Sistemas Embarcados Prof. Dr. Cesar da Costa

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1 Sistemas Embarcados Prof. Dr. Cesar da Costa
2.a Aula: Introdução ao CPS- Cyber Physical System 1

2 Principais Pilares da Indústria 4.0
Na indústria 4.0 são várias as tecnologias e tendências facilitadoras disponíveis. São consideradas como os principais pilares da indústria 4.0. Internet das coisas e serviços (IoT); Sistemas Cyber-Physical (CPS); Big-Data.

3 Sistemas Cyber-Physical
Os Sistemas Ciber-Fısicos (Cyber Physical System - CPS) consistem numa rede de elementos, que interagem entre o meio físico e as ferramentas computacionais (hardware e software). A maior parte destes elementos e´ constituída por dispositivos de hardware embarcado (sensores e atuadores) para monitoramento e controle de processos físicos.

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Industry 3.0 Industry 4.0

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A interação entre os elementos físicos (sensores e atuadores) e os cyber elementos (processamento com a Internet) é de fundamental importância. Sistema Supervisorio + CLP

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Ciber Elementos + Elementos Fisicos

7 CIM – Computer Integrated Manufacturing (Industria 3.0)

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Cloud CPS CPS

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Os CPS são sistemas conectados em rede que se comunicam entre si e usam sensores para capturar informação sobre o que está acontecendo no mundo físico. Interpretam esses dados e os disponibilizam em serviços de rede, ao mesmo tempo que usam atuadores que influenciam diretamente os processos no ambiente físico e controlam o comportamento de dispositivos, objetos e serviços.

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Ate agora, a Internet tem conectado principalmente humano com humano. No futuro ‘e esperado que a informação obtida de vários sensores serão diretamente conectado a Internet. CPS ‘e focado na conexão do mundo real (Físico) com o mundo cibernético (Virtual).

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Na Manufatura INFORMAÇÕES O que produzir ? O que foi Produzido. Como produzir ? Como foi produzido. DADOS Em Tempo Real

12 Campo de Aplicacao dos CPS
O potencial do CPS para mudar todos os aspectos da vida é enorme. Conceitos como carros autônomos, cirurgia robótica, edifícios inteligentes, rede elétrica inteligente (smart grid), Manufatura inteligente e dispositivos médicos implantados são alguns dos exemplos práticos que já surgiram.

13 Campo de Aplicação dos CPS
Cidades Inteligentes

14 Campo de Aplicação dos CPS
Setores aeroespaciais; Automotivo; Produção química; Infraestrutura civil;

15 Campo de Aplicação dos CPS
Energia; Saúde; Manufatura; Industria de materiais e transporte.

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19 Origem dos Sistemas Cyber-Physical
O CPS é originário dos sistemas embarcados, que são definidos como um sistema de computador dentro de alguns sistemas mecânico ou elétrico para executar funções específicas, dedicadas com computação em tempo real. Ao contrário dos sistemas embarcados tradicionais, que são projetados como dispositivos autônomos, o foco no CPS está na rede de vários dispositivos. 19

20 Origem dos Sistemas Cyber-Physical
Esses sistemas embarcados são caracterizados por uma forte integração e coordenação entre computação e processos físicos. De acordo com essa concepção, no CPS vários dispositivos embarcados são conectados em rede para detectar, monitorar e atuar elementos físicos no mundo real. 20

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22 Sistemas Embarcados Um CPS consiste em uma unidade de controle, geralmente um ou mais microcontroladores, que controlam os sensores e atuadores que são necessários para interagir com o mundo real e processa os dados obtidos. Esses sistemas embarcados também exigem uma interface de comunicação para trocar dados com outros sistemas incorporados ou com uma nuvem.

23 Sistemas Embarcados A troca de dados é a característica mais importante de um CPS, uma vez que os dados podem ser vinculados e avaliados centralmente, por exemplo. Em outras palavras, um CPS é um sistema embarcado capaz de enviar e receber dados em uma rede.

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26 Conceito dos 3 C O conceito principal dos Sistema Cyber Physical, representado pelo conceito 3C’s: comunicação, computação e controle das informações. Nova geração de sistemas integra o mundo cibernético ao mundo físico.

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Esses sistemas embarcados também exigem uma interface de comunicação para trocar dados com outros sistemas incorporados ou com uma nuvem. A troca de dados é a característica mais importante de um CPS, uma vez que os dados podem ser vinculados e avaliados centralmente, por exemplo. Em outras palavras, um CPS é um sistema embarcado capaz de enviar e

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35 Sistemas Embarcados Controladores são componentes de um sistema ciberfísico, e essa integração de dispositivos com o mundo físico diferencia os sistemas ciberfísicos dos computadores tradicionais. Para tal, esses dispositivos apresentam, em menor quantidade, os mesmos elementos de um computador reunidos um único chip.

36 Sistemas Embarcados São utilizados em projetos de sistemas eletrônicos, tendo como principal função a execução de uma aplicação, ou conjunto de aplicações, relacionadas como um único sistema. Isto é, existe um programa que é embutido no microcontrolador e que interage com o meio externo. Considerando isso, tais sistemas são chamados de sistemas eletrônicos embarcados.

37 Visão geral de um sistema embarcado com microcontrolador.

38 Sistemas Embarcados A função do microcontrolador é acessar a memória para obter e processar as operações indicadas. Para tal, um sistema computacional possui um conjunto de estruturas para possibilitar que esses procedimentos possam ser executados.

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40 Sistemas Embarcados Podem-se dividir os sistema embarcados em dois tipos: Controladores digitais dedicados; Controladores lógicos programáveis, também conhecidos como CLPs.

41 Sistemas Embarcados Os sistemas embarcados dedicados são basicamente aplicações de microcontroladores em tarefas de controle; Cujo propósito específico é executar um algoritmo de controle gravado em sua memória FLASH EEPROM; Em geral comunica-se com dispositivos externos para troca de informações e atuação neles.

42 Sistemas Embarcados Arquitetura Basica RAM EEPROM

43 Sistemas Embarcados O tipo de microcontrolador que melhor se presta a esta categoria de aplicações costuma ser aquele que integra na mesma pastilha de silício: Unidade central de processamento (CPU); Circuitos de memória; Circuitos auxiliares. 43

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45 Sistemas Embarcados Arquitetura de Von Neuman
É processada uma única informação por vez, visto que nessa tecnologia, execução e dados percorrem o mesmo barramento, o que torna a arquitetura mais simples, porém torna o processo lento em relação à arquitetura Harvard. Arquitetura de Harvard Caminhos de dados e de instrução distintos, dessa forma, seus componentes internos também estão dispostos em lugares distintos, o que a torna mais rápida, porém mais complexa. 45

46 Sistemas Embarcados Arquitetura de Von Neuman 46

47 Sistemas Embarcados Arquitetura Havard: 47

48 Sistemas Embarcados Arquitetura RISC x CISC 48

49 Sistemas Embarcados Podem-se dividir os controladores digitais em três tipos: Microcontroladores; Processadores DSP; Processadores FPGA. 49

50 Sistemas Embarcados Os microcontroladores são microprocessadores que podem ser programados para funções específicas. Em geral, eles são usados para controlar circuitos e, por isso, são comumente encontrados dentro de outros dispositivos, sendo conhecidos como "controladores embutidos". A estrutura interna de um microcontrolador apresenta um processador, bem como circuitos de memória e periféricos de entrada e saída. 50

51 Arquitetura Interna de um Microcontrolador
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52 Sistemas Embarcados Os microprocessadores DSP (Digital Signal Processing) são microprocessadores com características próprias, que podem ser programados e operam em tempo real, com velocidades muito superiores aos microcontroladores. A capacidade de processar grandes quantidades de números em pouco tempo é um dos principais benefícios que os Processadores DSP oferecem ao mundo da eletrônica. 52

53 Sistemas Embarcados Principais aplicações DSP: Filtragem digital 53

54 Sistemas Embarcados Compressão e descompressão de sinais
O uso dos DSPs associados a algoritmos de compressão permitiu a implementação de diversas tecnologias de CODEC’s. O CoDec é o acrônimo de Codificador/Decodificador, dispositivo de hardware ou software que codifica/decodifica sinais. 54

55 Sistemas Embarcados A tecnologia DSP está presente atualmente em infinitos dispositivos como celulares, computadores multimídia, gravadores de vídeo, CD players, controladores de disco rígido, modems e televisores, servo conversores, etc. Esta presente nas mais diversas áreas, como militar, médica, científica, automotiva e robótica. 55

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