Μεταπτυχιακή ιατριβή

ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ Τµήµα Μηχανικών Ηλεκτρονικών & Μηχανικών Υπολογιστών Μεταπτυχιακή ιατριβή «ειγµατοληψία Πολλαπλών Αισθητήρων ιαµέσου Αυτοµατοποιηµένου Λογικού Ολοκληρωµένου Συστήµατος.Α.Ι..Α.Λ.Ο.Σ.» Στρωµατιάς Κωνσταντίνος Χανιά 1998

ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ «ειγµατοληψία Πολλαπλών Αισθητήρων ιαµέσου Αυτοµατοποιηµένου Λογικού Ολοκληρωµένου Συστήµατος (.Α.Ι..Α.Λ.Ο.Σ.)» ιατριβή που παρουσιάστηκε στο Πολυτεχνείο Κρήτης στα πλαίσια των απαιτήσεων απόκτησης Μεταπτυχιακού ιπλώµατος Ειδίκευσης του Τµήµατος Μηχανικών Ηλεκτρονικών & Μηχανικών Υπολογιστών Κωνσταντίνος Στρωµατιάς Επιτροπή Παρακολούθησης: 1. όλλας Απόστολος, Αναπληρωτής Καθηγητής (Επιβλέπων Καθηγητής) 2. Καλαϊτζάκης Κώστας, Αναπληρωτής Καθηγητής 3. Χριστοδουλάκης Σταύρος, Καθηγητής Χανιά, Μάιος 1998

Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω εκ βάθους καρδιάς τον καθηγητή κ. Απόστολο όλλα που χάρη στις δικές του προσπάθειες είχα την ευκαιρία να πραγµατοποιήσω αυτές τις σπουδές όσο και για την επίβλεψη, την βοήθεια, την καθοδήγηση του και την συνεχή επιστηµονική του συµπαράσταση για την ολοκλήρωση της εργασίας αυτής. εν κρύβω ότι χωρίς την συνεχή ηθική του στήριξη η ολοκλήρωση των σπουδών µου και της εργασίας αυτής ίσως να ήταν ανέφικτη. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τα υπόλοιπα µέλη της επιτροπής καθηγητές κ. Κώστα Καλαϊτζάκη και Σταύρο Χριστοδουλάκη τόσο για τις πολύτιµες γνώσεις και τις εµπειρίες που µου µετέδωσαν κατά την διάρκεια των µεταπτυχιακών µαθηµάτων που έδωσαν το προηγούµενο έτος και τα οποία παρακολούθησα όσο και για τον πολύτιµο χρόνο που διέθεσαν και τις χρήσιµες παρατηρήσεις που έκαναν κατά την διάρκεια της εργασίας αυτής. Για την πολύτιµη βοήθεια και συµπαράσταση τους θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους τους προπτυχιακούς και µεταπτυχιακούς φοιτητές καθώς και το προσωπικό του εργαστηρίου Μικροεπεξεργαστών και Υλικού του Πολυτεχνείου Κρήτης, και ιδιαίτερα τους κ. Παναγιώτη Στογιάννο, Ευριπίδη Σωτηριάδη και Μάρκο Κιµιωνή. Θα ήµουν άδικος εάν δεν έκανα ιδιαίτερη µνεία για τον άνθρωπο και φίλο καθηγητή κ.μανώλη Αντωνιδάκη για τις άπειρες ώρες που διέθεσε ώστε να µε φέρει σε ένα ικανοποιητικό επίπεδο ώστε να αρχίσω και να ολοκληρώσω την εργασία µου αυτή. Ακόµη θα ήθελα να ευχαριστήσω τις Πρυτανικές αρχές του Πολυτεχνείου Κρήτης και το Πρυτανικό Συµβούλιο που παρεχώρησε οικονοµική βοήθεια για την αγορά µέρους των ηλεκτρονικών εξαρτηµάτων που χρησιµοποιήθηκαν στη διάρκεια της εργασίας. Ένα µεγάλο ευχαριστώ στο προσωπικό του Μηχανογραφικού Κέντρου του Πολυτεχνείου Κρήτης και προσωπικά στον κ. Κωσταντουδάκη για το laptop που µου διατέθηκε για αρκετά µεγάλο χρονικό διάστηµα και χωρίς το οποίο η διενέργεια των δοκιµών και µεγάλο µέρος της εργασίας αυτής δεν θα ήταν δυνατό να πραγµατοποιηθεί. Θα ήθελα να σταθώ και στην πολύ καλή ιδέα που είχαν οι υπεύθυνοι της Βιβλιοθήκης του ΠΚ να λειτουργήσουν βάση δεδοµένων για έρευνα

σε CD βάσεις δεδοµένων ώστε η ανεύρεση αναφορών επιστηµονικού περιεχοµένου να είναι πλέον ταχεία, ακριβής και πλήρης. Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερµά όλα τα πρόσωπα που στάθηκαν κοντά µου κατά τη διάρκεια της εργασίας και προσέφεραν πολύτιµη ψυχολογική βοήθεια και υποστήριξη σε όλες τις δύσκολες στιγµές. Μεταξύ αυτών τους κους Κωνσταντίνο Μαθιουδάκη, Κώστα Ταβλαδάκη, Ηλία Μάλαµα, Στέφανο Καρασσαβίδη και πολλούς άλλους. Θα αποτελούσε παράλειψη να λησµονήσω να ευχαριστήσω τον Υποστράτηγο Νικόλαο Ψαρουδάκη, ντή της νσης Πληροφορικής του Γενικού Επιτελείου Στρατού και τον Αντιστράτηγο ηµήτριο ήµου, Α Υπαρχηγό του ΓΕΣ που πίστεψαν στις δυνατότητές µου και µου έδωσαν την ευκαιρία να πραγµατοποιήσω µεταπτυχιακές σπουδές στο Πολυτεχνείο Κρήτης σαν Μηχανικός Ηλεκτρονικής και Μηχανικός Υπολογιστών, γεγονός που συνέβη για πρώτη φορά για στέλεχος του Στρατού Ξηράς. Ένα µεγάλο ευχαριστώ στον άνθρωπο που µε ενέπνευσε να πραγµατοποιήσω αυτές τις σπουδές και στον οποίο οφείλω την επιστηµονική µου οντότητα καθηγητή κ. ηµήτριο Θεοτόκη. Η συνεχής, ανιδιοτελής, αγόγγυστη και θερµή υποστήριξη του τα τελευταία πέντε χρόνια στο να µε πείσει, να µε στηρίξει και να µε προετοιµάσει ήταν αυτή που µε όπλισε ώστε να καµφθούν τα εµπόδια (που δεν ήταν ούτε αµελητέα ούτε λίγα ) για την πραγµατοποίηση αυτών των σπουδών. Ευχαριστώ θερµά για την υποστήριξη και την βοήθειά τους, τους Αναπληρωτές καθηγητές του Τµήµατος Πληροφορικής του Εθνικού & Καποδιστριακού Παν/µίου Αθηνών κ. Γεώργιο Γεωργιάδη και Γεώργιο Γυφτοδήµο. Τέλος ένα µεγάλο «ευχαριστώ» στην γυναίκα µου και τα παιδιά µου που µε στήριξαν τόσο στη λήψη της απόφασης για την πραγµατοποίηση των σπουδών στο Πολυτεχνείο Κρήτης αλλά και σε όλη τη διάρκεια αυτών και της εργασίας µου. Με την ευκαιρία τους ευχαριστώ που µε ανέχονται συνεχώς τα τελευταία δέκα χρόνια που έχω εµπλακεί µε την επιστήµη της Πληροφορικής και τους υπόσχοµαι να τους ανταποδώσω σύντοµα όλα αυτά που τους έχω στερήσει τα δύσκολα αυτά χρόνια. «Μακάριος όποιος δεν λησµονεί ποτέ αυτούς που τον ευεργέτησαν και λησµονεί πάραυτα εκείνους τους οποίους ευεργέτησε».

Αφιερώνεται σε αυτόν που µε ενέπνευσε µε βοήθησε µου συµπαραστάθηκε και µε στηρίζει συνεχώς, στον άνθρωπο τον φίλο, τον επιστήµονα, ηµήτρη Θεοτόκη. Μαζί µε αυτή την εργασία σου αφιερώνω ειλικρινά όλο το επιστηµονικό µου εγώ. Θα αποτελούσε ξεχωριστή χαρά και ύψιστη τιµή για µένα η τοποθέτηση αυτής της διατριβής στην βιβλιοθήκη σου. Κωνσταντίνος

Περιεχόµενα III Ευχαριστίες Κατάλογος εικόνων Κατάλογος Πινάκων I IX XII 1 Εισαγωγή 1 1.1 Περιγραφή του Προβλήµατος...1 1.2 Σκοπός - Στόχοι Εργασίας......3 1.3 Περί Ταχείας Ανάπτυξης Συστηµάτων (RSP)......6 1.4 Τοποθέτηση του Συστήµατος σε Σχέση µε την Παγκόσµια Έρευνα....10 1.5 Τα Προβλήµατα...........12 1.6 Σύντοµη Παρουσίαση Λύσης....13 2 Η Αρχιτεκτονική του Συστήµατος ΑΙ ΑΛΟΣ και οι 17 αισθητήρες που χρησιµοποιήθηκαν 2.1 Μεθοδολογία Ανάπτυξης του Συστήµατος.........17 2.2 Γενικές υνατότητες του Συστήµατος.........18 2.2.1 Απαιτήσεις του συστήµατος.........18 2.2.2 Προδιαγραφές του συστήµατος.....19 2.3 Αρχιτεκτονική του Συστήµατος......19 2.3.1 O σχεδιασµός του συστήµατος......19 2.3.2 Τα υποσυστήµατα του συστήµατος ΑΙ ΑΛΟΣ... 19 2.3.3 Το υποσύστηµα επιλογής αισθητήρων.......20 2.3.4 ιασύνδεση Αισθητήρων µε Σύστηµα Συλλογής εδοµένων... 23 2.3.5 Το υποσύστηµα συλλογής και επεξεργασίας των δεδοµένων......23 2.3.6 Ο µικροελεγκτής......23 2.4 Κατηγορίες αισθητήρων......25 2.4.1 Ορισµοί.........26 2.4.2 Συµβάσεις.........26 2.4.3 Παρουσίαση των αισθητήρων......27 2.4.4 Επιταχυνσιόµετρα.....27 2.4.5 Το ADXL50 Aναλογικό Eπιταχυνσιόµετρο.... 27 2.4.6 Το ADXL 05 Aναλογικό Eπιταχυνσιόµετρο......30 2.4.7 Ανιχνευτές µαγνητικών διαταραχών γήινου µαγνητικού πεδίου 30

2.4.8 Ο A3507EUA γραµµικής απόδοσης αισθητήρας HALL...31 2.4.9 Ο A3141ELL ευαίσθητος µεταγωγέας HALL...32 2.4.10 Ο RS304-267 γραµµικής απόδοσης αισθητήρας ΗALL...34 2.4.11 Ανιχνευτές Υπέρυθρου φάσµατος ακτινοβολίας...35 2.4.12 Ο ΙRΜ-8601 έκτης υπέρυθρου φάσµατος ακτινοβολίας...35 2.4.13 Η φωτοδίοδος της RS Components LTD......38 2.4.14 Μικρόφωνα......40 2.4.15 To CM πυκνωτικό µικρόφωνο......41 2.5 Νέα Αισθητήρια....41 2.5.1 Ανιχνευτές πίεσης µε χρήση µικροφώνων άνθρακα......42 2.5.2 Ανίχνευση κραδασµών µε αγώγιµα Ηλεκτρόδια....45 3 Η Υλοποίηση του συστήµατος ΑΙΑ ΑΛΟΣ 48 3.1 Συµβάσεις....48 3.2 Επαναχρησιµοποίηση Τµηµάτων (Component Reusability)....49 3.3 Συστήµατα Ενσωµατωµένου Τύπου(Embedded Systems)...... 49 3.4 Υλοποίηση Συστηµάτων µε την Συγκεκριµένη Αρχιτεκτονική..... 50 3.4.1 Τα υποθετικά µοντέλα του συστήµατος... 50 3.4.2 Καθορισµός της Πλατφόρµας Ανάπτυξης....51 3.4.3 To ταµπλό αξιολόγησης EVB68HC11...... 55 3.4.4 Ο Μετατροπέας A/D...... 56 3.5 Η Ανάπτυξη του Συστήµατος (implemantation)........57 3.5.1 Υλοποίηση του Συστήµατος.......57 3.5.2 Τεχνικές προδιαγραφές του συστήµατος...... 58 3.5.3 Υλικό και µέθοδος υλοποίησης...... 58 3.5.4 H µονάδα επεξεργασίας, ελέγχου και προώθησης των δεδοµένων σε σειριακή θύρα......59 3.5.5 Περιγραφή της µονάδας επεξεργασίας και ελέγχου.....59 3.5.6 Η µονάδα των αισθητηρίων.........61 3.5.7 Η µονάδα µετάδοσης, λήψης και παρουσίασης των µετρήσεων............62 3.5.8 Η µονάδα τροφοδοσίας και επαναφόρτισης........62 3.6 Ενεργειακή Μελέτη του Συστήµατος ΑΙ ΑΛΟΣ........63 3.6.1 H µονάδα επεξεργασίας, ελέγχου και προώθησης των δεδοµένων σε σειριακή θύρα........63 3.6.2 Η µονάδα των αισθητηρίων.........65 3.6.3 Η συνολική κατανάλωση του συστήµατος ΑΙ ΑΛΟΣ.......66 3.6.4 Παρουσίαση της 1 ης ενεργειακής λύσης για το σύστηµα ΑΙ ΑΛΟΣ........67 3.6.5 υνατότητες τροφοδοσίας και πρακτικοί περιορισµοί...... 67 3.6.6 Παρουσίαση της 2 ης ενεργειακής λύσης για το σύστηµα ΑΙ ΑΛΟΣ...........68 3.6.7 Επιλογή τροφοδοσίας....69 3.6.8 Ψύξη...... 71

4 Παρουσίαση των Αλγορίθµων του Συστήµατος 72 4.1 Παρουσίαση του Λογισµικού...... 72 4.1.1 Ο Ελεγχος Λειτουργίας του Συστήµατος ΑΙ ΑΛΟΣ... 72 4.1.2 Υλοποίηση Επικοινωνίας ΑΙ ΑΛΟΥ - Υπολογιστή... 73 4.2 Παρουσίαση Αλγορίθµου του Κώδικα Ελέγχου του Συστήµατος.....75 4.2.1 Υλοποίηση ειγµατοληψίας.....75 4.2.2 Ο Αλγόριθµος Ελέγχου Λειτουργίας του Συστήµατος......77 4.2.3 Η Τεκµηρίωση του Αλγόριθµου Ελέγχου Λειτουργίας......77 4.2.4 Ο Χρονιστής για την ειγµατοληψία στον M68HC11AFN.....81 5 Τα Πειραµατικά Αποτελέσµατα 83 5.1 O Τρόπος διεξαγωγής των Πειραµάτων.... 83 5.2 Πειραµατικά Αποτελέσµατα.........85 5.3 Ικανοποιητικά Κατώφλια Μετρήσεων... 106 5.4 Παρατηρήσεις.........114 5.5 Συµπεράσµατα........114 6 Υλοποίηση Συστήµατος Περιβαλλοντικής Παρακολούθησης 117 Βασισµένο στην Αρχιτεκτονική του Συστήµατος ΑΙ ΑΛΟΣ 6.1 Μεθοδολογία Ανάπτυξης.........117 6.2 Ανάλογα Λειτουργούντα Συστήµατα.......118 6.3 Σύντοµη Παρουσίαση της Λύσης......118 6.4 Γενικές Ικανότητες του Συστήµατος......119 6.4.1 Απαιτήσεις του Συστήµατος........119 6.4.2 Προδιαγραφές ή Χαρακτηριστικά του Συστήµατος.......119 6.5 Η Αρχιτεκτονική του Συστήµατος...... 120 6.5.1 Κατηγορίες Επιλεγέντων Αισθητήρων......120 6.5.2 Τύποι Χρησιµοποιηθέντων Αισθητήρων......121 6.6 Η Ανάπτυξη της Εφαρµογής Επιτήρησης Ατραπών... 121 6.6.1 Τεχνικές Προδιαγραφές της Εφαρµογής Επιτήρησης Ατραπών.....122 6.7 Λειτουργία της Εφαρµογής Επιτήρησης Ατραπών......123 6.8 Ο Κώδικας Ελέγχου της Εφαρµογής Επιτήρησης Ατραπών... 124 6.9 Υλοποίηση ειγµατοληψίας...... 129 6.10 Αποτελέσµατα της Εφαρµογής....131 7 Συµπεράσµατα 132 7.1 Συνεισφορά της Εργασίας...132

7.2 Μελλοντική Έρευνα......134 7.2.1 Τεχνικές Eπιδιώξεις......134 7.2.2 Περιβαλλοντικές Eπιδιώξεις.......136 Βιβλιογραφία 139 Α. Εγχειρίδια Συντήρησης και Λειτουργίας του ΑΙ ΑΛΟΥ Α-1 Α.1 Εγχειρίδιο Συντήρησης Συσκευών του Συστήµατος ΑΙ ΑΛΟΣ... Α-1 Α.1.1 Φυσική περιγραφή των συσκευών του συστήµατος ΑΙ ΑΛΟΣ. Α-1 Α.1.2 Τοποθέτηση και αποσύνδεση τµηµάτων... Α-1 Α.1.3 Συντήρηση υπολοίπων συσκευών (αισθητήρων)....α-2 Α.1.4 ιόρθωση ρυθµίσεων στα ADXL05 επιταχυνσιόµετρα....α-3 Α.1.5 Συµβάσεις καλωδιώσεων...... Α-3 Α.1.6 Παρατηρήσεις για το κύκλωµα τροφοδοσίας....α-4 Α.1.7 Ευαίσθητα σηµεία της συσκευής και κόπωση υλικών....α-4 Α.2 Εγχειρίδιο Μηχανικού Λογισµικού.......Α-5 Α.2.1 Απαιτήσεις και προδιαγραφές λογισµικού....α-5 Α.2.2 Λογισµικό λειτουργίας του Μικροεπεξεργαστή Μ68HC11A1FN..Α-5 Α.2.3 Λογική σχεδιασµού του προγράµµατος....α-6 Α.2.4 Υλοποίηση δειγµατοληψίας.......α-6 Α.2.5 Προβλήµατα των εργαλείων ανάπτυξης του ΑΙ ΑΛΟΣ....Α-7 Α.2.6 Λογισµικό Εφαρµογής Υπολογιστή(Interface)....Α-7 Α.2.7 Σηµεία Ιδιαίτερης Προσοχής........Α-9 Α.3 Εγχειρίδιο Χρήστη του Συστήµατος ΑΙ ΑΛΟΣ... Α-9 Α.3.1 Χρήση συσκευής hardware και προγράµµατος υπολογιστή....α-9 Α.3.2 Ενεργοποίηση του συστήµατος και επίλυση προβληµάτων....α-10 Α.3.3 Υλοποίηση επικοινωνίας υπολογιστή - ΑΙ ΑΛΟΥ...Α-12 Α.3.4 Προβλήµατα...... Α-13 Β. Τα Σχηµατικά ιαγράµµατα του Συστήµατος ΑΙ ΑΛΟΣ Β-1 Γ. Παρουσίαση Εικόνων από το Σύστηµα ΑΙ ΑΛΟΣ Γ-1. Τεχνικά Στοιχεία των Αισθητήρων που Χρησιµοποιήθηκαν από το Σύστηµα ΑΙ ΑΛΟΣ -1.1 Το επιταχυνσιόµετρο ADXL50....... -1.2 Το ADXL05 αναλογικό επιταχυνσιόµετρο... -3.3 Ο A3507EUA γραµµικής απόδοσης αισθητήρας ΗALL effect.... -5.4 Ο A3141ELL ευαίσθητος µεταστροφέας φαινοµένου HALL.... -8.5 Ο RS304-267 γραµµικής απόδοσης αισθητήρας HALL effect... -10.6 Ο ΙRΜ-8601 δέκτης υπέρυθρου φάσµατος ακτινοβολίας.... -12.7 Η φωτοδίοδος της RS Components LTD...... -13.8 To CM πυκνωτικό µικρόφωνο...... -13.9 To µικρόφωνο άνθρακα... -15.10 Τα αγώγιµα ηλεκτρόδια... -17

Κατάλογος Εικόνων 1.1 Συσκευή συλλογής και επεξεργασίας δεδοµένων πολλών αισθητήρων. 16 2.1 Το σχηµατικό διάγραµµα του συστήµατος ΑΙ ΑΛΟΣ.......20 2.2 Τα υποσυστήµατα του συστήµατος ΑΙ ΑΛΟΣ.....21 2.3 Οι δύο βαθµίδες του υποσυστήµατος επιλογής αισθητήρων...21 2.4 Σχηµατικό διάγραµµα διάταξής αισθητήρων υποσυστήµατος επιλογής...22 2.5 Η διασύνδεση και η επιλογή από τον χρήστη των αισθητήρων......24 2.6 Το επιταχυνσιόµετρο ADXL50, από το data sheet......28 2.7 Οι έξοδοι του επιταχυνσιοµέτρου ADXL50.....29 2.8 Σχηµατική αναπαράσταση του επιταχυνσιοµέτρου ADXL50......29 2.9 Ο A3507EUA Linear Hall Effect Sensor......31 2.10 Ο A3141ELL Hall Effect Switch.........33 2.11 Κάτοψη του RS304-267 Linear Hall Effect Sensor......34 2.12 Ο IRM-8601 Infrared Detector........36 2.13 Εσωτερικό σχηµατικό διάγραµµα του IRM-8601..... 37 2.14 Εντοπισµός και καταγραφή οχηµάτων από την ακτινοβολία των εκπεµπόµενων καυσαερίων τους από δέκτες υπέρυθρης ακτινοβολίας όπως χρησιµοποιήθηκε από το σύστηµα ΙΑ ΑΛΟΣ....37 2.15 Σχηµατική παράσταση της Φωτοδιόδου της RS Components LTD......39 2.16 To CM πυκνωτικό µικρόφωνο.......43 2.17 Το µικρόφωνο για ανίχνευση πίεσης της εταιρίας ENTRAN......44 2.18 Η πλαστική θήκη που φιλοξενεί τους αισθητήρες του υποσυστήµατος επιλογής αισθητήρων του συστήµατος ΑΙ ΑΛΟΣ...47 2.19 Μορφή και διαστάσεις αγώγιµων Ηλεκτρόδιων της 3Μ Red Dot...50 2.20 Εικόνα κοινών αγώγιµων Ηλεκτρόδιων και αγωγών τους...50 3.1 To σχηµατικό διάγραµµα του ΑΙ ΑΛΟΣ........57 3.2 Σχηµατικό διάγραµµα κυκλώµατος που αποδίδει τάση -12V από είσοδο+12v... 69 4.1 Το διάγραµµα ροής της ρουτίνας εξυπηρέτησης του interrupt IC1...77 4.2 Το διάγραµµα ροής της ρουτίνας εξυπηρέτησης του interrupt ΤΟC3...78 4.3 Το διάγραµµα ροής του αλγόριθµου ελέγχου λειτουργίας του ΑΙ ΑΛΟY...... 79 4.4 Ο τρόπος χρήσης του µετατροπέα A/D στην φάση της δειγµατοληψίας...82 6.1 Σχηµατικό διάγραµµα λειτουργίας της Εφαρµογής Επιτήρησης Ατραπών...119 6.2 Ενδεικτικό σχηµατικό διάγραµµα του ΑΙ ΑΛΟΥ προσαρµοσµένο στις απαιτήσιες της Εφαρµογής Επιτήρησης Ατραπών.....120 6.3 Ενδεικτική χωροταξική διάταξη της Εφαρµογής Επιτήρησης Ατραπών ανεπτυγµένης για πλήρη λειτουργία....... 122 6.4 Σκαρίφηµα της µονάδας των 3 επιταχυνσιοµέτρων ADXL05......124 6.5 Σκαρίφηµα της µονάδας των 5 αισθητήρων στον πλαστικό σωλήνα......125 6.6 Το λογικό διάγραµµα της ρουτίνας εξυπηρέτησης του software timer.....128 6.7 Ο τρόπος χρήσης του µετατροπέα A/D κατά την φάση της δειγµατοληψίας.......130

Α1 Παράσταση των συσκευών του συστήµατος ΑΙ ΑΛΟΣ µε τον σωστό τρόπο τοποθέτησης και προσανατολισµού του...... Α-10 B.1 Το M68HC11EVB της MOTOROLA...... Β-1 B.2 Σχηµατικό διάγραµµα της αρχιτεκτονικής του Μ68ΗC11EVB.... Β-1 B.3 Το σχηµατικό διάγραµµα του µικροεπεξεργαστή Μ68HC11AFN......Β-2 B.4 Το σχηµατικό διάγραµµα των εξόδων (pin-out) του µικροεπεξεργαστή Μ68HC11AFN......... Β-2 B.5 Η συνδεσµολογία του κυκλώµατος σταθεροποίησης τάσεως της τροφοδοσίας του συστήµατος ΑΙ ΑΛΟΣ.........Β-3 B.6 Η πρόσοψη της µονάδας - υποσυστήµατος συλλογής και επεξεργασίας δεδοµένων του συστήµατος ΑΙ ΑΛΟΣ........Β-3 B.7 To 25 αγωγών καλώδιο διασύνδεσης του συστήµατος ΑΙ ΑΛΟΣ µε HOST υπολογιστή............β-4 B.8 Το σχηµατικό διάγραµµα του εσωτερικού της συσκευής συλλογής και επεξεργασίας δεδοµένων µε τις εξόδους και εισόδους της........β-4 B.9 Σχηµατικό διάγραµµα των µονάδων επιταχυνσιοµέτρων ADXL05-50...Β-5 B.10 Σχηµατικό διάγραµµα του υποσυστήµατος επιλογής αισθητήρων......β-6 B.11 H συνδεσµολογία του συστήµατος ΑΙ ΑΛΟΣ.....Β-7 B.12 To αποτύπωµα της επιχαλκωµένης πλακέτας στην οποία ευρίσκεται το κύκλωµα σταθεροποίησης της τάσης τροφοδοσίας του συστήµατος... Β-7 Γ.1 Οι συσκευές του συστήµατος ΑΙ ΑΛΟΣ......Γ-1 Γ.2 H συσκευή συλλογής και επεξεργασίας δεδοµένων του συστήµατος ΑΙ ΑΛΟΣ............Γ-2 Γ.3 Η συσκευή που φιλοξενεί τα τρία επιταχυνσιόµετρα ADXL05.....Γ-3 Γ.4 Η θήκη των 9 αισθητήρων......... Γ-3 Γ.5 Ο τρόπος διασύνδεσης υπολογιστή - ΑΙ ΑΛΟΥ.......Γ-4 Γ.6 Ο τρόπος διασύνδεσης υποσυστήµατος συλλογής -επεξεργασίας δεδοµένων.......... Γ-4 Γ.7 Η πλακέτα µε τους 7 αισθητήρες..........γ-5 Γ.8 Το εσωτερικό της συσκευής συλλογής και επεξεργασίας δεδοµένων..γ-5 Γ.9 Τρία από τα µικρόφωνα που χρησιµοποιήθηκαν σαν αισθητήρες.γ-6 Γ.10 Η πλακέτα µε τα κυκλώµατα και το σύστηµα των τριών αξόνων µε τα επιταχυνσιόµετρα ADXL05...... Γ-6 Γ.11 Ο τρόπος διασύνδεσης και τοποθέτησης των δύο ηλεκτροδίων...γ-7 Γ.12 Η πλακέτα των 9 αισθητήρων....γ-7 Γ.13 Τα δύο µικρόφωνα άνθρακα..........γ-8 Γ.14 Το κύκλωµα ενός από τα τρία επιταχυνσιόµετρα ADXL50..........Γ-8 Γ.15 O Hall switch 3414, το IRM8601, η φωτοδίοδος και το RS 403......Γ-9 Γ.16 Η πλακέτα των 9 αισθητήρων από αντίθετη φορά.......γ-9 Γ.17 Αποψη του εσωτερικού της µονάδας συλλογής δεδοµένων.....γ-10 Γ.18 Αποψη του εσωτερικού της µονάδας ADXL05...... Γ-10 Γ.19 Το ζαρκάδι Capreolus-Capreolus που προτείνεται σαν πεδίο εφαρµογής του συστήµατος επητήρησης ατραπών.........γ-10.1 Αρχή λειτουργίας του επιταχυνσιοµέτρου ADXL50...... -1.2 Τρόπος λειτουργίας του επιταχυνσιοµέτρου ADXL50...... -1.3 Χρησιµοποιώντας την γήινη βαρύτητα γιά βαθµονόµιση τουαdxl50.. -2.4 Η µορφή των ADXL50 & 05 επιταχυνσιοµέτρων..... -2.5 Η συνδεσµολογία του επιταχυνσιοµέτρου ADXL05...... -3

.6 Παράσταση των εισόδων - εξόδων του επιταχυνσιοµέτρου ADXL05. -3.7 Τρισδιάστατη ανάλυση της επιτάχυνσης...... -4.8 Τοποθέτηση των 3 επιταχυνσιοµέτρων ADXL05 στους τρεις άξονες.... -4.9 Οι έξοδοι (pin-out) και η συνδεσµολογία του A3507EUA..... -5.10 Προσανατολισµός του A3507EUA µε το γήινο µαγνητικό πεδίο.. -7.11 Οι έξοδοι και η συνδεσµολογία του A3141ELL....... -8.12 Η αλλαγή του σηµείου λειτουργίας στον Α3141ΕLL µεταστροφέα Hall.. -9.13 Τυπικά χαρακτηριστικά λειτουργίας του Α3141ΕLL µεταστροφέα... -9.14 Προσανατολισµός του A3141ELL χρησιµοποιώντας κινούµενο µαγνήτη... -10.15 Οι έξοδοι (pin-out) και η συνδεσµολογία του RS304-267..... -10.16 ιάγραµµα µε τα τυπικά χαρακτηριστικά των εξόδων του RS304-267. -11.17 ιάγραµµα µε τα τυπικά χαρακτηριστικά των εξόδων του S304-267 σε συνάρτηση µε την θερµοκρασία.... -11.18 Οι έξοδοι (pin-out) και η συνδεσµολογία του IRM-8601... -12.19 Οι έξοδοι (pin-out) και η συνδεσµολογία της φωτοδιόδου της RS..... -13.20 Σχηµατική παράσταση τυπικού πυκνωτικού µικροφώνου... -14.21 Η αρχή λειτουργίας των πυκνωτικών µικροφώνων... -14.22 Τα pin-out και τα βασικά χαρακτηριστικά του ΑD622..... -15.23 Οι έξοδοι (pin-out) και η συνδεσµολογία του µικροφώνου CM...... -15.24 Σχηµατική παράσταση µικροφώνου άνθρακα.... -16.25 Οι έξοδοι (pin-out) και η συνδεσµολογία των µικροφώνων άνθρακα.... -16.26 Βέλτιστη θέση τοποθέτησης αγώγιµων ηλεκτροδίων σε ανθρώπινο µύα και αποδιδόµενα σήµατα......... -17.27 Σχηµατική παράσταση ενός τύπου διαφορικής ενίσχυσης...... -18.28 Η συνδεσµολογία των αγώγιµων ηλεκτροδίων της 3M Red Dot..... -18 Κατάλογος Πινάκων

3.1 υνατότητες των προς επιλογή επεξεργαστών για την πλατφόρµα ανάπτυξης του συστήµατος..........54 3.2 Τα ολοκληρωµένα κυκλώµατα και οι καταναλώσεις του κυκλώµατος σταθεροποίησης της τροφοδοσίας του συστήµατος ΑΙ ΑΛΟΣ...64 3.3 Συνολικές καταναλώσεις της µονάδας επεξεργασίας, ελέγχου και προώθησης των δεδοµένων σε σειριακή θύρα......64 3.4 Συνολικές καταναλώσεις της µονάδας επιλογής αισθητήρων... 65 3.5 Τα ολοκληρωµένα κυκλώµατα και οι καταναλώσεις όλου του συστήµατος ΑΙ ΑΛΟΣ βάσει του αρχέτυπου που αναπτύχθηκε...67 3.6 Τα ολοκληρωµένα κυκλώµατα και οι καταναλώσεις όλου του συστήµατος ΑΙ ΑΛΟΣ, µε το κύκλωµα µετατροπής της τάσηςαπό 12Volt σε -12Volt..68 3.7 Γραφική παράσταση του χρόνου ζωής και των τάσεων εξόδου µεταξύ διαφορετικών ειδών συσσωρευτών.........71 5.1 Αναπαράσταση µέγιστων τιµών κατά αισθητήρα και αντικείµενο σε δύο διαφορετικές διελεύσεις πάνω από τους αισθητήρες και δίπλα από αυτούς.....116 5.2 Αναπαράσταση όλου του εύρους των τιµών για όλα τα εξετασθέντα αντικείµενα και όλους τους αισθητήρες.......116 6.1 Η λογική του σχεδιασµού των πινάκων µνήµης στην Εφαρµογή Επιτήρησης Ατραπών.........127 6.2 Τα ικανοποιητικά κατώφλια για τον εντοπισµό των αντικειµένων... 130.2 Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του αισθητήρα A3507EUA...... -5.3 Τα µαγνητικά χαρακτηριστικά του αισθητήρα A3507EUA..... -5.4 Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά του αισθητήρα A3141ELL... -8.5 Τα µαγνητικά χαρακτηριστικά του αισθητήρα A3141ELL.... -8.6 Εύρος διαύλου φίλτρου του IRM-8601........ -12.7 Χαρακτηριστικά µήκους κύµατος της εξόδου του IRM-8601..... -12

Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Το κεφάλαιο αυτό αποτελεί µία εισαγωγή σε διάφορες έννοιες, µεθοδολογίες και στο πρόβληµα που αντιµετωπίζει η εργασία αυτή. Στην πρώτη ενότητα γίνεται η περιγραφή του προβλήµατος ενώ στη δεύτερη ενότητα οριοθετούνται ο σκοπός και οι στόχοι της εργασίας αυτής. Στην τρίτη ενότητα γίνεται παρουσίαση της ταχείας ανάπτυξης συστηµάτων ενώ στην τέταρτη ενότητα γίνεται µία προσπάθεια να τοποθετηθεί το σύστηµα σε σχέση µε την παγκόσµια έρευνα στον τοµέα των συστηµάτων ανίχνευσης αντικειµένων, κυρίως την τελευταία διετία. Στην πέµπτη ενότητα παρατίθενται τα προβλήµατα που αντιµετωπίσθηκαν σε αυτήν την εργασία µε αναλυτικά στοιχεία. Ωσαύτως επιχειρείται και µία αναφορά στις διάφορες παραµέτρους που πρέπει να λαµβάνονται υπόψιν κατά τη µελέτη και την ανάπτυξη παρόµοιων συστηµάτων. Στην τελευταία ενότητα παρουσιάζεται η λύση που προτείνεται και υλοποιήθηκε µέσα από την εργασία αυτή. Θα γίνει µία εκτεταµένη παρουσίαση των στόχων αλλά και των βηµάτων που ακολουθήθηκαν κατά τη διάρκεια της εργασίας, και µία σύντοµη παρουσίαση της λύσης. Το κεφάλαιο αυτό δεν θα περιλαµβάνει λεπτοµέρειες και τεκµηρίωση αλλά µόνο παρουσίαση των τεχνολογιών και των διαφόρων υποσυστηµάτων που απαρτίζουν το σύστηµα που κατασκευάστηκε. 1.1 Περιγραφή του Προβλήµατος Σαν αρχική ιδέα είχε οριοθετηθεί η σχεδίαση και υλοποίηση ενός ολοκληρωµένου, αυτόνοµου και ει δυνατόν ανοικτού συστήµατος (open system) συλλογής και επεξεργασίας δεδοµένων, που θα λειτουργεί σε πραγµατικό χρόνο (real time) έχοντας χαµηλό κόστος ανάπτυξης και χαµηλό κόστος κατασκευής. Βασική 1

προϋπόθεση είχε εξ αρχής τεθεί η ικανότητα εκµετάλλευσης στο έπακρο των δυνατοτήτων συλλογής των δεδοµένων καθότι ο αρχικός προσανατολισµός ήταν η υλοποίηση ενός πολυαισθητηριακού συστήµατος (multisensor system) για περιβαλλοντολογική παρακολούθηση. εδοµένου ότι εν γένει τα υπάρχοντα συστήµατα παρακολούθησης περιβάλλοντος απαρτίζονται από υψηλής ακρίβειας όργανα, τα οποία έχουν και υψηλό κόστος κατασκευής, το σύστηµα της διατριβής αυτής έπρεπε να είναι χαµηλού κόστους. Ως χαµηλό κόστος κατασκευής ορίσθηκε αυθαίρετα το ποσόν των 100.000 δρχ(ή περίπου 300 δολλαρίων ΗΠΑ) σε τιµές 1997, γιά ολόκληρο το σύστηµα που έπρεπε να αναπτυχθεί, µη υπολογιζοµένου όµως κάποιου προσωπικού υπολογιστή που θα λάµβανε τα δεδοµένα και θεωρήθηκε ότι προυπήρχε. Επίσης ο στόχος της περιβαλλοντικής παρακολούθησης για την χρήση του συστήµατος έπρεπε να αποσαφηνισθεί, δεδοµένου ότι εν γένει ο όρος µπορεί να περιλαµβάνει φασµατογραφική ανίχνευση ρύπων, µεθόδους συλλογής και επεξεργασίας δεδοµένων από δορυφόρους, κλπ. Στα πλαίσια της διατριβής αυτής, το υπό ανάπτυξη σύστηµα έπρεπε να επιτελεί περιβαλλοντική παρακολούθηση µε την έννοια της ανίχνευσης ανθρώπων, ζώων ή και οχηµάτων που διέρχονται πλησίον(σε ακτίνα 3-5 µέτρων) του συστήµατος. Το προς υλοποίηση σύστηµα θα έπρεπε επίσης να παρέχει την δυνατότητα ανταλλαγής δεδοµένων µε υπολογιστή και να υποστηρίζει το πρωτόκολλο RS232. Υπήρχε εξ αρχής χρονική δέσµευση για την ολοκλήρωση του συστήµατος, περιλαµβανoµένων της δοκιµής καλής λειτουργίας του και ανάπτυξη στην ίδια πλατφόρµα ενός συγκεκριµένου ενσωµατωµένου συστήµατος (embedded system) για περιβαλλοντολογική παρακολούθηση. Σαν τέτοιο ενσωµατωµένο σύστηµα αποφασίσθηκε αργότερα να υλοποιηθεί ένα πολυαισθητηριακό σύστηµα επιτήρησης εγγύς περιοχής µε δυνατότητα αναγνώρισης προτύπων µε εντοπισµό των υπογραφών (signature) αντικειµένων ( άνθρωποι, οχήµατα, ζώα κλπ). Σαν προϋποθέσεις είχαν επίσης τεθεί η δυνατότητα επαναχρησιµοποίησης µέρους ή τµηµάτων του συστήµατος (reusability) ώστε να υπάρξει δυνατότητα περαιτέρω εξέλιξής του αλλά και η συγγραφή διαφόρων προγραµµάτων που θα µπορούσαν να βοηθήσουν τον µηχανικό σε περίπτωση µελλοντικής ενασχόλησής του µε αυτό (software utilities). Μολονότι η αυτονοµία του συστήµατος δεν 2

τέθηκε σαν βασική προϋπόθεση έχει γίνει σχετική ενεργειακή µελέτη µε αρκετά χρήσιµα στοιχεία που παρατίθεται στο τρίτο κεφάλαιο. Συνοψίζοντας το όλο πρόβληµα έγκειται στον ταχύ σχεδιασµό και υλοποίηση ενός φθηνού πολυαισθητηριακού ανοικτού συστήµατος συλλογής και επεξεργασίας δεδοµένων µε βασικό πεδίο δράσης την περιβαλλοντολογική παρακολούθηση. 1.2 Σκοπός - Στόχοι Εργασίας Στην προηγούµενη ενότητα αναπτύξαµε τα κριτήρια και τις προϋποθέσεις που είχαν τεθεί για την ανάπτυξη του συστήµατος. Σκοπός της εργασίας είναι η υλοποίηση ενός χαµηλού κόστους πολυαισθητηριακού συστήµατος για ανίχνευση αντικειµένων εφαρµόζοντας σχετικά νέες τεχνολογίες, όπως είναι τα τυπωµένα κυκλώµατα αξιολόγησης µικροελεγκτών (evaluation board) και µε την εφαρµογή σύγχρονων µεθόδων ανάπτυξης όπως αυτή της ταχείας ανάπτυξης συστηµάτων (rapid system prototyping). Σαν πρωτεύων στόχος της εργασίας αυτής τέθηκε η µελέτη κατασκευής και η υλοποίηση µίας φορητής, αυτόνοµης ενεργειακά συσκευής, που θα µπορεί αφ ενός να χρησιµοποιηθεί για συλλογή και επεξεργασία δεδοµένων από ένα σύστηµα πολλών αισθητήρων χρησιµοποιώντας τον µέγιστο δυνατό ρυθµό και αριθµό καναλιών δειγµατοληψίας και αφ εταίρου η επιτήρηση εγγύς περιοχής µε δυνατότητα αναγνώρισης προτύπων δηλαδή εντοπισµό υπογραφών (signature) αντικειµένων(άνθρωποι, οχήµατα, ζώα κλπ).. Σαν δευτερεύοντες στόχοι τέθηκαν : H αξιολόγηση των τυπωµένων κυκλωµάτων αξιολόγησης µικροελεγκτών (evaluation board) σαν βάση για ανάπτυξη συστηµάτων κάτω από σύγχρονες µεθόδους ανάπτυξης όπως αυτή της ταχείας ανάπτυξης συστηµάτων (RSP). Η ανάπτυξη ενός συστήµατος πολλών αισθητήρων, διαφορετικών από αυτούς που χρησιµοποιούνται σήµερα ευρέως στα διάφορα Ιδρύµατα που είναι 3

επιφορτισµένα µε τον σχεδιασµό και ανάπτυξη τέτοιων συστηµάτων (όπως είναι το εργαστήριο Μικροεπεξεργαστών και Υλικού του Πολυτεχνείου Κρήτης). Η µελέτη καθενός χωριστά από τους παραπάνω αισθητήρες, ο σχεδιασµός και η υλοποίηση προενισχυτών όπου απαιτούνται και η υλοποίηση όλων των τµηµάτων λογισµικού ή υλικού µέχρι την εισαγωγή αναλογικού σήµατος στον Α/D µετατροπέα καθώς και η εξαγωγή συµπερασµάτων µετά από εκτενή και συνεχή χρήση τους. Η κατασκευή νέων, χαµηλού κόστους, αισθητήρων ή χρήση υπαρχόντων µε νέες µεθοδολογίες που θα οδηγήσουν σε τυχόν διαφορετική από την µέχρι τώρα γνωστή χρησιµοποίησή τους. Η ανάπτυξη ενός ενσωµατωµένου συστήµατος (embedded system) που θα είναι βασισµένο στην αρχιτεκτονική του πολυαισθητηριακού συστήµατος συλλογής και επεξεργασίας δεδοµένων για διαπίστωση των χρονικών και λοιπών ικανοτήτων ανάπτυξης παρεµφερών συστηµάτων αλλά και της τελικής αξιολόγησής του σαν υποβοηθητικό εργαλείο ανάπτυξης ενσωµατωµένων συστηµάτων που θα χρησιµοποιούν πολλαπλούς αισθητήρες και θα απαιτούν σχετικά µεγάλη ανάλυση (resolution) των µετρήσεών τους. Ουσιαστικά η εργασία αυτή χωρίστηκε στα παρακάτω οκτώ (8) τµήµατα. 1. Καθορισµός των απαιτήσεων του προς υλοποίηση συστήµατος. 2. Θεωρητική µελέτη: Στο µέρος αυτό έγινε µελέτη θεωρητικών µοντέλων και συσκευών ή παρεµφερών συστηµάτων που τυχόν υπάρχουν στη διεθνή βιβλιογραφία ώστε να αποκτηθεί το κατάλληλο υπόβαθρο. Ιδιαίτερη έµφαση δόθηκε στα τυπωµένα κυκλώµατα αξιολόγησης µικροελεγκτών (evaluation board) και στους συνδυασµούς τεχνολογιών που υπάρχουν αφού στόχος ήταν η κατασκευή ενός τέτοιου συνδυασµού. 3. Σύνταξη προδιαγραφών και απαιτήσεων: Μετά από τη µελέτη έγινε η σύνταξη των προδιαγραφών του συστήµατος. Οι προδιαγραφές αυτές στηρίχτηκαν στη θεωρητική µελέτη και τα συµπεράσµατα που προέκυψαν από αυτή. 4. Μελέτη Υλικού: Απετέλεσε ένα σηµαντικό µέρος της εργασίας. Κατά τη διάρκεια του έγινε έρευνα αγοράς για τα διάφορα υλικά τα οποία ήταν 4

αναγκαία για την υλοποίηση των προδιαγραφών. Τα υλικά αυτά (αισθητήρες, ολοκληρωµένα κυκλώµατα, επεξεργαστές, κ.α.) υποβάλλονταν σε δοκιµές και στη συνέχεια λαµβάνοντο οι σχεδιαστικές αποφάσεις. Βέβαια η αλληλεπίδραση του µε το προηγούµενο µέρος ήταν άµεση αφού υπήρχαν παρεµβάσεις στις προδιαγραφές ώστε να είναι εφικτή η επίλυση διαφόρων ζητηµάτων που είχαν να κάνουν µε: το κόστος των υλικών την ευρεσιµότητα τους στην Ελληνική αγορά. το λόγο κόστους προς απόδοση τη δυνατότητα υποστήριξης από Έλληνες προµηθευτές Εκπονήθηκε η βέλτιστη υλοποιήσιµη λύση κάτω από το πρίσµα των παραπάνω προϋποθέσεων. 5. Υλοποίηση συστήµατος: Το µέρος αυτό χωρίστηκε σε δύο ενότητες. Την κατασκευή των κυκλωµάτων, και το λογισµικό υποστήριξης του συστήµατος. Η υλοποίηση έγινε µε ιεραρχικό τρόπο. Έγινε κατασκευή των διαφόρων υποσυστηµάτων ώστε να µπορούν να λειτουργούν αυτόνοµα και στη συνέχεια έγινε η σύνθεση τους. 6. οκιµές, αξιολόγηση και εύρεση τυχόν υπογραφών διαφόρων αντικειµένων (pattern recognition): Αυτό ήταν το τελευταίο µέρος της υλοποίησης του συστήµατος. Έγιναν δοκιµές υπό διάφορες συνθήκες και αξιολόγηση των αποτελεσµάτων. Αποτέλεσε το πλέον χρονοβόρο τµήµα. 7. Σχεδιασµός και υλοποίηση του ενσωµατωµένου συστήµατος. Με βάση τα αποτελέσµατα των µετρήσεων πάνω στα πρότυπα που ήταν δυνατόν να µελετηθούν και την δυνατότητα αναγνώρισής τους, σχεδιάσθηκαν τα δύο συστήµατα µε τους απολύτως απαραίτητους αισθητήρες και αντίστοιχα λογισµικά µε βάση τις προδιαγραφές που είχαν τεθεί. 8. Τεκµηρίωση: Αυτό ήταν το τελευταίο µέρος της εργασίας και ήταν η συγγραφή του παρόντος κειµένου, που βασίστηκε όµως σε αναλυτική τεκµηρίωση σε όλες τις φάσεις της εργασίας. εν απετέλεσε στόχο της εργασίας η κατασκευή ενός βιοµηχανικού αρχέτυπου που θα ήταν έτοιµο π.χ. για µαζική παραγωγή, αλλά µίας πλατφόρµας που θα µπορεί να 5

χρησιµοποιηθεί και σε επόµενα στάδια για τη µελέτη αλγορίθµων και τεχνικών στην επεξεργασία των µετρήσεων και συνάµα σαν υποβοηθητικό εργαλείο ανάπτυξης ενσωµατωµένων συστηµάτων τα οποία θα απαιτούν χρήση πολλαπλών αισθητήρων και σχετικά µεγάλη ανάλυση (resolution) των µετρήσεών τους. Γι αυτό το λόγο δόθηκε περισσότερη προσοχή στην αξιόπιστη και γρήγορη λήψη των µετρήσεων παρά στην βέλτιστη επεξεργασία τους. όθηκε επίσης προσοχή και στις φυσικές διαστάσεις του συστήµατος, το βάρος και το µέγεθος του, ώστε να είναι εύκολη η προσαρµογή του κάτω από το έδαφος. Επίσης, στόχος ήταν η µελέτη της ολοκληρωµένης διαδικασίας των οκτώ βηµάτων που περιγράφτηκαν παραπάνω αφού ουσιαστικά αποτελεί ένα µοντέρνο µοντέλο ανάπτυξης το οποίο φαίνεται να είναι ανεξάρτητο από το είδος της σχεδίασης και εποµένως µπορεί να καταστεί πρακτικό για τον οποιοδήποτε µηχανικό υπολογιστών. 1.3 Περί Ταχείας Ανάπτυξης Συστηµάτων (RSP) Περατώνοντας την οριοθέτηση των στόχων της εργασίας θα επιχειρηθεί µία όσο το δυνατόν σύντοµη έως επιγραµµατική αλλά και περιεκτική προσέγγιση στον όρο ταχεία ανάπτυξη µικροηλεκτρονικών συστηµάτων. Στην παρούσα φάση δεν θα αιτιολογηθεί η χρησιµοποίηση της παραπάνω µεθόδου ανάπτυξης στην παρούσα εργασία καθότι αυτή η ενότητα περιλαµβάνεται στο αµέσως επόµενο κεφάλαιο. Με τον όρο ταχεία ανάπτυξη µικροηλεκτρονικών συστηµάτων (rapid prototyping of microelectronic systems) στο εξής θα εννοούµε την µεθοδολογία κατά την οποία είναι επιδιωκτέα η ανάπτυξη µικροηλεκτρονικών συστηµάτων σε πολύ λιγότερο χρόνο ή µε πολύ λιγότερη προσπάθεια από ότι συνήθως απαιτείται για ανάπτυξη ενός συστήµατος ίδιας πολυπλοκότητας [Doll91]. Η κεντρική ιδέα της µεθοδολογίας αυτής συνίσταται στο ότι κατά την σύνθεση δεδοµένου έργου πρέπει να γίνεται χρήση κοµµατιών που έχουν αναπτυχθεί στο παρελθόν και γνωρίζουµε ότι το καθένα χωριστά εργάζεται σωστά επί µέρους. Θα µπορούσαµε απλά να το δούµε σαν το χτίσιµο ενός πάζλ του οποίου τα κοµµάτια έχουµε κτίσει και δοκιµάσει για την εύρυθµη λειτουργία τους. 6

Μπορεί κάλλιστα να ειπωθεί ότι η RSP αποτελεί την αναδυόµενη περιοχή της τεχνολογίας και κατά την οποία ο σκοπός είναι η συρρίκνωση του κύκλου ανάπτυξης στο ελάχιστο δυνατό [Doll98, p49]. Η έρευνα σε RSP ενδιαφέρεται τα µέγιστα για δύο θέµατα : Την ανάπτυξη εκτελέσιµων προδιαγραφών, δηλαδή την κατ ευθείαν µετάφραση απο ένα υπολογιστικό περιβάλλον των προδιαγραφών του συστήµατος, µε σκοπό τον σαφή καθορισµό µέχρις ολοκλήρωσης του συστήµατος και Την αυτόµατη σύνθεση συστηµάτων, κατά την οποία άπαξ και υπάρχει µία τυποποιηµένη περιγραφή του συστήµατος είναι πιθανό να πάρουµε το πραγµατικό πρωτότυπο µε λίγη ή καθόλου ανθρώπινη παρέµβαση. Άριστο παράδειγµα συνδυασµού των παραπάνω θεωρήσεων της RSP αποτελεί το σύστηµα MICON που αναπτύχθηκε στο Carnegie Mellon University [BSG89]. Ο χρήστης ορίζει παραµετρικά υπολογιστικά συστήµατα µε επεξεργαστές δοσµένους από µία οικογένεια που λειτουργούν σε επιλεγµένη ταχύτητα από τον χρήστη, αριθµό Ι/Ο συσκευών, µέγεθος µνήµης και πολλές άλλες παραµέτρους. Το περιβάλλον προχωράει σε πλήρη σχεδιασµό συστήµατος µε τις παραπάνω απαιτήσεις ή προτείνει την αδυναµία σχεδίασης τέτοιου συστήµατος. Η διαδικασία σχεδίασης περατώνεται σε λίγες ώρες εξαρτώµενη κυρίως από τον χρόνο του κύκλου βιοµηχανοποιήσεως του προϊόντος µε δυνατότητα ολοκλήρωσης του αρχέτυπου σε διάστηµα ολίγων ηµερών. Ιστορικά, η ανάγκη ελάττωσης του χρόνου ανάπτυξης του τελικού προϊόντος για προώθησή του στην αγορά, έχει αναδείξει µία νέα γενιά εργαλείων σχεδίασης µε την βοήθεια υπολογιστή (Computer Aid-Design Tools) δια µέσου νέων σχεδιάσεων αλλά και µεθοδολογιών σχεδιασµού. Εχουν ήδη εφαρµοσθεί νέες τεχνολογίες όπως αυτή του τοµέα των προγραµµατιζόµενων πινάκων µε πύλες (field programmable gate arrays - FPGA) και νέες µεθοδολογίες όπως η επαναχρησιµοποίηση υποσυστηµάτων (subsystem reusability) και η συνσχεδίαση του λογισµικού µε το υλικό (hardware/software codesign) [Doll95, p65]. Με µία µικρή αναδροµή στα 1980 διαπιστώνουµε ότι ένας συνηθισµένος κύκλος σχεδίασης 3-5 ετών αρχίζει να µειώνεται προοδευτικά στα 3 έτη περί τα µέσα της δεκαετίας και τελικά σε λιγότερο από 1 έτος στις αρχές του 1990 την ίδια στιγµή που η πολυπλοκότητα νέων τµηµάτων και συστηµάτων µεγάλωνε ουσιαστικά! Σαν απλό παράδειγµα µπορεί κανείς να παραθέσει έναν τυπικό µικροεπεξεργαστή (πχ τον 7

MC68000 της Motorola) που περιείχε λιγότερα από 100.000 τρανζίστορ σε αντιπαραβολή µε έναν αντίστοιχο των αρχών της δεκαετίας του 1990 (πχ τον Alpha της DEC ) να περιέχει περισσότερα του 1.000.000 τρανζίστορ, ενώ ήδη σήµερα ανέρχεται στα 10.000.000 τρανζίστορ. Για την ιστορία, ο όρος RSP προήλθε από τον χώρο της µηχανικής του λογισµικού (software engineering) υιοθετηθείς από την κοινότητα των σχεδιαστών µικροηλεκτρονικών συστηµάτων (microelectronic system design community) µε καθυστέρηση 5 ετών [Boe76], [Boe84], [Boe88],[J&T89]. Ισως ο όρος ταχεία να αποτελεί φαινοµενικά επανάληψη καθότι κανείς δεν θα ήθελε αργή ανάπτυξη συστηµάτων µε την µέθοδο του πρωτοτύπου (system prototyping). Κατά το παρελθόν κάθε ουσιαστική προσπάθεια θεωρείτο ότι έπρεπε να οδηγεί και σε χρήσιµο προιόν. Η θεώρηση της ανάπτυξης µε την µέθοδο του πρωτοτύπου στο λογισµικό (prototyping software) σαν έννοια εξοµάλυνσης των σφαλµάτων των προδιαγραφών και συντόµου απόκτησης ενός σκελετού του τελικού προιόντος έκτοτε κέρδιζε σταθερά έδαφος. Το βασικό ερώτηµα της σχεδιαστικής κοινότητας γύρω από τον όρο πρωτότυπο ήταν αν θα έπρεπε να είναι εκτελέσιµο προιόν ή όχι. Τελικά υπήρξε αποτελεσµατική σύµπτωση απόψεων στο ότι θα έπρεπε η ταχεία ανάπτυξη δια του πρωτοτύπου να είναι χρήσιµη στην αξιολόγηση των συµβιβασµών(trade-offs) των συστηµάτων. Προσέφερε προσαρµογή της δράσης ανάλογα µε τα αναµενόµενα αποτελέσµατα, πριν ο σχεδιασµός ακολουθήσει για πολύ χρόνο τυχόν λάθος κατεύθυνση και στην βέλτιστη περίπτωση έδινε την δυνατότητα σε κάποια µεταγενέστερα σχεδιαστικά στάδια, να γίνει ακόµη και το ίδιο το τελικό προιόν. Μία απο τις κύριες δραστηριότητες στο RSP είναι η διαµόρφωση των χαρακτηριστικών ενός συστήµατος. Από τον ορισµό που δόθηκε αρχικά διαφαίνεται καθαρά και ο τελικός στόχος. Μία προσεκτικότερη εξέταση των προσπαθειών της σχεδιαστικής κοινότητας να πετύχουν αυτόν τον στόχο µας αποκαλύπτει τρία βασικά ρεύµατα : Την διαµόρφωση κάποιων πλευρών της σχεδιαστικής διαδικασίας και πιό σηµαντικά τη διαµόρφωση των προδιαγραφών ενός συστήµατος. Την σύνθεση µε αυτοµατοποιηµένα µέσα ( CAD tools) απο µία διαµορφωµένη περιγραφή ενός συστήµατος ή ενός ουσιαστικού τµήµατος επ αυτού. 8

Την αξιολόγηση των σχεδιαστικών ανταλλαγών (trade-offs) του συστήµατος µε την έννοια της προσοµοίωσης, της εξοµοίωσης, ή ανάπτυξης ενός φυσικού πρωτοτύπου του συστήµατος. [Doll95, p68] Σαν ουσιώδη στοιχεία σε RSP µπορούν να αναφερθούν τα κάτωθι : Η επαλήθευση (verification) στη διαδικασία σχεδίασης του υλικού γίνεται µε εργαλεία προσοµοίωσης από το επίπεδο συµπεριφοράς (behavioral level) (πχ. Verilog) µέχρι το επίπεδο ολοκλήρωσης της συσκευής( πχ. SPICE). Η δηµιουργία επαναχρησιµοποιήσιµων τµηµάτων λογισµικού και υλικού. Η διαµόρφωση της επαναχρησιµοποιησιµότητας τµηµάτων λογισµικού και η καλλίτερη ανάπτυξη και χρήση βιβλιοθηκών, CASE tools, και αντικειµενοστρεφών συστηµάτων προγραµµατισµού. Σηµείο ιδιαίτερης προσοχής αποτελούν οι θέσεις περί επαναχρησιµοποίησης τµηµάτων υλικού. Μπορεί να λεχθεί µε ασφάλεια ότι τα ολοκληρωµένα κυκλώµατα (integrated circuits) σαν τµήµατα (components) χαρακτηρίζονται από υψηλή επαναχρησιµοποίηση [Doll95, p75]. Πολλοί σχεδιαστές υλικού φαίνεται να συµφωνούν ότι η προσπάθεια περιστολής της επαναχρησιµοποίησης στο επίπεδο του τµήµατος (component level) αποτελεί σπατάλη ανθρώπινης προσπάθειας. Οι προσπάθειες για εξάπλωση της επαναχρησιµοποίησης σε επίπεδο υλικού φαίνεται να έγιναν σε τρεις βασικές κατευθύνσεις : Επαναχρησιµοποίηση συνθέσιµων προτύπων Τυποποίηση διασυνδέσεων Επαναχρησιµοποίηση υποσυστηµάτων Κλείνοντας θεωρείται σκόπιµη η διαπίστωση σε αυτό το σηµείο του ότι η παραπάνω µεθοδολογία ανάπτυξης φαίνεται να είναι η καλλίτερη απάντηση στην αντιµετώπιση των προβληµάτων που έχει επιφέρει την τελευταία πενταετία η ραγδαία αύξηση της τεχνολογίας των µικροηλεκτρονικών συστηµάτων και δεν είναι βέβαια άλλη από την µάχη που δίνει ο σχεδιαστής συστηµάτων µε τον χρόνο. Είναι κοινό µυστικό πλέον ότι πολλά προϊόντα έχουν ξεπερασθεί από την τεχνολογία πριν καν παρουσιασθούν στην αγορά. Έχει επίσης καταστεί σαφές ότι οι βιοµηχανικοί κολοσσοί του χώρου δίνουν πλέον τον πρώτο λόγο στην έρευνα και τον προσδιορισµό των χαρακτηριστικών των 9

ολοκληρωµένων κυκλωµάτων της επόµενης δεκαετίας µαζί µε προσπάθειες τυποποίησης των προϊόντων τους και επιβολή δικών τους προτύπων στην αγορά. Όσον αφορά τον Ελλαδικό χώρο ενδιαφέρον φαίνεται να παρουσιάζει η RSP λόγω των πολλών εθνικών προβληµάτων που δηµιουργούνται συνεχώς τα τελευταία χρόνια από γείτονες χώρες. Επισηµαίνουµε ότι πρέπει και µπορεί να γίνει εκµετάλλευση της παραπάνω µεθόδου και χρησιµοποιώντας την σαν άξονα ανάπτυξης, δεδοµένης και της ύπαρξης ενδιαφέροντος του ΥΕΘΑ, να γίνει προσπάθεια ανάπτυξης της Εθνικής Αµυντικής Βιοµηχανίας [ΥΕΘΑ97] ώστε να θωρακισθεί η χώρα µε παράλληλη ανάπτυξη του τοµέα της έρευνας [ΣΤΡ97]. 1.4 Τοποθέτηση του Συστήµατος σε Σχέση µε την Παγκόσµια Έρευνα Σε προηγούµενη ενότητα έγινε αναφορά στην αρχική οριοθέτηση του προβλήµατος και εκτέθηκε εν τάχει η βασική επιδίωξη της εργασίας αυτής. Παρακάτω θα παρατεθούν όσες από τις εργασίες που έχουν δηµοσιευθεί πρόσφατα φαίνεται να παρουσιάζουν επιστηµονική σχέση µε την εργασία αυτή, και θα γίνει σύντοµη παρουσίασή τους. Ένα αυτόνοµο σύστηµα ακουστικών αισθητήρων για την ορθή καθοδήγηση και µέτρηση σε ωκεανούς, µία προσέγγιση σε υλοποίηση πολυαισθητηριακών συστηµάτων που έχει τον τίτλο Yoyo profiler : An autonomous multisensor [yoyo96]. Παρουσιάζει έναν αυτόνοµο σύστηµα ακουστικών αισθητήρων για την ορθή καθοδήγηση και µέτρηση σε ωκεανούς. Ο yoyo prοfiler όπως τον ονόµασαν οι δηµιουργοί του κινείται πάνω-κάτω σε ένα αγκυροβοληµένο καλώδιο σε βάθος από 50 µέχρι 1000 µέτρα µεταδίδοντας ακουστικά δεδοµένα σε πραγµατικό χρόνο σε έναν επιφανειακό σηµαντήρα. Η όλη σχεδίαση και µεθοδολογία ανάπτυξης δεν φαίνεται να παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για την παρούσα εργασία. Μία άλλη προσέγγιση που παρουσιάζει ενδιαφέρον είναι αυτή µε την επωνυµία Detection and range/doppler estimation for colocated sensors [ΤΗΟ97]. Το πρόβληµα έχει να κάνει µε την έρευνα των πολυαισθητήρων και τον υπολογισµό της 10

θέσης σήµατος υψηλής ανάλυσης χρησιµοποιώντας συναρµογή µέγιστης µεταγενέστερης έρευνας µε υψηλές διατάξεις µη γραµµικών τεχνικών φιλτραρίσµατος. Το µοντέλο βασίζεται σε προσέγγιση συγχώνευσης (fusion approach) και προσφέρει ενδεχοµένως αυξηµένη ανάλυση του στόχου. Μία Τρίτη προσέγγιση σε πολυαισθητηριακά συστήµατα αναφέρεται µε τίτλο Multisensor battlefield monitoring system and its signal processing simulation [SHI97]. Πρόκειται γιά παρουσίαση νέου µοντέλου επεξεργασίας σήµατος µέσω προσοµοίωσης µε υπολογιστή όπου η δοµή του συστήµατος φαίνεται να παρέχει αξιόλογα αποτελέσµατα. Μία αναφορά σε Sensor fusion for intelligent alarm analysis [Νel96] περιγράφει αναλυτικά την προσέγγιση συνδυασµού αισθητήρων (sensor fusion) για την ανάπτυξη του συστήµατος ΑΕS (Advanced Exterior Sensor). Πρόκειται για σύστηµα ανίχνευσης εισβολής(intrusion detection) και σχεδιασµού εκτίµησης για κάλυψη ευρείας περιοχής, γρήγορης ανάπτυξης, λειτουργίας συναγερµού χαµηλού σφάλµατος /ενόχλησης αλλά και άµεσης οπτικής εκτίµησης. Συνδυάζει την τεχνολογία χρήσης τριών αισθητήρων (υπέρυθρου, οπτικού, ραντάρ χιλιοστοµετρικού µήκους κύµατος ) οι οποίοι ευρίσκονται σε µία συµπαγή και φορητή, απόµακρης καθοδήγησης µονάδα (module). Περιστρεφόµενο κατά 1 στροφή ανά δευτερόλεπτο προσφέρει εντοπισµό ιχνών και παρέχει εκτίµηση σε γωνία 360 µοιρών. Η προαναφερθείσα τεχνική χρησιµοποιείται για να συσχετίσει και ολοκληρώσει τα δεδοµένα των ιχνών από τους τρεις αισθητήρες σε ένα ίχνος για παρατήρηση από τον χειριστή. Ενδιαφέρον παρουσιάζει µία αναφορά σε πολυµερείς αισθητήρες µε προσέγγιση για αναγνώριση προτύπων[tal96]. Χρησιµοποιείται µία µέθοδος αναγνώρισης προτύπων βασισµένη σε ένα τεχνητό νευρωνικό δίκτυο για την διαχείριση των πολυµερών αισθητήρων. Η µέθοδος είναι ικανή να δηµιουργεί διαφορετικά πρότυπα και µοντέλα βασισµένα σε µία συσκευή µε δυνατότητα on-line συλλογής δεδοµένων από ένα πολυκαναλικό µετατροπέα αναλογικής σε ψηφιακή µορφή (A/D converter). H ροή της πληροφορίας κατευθύνεται από την επιφάνεια του πολυµερικού αισθητήρα (ηλεκτροδίου) σε έναν µετατροπέα αναλογικής σε ψηφιακή µορφή που είναι συνδεδεµένη µε ένα εκπαιδευµένο υπολογιστή για λειτουργία σε τεχνητά νευρωνικά δίκτυα. Το λογισµικό τεχνητών νευρωνικών δικτύων (Turbo 11

Neuron) του οποίου γίνεται χρήση σε αυτή τη µελέτη, υποδέχεται τα δεδοµένα σαν δεδοµένα εισόδου (input data) δηµιουργώντας τα καλλίτερα δυνατά πρότυπα, που είναι βασισµένα σε προεπιλεγµένες παραµέτρους, για να ταξινοµήσει τους τύπους των εικόνων που υπάρχουν στο επιχειρησιακό περιβάλλον[tal96]. 1.5 Τα Προβλήµατα Κατά την διάρκεια της εργασίας αυτής παρουσιάσθηκαν αρκετά και ποικίλα προβλήµατα τα οποία εύκολα ή δύσκολα υπερκεράσθηκαν. Θα σταθούµε εν ολίγοις σε µερικά από αυτά θεωρώντας ότι τόσο ο µελλοντικός συνεχιστής αυτού του έργου όσο και γενικά ο µηχανικός θα πρέπει να γνωρίζει. Πρέπει να θεωρηθεί µειονέκτηµα η µη ύπαρξη ικανού αριθµού συµβολοµεταφραστών σε γλώσσα ASSEMBLY για υποστήριξη ενός τόσο κοινού µικροελεγκτή όπως είναι ο M68HC11. Σαν συµβολοµεταφραστής χρησιµοποιήθηκε ο τεχνολογικά ξεπερασµένος IASM11 διότι ήταν ο µόνος διαθέσιµος. εν ήταν λίγες οι φορές που χάθηκε ο πρωτότυπος πηγαίος κώδικας διότι δεν δίνεται η δυνατότητα στον χρήστη επιβεβαίωσης στην ενέργεια-εντολή «σώσε το κείµενο». Επίσης είναι ακατανόητο γιατί θα πρέπει να ενεργείται η αντιγραφή και επικόλληση (copy & paste) µόνο µέσα από τον κειµενογράφο (editor) µιας παλαιάς έκδοσης της turbo Pascal για να είναι επιτυχής. Σοβαρότερο πρόβληµα υπήρξε µε τον αντίστοιχο προσοµοιωτή λογισµικού SIM11. Σε κάποια φάση αποσφαλµάτωσης ενός προγράµµατος, ο επεξεργαστής προφανώς µη αναγνωρίζοντας τις παραµέτρους κάποιας εκτελούµενης εντολής (opcode) αποφάσιζε να την κερµατίσει κατά το δοκούν µε αποτέλεσµα να εκλαµβάνει και εµφανίζει κάποιες από τις παραµέτρους σαν νέα εντολή (ανύπαρκτη φυσικά) και να εµφανίζει σφάλµα στον κώδικα εκεί που δεν υπήρχε. Το κόστος αναγνώρισης και επίλυσης των παραπάνω προβληµάτων σε χρόνο µόνο ήταν δύο εβδοµάδες. Έκτοτε δεν επαναχρησιµοποιήθηκε ο SIM11 ο οποίος τουλάχιστον για την έκδοση του M68HC11AFN κρίνεται αναξιόπιστο και συνάµα επικίνδυνο εργαλείο για τον µηχανικό. Αποτελεί ίσως κρυφό µυστικό για την Πολυτεχνική Κοινότητα η αδυναµία αγοράς υλικών από τις ΗΠΑ και συνάµα αποτελεί σοβαρό εµπόδιο στην ανάπτυξη 12

παρόµοιων συστηµάτων. Συγκεκριµένα παρατηρήθηκε αδυναµία αγοράς ενός αισθητήρα TL173L (linear HALL - effect) της Texas Instruments, που πολύ εύκολα εντοπίσθηκε στο Internet και ήταν ο µόνος για τον οποίο υπήρχαν σαφή τεχνικά δεδοµένα (data sheets), σχέδια προενισχυτών και τρόπου χρήσης του. Ο εν Ελλάδι αντιπρόσωπος δήλωσε αδυναµία υποστήριξης και απευθυνθήκαµε σε άλλο προµηθευτή µε πολύ χαµηλότερα πρότυπα (standards). Ο πειραµατισµός και η έρευνα µε έναν παρόµοιο αισθητήρα άλλου κατασκευαστή που δεν διέθετε τα παραπάνω δεδοµένα, κόστισε αρκετό χρόνο και σε τελική ανάλυση αποτελεί σχήµα οξύµωρο η χρήση της µεθόδου RSP µε παράλληλη εφεύρεση του τροχού. Για τις δοκιµές του συστήµατος και την εξακρίβωση προτύπων χρησιµοποιήθηκε ένα laptop το οποίο ευγενέστατα παραχωρήθηκε από το Μηχανογραφικό Κέντρο του ΠΚ. Το τόσο σοβαρό και αναγκαίο αυτό εργαλείο διαθέτει αυτονοµία µισής µόνο ώρας, πράγµα που ήταν σοβαρή τροχοπέδη για την διενέργεια των δειγµατοληψιών και δοκιµών. Η ταφή και εκταφή κάτω απο το έδαφος δύο χωριστών κουτιών στα οποία ήταν εγκατεστηµένοι οι αισθητήρες, σε συνδυασµό µε τις συχνά κακές καιρικές συνθήκες ( τα πειράµατα έγιναν από εκέµβριο 97 έως και Μάρτιο 98 ) ήταν δεδοµένη κάθε τόσο για να επαναφορτισθεί ο υπολογιστής. Έπρεπε να περάσει µία ώρα περίπου (χωρίς να υπολογίζεται ο χρόνος ταφής και εκταφής) για να συνεχισθεί ο ίδιος κύκλος εργασιών. Με δεδοµένο το παραπάνω πρόβληµα ο χώρος που πραγµατοποιήθηκαν οι δειγµατοληψίες-µετρήσεις δεσµευτικά θα έπρεπε να είναι πλησίον του ΠΚ. Εκ των πραγµάτων δεν υπήρχε η δυνατότητα διενέργειας µετρήσεων σε διαφορετικού τύπου εδάφη (κυρίως σε µαλακά, αργιλικά, βραχώδη και αµµώδη), µετρήσεις που πρέπει να γίνουν σε περίπτωση παραπέρα προσπάθειας εκµετάλλευσης του συστήµατος για τυχόν δηµιουργία βιοµηχανικού αρχέτυπου. Οµοίως πρόβληµα υπήρξε µε την εξεύρεση οχηµάτων διαφόρων κατηγοριών (1,1/4 τόνων, 2 τόνων, 10 τόνων κλπ) για την διενέργεια δοκιµών για αναγνώριση προτύπων. 1.6 Σύντοµη Παρουσίαση Λύσης Σ αυτήν την ενότητα θα γίνει µια σύντοµη παρουσίαση της λύσης που προτείνεται µέσα από την εργασία αυτή. Σκοπός της σύντοµης αυτής παρουσίασης είναι µία πρώτη γνωριµία του αναγνώστη µε το σύστηµα που αναπτύχθηκε ώστε να 13

διευκολυνθεί στην ανάγνωση των υπολοίπων κεφαλαίων. Έτσι η παρουσίαση θα είναι χωρίς σχόλια ή τεκµηριώσεις. Όπως αναφέρθηκε σε προηγούµενη ενότητα σκοπός της εργασίας ήταν η µελέτη και κατασκευή ενός χαµηλού κόστους πολυαισθητηριακού συστήµατος συλλογής και επεξεργασίας δεδοµένων για περιβαλλοντολογική παρακολούθηση µε την εφαρµογή νέων τεχνολογιών και την εφαρµογή σύγχρονων µεθόδων ανάπτυξης. Ύστερα από τη θεωρητική µελέτη που έγινε και µε δεδοµένη µια πολύ πρόσφατη προσωπική εµπειρία από την ανάπτυξη ενός συστήµατος, στα πλαίσια του µεταπτυχιακού µαθήµατος «Ειδικά Κεφάλαια Συστηµάτων Μέτρησης» (υπολογισµός σε πραγµατικό χρόνο της ταχύτητας και επιτάχυνσης κινουµένου σώµατος εντός του γήινου πεδίου βαρύτητας) καταλήξαµε στην πλατφόρµα των τυπωµένων κυκλωµάτων αξιολόγησης µικροελεγκτών (evaluation board) η οποία είναι προσιτή και παρέχει πολλές δυνατότητες στον µηχανικό. Το τυπωµένο κύκλωµα αξιολόγησης µικροελεγκτών που επελέγη και χρησιµοποιήθηκε είναι το M68HC11EVB της MOTOROLA. Το όλο σύστηµα έχει δυνατότητα επικοινωνίας µέσω σειριακής θύρας µε υπολογιστή. ιαθέτει επίσης κατάλληλο λογισµικό το οποίο χρησιµοποιείται σαν λειτουργικό σύστηµα τόσο για την αποσφαλµάτωση (debugging) όσο και για προσοµοίωση. Η καρδιά του Μ68HC11ΕVΒ είναι ένας 8-bit µικροελεγκτής που τρέχει στα 10 MHz, ο ευρείας χρήσης Μ68HC11 της MOTOROLA. Το όλο σύστηµα συµπληρώνεται από ένα υποσύστηµα δέκα εξι (16) αισθητήρων µαζί µε τα διάφορα κυκλώµατα προενίσχυσής τους και τυχόν φίλτρα. Η επικοινωνία µεταξύ του EVB και του υπολογιστή γίνεται µε ένα καλώδιο 25 αγωγών σε πρωτόκολλο RS232. Υπάρχει δυνατότητα συλλογής και επεξεργασίας µετρήσεων από οκτώ (8) αισθητήρες ταυτόχρονα, κατά επιλογή του χρήστη του συστήµατος. Μεταξύ των επιλεγέντων αισθητηρίων υπάρχουν δύο συστήµατα τριών επιταχυνσιοµέτρων ευαισθησίας -2 g έως +2g και -10g έως +10g αντίστοιχα. Είναι κατάλληλα τοποθετηµένα σε ένα σύστηµα τριών αξόνων µε δυνατότητα µέτρησης κραδασµών και επιταχύνσεων πάνω στους τρεις άξονες. Επίσης υπάρχουν τέσσερα µικρόφωνα τα δύο από τα οποία λειτουργούν σαν ανιχνευτές ήχου και τα δύο σαν ανιχνευτές πίεσης. Υπάρχουν δύο διαφορετικού τύπου δέκτες υπέρυθρης 14

ακτινοβολίας και τρία διαφορετικά αισθητήρια που στηρίζονται στο φαινόµενο HALL και αναγνωρίζουν µεταβολή µαγνητικής ροής. Όλα τα κυκλώµατα έχουν σχεδιασθεί και έχουν υλοποιηθεί σε επιχαλκωµένες πλακέτες PCB. Οι σχετικές εργασίες έγιναν στο εργαστήριο Μικροεπεξεργαστών και Υλικού του Πολυτεχνείου Κρήτης. Επίσης η συσκευή µπορεί να συνδεθεί µέσω σειριακής θύρας µε υπολογιστή ώστε να υπάρχει δυνατότητα µεταφοράς και παρουσίασης των µετρήσεων και των αποτελεσµάτων σε πραγµατικό χρόνο. Για την τροφοδοσία της χρησιµοποιούνται δύο επαναφορτιζόµενες µπαταρίες Gel-Cell 12 Volt και ένα κύκλωµα το οποίο κάνει τις κατάλληλες µετατροπές στην τάση ώστε να δίνει όλες τις αναγκαίες για τη λειτουργία της τιµές(+5 V, +1 2 V, - 12V ) µε το µικρότερο δυνατό πακέτο µπαταριών. Ο συνδυασµός των (16) αισθητηρίων τα οποία λειτουργούν πάνω στην ίδια πλατφόρµα παράλληλα συλλέγοντας δεδοµένα, σηµαίνει ότι υπάρχει πλήρης ευελιξία επιλογής (8) από αυτά για ταυτόχρονη επεξεργασία δεδοµένων από το σύστηµα. Επίσης µπορούν πολύ εύκολα να γίνουν παρεµβάσεις σε κάποιο σηµείο χωρίς να επηρεάζουν τα υπόλοιπα. Υπάρχει και η δυνατότητα, µέσω λογισµικού, δειγµατοληψίας ενός µόνο αισθητήρα κάθε φορά, οποιουδήποτε επιθυµούµε. Το λογισµικό διεπικοινωνίας µε τον υπολογιστή είναι γραµµένο σε γλώσσα προγραµµατισµού Java (JDK114) όπως αυτή διδάχθηκε και εφαρµόσθηκε στο µεταπτυχιακό µάθηµα Αλληλεπιδραστικές εφαρµογές ανθρώπων - υπολογιστών (HCI) το εαρινό εξάµηνο του 1997. Είναι χωρισµένο σε τµήµατα τα οποία συνδυάζονται µεταξύ τους. Όπως και στο Υλικό, έτσι και σε αυτό υπάρχει µεγάλη ευελιξία αφού µπορούν να γίνουν παρεµβάσεις σε διάφορα σηµεία όσον αφορά το µονοπάτι της πληροφορίας (data path). Το µονοπάτι ελέγχου για την συλλογή των µετρήσεων έχει συγγραφεί σε γλώσσα ΑSSEMBLY Μ68ΗC11. Σαν συµβολοµεταφραστής χρησιµοποιήθηκε ο IASM11 που διαθέτει εκτός των άλλων και παράθυρο επικοινωνίας σε πραγµατικό χρόνο µε τον µικροεπεξεργαστή Μ68ΗC11, που ήταν χρήσιµο στην αποσφαλµάτωση του προγράµµατος κατά την ανάπτυξή του. 15