Metodologie de examinare:

1. Criterii de participare:

Examinarea va avea loc în data de 15 Ianuarie 2018 începând cu ora 12:00 (prima semigrupă) iar de la ora 14:00 (a doua semigrupă). Studenții participanți sunt rugați să prezinte caietul complet de notițe pentru a intra în examen! Nu se acceptă decât caietul personal! Studentul NU poate participa la examenul final atâta timp cât situația de la ședințele de laborator nu a fost încheiată, având toate prezențele!

2. Tematică:

Se propun următoarele trei capitole ca și teme de examinare:

Capitolul I: „Sisteme de calcul în timp real bazate pe micro-controllere” (Arduino - manipularea semnalelor simple, uzuale cu ajutorul perifericelor prezente pe platformă (ex. intrare / ieșire digitală, intrare analogică, ieșire digitală cu semnal modulat în durata impulsului) - Simularea funcționării algoritmului impus în timp real în mediul Matlab - Simulink - Evidențierea conceptelor și principiilor de bază pentru simularea în timp real inclusiv pe un model fizic (conceptul de timp de eșantionare (eng. sample time)) - Teorema lui Nyquist - Shannon - Filtrarea / medierea dinamică a semnalului, - Condiționarea semnalelor digitale prin rezistențe de „punere la masă” sau „la sursă” (eng. pull-up / down));

Capitolul II: „Sisteme de calcul în timp real bazate pe procesoare digitale de semnal” (eng. Digital Signal Processor - D.S.P.) (Simularea unui convertor electronic de putere și a „strategiei” de comandă și control în scopul generării semnalelor de comandă (necesare în funcționarea convertorului), dar și în scopul achiziției semnalelor rezultate din convertor (necesare algoritmului de reglare în buclă închisă) - Utilizarea platformelor D.S.P. Texas Instruments C2000 în mediul Altair VisSim - SolidThinking Embed 2017 și simularea convertorului în mediul Matlab - Simulink, folosind paleta de instrumente SimScape și SimPowerSystems - Importarea „logicii / strategiei” de comandă și control din Matlab - Simlink în Altair VisSim - SolidThinking Embed 2017 - Realizarea fizică a unui prototip de convertor în scopul aplicării „strategiei” de control, cu ajutorul platformei D.S.P. - Evidențierea conceptului de „Rapid Control Prototyping! - R.C.P.”);

Capitolul III: „Sisteme de calcul în timp real bazate pe micro-computere și sisteme de operare compact - înglobate” (eng. compact - embedded operating systems), conceptul de magistrale de comunicație, rețele, protocoale, infrastructuri de comunicație” - (Micro - computerul Raspberry Pi 3 model B, având ca și sistem de operare distribuția Ubuntu Mate Linux, - Conceptul de aplicație executabilă necesară utilizării perifericelor platformei Raspberry Pi - Limbajul de programare Python - Facilități ale sistemul de operare Linux - Conceptul de „U.S.B. over I.P.” (eng. Universal Serial Bus / Internet Protocol) - Utilizarea combinată a conceptelor Arduino + Matlab - Simulink + USB over IP în scopul evidențierii conceptului de „cvasi - S.C.A.D.A.” (eng. Supervisory Control And Data Aquisition);

Concluzionarea celor trei capitole printr-o clasificare și o comparare succintă a sistemelor de calcul în timp real și al arhitecturii lor interne de lucru (vezi laboratorul 6 final!);

3. Barem și metodologie:

Se propune următorul sistem de notare în funcție de cele trei mari capitole studiate (micro-controller, DPS, și micro-computer + magistrale de comunicație USB over IP), anume trei moduri distincte de examinare:

  • Întrebări de la curs + montaj simplu cu explicațiile necesare: asupra setărilor de simulare, asupra modului de comunicare a plăcii cu mediul de simulare, și asupra fenomenelor fizice interfațate (ex. citirea stării digitale a unui contact în timp real folosind platforma Arduino și mediul Matlab – Simulink);
  • Simularea unui convertor electronic de putere la alegere (dintre convertorul Buck și invertorul monofazat) în mediul Matlab – Simulink folosind paleta de instrumente SimScape și SimPowerSystems + Explicații sumare, asupra modului de lucru cu platformele D.S.P. Texas Instruments C2000, avantaje, caracteristici specifice D.S.P., scurtă descriere a mediului Altair VisSim – SolidThinking Embed 2017 - evidențierea conceptului de „Rapid Control Prototyping” (R.C.P.);
  • Realizarea unei conexiuni „USB over IP” între calculatorul gazdă având o platformă Arduino UNO atașată (eng. host) și calculatorul „de bord” de simulare (adică realizarea unui sistem de tip „cvasi-SCADA”) / SAU Realizarea unui program de comandă al ieșirilor digitale în PYTHON pentru platforma Raspberry Pi 3 Model B + Explicațiile aferente setărilor aplicației în ambele situații;

În cadrul acestui barem, se propune următorul punctaj:

  • Pentru primul mod de examinare și primul capitol (microcontroller) – având în vedere faptul că elementele de intrare / ieșire s-au mai studiat în anii precedenți la materia „Sisteme cu microprocesoare” – se acordă 1 (un) punct din oficiu pentru alegerea temei, se acordă 4 (patru) puncte pentru descrierea principiului de comunicare al platformei Arduino cu mediul Matlab – Simulink (ce face codul ce trebuie încărcat inițial pe platformă), se acordă 2 (două) puncte pentru explicații asupra setărilor inițiale de simulare (ex. Sample Time, port, Time-Pacer), se acordă 3 (trei) puncte pentru funcționarea corectă a montajului și explicații asupra fenomenelor fizice care au loc în proces (folosind notițele!);

OBSERVAȚII:

- Întrebările de la curs constituie un punctaj suplimentar pentru calculul notei, în cazul în care nu au fost îndeplinite unele criterii indicate mai sus!

-De asemenea, se va ține cont de activitatea studentului la orele de pe parcursul semestrului (ex. răspunsuri, întrebări, completări, contribuții, orice formă de colaborare cu cadrul didactic în vederea bunului mers al procesului de predare)!

  • Pentru al doilea mod de examinare și al doilea capitol (D.S.P.) – se acordă 4 (patru) puncte din oficiu pentru alegerea temei, se acordă 4 (patru) puncte pentru realizarea simulării unui convertor electronic de putere la alegere, se acordă 2 (două) puncte pentru explicații asupra setărilor inițiale de simulare (ex. Sample Time, frecvență de comutație);

OBSERVAȚII:

-VA TREBUI CA STUDENTUL SĂ CUNOASCĂ DOUĂ CARACTERISTICI DE DIFERENȚIERE ÎNTRE D.S.P. ȘI MICROCONTROLLER (ex. regiștrii dedicați pentru adunare și înmulțire; avantajele în privința simultaneității operațiilor – vezi deosebiri între arhitectura HARVARD și NEUMANN!) – probă ELIMINATORIE! – așa se vor obține cele 4 (patru) puncte la alegerea temei – dând un răspuns corect la întrebare! (vezi laboratorul 6 final!);

-De asemenea, se va ține cont de activitatea studentului la orele de pe parcursul semestrului (ex. răspunsuri, întrebări, completări, contribuții, orice formă de colaborare cu cadrul didactic în vederea bunului mers al procesului de predare)!

  • Pentru al treilea mod de examinare și al treilea capitol (micro-computer + comunicații) – se acordă 5 (cinci) puncte din oficiu pentru alegerea temei, se acordă 5 (cinci) puncte pentru realizarea conexiunii „USB over IP” sau realizarea programului PYTHON pentru interacțiunea cu ieșirile digitale;

OBSERVAȚII:

-VA TREBUI CA STUDENTUL SĂ CUNOASCĂ DOUĂ CARACTERISTICI SPECIFICE MICRO-COMPUTERULUI (ex. Sistem de operare; Multi-Tasking și paralelismul aparent – modul de lucru „Pipe-Line”) – probă ELIMINATORIE – așa se vor obține cele 5 (cinci puncte la alegerea temei) – dând un răspuns corect la întrebare!

-De asemenea, se va ține cont de activitatea studentului la orele de pe parcursul semestrului (ex. răspunsuri, întrebări, completări, contribuții, orice formă de colaborare cu cadrul didactic în vederea bunului mers al procesului de predare)!

-Pentru mai multe detalii se recomandă re-vederea documentației din laboratorul 6! (vezi laboratorul 6 final!);

4. Etapele necesare în vederea abordării unui subiect:

IMPORTANT: În documentația prezentată mai sus s-a avut în vedere, explicare DETALIATĂ a principiilor de funcționare! În abordarea unui subiect de examen nu vor fi necesare toate detaliile, doar principiile de bază se vor avea în vedere propuse în barem!

5. Subiecte propuse:

Capitolul I: „Sisteme de calcul în timp real bazate pe micro-controllere”:

  • Sistem simplu de semnalizare cu două diode electro-luminiscente acționat de un comutator fără revenire;
  • Sistem simplu de semnalizare cu două diode electro-luminiscente acționat de un comutator cu revenire;
  • Sistem de anclanșare / declanșare / auto-reținere (eng. set / reset) (ex. alarmă cu barieră în spectrul infraroșu);
  • Sistem de comparare cu prag reglabil (analogRead () + Logic and bit operations toolbox);
  • Sistem de control pentru variatorul de tensiune (PWM - analogWrite() );

Capitolul II: „Sisteme de calcul în timp real bazate pe procesoare digitale de semnal”:

  • Simularea unui convertor electronic la alegere în Matlab - Simulink;
  • Descrierea Procesului de Rapid Control Prototyping;
  • Indicarea trăsăturilor specifice procesoarelor digitale de semnal pentru o aplicație practică;

Capitolul III: „Sisteme de calcul în timp real bazate pe micro-computere și sisteme de operare compact - înglobate”:

  • Procedura de stabilire a unei conexiuni USB over IP (aplicație practică - sistem „cvasi-SCADA”);
  • Demersuri pentru conceperea unui program simplu în limbajul PYTHON (programare Raspberry PI);

OBIECTIV: Studentul trebuie să știe să abordeze o problemă de inginerie electrică utilizând mediul de simulare / testare în timp real Matlab-Simulink și platforma de testare Arduino / Intel Galileo;

OBIECTIV: Studentul trebuie să știe să abordeze o problemă de inginerie electrică utilizând mediul de simulare / testare în timp real Altair VisSim / SolidThinking Embed 2017 și platforma de testare cu D.S.P. din familia C2000 de la Texas Instruments - dedicată  domeniului de acționări electrice;

OBIECTIV: Studentul trebuie să știe să abordeze o problemă de inginerie electrică utilizând sistemul de operare Linux, limbajele aferente acestuia, dar și modului de comunicare cu partea fizică (eng. hardware);

7. Cursuri:

7. Documentație auxiliară:

Activitatea de la laborator - Tematica laboratoarelor:

Laboratorul nr. 1 - „Introducerea în domeniul aplicațiilor în timp real destinate ingineriei electrice”: - Scurtă recapitulare, semnale, tensiune, curent, testarea conceptelor de bază, ale interacțiunii în timp real, a operatorului cu aparatura (evidențiem prin aceste aplicații conceptul de „microcontroller”!);

Laboratorul nr. 2 - „Interacțiunea sistemului de calcul cu semnalele exterioare uzuale în inginerie electrică”: -Preluarea semnalelor digitale, analogice, prelucrarea numerică a semnalului, generare semnalului de comandă , achiziție de date, calibrarea senzorilor, comunicara și stocarea rezultatelor, evidențierea conceptului de „timp de eșantionare sau pas de discretizare (eng. sample time, time-step)”, teorema lui Nyquist – Shannon (evidențiem prin aceste aplicații conceptul de „intrări / ieșiri pentru microcontroller”!);

Laboratorul nr. 3 - „Testarea și simularea convertoarelor electronice de putere”: - Evidențierea conceptului de „parte de forță” și „parte de comandă”, „topologie circuit” și „logică de comandă și control”, studierea comportamentului unui convertor în simulare, metodologia de testare și validare a principiului de funcționare al unui convertor, efectuarea testelor „doveditoare” ale funcționalității convertoarelor; evidențierea principiului de interfațare a S.C.T.R. cu aplicația fizică / fenomenologică prin intermediul convertoarelor electronice de putere, pregătirea modelului matematic al logicii de comandă pentru testarea prin implementarea algoritmului pe un prototip fizic de convertor cu ajutorul unui D.S.P. (pregătira modelului pentru procedeu: „Rapid Control Protoryping” - R.C.P.). (evidențiem prin aceste aplicații conceptul de „simulare în timp real”!);

Laboratorul nr. 4 - „Aplicarea metodelor de comandă și control în acționări electrice”: - Evidențierea conceptului de separare galvanică, interacțiunea în timp real cu parametrii convertorului, compararea rezultatelor reale cu cele anticipate / estimate prin simulare, adjustarea parametrilor și modificarea logicii de comandă - conceptul de „Rapid Control Prototyping” (evidențiem prin aceste aplicații conceptul de „Digital Signal Processor - D.S.P.”!);

Laboratorul nr. 5 - „Comunicații, infrastructuri, magistrale”: - Evidențierea conceptului de S.C.A.D.A. (eng. Supervisory Control And Data Aquisition) utilizând conceptul de USB over IP, eventual și Ethernet over PowerLines; (evidențiem prin aceste aplicații conceptul de „micro-computer” Raspberry Pi!);

Laboratorul nr. 6 - „Diverse aplicații, concluzii, recapitulare, recuperare, încheierea situației pentru laborator”: - Regulatorul cu histereză, controlul unui motor sincron cu magneți permanenți, redresorul comandat, controlul intensității luminoase în buclă închisă;

 

Listă de fișiere: