Bachelor: Digital Engineering

313 - Cyber Physical Systems

Empfohlenes Studiensemester: 3

Turnus: Wintersemester

Sprachen: Deutsch

ECTS: 5

Prüfungsform: praP oder schrP oder mdlP, weitere Angaben siehe SPO und Studienplan

Lehrform und SWS: SU (2SWS), Pra (2SWS)

Gesamter Workload: 150 Stunden

Präsenzzeit: 30 Stunden Seminaristischer Unterricht, 30 Stunden Praktikum

Selbststudium: 90 Stunden

Modulverantwortung: Prof. Dr.-Ing. Martin Orehek (FK07)

Weitere Lehrende: Prof. Dr. Stefan Wallentowitz (FK07)

Empfohlene Voraussetzung für die Teilnahme

Grundlegendes Verständnis der Informationsverarbeitung und Programmierung (z.B. erworben in Module: Computational Thinking, Softwareentwicklung). Grundlegende Kenntnisse der physikalischen Gesetzte und Zusammenhänge (z.B. erworben in Module: Physik, Mechanik 1), der Funktionsweise elektronischer Bauteile (z.B. erworben im Modul: Elektrotechnik) und der Digitaltechnik (z.B. erworben im Modul: Computer Systems Fundamentals).

Lernziele

Fach- und Methodenkompetenz

Studierende lernen die Grundlagen von Cyber Physical Systems (CPS) kennen.

Einführung CPS:

Die Studierenden

  • erklären die folgenden Begriffe: Embedded Systems, Cyber Physical Systems
  • stellen die Relevanz von CPS dar und identifizieren Anwendungsfelder
  • benennen und erklären die Herausforderungen des Entwurfs von CPS

Spezifikation und Modellierung:

Die Studierenden

  • stellen heraus was ein Modell ist und warum beim Entwurf von CPS Modelle zum Einsatz kommen
  • erklären die Definition eines Berechnungsmodells und wählen für konkrete Aufgabenstellungen geeignete Berechnungsmodelle aus
  • erstellen für konkrete Problemstellungen geeignete Modelle
  • simulieren und überprüfen das Verhalten von Modelle

Hardware Eingebetteter Systeme:

Die Studierenden

  • stellen die Hardwareschleife, die typischerweise bei Eingebetteten Systemen vorkommt, dar und erklären die Funktion der vorkommenden Elemente
  • erklären die folgenden Begriffe und ordnen diese im technischen Kontext ein: Zeit- und Wertediskretisierung, Alias-Effekt, Quantisierungsabweichung, TDMA, CSMA/CD, CSMA/CA, PWM
  • wählen für ein gegebenes System geeignete Schnittstellen zur Anbindung der physikalischen Umwelt aus
  • verwenden gegebene HW-Plattformen, um im Rahmen von Projektaufgaben Systemlösungen zu entwickeln

Systemsoftware / Funktionssoftware:

Die Studierenden

  • erklären die Begriffe Prozess und Thread und grenzen dies voneinander ab
  • erklären anhand selbst konstruierter Beispiele, die Probleme: Prioritätsumkehr und Deadlock
  • erklären das Priority Inheritance Protocoll (PIP) und Priority Ceiling Protocoll (PCP) und wenden es an Beispielen an
  • entwickeln für ein gegebenes CPS eine geeignete Softwarelösung
  • verwenden gegebene SW-Plattformen und Frameworks, um im Rahmen von Projektaufgaben Systemlösungen zu entwickeln

Überfachliche Kompetenz

  • Über Gruppenarbeiten werden kommunikative Kompetenzen gefördert.

Inhalt

  • Einführung in Cyber Physical Systems: Motivation, Relevanz, Anwendungsfelder, Begriffe
  • Eigenschaften CPS und Herausforderung bei deren Entwicklung
  • Lösungsansätze für die Herausforderungen / Vorgehensmodelle
  • Spezifikation und Modellierung (z.B. UML, Zustandsautomaten, Differentialgleichungen/Blockdiagramme, Stateflow/Simulink, ...)
  • Hardware und Schnittstellen CPS (z.B. Standard-IO: Push-Pull / Open Output, PWM, I2C, UART, ADC, DAC, ...)
  • Systemsoftware (z.B. Arduino, RTOS, ...)
  • Bewertung und Validierung von Lösungsansätze
  • Anwendung des Erlernten an einem konkreten Beispiel mit Hardware und Software

Lehrmethoden und Lernformen

Tafel, Folien, Beamer, Lehr-/Lernvideos, Gastvorträge

Verwendbarkeit des Moduls

Bachelor Digital Engineering

Literatur

  • Marwedel Peter: Eingebettete Systeme - Grundlagen Eingebetteter Systeme in Cyber-Physika- lischen Systemen. 2. Auflage, Springer Vieweg, Open Access, 2021.
  • Lee A. E., Seshia A. S.: Introduction to Embedded Systems, A Cyber-Physical Systems Approach, Second Edition, MIT Press, ISBN 978-0-262-53381-2, 2017.
  • Hüning F.: Embedded Systems für IoT. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg.
  • Barkalov A., Titarenko L., Mazurkiewicz M.: Foundations of Embedded Systems. Bd. 195. Cham: Springer International Publishing.
  • Berns K., Köpper A., Schürmann B.: Technische Grundlagen Eingebetteter Systeme: Elektronik, Systemtheorie, Komponenten und Analyse. Wiesbaden: Springer Fachmedien Wiesbaden.
  • Weitere Literatur wird im Rahmen der aktuellen Veranstaltung bekannt gegeben.