Μαθήματα

Ενσωματωμένα Συστήματα

Γενικά

Περιεχόμενα μαθήματος

  • Ορισμός και Τεχνολογίες Ενσωματωμένων Συστημάτων. Παραδείγματα Ενσωματωμένων Συστημάτων με εφαρμογές στη Ρομποτική. Αισθητήρες, Ενεργοποιητές, Μετατροπείς. Αναφορά στους έξυπνους αισθητήρες και σε τεχνολογίες Internet of Things (ΙοΤ).
  • Αρχιτεκτονική Μικροελεγκτών Ενσωματωμένων Συστημάτων. Επεξεργαστές γενικού, ειδικού και μοναδικού σκοπού. Μικροελεγκτές, DSP, ASICs, προγραμματιζόμενες λογικές διατάξεις (FPGAs), Αρχιτεκτονικές vonNeumann, Harvard. Σύντομη αναφορά στην αρχιτεκτονική των μικροελεγκτών AVR.Περιφερειακά Υποσυστήματα μικροελεγκτών: I/O, Χρονιστές, Ελεγκτές Διακοπών, Μετατροπείς Α/D, Δίαυλοι σύγχρονης και ασύγχρονης σειριακής επικοινωνίας (SPI, I2C, USB, UART).
  • Αρχές Προγραμματισμού Ενσωματωμένων Συστημάτων: Το παράδειγμα της πλατφόρμας Arduino. Εργαστηριακά παραδείγματα για ψηφιακή είσοδο/έξοδο και αναλογική είσοδο/έξοδο. Σύνδεση βασικών αισθητήρων για τη μέτρηση της θερμοκρασίας, της απόστασης, της κίνησης. Σύνδεση και χειρισμός μονάδων απεικόνισης. Έλεγχος κινητήρων και σερβομηχανισμών. Ολοκληρωμένη κατασκευή αυτόνομου ρομπότ. Σύνδεση στο Internet για μετάδοση δεδομένων και έλεγχο από απόσταση.
  • Λογισμικά σχεδίασης πλακετών. Εισαγωγή στο KiCad. Σχεδίαση σχηματικού κυκλώματος, σχεδίαση τυπωμένου κυκλώματος
  • Υπολογιστές μοναδικής κάρτας (Single Board Computers). Το παράδειγμα της πλατφόρμας Raspberry Pi. Ανάπτυξη βασικών εφαρμογών ρομποτικής με το Raspberry Pi. Αναφορά στη γλώσσα Python. Δίαυλοι σύγχρονης σειριακής επικοινωνίας (SPI, I2C). Η μονάδα ασύγχρονης σειριακής επικοινωνίας UART, συναρτήσεις διαχείρισης UART στο RPi. Inertial Measurement Unit, επιταχυνσιόμετρο, γυρισκόπιο, μαγνητόμετρα, ερμηνεία αποτελεσμάτων
  • Αισθητήρες σειριακού interface 1-wire. Pi Camera. Εφαρμογές client-server με το Raspberry Pi και την Pi-camera.
  • Μετατροπείς Αναλογικού Σήματος σε Ψηφιακό (ADC) και Ψηφιακού Σήματος σε Αναλογικό (DAC)

Μαθησιακοί Στόχοι

Σκοπός του μαθήματος είναι να εισάγει τους φοιτητές σε βασικές τεχνολογίες ενσωματωμένων συστημάτων, δίνοντας έμφαση στην πρακτική εφαρμογή τους στη Ρομποτική. Το μάθημα εστιάζει τόσο στο υλικό όσο και στα εργαλεία λογισμικού και εκτός από τη θεωρητική διάσταση έχει έντονο εργαστηριακό χαρακτήρα. Προετοιμάζει τους φοιτητές ώστε να μπορούν να ανταποκριθούν σε βασικές απαιτήσεις σχεδίασης και προγραμματισμού ενσωματωμένων εφαρμογών, για τον έλεγχο αυτόματων συστημάτων, χρησιμοποιώντας ευρέως διαδεδομένες πλατφόρμες, όπως Arduinoκαι Raspberry Pi.

Γενικές Ικανότητες

  • Αναζήτηση, ανάλυση και σύνθεση δεδομένων και πληροφοριών, με τη χρήση και των απαραίτητων τεχνολογιών
  • Αυτόνομη και Ομαδική εργασία
  • Σχεδιασμός και Διαχείριση Projects
  • Προαγωγή της ελεύθερης, δημιουργικής και επαγωγικής σκέψης

Μέθοδοι Διδασκαλίας

Θεωρητική διδασκαλία – ανάπτυξη της ύλης στον πίνακα και παρουσίαση μέσω βιντεοπροβολέα.

Εργαστηριακή εξάσκηση με χρήση πλατφορμών Arduino, και Raspberry Pi, ανάπτυξη κατασκευών αυτοματισμού, μετρήσεων και ελέγχου.

Χρήση Τεχνολογιών Πληροφορίας και Επικοινωνιών

Υποστήριξη της μαθησιακής διαδικασίας με χρήση πλατφόρμας ασύγχρονης και σύγχρονης τηλεκπαίδευσης.

Οργάνωση Διδασκαλίας

ΔραστηριότηταΦόρτος εργασίας εξαμήνου
Ώρες Διδασκαλίας39
Συγγραφή εργαστηριακών αναφορών100
Αυτοτελής Μελέτη50
Σύνολο189

Αξιολόγηση Φοιτητών

Ο τελικός βαθμός του μαθήματος διαμορφώνεται κατά 50% από τον βαθμό εργασίας στην πλατφόρμα Arduino και κατά 50% από τον βαθμό εργασίας στην πλατφόρμα Raspberry Pi.

Συνιστώμενη Βιβλιογραφία

  1. Οι διαφάνειες της θεωρίας που είναι διαθέσιμες μέσω του elearning.cm.ihu.gr.
  2. Οι σημειώσεις των εργαστηριακών μαθημάτων που είναι διαθέσιμες μέσω του elearning.cm.ihu.gr.
  3. Το βιβλίο «Ανάπτυξη Εφαρμογών με το Arduino», Συγγραφείς: Παναγιώτης Παπάζογλου, Σπύρος-Πολυχρόνης Λιωνής, Εκδόσεις Α. ΤΖΙΟΛΑ & ΥΙΟΙ Α.Ε., Θεσσαλονίκη, ISBN: 978-960-418-459-0.
  4. Το σύγγραμμα: «Arduino programming notebook», Συγγραφέας: Brian W. Evans, που μπορεί να βρεθεί ηλεκτρονικά εδώ: https://playground.arduino.cc/uploads/Main/arduino_notebook_v1-1.pdf
  5. Το σύγγραμμα: «Arduino Tutorial, Tutorials Point Simply Easy Learning», που μπορεί να βρεθεί ηλεκτρονικά εδώ: https://www.tutorialspoint.com/arduino/arduino_pdf_version.htm
  6. Οι ιστοσελίδες «Arduino Language Reference» που μπορούν να βρεθούν ηλεκτρονικά εδώ: https://www.arduino.cc/en/Reference/HomePage.
  7. To βιβλίο “The Raspberry Pi for Dummies”, Sean McManus and Mike Cook, Wiley and Sons, 3rd Edition.
  8. “Introduction to the design of small-scale embedded systems”, Tim Wilmshurst, Palgrave.
  9. “Συστήματα Μικροϋπολογιστών ΙΙ: Μικροελεγκτές AVR και PIC”, Κιαμάλ Πεκμεστζή. Εκδόσεις Συμμετρία.
  10. “18+ Random nerd Tutorial Projects”, Rui Santos, https://randomnerdtutorials.com/download
  11. “Embedded System Design, A Unified hardware/Software Introduction”, Frank Vahid, Tony Givargis, John Wiley & Sons.
  12. “Designing Embedded Systems with PIC Microcontrollers”, Tim Wilmshurst, Newnes.
  13. “Getting Started with Python and Raspberry Pi”, Dan Nixon, Packt Publishing (open source).
  14. “Αρχιτεκτονική και Προγραμματισμός του PIC16F877”, Ι. Καλόμοιρου, Σημειώσεις.
  15. Οι Σημειώσεις “Εισαγωγή στους μικροελεγκτές PIC”, Ιωάννη Καλόμοιρου, ΤΕΙ Κεντρικής Μακεδονίας