriebssysteme untersucht
und hinsichtlich ihres Funktionsumfangs verglichen. Anschließend werden verschiedene
Prozessortypen gegen¨
ubergestellt, die f¨
ur das gew¨
ahlte Betriebssystem geeignet sind. Das
wichtigste Merkmal stellt auch hier eine geringe Leistungsaufnahme dar.
2
2 Grundlagen
In diesem Kapitel werden zun¨
achst die Grundlagen f¨
ur das Verst¨
andnis sp¨
aterer Kapi-
tel erl¨
autert. Im ersten Abschnitt wird der Aufbau des mobilen Stausensors dargestellt.
Weiterhin wird gezeigt, wie die einzelnen Komponenten verschaltet sind und wie sie zu-
sammenwirken.
Bei der Untersuchung der Leistungsaufnahme des Systems in Kapitel 3 liegt ein Schwer-
punkt auf der energieeffizienten Erzeugung der Versorgungsspannungen f¨
ur die verschiede-
nen Schaltkreise. Daher werden im zweiten Abschnitt dieses Kapitels verschiedene Schal-
tungsstrukturen zur Herabsetzung einer Gleichspannung vorgestellt und ihre Eigenschaften
verglichen. Im Fokus steht dabei der Wirkungsgrad der Verfahren, der die Effizienz der
Gleichspannungswandlung bestimmt.
Die Aufgaben und Funktionen eines Betriebssystems werden im dritten Teil vorgestellt.
Bei der Verwendung eines Betriebssystems erm¨
oglichen diese Funktionen eine einfachere
und sicherere Entwicklung der Anwendungssoftware des mobilen Stausensors. Zus¨
atzlich
wird gezeigt, wie sich Betriebssysteme anhand ihrer Eigenschaften klassifizieren lassen und
was die besonderen Eigenschaften eingebetteter Betriebssysteme sind.
Im abschließenden Teil des Kapitels wird der Aufbau von Mikroprozessoren erl¨
autert.
Weiterhin werden die Unterschiede zwischen Mikrocontroller und System-on-a-Chip, sowie
zwischen CISC- und RISC-Befehlss¨
atzen dargestellt. Im letzten Teil wird gezeigt, wie
sich die Leistungsaufnahme eines Mikroprozessors zusammensetzt. Dies wird im Kapitel 5
aufgegriffen, da dort verschiedene Prozessortypen hinsichtlich ihrer Leistungsaufnahme
verglichen werden.
2.1 Aufbau des mobilen Stausensors
Die Abbildung 2.1 zeigt das Blockschaltbild des mobilen Stausensors. Die gesamte Elek-
tronik, bis auf den Laderegler und die Verkehrsdetektoren, befindet sich auf einer im ifak
entwickelten Mikrocontrollerplattform, die in Abbildung 2.2 dargestellt ist.
Als externe Verkehrssensoren werden passive Infrarotdetektoren des Typs ASIM IR 254-
759 eingesetzt. Diese ermitteln die Geschwindigkeit und die L¨
ange vorbeifahrender Fahr-
zeuge. Die Messdaten werden ¨
uber eine EIA-485-Schnittstelle an den Mikrocontroller
¨
ubermittelt. Bevor die Messdaten an einen Server verschickt werden, verarbeitet der Mi-
3
2 Grundlagen
krocontroller diese. Dabei werden beispielsweise die Fahrzeuge klassifiziert oder der Durch-
schnittswert der Fahrzeuganzahl gebildet.
Mikro-
controller
GPRS-
Modem
SD-Karte
EEPROM
Periph.-
schnittst.
Temp.-
sensor
weitere
Module
EIA-485-
Treiber
Verkehrs-
detektor
Solar-
modul
Lade-
regler
Blei-
akku.
Gleichsp.-
wandler
Datenverbindung
Solarspannung
12 V-Versorgung
5,9 V-Versorgung
3,8 V-Versorgung
3,3 V-Versorgung
Abbildung 2.1: Blockschaltbild des mobilen Stausensors
Anschließend werden die Daten per GPRS-Modem zum Server geschickt. Dazu wird das
weitverbreitete GSM-Mobilfunknetz verwendet. Bei Verbindungsproblemen k¨
onnen die
Daten auf einer SD-Speicherkarte gesichert und sp¨
ater verschickt werden. Zus¨
atzlich kann
auf der SD-Speicherkarte eine Sicherungskopie der Daten erstellt werden.
In einem nichtfl¨
uchtigen EEPROM-Speicher werden Konfigurationsdaten gespeichert. Die-
se stehen auch nach Ausfall der Betriebsspannung zur Verf¨
ugung. An den Mikrocontroller
ist externer Arbeitsspeicher angeschlossen, um auch gr¨
oßere Datenmengen im Hauptspei-
cher verarbeiten zu k¨
onnen. Durch eine Peripherieschnittstelle ist es m¨
oglich, den mobilen
Stausensor mit zus¨
atzlichen Sensoren zu erweitern. So wurde f¨
ur diese Schnittstelle eine
Leiterplatte entwickelt, die es erm¨
oglicht die Umgebungstemperatur zu messen [Sch08].
Damit das System autark betrieben werden kann, wird es durch ein Solarmodul mit Ener-
gie versorgt. Die gewonnene Energie wird in einem Bleiakkumulator zwischengespeichert.
4
2 Grundlagen
Das Ladeverfahren wird dabei durch einen Laderegler umgesetzt. Eine weitere Aufgabe
des Ladereglers ist die ¨
Uberwachung der Akkumulatorspannung, um eine Tiefentladung
oder ¨
Uberladung zu verhindern. Aus der Akkumulatorspannung werden die ben¨
otigten
Spannungen zur Versorgung der einzelnen Komponenten mit Gleichspannungswandlern
erzeugt.
Abbildung 2.2: Mikrocontrollerplattform des mobilen Stausensors
2.2 Gleichspannungswandler
Ein Gleichspannungswandler erzeugt aus einer Eingangsspannung eine Ausgangsspannung,
wobei es sich bei beiden Spannungen um Gleichgr¨
oßen handelt. Eine Stabilisierung soll
erreichen, dass die Ausgangsspannung unabh¨
angig von der Eingangsspannung, der Tempe-
ratur und der Strombelastung des Ausgangs konstant ist. Dies ist n¨
otig, da digitale Schalt-
kreise h¨
aufig nur Betriebsspannungsschwankung von wenigen Prozent tolerieren [Sei03].
Ein wichtiger Kennwert von Gleichspannungswandler ist der Wirkungsgrad
. Dieser ist
durch das Verh¨
altnis zwischen Abgabeleistung und Aufnahmeleistung definiert.
=
P
Abgabe
P
Aufnahme
(2.1)
Besonders bei batteriebetriebenen Anwendungen ist ein hoher Wirkungsgrad erw¨
unscht,
um m¨
oglichst viel Energie der Batterie nutzen zu k¨
onnen.
Die Anforderungen einer konstanten Ausgangsspannung und eines hohen Wirkungsgrades
5
2 Grundlagen
k¨
onnen nur geregelte Gleichspannungswandler erf¨
ullen. Es wird zwischen Reglern mit ste-
tiger und unstetiger Regelung unterschieden. Die Versorgungsspannungen auf dem mobilen
Stausensor werden aus einer Gleichspannung erzeugt, die im Bereich von etwa 1015 V
liegt. Da die erzeugten Versorgungsspannungen kleiner als die Eingangsspannung sind,
werden nachfolgend nur Schaltungen betrachtet, die eine Gleichspannung herabsetzen.
2.2.1 Lineare Spannungsregler
Lineare Spannungsregler verwenden eine stetige Regelung der Ausgangsspannung. Es wird
zwischen Parallel- und Serienregler unterschieden. Beim Serienregler befindet sich das
Stellglied in Serie zur Last, w¨
ahrend es beim Parallelregler parallel zur Last geschaltet ist.
Parallelregler haben den großen Nachteil, dass die Stromaufnahme immer so hoch ist, wie
bei maximaler Last. Damit sinkt der Wirkungsgrad besonders bei geringen Belastungen.
Aus diesem Grund werden h¨
aufiger Serienregler eingesetzt, um die Eingangsspannung
herabzusetzen und zu stabilisieren.
Die Abbildung 2.3 zeigt die Schaltungsstruktur eines linearen Serienreglers. Als Stellglied
T
-
+
-
+
U
ref
R
1
I
st
R
2
R
L
I
a
I
e
U
e
U
a
Abbildung 2.3: Schaltungsstruktur eines linearen Serienreglers
wird der Leistungstransistor
T eingesetzt, welcher in Serie zur Last R
L
liegt. Die Sollgr¨
oße
liefert die Referenzspannungsquelle
U
ref
und die Istgr¨
oße wird mithilfe des Spannungs-
teilers
R
1
und
R
2
aus der Ausgangsspannung abgeleitet. Der Operationsverst¨
arker stellt
die Basis-Emitter-Spannung des Transistors so ein, dass die Spannungsdifferenz zwischen
dem invertierenden und dem nicht-invertierenden Eingang null wird. Dies kann durch die
Formel
U
a
·
R
2
R
1
+
R
2
=
U
ref
ausgedr¨
uckt werden.
6
2 Grundlagen
Das Umstellen der Formel ergibt die Ausgangsspannung in Abh¨
angigkeit des Spannungs-
teilers und der Referenzspannung.
U
a
=
1 +
R
1
R
2
U
ref
(2.2)
Wie in Abbildung 2.3 gezeigt, verwenden klassische lineare Serienregler einen NPN-Leis-
tungstransistor als Stellglied, da diese eine technologisch bedingte h¨
ohere Stromverst¨
ar-
kung als PNP-Typen haben. Um eine noch h¨
ohere Stromverst¨
arkung zu erzielen, wer-
den h¨
aufig auch Darlingtonkombinationen eingesetzt. Damit ein Darlingtontransistor im
aktiven Bereich arbeitet, muss dessen Basispotenzial etwa 1,4 V positiver sein als sein
Emitterpotenzial. Da auch in der Ausgangsstufe des Operationsverst¨
arkers zus¨
atzlich eine
Spannung abf¨
allt, muss dessen Betriebsspannung mehrere zehntel Volt ¨
uber dem Basis-
potenzial liegen. Zus¨
atzlich f¨
allt ¨
uber einen Strommesswiderstand, der zur ¨
Uberwachung
des Ausgangsstroms dient, noch etwas Spannung ab. In der Regel darf die Differenz zwi-
schen Eingangsspannung und Ausgangsspannung daher nicht kleiner als 2,53,0 V werden
[Sei03]. Besonders bei kleinen Ausgangsspannungen nimmt so der Wirkungsgrad drastisch
ab.
Die minimale Differenz zwischen Ein- und Ausgangsspannung l¨
asst sich verringern, wenn
als Stellglied anstatt eines bipolaren Transistors ein selbstsperrender P-Kanal-MOSFET
eingesetzt wird (Abbildung 2.4). Schaltungen, die so aufgebaut sind, werden Low Dro-
pout Regulator (LDO) oder Spannungsregler mit geringem Spannungsverlust bezeichnet.
Das h¨
ochste Potenzial liegt am Gate des Transistors, wenn der Ausgang unbelastet ist. In
T
+
-
-
+
U
ref
R
1
I
st
R
2
R
L
I
a
I
e
U
e
U
a
Abbildung 2.4: Schaltungsstruktur eines Low-Dropout-Spannungsreglers
diesem Fall ist die Gatespannung um etwa die Schwellenspannung kleiner als die Eingangs-
spannung. Da die Schwellenspannung im Bereich einiger Volt liegt, reicht es aus, wenn der
7
2 Grundlagen
Operationsverst¨
arker mit der Eingangsspannung betrieben wird. Die Spannungsdifferenz
zwischen Ein- und Ausgangsspannung des Reglers wird somit nur durch den Spannungs-
abfall ¨
uber der Drain-Source-Strecke des Transistors und dem Spannungsabfall an einem
Strommesswiderstand erzeugt. ¨
Ubliche Werte liegen zwischen 0,11,0 V [Sei03]. Beispiels-
weise ben¨
otigt der Typ LT1965 von Linear Technology nur 310 mV Spannungsdifferenz
bei einem Laststrom von 1,1 A [Lin08].
Der Wirkungsgrad eines linearen Serienreglers kann mit Formel 2.1 auf Seite 5 berechnet
werden. Die Ausgangsleistung setzt sich aus der Ausgangsspannung
U
a
und dem Aus-
gangsstrom
I
a
zusammen und das Produkt aus Eingangsstrom
I
e
und Eingangsspannung
U
e
bildet die Eingangsleistung.
=
P
Abgabe
P
Aufnahme
=
U
a
· I
a
U
e
· I
e
Der Eingangsstrom
I
e
setzt sich aus dem Ausgangsstrom
I
a
, dem Strom durch den Span-
nungsteiler
I
st
und dem Ruhestrom
I
Q
der Schaltung zusammen.
I
e
=
I
a
+
I
st
+
I
Q
(2.3)
Der Ruhestrom ist zum Betrieb des Operationsverst¨
arkers und der Referenzspannungs-
quelle n¨
otig und schwankt je nach verwendetem Spannungsregler.
=
U
a
· I
a
U
e
· I
e
=
U
a
· I
a
U
e
· (I
a
+
I
st
+
I
Q
)
=
U
a
· I
a
U
e
· I
a
+
U
a
R
1
+
R
2
+
I
Q
W¨
ahrend die weit verbreite Spannungsreglerfamilie 7800 etwa 8 mA f¨
ur die Versorgung
der Schaltung und des Spannungsteilers ben¨
otigt [Nat00], verbraucht ein moderner Low-
Drop-Spannungsregler wie der TPS76701 nur etwa 85
A [Tex04]. Wird der Spannungstei-
ler hochohmig dimensioniert, kann dessen Querstrom
I
st
in den meisten F¨
allen gegen¨
uber
dem Ausgangsstrom vernachl¨
assigt werden. Wird zus¨
atzlich der Ruhestrom des Span-
nungsreglers vernachl¨
assigt, kann dessen Wirkungsgrad ¨
uber
=
U
a
· I
a
U
e
· (I
a
+
I
st
+
I
Q
)
U
a
· I
a
U
e
· I
a
=
U
a
U
e
(2.4)
berechnet werden.
2.2.2 Schaltregler als Abw¨
artswandler
Ein Nachteil der linearen Spannungsregler ist der geringe Wirkungsgrad bei hohen Span-
nungsdifferenzen zwischen dem Ein- und Ausgang und die damit verbundene W¨
armeent-
wicklung bei hohen Laststr¨
omen. Dieser Nachteil wird bei Reglern mit unstetiger Regelung
8
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Details
- Arbeit zitieren
- , 2011, Weiterentwicklung einer Mikrocontrollerplattform für den Einsatz als mobilen Stausensor, Hamburg, Bedey Media GmbH, https://www.diplom.de/document/228675
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