DÖNGÜDE DONANIMSAL BENZETİM VE GERÇEK ZAMANLI GÖMÜLÜ SİSTEMLER. Zeliha DOĞRU YÜKSEK LİSANS TEZİ ENDÜSTRİYEL TEKNOLOJİ EĞİTİMİ

Transkript

1 DÖNGÜDE DONANIMSAL BENZETİM VE GERÇEK ZAMANLI GÖMÜLÜ SİSTEMLER Zeliha DOĞRU YÜKSEK LİSANS TEZİ ENDÜSTRİYEL TEKNOLOJİ EĞİTİMİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ AĞUSTOS 2012 ANKARA

2 Zeliha DOĞRU tarafından hazırlanan DÖNGÜDE DONANIMSAL BENZETİM VE GERÇEK ZAMANLI GÖMÜLÜ SİSTEMLER adlı bu tezin Yüksek Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Yrd.Doç.Dr. Ahmet KARAARSLAN. Tez Danışmanı, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, A.K.Ü Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Endüstriyel Teknoloji Eğitimi Anabilim Dalında Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir. Doç. Dr. Remzi YILDIRIM. Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Anabilim Dalı, Y.B.Ü Yrd. Doç. Dr. Ahmet KARAARSLAN. Tez Danışmanı, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, A.K.Ü Doç. Dr. Aydın ŞIK Endüstriyel Teknoloji Eğitimi Anabilim Dalı, G.Ü. Tarih: 10/08/2012 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onamıştır. Prof. Dr. Şeref SAĞIROĞLU Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü.

3 TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Zeliha DOĞRU

4 iv DÖNGÜDE DONANIMSAL BENZETİM VE GERÇEK ZAMANLI GÖMÜLÜ SİSTEMLER (Yüksek Lisans Tezi) Zeliha DOĞRU GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Ağustos 2012 ÖZET Döngüde donanımsal benzetim tekniği ve gerçek zamanlı gömülü sistemler birçok sistemden farklı özelliklere sahip, özel amaçlı olarak tasarlanmış sistemlerdir. Bilgisayar teknolojilerinde yaşanan gelişme ve ihtiyaçlardan dolayı bu sistemler hayatın vazgeçilmezleri haline gelmiştir. Gerçek zamanlı gömülü sistemler, farklı donanımlara sahip olması, kolay taşınabilmesi, az bellek gereksinimi, donanımsal ortamı uygulamalardan soyutlayarak birçok avantajı bünyesinde taşımaktadır. Ayrıca hem zamandan, hem de maliyetten kazanç sağlaması açısından da güvenli çalışmaya olanak vermektedir. Bu çalışmada, döngüde donanımsal benzetim çalışmalarına deneysel örnekler verilerek bir güç dönüştürücüsünün gerçek zamanlı olarak kontrolü yapılmıştır. Güç dönüştürücüsü tam ve yarım yükte çalıştırılarak test işlemleri gerçekleştirilmiştir. Böylece döngüde donanımsal benzetim ve gömülü sistemlere daha hızlı geçişin sağlanması amaçlanmıştır. Bilim Kodu : Anahtar Kelimeler : Döngüde donanımsal benzetim, karmaşık sistemler, gerçek zaman, gerçek zamanlı sistemler Sayfa Adedi : 78 Tez Yöneticisi : Yrd. Doç. Dr. Ahmet KARAARSLAN

5 v HARDWARE IN THE LOOP SIMULATION AND REAL TIME EMBEDDED SYSTEMS (M.Sc. Thesis) Zeliha DOĞRU GAZİ UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY August 2012 ABSTRACT Hardware in the loop simulation technics and real time embedded systems are the systems which have different characteristics than many systems, designed for a special purpose. Because of improvements and needs in computer technologies, these systems become indispensable for daily life. Real time embedded systems have many advantages cause they have different hardwares, their easy transport and minimum memory requirement. and their abstraction of hardware environment from appliances. In addition, they provide safety operation due to their making profit both time and cost. In this study, experimental examples were given to hardware in the loop simulation studies and a power converter was controlled at real time. The power converter was operated full and half load and experiment procedures were done. So, it is aimed to provide rapid transition to hardware in the loop simulation technics and embedded systems. Science Code : Key Words : Hardware in the loop simulation, complex systems, real time, real time embedded systems Page Number : 78 Adviser : Assist.Prof.Dr.Ahmet KARAARSLAN

6 vi TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren Hocam Yrd. Doç. Dr. Ahmet KARAARSLAN a yine kıymetli tecrübelerinden faydalandığım hocam Araştırma Görevlisi Fatih EVRAN a, Araştırma Görevlisi Serkan ÇAŞKA ya ve manevi destekleriyle beni hiçbir zaman yalnız bırakmayan çok değerli arkadaşım Ali Erdem GÜRSOY a, annem Kadriye DOĞRU ya teşekkürü bir borç bilirim.

7 vii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET... iv ABSTRACT... v TEŞEKKÜR... vi İÇİNDEKİLER... viii ÇİZELGELERİN LİSTESİ... x RESİMLERİN LİSTESİ... xi ŞEKİLLERİN LİSTESİ... xii SİMGELER VE KISALTMALAR...xiv 1. GİRİŞ GÖMÜLÜ SİSTEMLERE GENEL BAKIŞ Gömülü Sistem Kavramı Gömülü sistem tanımı Gömülü sistem blokları Gömülü sistemin tarihi gelişimi Gömülü sistemin özellikleri Gömülü İşletim Sistemleri Gömülü Sistemlerin Tasarımı ve Gömülü Yazılım Örnekleri Gömülü sistem tasarımı Mikroişlemci Mikrodenetleyici Gömülü sistemlerde tasarım çeşitleri GERÇEK ZAMANLI GÖMÜLÜ SİSTEM KAVRAMI, GENEL YAPISI VE UYGULAMA ALANLARI... 25

8 viii Sayfa 3.1. Gerçek Zamanlı Gömülü Sistem Kavramı Gerçek zamanlı gömülü sistemin genel yapısı Gerçek zamanlı gömülü sistem uygulama alanları Donanım ve Yazılımda Gerçek Zaman Gömülü yazılım geliştirmede temel problemler modeli Gerçek Zamanlı Sistemlerde Kontrol Mekanizması Oluşumu İşleyişi Gerçek zamanlı sistemlerde yaşanılan problemler DÖNGÜDE DONANIMSAL BENZETİM Döngüde Donanımsal Benzetim Kavramı Döngüde donanımsal benzeticinin blok diyagramı Döngüde donanımsal benzetim kavramının bileşenleri Döngüde Donanımsal Benzetim Örnekleri Döngüde Donanımsal Benzetim Nerelerde Kullanılır? Döngüde Donanımsal Benzetimin Avantaj ve Dezavantajları DONANIM İÇEREN BENZETİM ÖRNEKLERİ Donanım İçeren Benzetim (İçten Yanmalı Dizel Motor) Örneği Donanım İçeren Benzetim (Güneş Enerjisi Sistemi) Örneği GERÇEKLEŞTİRİLEN ÇALIŞMADA MATERYAL VE METOD Veri Toplama Verilerin Değerlendirilmesi... 60

9 ix Sayfa 6.3. Güç Dönüştürücüsünün Donanım İçeren Benzetimi ELDE EDİLEN BULGULAR Donanım İçeren Benzetimde Kullanılan Parametreler Benzetim Çalışmaları ve Karşılaştırılması SONUÇ VE ÖNERİLER KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ... 79

10 x ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 7.1. Deneyler ve benzetimde kullanılan parametreler..70

11 xi RESİMLERİN LİSTESİ Resim Sayfa Resim 2.1. İlk gömülü sistem Resim 3.1. Gömülü sistem örneği Resim 4.1. Döngüde donanımsal benzetim örneği Resim 4.2. Hata ayıklama üzerine

12 xii ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 2.1. Gömülü işlem bloğu.6 Şekil 2.2. Mikroişlemci sisteminin temel bileşenlerinin blok diyagramı.. 19 Şekil 2.3. Mikrodenetleyici sisteminin temel bileşenlerinin blok diyagramı Şekil 2.4. Mikrodenetleyici yapısı Şekil 3.1. Gerçek zamanlı işletim sistemi...29 Şekil 3.1. Yazılım geliştirme aşamaları...33 Şekil 3.3. Gerçek zamanlı sistem kontrolü genel gösterimi...37 Şekil 3.4. İnternet tabanlı gerçek kontrol sistemi Şekil 4.1. Gerçek zamanlı benzetim ortamının genel yapısı Şekil 4.2. Döngüde donanımsal benzeticinin blok diyagramı Şekil 5.1. Bir dizel ECU sunun işlevsel diyagramı Şekil 5.2. ECU donanım içeren simülasyon test diyagramı Şekil 5.3. Güneş enerjisi ile batarya dolumunda kullanılan devre Şekil 5.4. MGNİ denetimli güneş enerjili sistemin gösterilmesi Şekil 5.5. Yükselten dönüştürücü devresi...54 Şekil 5.6. İdeal güneş pili eşdeğer devre modeli Şekil 5.7. Basit bir batarya modeli..57 Şekil 5.8. Farklı ışıma şiddetlerinde akım-gerilim eğrisi Şekil 5.9. Farklı ışıma şiddetlerinde güç-gerilim eğrisi Şekil Işıma şiddetinin değişimi Şekil Farklı ışıma şiddetlerinde panelden alınan güç değerleri

13 xiii Şekil Sayfa Şekil Farklı ışıma şiddetlerinde ortalama anahtar doluluk oranı Şekil Farklı ışıma şiddetlerinde güneş paneli çıkış akımı Şekil Farklı ışıma şiddetlerinde güneş paneli çıkış gerilimi Şekil 6.1. Önerilen frameworkteki blok şema Şekil 6.2. AC-DC GFD dönüştürücü topolojisi Şekil 6.3. Anahtarların açık/kapalı durumlarında dönüştürücülerin eşdeğer devreleri, (a) Pozitif yarı döngüsü, (b) Negatif yarı döngüsü Şekil 6.4. Güç dönüştürücüsü blok diyagramı Şekil 6.5. DDB sisteminin yapılandırılması Şekil 7.1. Yukarıdan aşağıya doğru : Kapalı döngü sisteminin çıkış voltajı (V o ), giriş voltajı (v in ) ve giriş bobin akımı (i L ) sinyalleri Şekil 7.2. Yukarıdan aşağıya doğru : Kapalı döngü sisteminin yükleme ayarlarında değişiklik ile çıkış voltajı (V o ), giriş voltajı (v in ) ve bobin akımı (i L )...71 Şekil 7.3. Yukarıdan aşağıya doğru: DDB kapalı-çevrim sisteminin; görev çarpanı(d), çıkış voltajı(v o ), giriş voltajı(v in ) ve giriş bobin akımı (i L ) sinyalleri Şekil 7.4. Yukarıdan aşağıya doğru: DDB yükü ayarlarında değişiklik ile kapalı- çevrim sisteminin; görev döngüsü oranı(d), çıkış voltajı(v o ), voltajı giriş (v in ) ve giriş bobin akımı (i L ) sinyali

14 xiv SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simge ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklama Hz A V Bir görüntünün 1 saniyede ekrandaki yinelenme Sayısı, Hertz Amper Volt Kısaltmalar AC ADCs A/D veya D/A API CPU CCM CRC DACs DC DDB DSP ECU FPGA Açıklama Alternatif Akım Analog/Dijital Dönüştürücüsü Analog/Digital veya Dijital/Analog Uygulama Programlama Arayüzü İşlemci, Ana İşlem Birimi Sürekli Akım Modu Veri Kontrol Sistemi Dijital/Analog Dönüştürücüsü Doğru Akım Döngüde Donanımsal Benzetim Sayısal Sinyal İşlemcisi Elektronik Kontrol Ünitesi Yeniden Programlanabilir Kapı Dizileri

15 xv FV GFD HDL ICE I/O LED MGNİ MVEM PC PDA PID PLC TCP/IP VPS Fotovoltaik Güç Faktörü Düzeltme Donanımsal Tanımlama Dili In-circuit emulator (Devre İçi Emulatör) Giriş/Çıkış Işık Yayan Diyot Maksimum Güç Nokta İzleyicisi Ortalama Değer Motor Modeli Kişisel Bilgisayar Avuç İçi Bilgisayarların Tümü Oransal-İntegral-Türev Programlanabilir Kontrol Cihazı İnternet Aktarım Protokolü Virtual Dedicated Server- Sanal Sunucu

16 1 1. GİRİŞ İlkel toplumlardan bu yana insan kendisinde varolan sonsuz merak duygusuyla, bulunduğu çevreyi keşfetme, değiştirme bilinciyle hareket etmiş ve bu bilinci adeta genetik bir şekilde içerisinde yaşadığı topluma, kendisinden sonraki kuşaklara aşılamayı başarmıştır. Değişim, bilimsel, sanatsal, toplumsal vs. her alanda yaşanmış ve gelişme, bu değişimin doğal bir sonucu olarak hızlanarak devam etmiştir. Tarımla birlikte yerleşik yaşama geçen insan elde ettiği bilgi ve deneyimi sanayi devrimiyle tümüyle harekete geçirmiş toplumsal gelişimde yepyeni bir sayfa daha açarak tek amacı olan var olmayı, var etme, keşfetme, geliştirme, üretme ve paylaşma, şeklinde genişletmiştir. Günümüz insanlığı bugüne dek taşıdığı deneyime, bilimsel gelişime, gün geçtikçe ivme kazanan değişime bağlı olarak kendisine bilgi toplumu demekte ürettiği teknolojilerle de bilgiyi kullanmakta ve geliştirmektedir. Bilgi toplumu denilen geçiş içerisinde, elektronik teknolojilerinde yaşanan gelişmeler ve şüphesiz bilgisayarın kullanımı ile gelişim hiç olmadığı şekilde hızlanmıştır. Bu teknoloji her geçen gün yepyeni tasarımların yapılmasına yeni yazılımların geliştirilmesine olanak vererek yaşamımızı kolaylaştırmaktadır. Günlük yaşam içerisinde farkına bile varılmayan birçok sistem yaşamı kontrol altına almış durumdadır. Genellikle gözden kaçan bu küçük ama önemli ayrıntılar, yaşamın daha sağlıklı, pratik ve kolay işlemesini sağlamaktadır. Elektronik ve bilgisayar teknolojilerindeki tüm bu gelişmeler hayatımıza yansırken gömülü sistemler kullanılmaktadır. Gömülü sistemler, birçok sistemden farklı özelliklere sahip, özel amaçlı olarak tasarlanmış ve zaman kullanımı ve verim açısından birçok avantaj sağlayan sistemlerdir [Barr, 2007]. Bu sistemlere örnek verilirse; Banka ATM leri

17 2 Eylemsiz rehber sistemleri, uçuş kontrol donanım/yazılımı ve uçak ve füzelerdeki diğer tümleşik sistemlerden oluşan havacılık elektroniği parçaları Cep telefonları Yönlendirici (router), zaman sunucusu ve güvenlik duvarı (firewall) gibi bilgisayar ağ ekipmanları Bilgisayar yazıcıları Fotokopi makineleri Disket sürücüler (floppy disket sürücüler ve sabit disk sürücüler) Termostat, klima ve güvenlik izleme sistemleri gibi ev otomasyonu ürünleri Hesap makineleri Mikrodalga fırınlar, çamaşır makineleri, televizyon setleri ve DVD oynatıcı/kaydedici gibi ev elektroniği ürünleri Tıbbi ekipmanlar Çok işlevli kol saatleri İnternet radyo alıcıları, TV alıcı kutuları ve sayısal uydu alıcılar gibi çoklu ortam uygulamaları Çok işlevli yazıcılar PDA lar (Personel Digital Assistant) gibi küçük avuç içi bilgisayarlar PDA ve Java destekli gelişmiş cep telefonları Endüstriyel otomasyon ve izleme için PLC'ler (Programmable Logic Controller) Video oyun konsolları ve avuç içi oyun konsolları Taşınabilir bilgisayarlar [Barr, 2007]. Gömülü sistem kavramı, bu kavramın tanımlamaları, gömülü sistemleri oluşturan bileşenler ve blok diyagramı, gömülü sistemlerin tarihi, gömülü sistemlerin özelliklerinden bahsedilecektir. Döngüde donanımsal benzetimin (DDB) oluşumunu açıklamak adına, DDB in kavram bazında; İçeriği,

18 3 Tanımı, Bileşenleri, Blok diyagramı, DDB örnekli, DDB in kullanım alanları, DDB in avantaj ve dezavantajlarına değinilecektir. DDB tekniği ve gerçek zamanlı gömülü sistemler, günümüzde bu sistemlerin yaşam alanı içerisinde her yerde mevcut olması ve varolan birçok sistemin belkemiğini oluşturması dolayısı ile büyük önem arz etmektedir. Gün geçtikçe değişen ve artan ihtiyaçlar DDB tekniği ve gerçek zamanlı gömülü sistemlere duyulan gereksinimi artırmakta bu alandaki teknolojik gelişmeleri hızlandırmaktadır. Bilgisayar teknolojilerinde yaşanan gelişme ve ihtiyaçları daha derinden anlatması açısından, döngüde donanımsal benzetim tekniği ve gerçek zamanlı gömülü sistemler gün geçtikçe daha da önemli olacaktır. Donanım içeren benzetim örnekleri verilip, güç dönüştürücüsünün benzetimi MATLAB/Simulink programı ile yazılarak gerçek sonuçlarla karşılaştırılacaktır.

19 4 2. GÖMÜLÜ SİSTEMLERE GENEL BAKIŞ 2.1. Gömülü Sistem Kavramı Günümüzde birçok sistem kurulmakta ve bu sistemler birbirinden farklı işletim sistemlerine sahip olmaktadırlar. Gömülü sistemlerin özelliklerine değinmeden önce, bu sistemlerin ne anlama geldiği ve muhteviyatı konusunda çeşitli açıklamalarda bulunmak, kavram karmaşasına engel olmaktadır. Gömülü sistem, bilgisayarın kendisini kontrol eden cihaz tarafından içerildiği özel amaçlı bir sistemden ibarettir. Gömülü bir sistem kendisi için önceden özel olarak tanımlanmış görevleri yerine getirmekte ve kişisel bilgisayarlardan biraz daha farklı olarak tasarlanmış sistemler olmaktadır. Gömülü sistem belirli bir amaca yönelik olduğu için tasarım mühendisleri ürünün boyutunu ve maliyetini azaltarak sistemi uygunlaştırabilmektedirler. Gömülü sistemler genellikle büyük miktarlarda üretilmektedirler. Bunun bir sonucu olarak da maliyetin düşürülmesinden elde edilecek kazanç, milyonlarca ürünün katları olarak elde edilebilmektedir [Barr, 1996]. Gömülü sistemler en geniş manasıyla bir bilgisayar sistemidir. Gömülü sistemleri tanımlamak adına çeşitli örneklemeler yapılırsa bazı örnekler karşımıza çıkmaktadır. Bunlar, taşınabilir müzik çalıcılardan uzay araçlarındaki alt sistemler için kullanılan gerçek zamanlı kontrol sistemlerine kadar uzanmaktadır. En ticari anlam taşıyan gömülü sistemler, düşük maliyette bir takım işleri gerçekleştirmek için tasarlanmaktadır. Hepsi olmamakla birlikte büyük çoğunluğunun gerçek zamanlı sistem kısıtlamalarını karşılaması gerekmektedir. Bazı fonksiyonlarının çok hızlı olması gerekebilirken, diğer pek çok fonksiyonunun kesin zamanlama gereksinimi olması gerekmemektedir. Bahsedilen sistemler, gerçek zaman kısıtlarını sistem gereksinimlerine bağlanmış özel amaçlı yazılım ve donanım kombinasyonları ile karşılamaktadırlar [Çizgi Tagem, 2012].

20 5 Farklı tanımlamalara göre gömülü sistem kavramını açıklamak, konuya farklı açılardan bakmak anlamına gelmektedir. Bir ana ya da bir alt sistem olarak, bir işlevin yerine getirilmesini sağlayan entegre sisteme Gömülü Sistem adı verilir. Bu görev daha çok mekanik bir eylemi gerçekleştirmeye yönelik olmakla birlikte mekanik olmayan unsurları da içermektedir [Kaya, 2008] Gömülü sistem tanımı Genel amaçlardan çok özel amaçlar için hazırlanmış, düşük işlemci gücüne, düşük maliyete ve düşük enerji tüketimine sahip olan sistemlere gömülü sistemler denir. Gömülü sistemler, belirli bir iş için özel olarak tasarlanmış sistemlerdir. Bu sistemler 3 kısımdan oluşur. Bunlar: Donanım kısmı, Mekanik kısmı, Yazılım kısmı olarak sıralanır [Barr, 1996]. Gömülü sistemleri diğer sistemlerden ayıran en önemli özellik, gömülü sistemlerin genel bir iş için değil de, özel bir işe tahsis edilmek üzere oluşturulmalarıdır. Gömülü sistemler, donanımsal bir işlemciye uygun yazılımın birleştirilmesi ile oluşturulan ve özel olarak tasarlanmış ve belirli bir işi yapmaya yönelik olarak hazırlanmış sistemlerdir [Balaji, 2002]. Gömülü sistemler genellikle günlük yaşantı içerisinde çok yaygın olarak kullanılır. Ancak bu sistemler çok fazla fark edilmemektedir. Gömülü sistem herhangi bir sistemin içinde yer alan ve o sisteme akıllılık özelliğini veren elektronik donanım ve yazılımdan oluşan bütünü ifade etmektedir. Burada sözü edilen yazılımlar,

21 6 bilgisayarımızdaki genel amaçlı yazılımlardan farklı olarak, kullanıcıyla direk değil dolaylı etkileşimde bulunan ve genellikle tek bir görevi yerine getiren yazılımlar. Bugün gömülü sistemler elektronik mühendisliğinin altında kendi başına bir dal haline gelmiştir. Dünyada birçok üniversitede yüksek lisans düzeyinde gömülü sistemler mühendisliği programları bulunmaktadır [Coşkun Taşdemir, 2012] Gömülü sistem blokları Gömülü sistem bloklarını incelemek, gömülü sistemin yapısını anlamak adına yapılmış bir faaliyettir. Bu sistemi şekil yardımı ile incelemek gerekmektedir. Şekil 2.1. Gömülü işlem bloğu [Ergin, 2007] Görüldüğü üzere, gömülü sistem bloğu olarak ifade edilen şekilde: İşlemci, Sistem saati, RAM, Flash bellek, Seri port sürücüleri, Reset kontrol, I/O kontrol gibi bloklar mevcuttur.

22 Gömülü sistemin tarihi gelişimi Kayda değer ilk gömülü sistem MIT Instrumentation Laboratory da(mit Enstrümantasyon Laboratuvarı) Charles Stark Draper tarafından geliştirilen Apollo Guidance Computer(Apollo Rehberlik Bilgisayarı) olmuştur. Aya yapılan yolculuklarda iki tane kullanılmış ve komuta modülü ve LEM in eylemsiz rehber sistemlerini çalıştırmıştır. Projenin başlangıcında Apollo rehber bilgisayarı Apollo projesinin en riskli parçası olarak kabul edilmiştir. O zamanki tek parçanın tümleşik kullanılması boyut ve ağırlığı azaltmış ama riski artırmıştı [Morgan ve ark., 1998]. İlk kitlesel gömülü sistem üretimi 1961 yılında Minuteman(yer altı) füzesi için yapılan Autonetics D-17 rehber bilgisayarı oldu. Ayrık transistor lojiğinden yapıldı ve ana bellek için bir harddiski vardı yılında Minuteman II üretime girdiğinde, D-17 ilk defa yüksek hacimli tümleşik devrelerin kullanıldığı yeni bir bilgisayara yerini bıraktı. Bu yazılım dörtlü NAND kapılı IC lerin birim fiyatını 1000$ dan 3$ a çekti ve ticari kullanımlarının yolunu açtı. Minuteman bilgisayarının önemli tasarım özellikleri, füzenin hedefi daha hassas bulabilmesi için rehber algoritmasının yeniden programlanabilir olması ve bilgisayarın kablo ve konektörden tasarruf sağlayarak füzeyi test edebilmesidir [Jackson, 2012]. Resim 2.1. İlk gömülü sistem Gömülü sistemin özellikleri Gömülü sistemlerden bahsederken, bu sistemleri geniş bir bilgisayar sistemi olarak tanımlamak mümkündür. Gömülü sistemlere verilecek örnekler arasında taşınabilir

23 8 müzik çalıcılar gibi basit işlemciler yanında uzay araçlarındaki alt sistemler için kullanılan gerçek zamanlı kontrol sistemleri de sayılabilir. En ticari gömülü sistemlere baktığımızda düşük maliyette bir takım işleri gerçekleştirmek için tasarlandıkları görülür. Hepsi olmamakla birlikte büyük çoğunluğunun gerçek zamanlı sistem kısıtlamalarını karşılaması gerekmektedir. Hız bakımından bazı gömülü sistemler kesin zamanlama gereksinimine ihtiyaç duymaz. Bahsedilen bu sistemler, özel amaçlı yazılım ve donanım kombinasyonlarına bağlı olarak ve gerçek zamanlı olarak ayarlanmış sistemlerdir. Gömülü sistemlerde yüksek hacimli sistemleri oluşturmak temel hedef iken, maliyeti düşük sistemler de oluşturulmalıdır. Gömülü sistemler genellikle düşük performansa gereksinim duyarlar. Bu sistem donanımı, maliyeti düşürmek için basitleştirme olanağı tanır. Mühendisler gerekli fonksiyonları sağlayabilmek için yeteri kadar iyi olan donanımları seçmek durumundadırlar. Bazı örnekler verilirse uydu televizyon için dijital kutunun saniyede onlarca mega bit veri işlemesi gerekir ama bu işlemlerin büyük bölümü çok kanallı dijital videoyu ayrıştıran, yönlendiren ve çözen özel tümleşik devreler tarafından gerçekleştirilmektedir. Gömülü CPU bu işlemi kurmakta ve kutunun kullanıcı arayüzü gibi görsel öğelerini ekrana yazdırmaktadır. Gömülü işlemcilerin hızları artmaktadır ve fiyatları ucuzlamaktadır. Bunun ardılında ise yüksek hızlı veri işlemede öncülüğü daha fazla ele almaktadırlar [Çizgi Tagem, 2012]. Daha önce de değinildiği üzere, gömülü sistemler özel işlemleri yapmak üzere hazırlanmış ve belirli bir zaman kıstasına göre ayarlanmış sistemlerdir. İnsanlar çevrelerinde gömülü sistemlerle kurulmuş aletlere rastlasa da, çoğu zaman onların farkına varmamaktadır. Yaşamımızın tamamen içerisine yerleşmiş gömülü sistemler hakkında çok daha fazla ayrıntılı bilgi verilmekte ve sistemlerin çalışma esaslarına değinmek konunun bütünlüğü açısından anlam taşımaktadır.

24 9 Düşük hacimli gömülü sistemler için kişisel bilgisayarlar, programları sınırlayarak ya da işletim sistemini gerçek zamanlı işletim sistemiyle değiştirerek kullanılabilir. Bu durumda özel amaçlı donanım bir ya da daha fazla yüksek performanslı CPU ile değiştirilebilir. Bazı gömülü sistemler istenen görevleri yerine getirmek için, yüksek performanslı CPU, özel donanım ya da büyük belleklere ihtiyaç duyabilir. Taşınabilir müzik çalıcılar ve cep telefonları gibi büyük hacimli gömülü sistemlerde, maliyeti düşürme yönünde yapılan çalışmalar öncelik kazanır. Bu sistemler genellikle birkaç tümleşik devre, bütün fonksiyonları kontrol eden tümleşik CPU ve tek bir bellek çipi içerirler. Bu tasarımlarda her bir eleman bütün sistem maliyetini düşürecek şekilde seçilir ve tasarımları bu şart altında yapılır. Bir disk sürücüsü olmayan gömülü sistemler için yapılan yazılıma firmware adı verilir. Firmware yazılımları cihazın içinde gömülü olarak bulunur, örneğin; bir ya da daha fazla ROM (sadece okunabilir bellek) ya da flash bellek (taşınabilir veri depolama aracı) IC tümleşik devreleri içinde. Gömülü sistemlerdeki programlar genellikle pek çok donanım kaynağından mahrum bir şekilde çalışırlar. Genellikle bu tip sistemlerde disket sürücü, işletim sistemi, klavye ya da ekran yoktur. Eğer bir kullanıcı arayüzü var ise küçük bir klavye ya da likid kristal bir ekran gerekebilir [Çizgi Tagem, 2012] Gömülü İşletim Sistemleri Gömülü işletim sistemine geçmeden önce, gömülü sistemlere bazı örnekler verilebilir. Örneğin: Atm cihazları Otomatik para çekme makineleri Cep telefonları Network ekipmanları Yönlendirici, Güvenlik duvarı, Bilgisayar yazıcıları Disk sürücüler

25 10 Motor denetleyici ABS sistemleri (kilitlenmeyen fren sistemi) Ev otomasyonu ürünleri Termostat, Klima, Güvenlik sistemleri, Elektronik ev eşyaları Mikrodalga fırın, Çamaşır makinesi, TV, DVD player, Savunma sistemleri, uçaklarda ve füzelerde kullanılan uçuş kontrol sistemleri Medikal ekipmanlar Ölçüm sistemleri Osiloskop, Spektrum analizörü, Enerji analizörü, Endüstriyel otomasyon ve izleme sistemlerindeki PC'ler Playstation oyun konsolları [Ergin, 2007]. Gömülü işletim sistemlerinde şu anekdotlar dikkat çeker. Gömülü sistemlerin tasarımlarında kullanılan mikroişlemciler ya da mikro denetleyicilerin çalışabilmeleri için sistem tasarımlarında başlangıç kodu bulunmaktadır. Bu kod, bütün kesmeleri devre dışı bırakmakta, sistemi kontrol etmekte, uygulamayı başlatmaktadır. Ayrıca, yazılım sürecinde ise kullanıcıya işaret veren çeşitli denetlemeler kullanılabilmektedir. Sistem çok kapsamlı olmadığı takdirde yaygın olarak LED ler kullanılmaktadır [Wecott, 2006]. Gömülü sistemleri genel sistemlerden ayıran özellikler: Kısıtlı sistem kaynakları,

26 11 Gerçek zamanlılık, Çok değişken uygulama gereksinimleri [Wecott, 2006] olarak kısaca sıralamak mümkündür. Mikroişlemciler dendiği zaman akla bilgisayarlar gelmektedir. Sebep mikroişlemcilerin, bilgisayarların beyni olmasıdır. İlginç olan, bilgisayarlardaki mikroişlemcilerin sayısı şu anda dünyada olan mikroişlemcilerin yüzde 2'si kadarını kapsamaktadır. Mikroişlemcilerin geriye kalan yüzde 98'inin kullanıldığı yerler, mikroişlemciler dendiğinde akla hiç gelmeyen yerlerde ya da sistemlerde gizlenmişlerdir. Dünyada bir yılda yaklaşık 5 milyar mikroişlemci piyasaya sürülmektedir. Bu sistemlerin bir kısmı fabrikalardaki makinelerdedir, diğer bir kısmı ise her gün kullanılan araçların içerisindedir [Çizgi Tagem, 2012]. Araçların her biri kendi başına bir sistem olmasına rağmen, bu araçlar birçok sistemin bileşimi olarak da düşünülebilir. Örneğin, bir araba sisteminde motor sistemi, fren sistemi, vs gibi birçok alt sistem mevcuttur. Her bir alt sistem, kendi içinde daha da küçük sistemlere bölünebilir. Konuya alt sistem açısından bakılırsa, her bir sistem daha büyük bir sistemin içerisine yerleştirilmiştir ya da gömülmüştür. Böyle sistemlere "gömülü sistemler" denilmektedir. Örnek olarak, bir arabanın fren sistemi bir gömülü sistemdir çünkü araba sisteminin içine gömülmüştür. Günümüzde gömülü sistemlerden daha akıllı olması gerekenleri mikroişlemciler ile kontrol etme eğilimi çok yaygındır ve büyük bir hızla da yayılmaktadır. Bu eğilimi görmenin en kolay yolu yukarıda da belirtildiği gibi mikroişlemcilerin bilgisayar dışında kullanıldığı sistemlere bakmaktır. Bu sistemlerin çoğu gömülü sistemlerdir [Daşdan, 2000]. Gömülü sistemlerin mikroişlemci kullananları hem donanım hem de yazılım içerirler. Mikroişlemciler ve onun bağlı olduğu bütün elektrik, elektronik, mekanik, vs. alt sistemler donanımı oluştururlar. Yazılım ise sistemin hafızasında saklanır. Mikroişlemci hafızadan yazılımı okur, ne demek istediğini anlar ve çalıştırır. Bir gömülü sistemin kullandığı mikroişlemcilerin sayısı genelde bu sistemin

27 12 karmaşıklığı ya da sahip olduğu alt sistemlerin sayısı ile doğru orantılı olarak artar. Gömülü sistemlerin bir tane mikroişlemci kullananları da vardır [Daşdan, 2000]. Gömülü işletim sistemlerini bazı başlıklar altında toplamak mümkündür. Bunlar: Ecos FreeRTOS Gömülü Linux JavaOS LynxOS Mobilinux NucleusRTOS PalmOS Prex VxWork Windows XP Embedded. Yukarıda isimleri verilen işletim sistemlerinin her biri farklı işlevleri yerine getirmek amacıyla geliştirilmiş sistemlerdir [Kaya, 2008]. Özellikle donanım teknolojisindeki hızlı gelişmelerle birlikte, özellikli işletim sistemleri sayesinde aktif hale gelen akıllı cihazlarla sıklıkla karşılaşılmaktadır. Gömülü aygıtlar (Embedded Devices) olarak adlandırılan bu sistemler yaptıkları işin kapsamına göre özelleştirilmiş işletim sistemleri kullanmaya gereksinim duymaktadırlar. Bu türden aygıtlar için geliştirilen özel işletim sistemleri pazarı günümüzde büyük bir gelişmeyle karşı karşıyadır. Bu yenilik kısaca Linux olarak isimlendirilmektedir. Gömülü sistemlerde kullanılmak üzere geliştirilmiş pek çok ticari ve ticari olmayan işletim sistemi bulunmakla birlikte standartları oturmuş, hâlihazırda onbinlerce uygulamayı barındıran komple bir işletim sistemi olarak Linux'un yakın gelecekte bu pazarda çok yoğun bir şekilde kullanılacağı düşünülmektedir. Bu alanda Linux İşletim Sistemi Linus Torvalds tarafından 1991 yılında ilk tanıtıldığında ancak bir işletim sisteminden beklenen en temel özellikleri yerine getirebiliyor ve sadece Intel-x86 mimarisinde çalışıyordu.

28 yılında ise Linux çok sayıda mimariye taşınmış ve kaynak kodunun büyüklüğü yüksek boyutlara ulaşmıştır. Modüler ve güçlü yapısı, özelleştirilmeye uygunluğu ve kaynak kodunun açık olması gibi özellikleriyle Linux, gömülü işletim sistemleri pazarında da giderek artan bir yoğunlukla kullanılmaya başlanmıştır. Yapılan tahminler ve piyasa araştırmaları sonuçları çok yakın gelecekte gömülü işletim sistemleri pazarına hitap eden ürünlerin büyük oranda Linux tabanlı olacağı yönündedir [Tatlıdil, 2006] Gömülü Sistemlerin Tasarımı ve Gömülü Yazılım Örnekleri Gömülü sistem tasarımı denilince akla iki madde gelmektedir. Bunlar: Donanım, Yazılım olarak iki parçadan oluşmaktadır Gömülü sistem tasarımı Gömülü sistemlerde tasarım aşaması büyük önem taşımaktadır. Bunun nedeni ise, gömülü sistem tasarımları gerçekleştirilirken, en az kaynak ve en hızlı çözümler üretilmek istenmesidir. Bu isteklerin isabetli bir biçimde gerçekleştirilebilmeleri için de iyi bir sistem tasarımına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu gömülü sistem tasarımında nelere dikkat edilmektedir? Bunlar maddeler halinde sıralanacak olunduğunda: Ön tasarım, İşletim sistemi tasarımı, Kod eniyilemesi, Giriş ve çıkış ünitelerinin etkin kullanımı, Test aşamasından oluşmaktadır. Kısaca gömülü sistemlerde ön tasarımdan bahsedilecek olunduğunda, tasarımın ön probleminin, tasarımın donanımsal mı yoksa yazılımsal mı gerçekleme ile yapılacağı

29 14 konusu olduğu görülmektedir. Öncelikle bu iki sistemden birisine karar vermek gerekmektedir. Örneğin yazılımsal gerçekleme işlemi donanımsal gerçekleme işleminden kala kolay ve daha esnek bir yapıya sahip bulunmaktadır. Donanımsal gerçekleme ise yazılımsal gerçeklemeden daha hızlı olmaktadır. Fakat bunun yanında maliyet ve alan açısından daha kısıtlı bir alana sahip olduğu görülmektedir [Dreamtech Software Team, 2002]. Ön tasarım problemlerinden bir diğeri ise, TCP/IP (internet aktarım protokolü) yığınının gerçeklenmesi olarak ifade edilmektedir. TCP/IP yığını, gömülü sistemlerin ağa bağlı olarak kullanılması istendiği zaman kullanılmaktadır [Dreamtech Software Team, 2002]. Gömülü sistem tasarımcıları, bilgisayar programcıları gibi derleyici, çevirici ve hata ayıklayıcı gibi araçları gömülü sistem geliştirmekte kullanmaktadırlar. Bununla birlikte, pek çok programcıya yabancı gelebilecek bir takım araçlarda geliştirme sürecinde kullanılmaktadır. Yazılım araçları birkaç kaynaktan elde edilebilmektedir. Bunlar: Gömülü pazarda uzmanlaşmış yazılım şirketleri, GNU yazılım geliştirme araçlarından çalışılacak ortama taşınarak, Bazen de işlemci mimarisi kullanılacak gömülü işlemci mimarisine yakın olan kişisel bilgisayarlarda kullanılan yazılımlardan faydalanılabilmektedirler. Bilgisayar programcılarının tercih etmediği ve bunun yanında gömülü sistem tasarımcıları tarafından kullanılan birkaç yazılım aracı bulunmaktadır. Bunlar ise: Sıklıkla kullanılan bir araç in-circuit emulator, (ICE) daha modern tasarımlarda ise gömülü bir hata ayıklayıcı. Bu hata ayıklama aracı gömülü kod geliştirmede kullanılan temel yapılardan biri olmaktadır. Mikroişlemciye yapılan bağlantı ile sistemde geliştirilen kodların çabuk ve hızlı bir şekilde yüklenmesini ve ayıklanmasını sağlamaktadır.

30 15 Gömülü bağlayıcıların (linker) kodun boyutunu ufaltmak ve çalışma zamanını azaltmak için pek çok optimizasyon özellikleri bulunduğu görülmektedir. Bunlara ek olarak veri bindirmeleri ve banka anahtarlamaları gibi optimizasyon teknikleri de sağlayabilmektedirler. Kullanılan bir diğer araç ise gömülü uygulamaya bir veri kontrol sistemi (CRC) yazılımı eklenmesi sonucunda oluşan gömülü sistem yazılım verisini çalıştırmadan önce kontrol edebilmektedir [Kaya, 2008]. Bunların dışında kullanılan bazı programlama dilleri kullanıcıya gömülü sistemler tasarlamak amacıyla çeşitli kolaylıklar sağlamaktadır. C dili için: İsimlendirilmiş adres alanları İsimlendirilmiş depolama sınıfları Temel I/O donanım adresleme [Massa ve Barr, 2006]. İşletim sistemi tasarımından bahsedilecek olunduğunda ise, uygulama yazılımları ön plana çıkmaktadır. Bu uygulama yazılımları kullanıcı arayüzlerine gereksinim duymaktadırlar. Kısaca kullanıcı arayüzlerine değinildiğinde ise bazı anekdotlar dikkat çekmektedir. Bunlar: PARC, Apple Computer, Boeing ve HP de bulunan arayüz tasarımcıları, kullanıcı eylemlerinin tipinin sayısının azaltılması gerektiği ilkesini keşfetmişlerdir. Gömülü sistemlerde bu ilke daha düşük maliyetlere yönelik çalışmalarla birleştirilmektedir [Massa ve Barr, 2006]. Gömülü sistemlerde yaygın olarak kullanılan standart bir arayüz iki tuştan oluşmaktadır; Bunlardan biri menü sistemini kontrol etmek için, Diğeri ise istenilen seçimi gerçekleştirmek için kullanılmaktadır.

31 16 Menüler kendilerini belgeleyebildikleri ve çok basit kullanıcı eylemleri ile seçilebildikleri için oldukça popüler olmaktadırlar [Massa ve Barr, 2006]. Bir diğer yöntem ise çıktı tipini ufaltmak ve basitleştirmektir. Tasarım bazı durumlarda her bir arayüz çıkışı ya da sistem hatasını bilgilendirmek amacı ile ışık veren LED içermektedir. Ucuz bir seçenek olması açısından üzerine kullanıcının yerel dilini içeren hata çıkıntılarını gösteren baskılı matris etiketleri yapıştırılmış ışık barları kullanmaktır. Örneğin, pek çok küçük bilgisayar yazıcısı üzerinde herhangi bir dilde yazılar olan etiketlerle etiketlenmiş ışıklar kullanmaktadır. Bazı marketlerde bu tip ürünler müşterinin seçeceği dilde hazırlanmış etiketlerle satışa sunulmaktadır. Kullanılan bir başka yöntem ise mod ların kullanıcı ekranında açıkça görünür hale getirilmesi şeklinde ortaya çıkmaktadır. Eğer bir arayüzün modları varsa, her zaman bir yöntemle ya da arayüzün kendisi tarafından otomatik olarak tersine çevrilebilmektedir. Örneğin, Boeing in standart test arayüzü bir düğme ve birkaç ışıktan oluşmaktadır. Düğmeye basıldığı zaman ışıklar yanmakta ve bırakılması ile birlikte hata mesajı veren ışıklar devreye girmektedir. Kullanılan etiketler yalın bir İngilizce ile hazırlanmış olmaktadır. Tasarımcılar sıklıkla farklı renkleri kullanmaktadırlar Kırmızı tehlike anlamına gelmekte ya da tüm sistemi etkileyecek bir hatanın varlığını belirtmektedir Sarı bir takım problemlerin olduğunu belirtmekte Yeşil ise sistem durumunda herhangi bir aksaklık olmadığını ifade etmektedir. Seçilen renkler birçok insanın anlaması açısından trafik işaretlerindeki renkler olarak belirlenmektedir. Eğer yapılan tasarım bir ekran gerektiriyorsa tasarımcılar genelde düz metin kullanımını tercih etmektedirler. Eğer ürün görsel eğlence öğeleri üzerinde kurulmuş bir tasarımdan ibaret ise,

32 17 Görselliği zengin metinler, Resimler, Menüler, ürün için tercih edilmelidir [Massa ve Barr, 2006]. Gömülü sistemlerde kod eniyilemesi zorunlu olmaktadır. Bunun nedeni ise, gömülü sistemlerdeki kaynak kısıtlarından başka bir şey olmamasıdır. Gömülü sistemlerde sınırlı giriş çıkış sağlanmak sureti ile etkin kullanım hedeflenmektedir. Bunun yanı sıra, gömülü sistemlerin çoğunda veri girişi, 8 veya 12 düğmeli klavyeler aracılığı ile sağlanmaktadır. Gömülü sistemlerde test aşamasına gelindiğinde ise, test aşamasının en son yapılan işlem olduğu görülmektedir. Bu işlem, kodların sisteme yüklenmeden önce yardımcı uygulama yazılımları yardımı ile gerçekleştirilmektedir. Buradaki temel amaç ise, zamandan tasarruf etmek ve hatalı kod yazımını en az düzeye indirgeyebilmek olmaktadır [Massa ve Barr, 2006]. Yapılan tüm bu açıklamaların ardından mikroişlemci ve mikrodenetleyicisi kavramlarına değinmek, konunun bütünlüğü açısından büyük önem taşımaktadır Mikroişlemci Mikroişlemci, işlemci ana işlem biriminin (CPU) fonksiyonlarını tek bir yarı iletken ile tüm devrede (IC) birleştiren programlanabilir bir sayısal elektronik bileşen olarak kabul edilmektedir. Mikroişlemci, ana işlem birimindeki kelime boyutunun 32 bit ten 4 bit e düşürülmesiyle doğmuş olmaktadır. Bunun sonucunda ise, ana işlem biriminin mantıksal devrelerinin transistörleri tek bir parçaya sığdırılabilmiş olmaktadır. Bir veya daha çok sayıda mikroişlemci, klasik olarak bir bilgisayar sisteminde, gömülü sistemde ya da bir mobil cihazda ana işlem birimi olarak görev yapmaktadır [Kant, 2007].

33 18 Mikroişlemcilere 1970 lerin ortalarından itibaren bakıldığında mikrobilgisayarların doğuşunu hazırladıkları görülmektedir. Bundan önce, tipik olarak elektronik ana işlem birimleri, sadece birkaç transistöre eşdeğer ve büyük, ayrık anahtarlama (switching) aygıtları (daha sonra small-scale tüm devreler) kullanılarak yapılmaktaydı. İşlemciyi, bir ya da birkaç large-scale tüm devre (binlerce veya milyonlarca ayrık transistörün eşdeğeri) içine gömmekle işlemci gücü fiyatı büyük ölçüde düşürüldüğü görülmektedir lerin ortalarında tüm devrelerin doğuşuyla mikroişlemci, diğer bütün türleri değiştirmekte, ana işlem biriminin yapımında en yaygın yol olmaktadır [Moore, 2009]. Performansın yıllar boyu sürekli artışı söz konusu olunca, mikroişlemcilerin evrimi Moore Kanunu na uymaktadır. Bu kanun bir tüm devrenin karmaşıklığının, en düşük bileşen maliyetine göre her 24 ayda iki katına çıktığını söylemektedir. Bu görüşün doğruluğu 1970 lerin başından beri kanıtlanmış bulunmaktadır. Hesap makineleri için sürücü olarak başladıkları yolculukta, güçlerindeki sürekli artış, mikroişlemcilerin diğer bilgisayar biçimleri arasında dominant olmasını sağlamıştır. Günümüzde, en büyük ana bilgisayarlardan, en küçük el bilgisayarlarına kadar her sistem çekirdeğinde mikroişlemci kullanıldığı görülmektedir [Moore, 2009]. Mikroişlemciler bilgisayar programlarının yapmak istediği tüm işlemleri yerine getirmektedirler. Çoğu zaman merkezi işlem ünitesi (CPU, Central Processing Unit) olarak da adlandırılmaktadırlar. PC adı verilen kişisel bilgisayarlarda kullanıldığı gibi, bilgisayarla kontrol edilen sanayi tezgahlarında ve ev aygıtlarında da kullanılabilmektedir. Bir mikroişlemci, işlevini yerine getirebilmesi için aşağıdaki yardımcı elemanlara ihtiyaç duymaktadır [MEGEP, 2009]. Bunlar: 1. Giriş (Input) ünitesi. 2. Çıkış (Output) ünitesi. 3. Bellek (Memory) ünitesi. Bu üniteler CPU tümleşik devresinin dışında, bilgisayarın ana kartı üzerinde bir yerde farklı tümleşik devrelerden veya elektronik elemanlardan oluşmaktadır. Aralarındaki iletişimi ise:

34 19 Veri yolu (Data bus), Adres yolu (Address bus) denilen iletim hatları yapmaktadır. Şekil 2.2. Mikroişlemci sisteminin temel bileşenlerinin blok diyagramı Mikroişlemci, elektronik alanındaki en önemli buluşlardan biri olmaktadır. Mikroişlemci "akıllı" bir elektronik birim olarak kabul edilmektedir. Çok küçük ve çok ince bir silisyum tümleşik devresinin üzerinde oluşturulmuş binlerce elektronik devre ve transistörden oluşmaktadır [MEGEP, 2009]. Mikroişlemcilerin komutları ve aldığı başka bilgileri saklamak için bir belleği bulunmaktadır. Ayrıca çeşitli görevleri yerine getirmek üzere programlanabilmekte ve gerektiğinde kendisini düzeltebilmektedir. Örneğin; Bir dizi trafik ışığını, gün içindeki değişik trafik koşullarını hesaba katarak denetim altında tutabilmektedir. Bir montaj hattındaki robotları da denetleyebilmektedir. Mikroişlemciler birçok sistem içerisinde bulunmaktadırlar. Örneğin; Hesap makinelerinde, Ev bilgisayarlarında, Otomobillerde, Yazar kasalarda, Televizyon alıcılarında, Seyir donanımlarında kullanılmaktadır.

35 20 Ayrıca; Fabrikalarda, Laboratuarlarda, Daha önce insan eliyle yapılan sıradan ve can sıkıcı işler, bugün mikroişlemcilerce gerçekleştirilmektedir [Temel Britannica, 1992]. Mikroişlemcilerin tanımı, bileşenleri, işlevleri ve blok diyagramının anlatılmasının ardından, mikrodenetleyicilere de değinmek gerekmektedir Mikrodenetleyici Mikrodenetleyici programlanabilme, bir programı içerisinde depolayıp daha sonra çalıştırabilme özelliklerine sahip tek bir tümleşik devreden oluşan bilgisayar olarak işlev görmektedir. Bu özelliği, mikrodenetleyicileri mikroişlemcilerden ayıran bir özellik olarak kabul edilmektedir. Mikrodenetleyicilerde; CPU ( Central Process Unit ), RAM ( Random Access Memory ) ROM ( Read Only Memory ), İnput - output ( giriş - çıkış I/O ) uçları, Seri ve parelel portlar, Sayıcılar (counter) ve bazı mikrodenetleyicilerde de Analog'dan Digital'e (A/D) ya da Digital'den Analog'a (D/A) dönüştürücüler bulunmaktadır. Mikroişlemciler kullanılarak oluşturulan sistemlerde ise bu özelliklerin her biri için ayrı mikroişlemci kullanılmaktadır [Robotik Sistem, 2012]. Basit bir şekil yardımı ile mikrodenetleyici sisteminin temel bileşenlerinin blok diyagramına değinilmesi, mikrodenetleyicilerin yapılarının daha iyi anlaşılması açısından önem taşımaktadır.

36 21 Şekil 2.3. Mikrodenetleyici sisteminin temel bileşenlerinin blok diyagramı Bir bilgisayar içerisinde bulunması gereken temel bileşenlerden RAM, I/O ünitesinin tek bir tümleşik devre içerisinde üretilmiş biçimine mikrodenetleyici denilmektedir. Bilgisayar teknolojisi gerektiren uygulamalarda kullanılmak üzere tasarlanmış olan mikrodenetleyiciler, mikroişlemcilere göre çok daha basit ve ucuz olmaktadırlar [MEGEP, 2009]. Günümüzde ki mikrodenetleyici uygulamalar; Otomobillerde, Kameralarda, Cep telefonlarında, Fax-modem cihazlarında, Fotokopi, Radyo, TV, Bazı oyuncaklar gibi sayılamayacak kadar pek çok alanda kullanılmaktadır. Günümüzde kullanılan mikrodenetleyiciler birçok yarı iletken tümleşik devre üreticisi tarafından üretilmektedir. Her firma ürettiği tümleşik devreye farklı isimler vermektedir.

37 22 Mikroişlemcili sistemlerde bazı birimler bulunmaktadır. Bunlar: CPU, RAM, I/O, Bu ünitelerin arasındaki veri alış verişini kurmak için veri yolu, adres yolu ve kontrol yolları gerekmektedir [Ball, 2002]. Mikrodenetleyici ile kontrol edilecek sistemde ise yukarıda sayılan birimlerin yerine geçecek tek bir mikrodenetleyici ve bir de devre kartı kullanmak yeterli olmaktadır. Tek mikrodenetleyici kullanarak elektronik çözümler üretmenin maliyetinin daha düşük olacağı bir gerçek olmaktadır. Ayrıca da kullanım ve programlama kolaylığı da ikinci bir avantaj olmaktadır. Bu nedenlerden dolayı son zamanlarda bilgisayar kontrolü gerektiren elektronik uygulamalarda mikrodenetleyici kullanmaya eğilimin artmasının haklılığını ortaya koyulmuş bulunmaktadır. Şekil 2.4. Mikrodenetleyici yapısı

38 23 Tüm bunların yanı sıra, mikrodenetleyiciler ile mikroişlemciler arasında bazı farklar bulunmaktadır. Bunlar kısaca sıralanacak olunduğu takdirde bazı anekdotlar dikkat çekmektedir. Mikrodenetleyicilerin mikroişlemcilere tercih edilme sebepleri: Karmaşıklığı azaltmaları, Baskılı devre gerektirmemeleri, Maliyeti düşürmeleri, Düşük güç tüketimine sahip olmaları, Az yer kaplamaları, Pratik kullanıma sahip olmaları, Uygulama geliştirme konusunda kolaylıklara sahip olmaları [MEGEP, 2009] Gömülü sistemlerde tasarım çeşitleri Gömülü sistemlerde çeşitli tasarım türleri bulunmaktadır. Bu tasarım çeşitleri iki başlık altında sıralanabilmektedir. Bunlar: Zincirlemeli çoklu görev, Kontrol döngüleri şeklinde olmaktadır [Kaya, 2008]. Zincirlemeli çoklu görev : Yazılım mimarisinin bu tekniği, kontrol döngüsü tekniğine çok benzemektedir. Tek fark döngünün bir API içinde saklı olmasından kaynak bulmaktadır. Görev dizileri tanımlanmakta ve her bir görev kendisine ait olan alt rutin yığınını almakta, sonrasında bir görev boşta iken özel bir alt prosedür rutinini çağırmaktadır. Bu mimaride bir olay kuyruğu bulunmaktadır. Bir döngü bu olayları işi bitince kaldırmakta ve gerekli olan alt rutinleri çağırmaktadır. Avantaj ve dezavantajları kontrol döngüsü yöntemlerine benzemektedir. Ancak sisteme yeni bir yazılım eklemek daha kolay kabul edilmektedir. Bu teknikte döngü bir yazılım programlama arayüzü (Application Process Interface, API) içinde saklı olmaktadır. Görev dizileri tanımlanmakta ve her bir görev

39 24 kendisine ait olan alt rutin yığınını almaktadır. Sonrasında bir görev boşta durumdayken, özel bir alt yönerge olan idle rutinini çağırmaktadır. Zincirleme çoklu görev mimarisinde bir olay zinciri bulunmaktadır. Bir döngü bu olayları işi bitince kaldırmakta ve gerekli olan alt rutinleri çağırmaktadır. Avantaj ve dezavantajları kontrol döngüsü yöntemininkilere benzer bir şekilde işlemektedir ancak sisteme yeni bir yazılım eklemek daha kolay olmaktadır [Kaya, 2008]. Kontrol döngüleri : Yazılım mimarilerinin bu türden tasarım metodunda yazılımın basit bir döngüsü bulunduğu görülmektedir. Bu döngü ilişkili alt rutinleri çağırmaktadır. Her bir alt tanılama yazılımın veya donanımın bir parçasını yönetmektedir. Kesmeler, yazılımın kalan kısmı tarafından okunan sayaçları veya bayrak değişkenlerini değiştirmektedirler. Basit bir yazılım programlama arayüzü, kesmeleri aktif veya pasif yapmakta, iç içe geçmiş alt tanılamalara çağrı yapmakta ve dıştakine geri dönmektedir. Bunlar basit bir çekirdek oluşturmanın temel adımları olmaktadır. Zamanlayıcılarda ise belirli periyotlarda tetiklenen kesmeler bulunmaktadır [Kaya, 2008].

40 25 3. GERÇEK ZAMANLI GÖMÜLÜ SİSTEM KAVRAMI, GENEL YAPISI VE UYGULAMA ALANLARI 3.1. Gerçek Zamanlı Gömülü Sistem Kavramı Bir sistem içerisine verilen girdinin sonucunda oluşan çıkma zamanının çıktının kendisi kadar önem taşıdığı sistemlere gerçek zamanlı (real-time) sistemler ismi verilmektedir [Agrawall ve Bhatt, 2001]. Gerçek zamanlı bir sistemde oluşturulan çıktının fiziksel ortamda yaratılan tepki ile hem doğruluk hem de oluşum zamanı açısından tutarlı olması gerekmektedir. Bunun nedeni ise, gerçek zamanlı sistemlerde her bir girdinin gerçek hayatta bir olay ile eşleşmesinden kaynak bulmaktadır. Eğer sistem, gecikmiş bir çıktı ile karşı karşıya ise gerçek zamanlı sistemlerde hatalı bir çıktı söz konusu olmuş demektir. Gerçek zamanlı işletim sistemi, gerçek zamanlı uygulamaları çalıştırmayı amaçlayan çok görevli bir işletim sisteminden ibaret olmaktadır. Gerçek zamanlı işletim sistemleri genellikle özel zamanlama allogaritmalarında kullanılmaktadır. Böylece doğanın en belirlenimci davranışını elde edebilmek mümkün olmaktadır. Gerçek zamanlı işletim sistemlerinin ana teması olaylara hızlı ve tahmin edilebilir bir tepki vermesi şeklinde tanımlanabilmektedir. Ayrıca gerçek zamanlı işletim sistemlerinde olay güdümlü veya zaman paylaşımlı bir tasarım bulunmaktadır. Öncelikli olarak görevleri arasında bir olaya dayalı sistem anahtarları, zaman paylaşımlı işletim sistemlerinin saat kesmelerine dayalı görevlere geçiş yapmaktadır [Dalmaz, 2009] Gerçek zamanlı gömülü sistemin genel yapısı Gerçek zamanlı sistemler, girdilere hemen cevap verebilen sistemler olmaktadırlar. Adından da anlaşıldığı üzere, gerçek zamanlı sistemlerde zaman kısıtı önemli olmaktadır. Ayrıca diğer sistemlerden farklı olarak zaman, bu sistemler için önemli bir ölçüm birimi sayılmaktadır [Dalmaz, 2009].

41 26 Gerçek zamanlı sistemler, kesmeler olmaksızın istikrarlı davranışlar sergileyebilen sistemlerdir. Genel amaçlı kullanılan işletim sistemleri gerçek zamanlı sistemler değildirler çünkü genel amaçlı sistemler, kesmelere karşı daha kararsız oldukları için reaksiyon gösterebilmeleri için fazlaca zaman geçmektedir. Bunun yanı sıra gerçek zamanlı sistemler, gerçek yaşamda meydana gelen olayları anında simule eden sistemler olduğu içinde gerçek zamanlı sistemler adını almışlardır [Dalmaz, 2009]. Gerçek zamanlı sistemler iki şekilde sınıflandırılmaktadır: Katı gerçek zamanlı sistemler (Hard real-time systems), Esnek gerçek zamanlı sistemler (Soft real-time systems). Bu sistemlerden bahsedilecek olunduğunda: Katı gerçek zamanlı sistemlerde zaman sınırlamaları kaçınılmaz olmaktadır ve hatalar ölümcül olabilmektedir. Esnek gerçek zamanlı sistemlerde ise zaman sınırlaması bazen kabul edilebilmektedir ve bu sistem performansında düşüş meydana getirmektedir. Gerçek zamanlı işletim sistemleri; Gömülü sistemler, Endüstriyel robotlar, Uçak, Roket gibi havada uçan platformlar, Endüstriyel kontrol ve bilimsel araştırma ekipmanları gibi gerçek zamanlı sistemler için geliştirilmiş çok görevli bir işletim sistemi olmaktadırlar [Dalmaz, 2009]. Gerçek zaman uygulamasını işletim sistemlerinde, kaynakları gerçek zamanlı olarak yönetme ve kullanma mantığı görülebilmektedir. Komple gerçek zamanlı olarak

42 27 geliştirilmiş işletim sistemi olmamasına karşın ilk olarak IBM firmasının Amerikan Hava Yolları ve Sabre Havayolları Rezervasyon Sistemleri için geliştirdiği büyük ölçekli dediğimiz büyük çapta geliştirilen Transaction Processing Facility ı görmek mümkün olmaktadır. Günümüzde gerçek zamanlı sistemlerin geliştirilmesi ve pazarlanmasında onlarca firma bulunmaktadır [Dalmaz, 2009]. Gerçek zamanlı işletim sistemi içerisinde bazı bileşenler bulunmaktadır. Bunlar kısaca: Çekirdek, Dosya sistemi, Ağ protokolleri ve TCP/IP bileşenleri, Sürücüler, Genel programlama kütüphaneleri, Donanımsal paketler, Posix gibi arayüz destek paketleri, Hata ayıklama gibi işlevleri destekleyen paketler, Benzeri sistem bileşenleri olarak sıralanabilmektedir [Li ve Yao, 2003]. Gerçek zamanlı gömülü sistemlerinin genel yapısının ardından, bu sistemlerin uygulama alanlarına değinmek ve bu alanda fikir sahibi olmak büyük önem arz etmektedir.

43 28 Şekil 3.1. Gerçek zamanlı işletim sistemi Gerçek zamanlı gömülü sistem uygulama alanları Gerçek zamanlı gömülü sistemler, birçok alanda işlev sahibi konumda olmaktadır. Bu alanları sıralamak gerektiği takdirde özellikle; Enerji sistemlerinin koruma amaçlı ekipmanlarının tasarımında Modern koruma ve kontrol ünitelerinin performanslarını ölçmede [Bélanger ve ark., 2005] kullanıldığı görülmektedir. Ayrıca; Sistem performansı değerlendirmesinde bulunabilmekte Yapay zeka uygulamalarında ise sisteme yeni ölçüm algoritmalarını öğrenmesi konusunda yardımcı olabilmektedir [Jakominich ve ark., 1999].

44 29 Resim 3.1. Gömülü sistem örneği [Çizgi Tagem, 2012] Gerçek zamanlı gömülü sistemleri, diğer türlerden ayıran en önemli özelliklerden biri de, Gerçek zamana göre uyarlanmış, Belirli bir göreve sahip, Özel konulara yönelik tasarlanmış, Zamanlama kısmında sorun yaşandığı takdirde hatalı sayılabilecek sistemler olmaktadırlar. Bunların yanı sıra, gerçek zamanlı gömülü sistemlerin, analog ve sayısal benzetim araçlarının esnekliklerini bir araya getirmek sureti ile birçok alanda faaliyet gösterdikleri görülmektedir Donanım ve Yazılımda Gerçek Zaman Gömülü sistemlerin nasıl tasarlandığına değinilecek olunduğunda, bazı ayrıntılar dikkat çekmektedir. Öncelikle belirtmek gerekir ki, mikroişlemci bulunduran gömülü sistemler hem yazılım hem donanım içermektedirler. Bu da işleri iyice zorlaştırmaktadır. Yazılım grubu ile donanım grubunun hem bireysel olarak, hem de sistem bakımından iletişim içinde olmaları gerekmektedir. Bu da grupların bir arada çalışabilmeleri ve kullandıkları programlama dillerinin birbirlerininkini anlaması gerektiği sonucunu ortaya çıkarmaktadır. Bunun için özellikle C++ ve özel

45 30 kütüphaneler kullanılmaktadır. Bilgisayar programcıları gibi, gömülü sistem tasarımcıları da; Derleyici, Hata ayıklayıcı, Çevirici kullanmaktadırlar. Bunun yanında bazı hazır araçlar da kullanılmaktadır. Gömülü sistem tasarımlarında bir başlangıç kodu bulunmaktadır [Kaya, 2008]. Bunların yanında kendi kendini test edebilen gömülü sistemler de bulunmaktadır. Bunlar; CPU, RAM, Program belleğinin test edilmesi, Batarya, Giriş çıkış ve çevre aygıtlarının testi, Kablo, Güvenlik, Kimyasalların kontrolü gibi testleri kendi kendine yapabilen sistemler olmaktadır [Arge24, 2012]. Gömülü sistemlerde yazılım ve donanım başlığı altında; Yazılım tabanlı sanallaştırma, Donanım tabanlı sanallaştırma konularının incelenmesi mantıklı olmaktadır. Yazılım tabanlı sanallaştırma: Gömülü sistemlerde bazı yazılım geliştirme aşamaları mevcut bulunmaktadır. Bunlar:

46 31 Analiz, Tasarım, Kodlama, Test, Bakım şeklinde sıralanabilmektedir [Özbilgin ve Özlü, 2010]. Bilişimde sanallaştırmanın kesin bir tanımı bulunmamaktadır. Sanallaştırma, genel itibari ile bilgisayar kaynaklarının kullanıcılardan soyutlanması anlamına gelmektedir. Bunu yapmak için kullanılan metotlar bilgisayar kaynaklarının paylaştırılmasını veya birleştirilmesini sağlamaktadır. Sanallaştırmanın ilk hedefi kullanıcıya bir soyutlama tabakası sunarak kullanıcıyı kaynaklardan soyutlamak şeklinde ortaya çıkmaktadır. Böylece kullanıcı ve kaynaklar arasına bir mantıki katman eklenmiş olmaktadır [Özbilgin ve Özlü, 2010]. İşletim sistemi bazlı sanallaştırma tanımlanacak olunduğunda, tek bir işletim sistem üzerinde, misafir ortamların konteynırlar ile birbirlerinden yalıtıldığı sistemler olarak yerini almaktadır. Bir nevi GNU/Linux taki değiştirilebilir kök işlemi olarak görülebilmektedir. İnternetteki sanal sunucular (Virtual Dedicated Server, VPS) bu sistem üzerinde çalışmaktadırlar. Uygulama sanallaştırma ise bir yazılımın, istemci üzerinde kuruluma gerek olmadan, sunucu üzerinden gereksinimlerinin karşılanıp çalıştırılması şeklinde oluşmaktadır. Örneğin bulut yazılımların temelini oluşturmaktadır. Bellek sanallaştırma, bir bellek havuzundan gerekli olan belleğin, sanal veya fiziksel ortamlarda kullanılması şeklinde ortaya çıkmaktadır. Depolama sanallaştırma ise, fiziksel depolamanın, mantıksal depolamalar ile bölümlenmesi ve birbirleri arasında soyutlanması olmaktadır.

47 32 Şekil 3.2. Yazılım geliştirme aşamaları Son olarak ağ sanallaştırma, fiziksel bilgisayar ve diğer sanal ortamların birbiri arasında iletişimini sağlamak için kurulan sanal ağ olmaktadır [Topalak, 2011]. Donanım tabanlı sanallaştırma, fiziksel sistem üzerinde, donanımlar sanal olarak üretilip misafir işletim sistemleri arasında tam bir yalıtım sağlamaktadır. Bu sayede, gerçek donanım üzerinde çalışan GNU/Linux dağıtımı işletim sistemi üzerine, misafir (sanal) işletim sistemleri kurulup çalıştırılabilmektedir. Hipervizör sanal donanımları üretmekte ve iletişimlerini sağlamaktadır. Üç çeşit donanım sanallaştırma bulunmaktadır. Bunlar: Tam sanallaştırma, Kısmi sanallaştırma, Para sanallaştırma şeklinde sıralanmaktadır [Topalak, 2011]. Bu sistemler hakkında kısaca bilgi sahibi olmak istendiği takdirde;

48 33 Tam sanallaştırma : Tüm donanımlar sanal makine izleyicisi tarafından oluşturulmaktadır. Bu sayede tüm misafir ortamlar arasında tam yalıtım sağlanmaktadır. Kısmi sanallaştırma : Donanımın bir kısmı misafir yazılımlar için sanallaştırılmaktadır. Para-sanallaştırma : Misafir işletim sistemi üzerinde yapılan modifikasyon ile sunucu üzerinde çalışan arayüz haberleşmesi sonucunda hız kazanımı sağlayan teknoloji ve sanallaştırma çeşidi olarak tanımlanmaktadır. Daha fazla başarım için işlemci seviyesinde, Intel-VT ve AMD-V teknolojileri kullanılmakta ve bazı sanallaştırma yazılımlarının bu teknolojilere gereksinim duyduğu görülmektedir [Topalak, 2011] Gömülü yazılım geliştirmede temel problemler modeli Sistem tasarım tanımı dökümanının hazırlanması oldukça uzun ve zor bir iş olmaktadır. Bu sistemin tasarımı, bazı belirsizlikler ve bilinmezlikler içermektedir. Ayrıca bu sistem, yeniliklere açık durumda bir sistem olmaktadır. Eğer sistem tasarımı devam ederken veya sistem tasarımı belirsizliğini korurken, yazılım geliştirme faaliyetlerine başlanmadığı takdirde, sistem tasarımı içerisinde bazı tehlikeler ortaya çıkmaktadır. Sistem tasarım gereklerindeki belirsizlik devam ederken veya yazılım geliştirmeye başlanmadığı takdirde bazı sorunlar meydana geldiği görülmektedir. Bu sorunlar kısaca: Yazılan dökümanların gerçekçi olmaması sonucunu doğurmakta, Proje, geç kalma tehlikesi ile karşı karşıya kalmakta,

49 34 Bu aşamadan sonra ise tehlikeli bir sürece girilmiş olmaktadır. Bu aşamaların ardından yapılması gereken bazı çalışmalar mevcut olmaktadır. Bunlar: Sıkıştırılmış proje takviminin hazırlanması, Fazla mesai gerekmektedir Hata yapma olasılığı artmaktadır Gecikmeler yaşanabilmektedir Müşteri memnuniyeti zedelenmektedir Müşteri değişiklik yapma ihtiyacı duyabilmektedir [Turan ve ark., 2009] Gerçek Zamanlı Sistemlerde Kontrol Mekanizması Gerçek zamanlı sistem en yalın ifadesi ile işini kesin bir zaman çizelgesine bağlı olarak yerine getiren sistem olarak tanımlanmaktadır. Gerçek zamanlı sistemlerden en sık yararlanan sistemler; Sayısal kontrol, Komuta kontrol, İşaret işleme, Haberleşme sistemleri olarak sıralanabilmektedirler. Bu sistemler gündelik hayatta her gün kullanılan trafik lambalarından, hasta olunduğu zaman kan basıncını düzenleyen ve kalp atışını izleyen cihazlara kadar birçok yerde kullanılmaktadırlar [Ovalı, 2009]. Gerçek zamanlı uygulamalar zamanlama özniteliklerine göre dört ana başlık altında toplanabilirler:

50 35 Salt periyodik, Genellikle periyodik, Asenkron ve önceden kestirilebilen, Asenkron ve önceden kestirilemeyen. Salt Periyodik : Bu tip uygulamalardaki her görev periyodik olarak yürütülmektedir. Görevler ile ilişkili kaynakların kullanım oranları dönemsel olarak değişiklik göstermemektedir. Uçuş kontrol denetleyicileri bu tip uygulamalara örnek olarak gösterilebilmektedir. Genellikle periyodik : Çoğu görev periyodik olarak yürütülürken, sistem, harici bazı olaylara da asenkron zamanlama ile yanıt vermek durumunda olmaktadır. Örnek olarak; Modern havacılık, Süreç kontrol sistemleri gösterilebilmektedir. Asenkron ve önceden kestirilebilen : Çoğul-ortam, radar işaret işleme ve izleme gibi uygulamalarda çoğu görev periyodik olarak işlememektedir. Görevlerin ardışık olarak yürütülmeleri arasındaki zamanlar farklılık gösterebilmektedir. Ancak bunların sınırları olmakta ve istatistiksel olarak bu farklılıklar önceden bilinebilmektedir. Asenkron ve önceden kestirilemeyen : Asenkron olaylar ile uğraşmak zorunda olan uygulamalar olarak kabul edilmektedir [Ovalı, 2009]. Örnek verilecek olunduğunda: Akıllı gerçek zamanlı kontrol sistemleri, Otonom araçlar sayılabilmektedir [Turan ve ark., 2009].

51 Oluşumu Gerçek zamanlı sistemlerin kontrol mekanizmasının oluşumu bazı kaynaklara bağlı bulunmaktadır. Bunlar: Algılama, Kontrol işaretinin hesaplanması, Uyarma işlemlerinin bilgisayar tarafından gerçekleştirildiği sistemler olmaktadır [Sommerwille, 2004]. Şekil 3.3. Gerçek zamanlı sistem kontrolü genel gösterimi İşleyişi Gerçek zamanlı kontrol sistemlerinin işleyişinin daha iyi kavranması açısından, bazı gerçek zamanlı kontrol sistemlerini tanımlamak mantıklı olmaktadır. Örneğin iki farklı sistemde işleyiş açıklanabilmektedir: Sayısal kontrol sistemleri,

52 37 Yüksek seviyeli kontrol sistemleri. En basit ve en belirlenimci gerçek zamanlı sistemler, sayısal kontrol sistemleri olmaktadır. Aynı zamanda çok katı zamanlama isterleri bulunan bu sistemler, genellikle sayısal kontrol sistemleri var olan analog kontrol sistemlerinin sayısallaştırılması prensibi ile elde edilmektedirler. Bu tip kontrol sistemlerine Örneklenmiş Verili Sistem adı verilmektedir. Bu tip sistemlere iyi bir örnek ise PID Denetleyici olmaktadır [Ovalı,2009]. Birden fazla parametrenin kontrol edilmeye çalışıldığı sistemlerde birden fazla algılayıcı ve eyleyici söz konusu olmaktadır. Bu tip sistemlerde örnekleme frekansı sistemdeki en yüksek frekans göz önüne alınarak seçilmektedir. Tek örnekleme frekansı basit bir yapıda olmasına rağmen gereksiz işlemci gücü gerektirmektedir. Birden fazla örnekleme döneminin kullanılması durumunda ise uzun dönemin kısa dönemin bir harmoniği olmasına dikkat edilmektedir. PID denetleyici basit mekanizmasını, algılayıcıların durum değişkenlerinin değerlerini doğru olarak ölçtüğü varsayımına borçludur. Gürültülü ortamlarda bu varsayım geçerliliğini yitirir. Ayrıca algılayıcılar çoğu zaman durum değişkenleri yerine düzeneğin ölçülebilen bir büyüklüğünün değerini elde ederler. Durum değişkenlerinin değerini hesap etmek için bir takım hesaplamalar yapmak gerekebilir. Düzeneğin tüm parametrelerinin bilinmediği durumlarda kestirim modellerini kullanmak söz konusudur. Bu amaçla tembel kontrol tekniği ve kalman filtrelerinden yararlanılabilir [Ovalı, 2009]. Yüksek seviyeli kontrol sistemlerine değinmek gerektiği takdirde ise; Kontrol edilecek fiziksel düzeneğin denetimi hiyerarşik bir yapı içinde birden fazla denetleyici tarafından kontrol altına alınmaktadır. Bu tip kontrol sistemlerinde hiyerarşik yapıda üstte bulunan her bir denetleyicinin çıkışı diğerleri için giriş olarak kabul edilmektedir.

53 38 Hasta gözetim sistemi bu tip sistemlere örnek kabul edilebilmektedir. Kan basıncını, Soluk alış verişini, Kandaki şeker oranını kontrol eden denetleyiciler ile üst seviyede doktor, hemşire ile olan etkileşimi yürüten bir uzman sistem bulunmaktadır. Alt seviyedeki denetleyiciler ms ler mertebesinde hesap yapmaktadırlar. Ancak üst sevideki denetim hesaplamaları dakikalar, saatler mertebesinde olabilmektedirler [Ovalı, 2009]. Karmaşık denetim sistemlerine, güdüm ve denetim sistemleri de örnek teşkil etmektedirler. Denetleyicilerden birisi fiziksel düzeneğin dinamik davranışları ile meşgul olurken, diğerleri güdüm ve yol planlaması işlevlerini yerine getirmektedir. Uçuş kontrol, Balistik hesap, Radar, Silah denetim sistemleri benzeri sistemlerin ihtiyaç duydukları işlem gücü çok yüksek olabileceği gibi uygulamanın ihtiyacına göre de değişiklik gösterebilmektedir. Örnek verilecek olunduğunda, bir jet uçağının yolunu 100 feet (30.48 m) hassasiyet ile bulabilmesi için 20 Hz frekansında pozisyonunun güncellemesi gerekmekte, daha yavaş uçaklar için bu frekans 10 Hz olabilmektedir [Ovalı, 2009]. İnternet tabanlı gerçek kontrol sistemine gelinecek olunduğunda ise, internet ortamının kendisine özgü yapısının sisteme entegre olması ile işlemeye başlamaktadır. İnternet tabanlı kontrol sistemleri ; Operatör istasyonları, Proses merkezlerinden oluşmaktadır [Kun, 2006].

54 39 Şekil 3.4. İnternet tabanlı gerçek kontrol sistemi Gerçek zamanlı sistemlerde yaşanılan problemler Gerçek zamanlı sistemlerde benzetim aşaması, önemli bir aşama olmaktadır. Bunun nedenlerinden biri de, dışarıdan takılan senkronizasyonun önem taşımasından kaynak bulmaktadır. Buradaki yazılımlar, sabit adım aralığını kullanarak örnekleme yapmaktadırlar. Aynı yöntemi matematiksel denklem çözümünde de kullanmaktadırlar. Bundan dolayı da, işlemler sırasında gerçekleşebilecek durumları değerlendirememe durumu söz konusu olabilmektedir. Burada yaşanan problemlerin çözümünde ise; Donanımların hızlandırılması, Algoritmaların değiştirilmesi şeklinde olabilmektedir.

55 40 4. DÖNGÜDE DONANIMSAL BENZETİM 4.1. Döngüde Donanımsal Benzetim Kavramı Döngüde donanımsal benzetim kavramını anlaşılması için bazı kavramlar yardımı ile örneklendirmek daha uygundur. Kara araçları, Uydular, Uzay araçları, İnsansız çalışan hava araçları, Uçaklar, Silah sistemleri, Denizaltı araçları, Jet uçaklar gibi kompleks sistemlerin kontrolünde kullanılmak üzere gömülü sistem diye isimlendirilen küçük bilgisayarlar tasarlanmaktadır [Balaji, 2002]. Döngüde donanımsal benzetim, kompleks gerçek zamanlı gömülü sistemlerin tasarım ve test aşamasında gittikçe artan bir şekilde kullanılan bir benzetim tekniği olmaktadır [Isermann ve ark., 1999]. Bu tekniğin amacı; gömülü sistemlerin etkili ve kolay bir şekilde tasarlanabilmesini sağlayacak bir platform oluşturmaktır. Tasarım ve test aşaması sırasında sistemin bütün dinamikliğini yansıtacak matematiksel bir model söz konusudur. Bu matematiksel modelin oluşturulması ise klasik sistem benzetim algoritmaları ile gerçekleştirilmektedir [Duman ve Akın, 2005]. Örneğin otomobil fren sistemlerinin test edilmesi için bir DDB platformu oluşturulursa böyle bir benzetilmiş sistemde aşağıdaki alt-sistem bileşenlerinin her biri için matematiksel bir model oluşturulmalıdır. Süspansiyon, Tekerlekler,

56 41 Lastikler, Esneme payı vb. bir sürü araç dinamiği, Yol karakteristikleri, Fren sisteminin hidrolik bileşenlerinin dinamiği gibi. Bir DDB platformu, elektriksel algılayıcı ve eyleyicilerin emulatörlerini içermelidir. Bu elektriksel algılayıcı ve eyleyici emulatörler, test edilen gömülü sistem ile benzetilmiş ortam arasında arayüz oluşturmaktadırlar. Benzetilmiş ortam, algılayıcı emulatörlerden aldığı değerleri kontrol eder ve bu değerler ile kendisini yeni bir duruma taşır. Benzer şekilde eyleyici emulatörlerinden alınan değerler gömülü sistemin kontrol algoritmasında kullanılmaktadırlar [Duman ve Akın, 2005]. Şekil 4.1. Gerçek zamanlı benzetim ortamının genel yapısı [Evran ve Aydemir, 2011] Döngüde donanımsal benzeticinin blok diyagramı Döngüde donanımsal benzeticinin blok diyagramı içerisinde bazı bileşenler bulunur. Bu bileşenler, DDB mantığının ve kurulum şemasının daha iyi anlaşılmasını sağlamaktadır.

57 42 Fiziksel Arayüz Gömülü Kontrol Sistemi Fiziksel Arayüz Algılayıcılar Sistem Eyleyiciler Döngüde Donanımsal Benzetici Şekil 4.2. Döngüde donanımsal benzeticinin blok diyagramı [Duman ve Akın, 2005] DDB in bileşenleri bölümünde ayrıntılı olarak incelenecek olan bu veriler, bu bölümde sıralanmak sureti ile yazılmaktadır Döngüde donanımsal benzetim kavramının bileşenleri DDB bileşenleri kavramından kasıt, DDB kavramını oluşturan etmenler olmaktadır. Bu etmenleri kısaca sıralamak ve tanımlamalarını yapmak, konunun bütünlüğü açısından büyük önem arz etmektedir. Bu noktadan sonra Bütün döngüde donanımsal benzetim uygulamaları için ortak olan minimum gereksinim nedir? sorusuna cevap aramak gerekmektedir. Aslında sorunun cevabı bir iskeletin temel bileşenleri olmaktadır. Bunun için birçok farklı uygulama kullanılması mümkün olmaktadır. Elde edilecek minimum fonksiyonel analiz kümesi ise: Numerik benzetim, Donanımsal arayüz, Gerçek zamanda planlama şeklinde sıralanmaktadır [Duman ve Akın, 2005].

58 43 Resim 4.1. Döngüde donanımsal benzetim örneği Ayrıca bu kümeye Hata Üretme gibi çok kullanışlı bir özellik de eklenebilmektedir. Dolayısıyla iskelet yapısı, dört temel fonksiyona ayrıştırılmış olmakta ve bir döngüde donanımsal benzetim örneği, bu dört fonksiyonel özelliğin tamamını veya birkaçını yapabilecek bileşenlerin birleştirilmesi ile gerçekleştirilmektedir [Duman ve Akın, 2005]. Hata üretme Gerçek zamanda planlama Donanımsal arayüz Numerik benzetim Gerçek zamanda planlamadan bahsedilirse; Gerçek zamanlı sistemler ve gerçek zamanlı işletim sistemleri, çoğunlukla büyük bir fonksiyonel özellik kümesine sahiptirler ve bunları gerçekleştirmek oldukça karmaşık olmaktadır [Hanselmann, 1996].

59 44 Döngüde donanımsal benzeticinin birçok farklı harici eyleyici ve algılayıcılar ile haberleşebilmesi gerekmektedir. Bunu gerçekleştirebilmek için farklı yaklaşımlar kullanılabilmektedir [Duman ve Akın, 2005]. Bir diğer donanımsal benzetim sistemi bileşeni ise hata üretme ve test etmedir. Bu konuya kısaca değinildiğinde; Hata ayıklama genellikle bir devre emülatör ya da mikrodenetleyici tarafından çalışan mikrokodu kesebilecek bir çeşit hata ayıklayıcı tarafından gerçekleştirilebilmektedir. Mikrokod kesme hata ayıklayıcıya üzerinde sadece CPU nun çalıştığı donanım üzerinde çalışma imkanı vermektedir. CPU tabanlı hata ayıklayıcılar bilgisayar donanımlarını CPU açısından test etmek ya da hata ayıklamak amacı ile kullanılabilmekte ve bunun yanında geliştiriciler, yüksek seviyeli dillerle kesme noktası ve tek adımlama kullanarak hata ayıklamalıdır. Bu özellikler oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Bunlara ek olarak basit log kayıtlarının tutulması gerçek zamanlı eylemlerin hata ayıklamasında faydalı olmaktadır [Duman ve Akın, 2005]. Gömülü sistemin karmaşıklığı arttıkça üst seviye araçlar ve işletim sistemleri tasarımların içine girmeye başlamaktadır. Bunlara bazı örnekler verilecek olunursa; Cep telefonları, PDA lar, Diğer tüketici bilgisayarları ileri düzey yazılım ve işletim sistemleri gerektirmektedir. Bu tip sistemlerde; Linux, NetBSD, OSGi,

60 45 Embedded Java gibi açık programlama ortamları, geniş bir markete satış yapabilmek amacı ile kullanılmalıdır [Massa ve Barr, 2006]. Resim 4.2. Hata ayıklama üzerine [Avcı Savunma, 2012] 4.2. Döngüde Donanımsal Benzetim Örnekleri Döngüde donanımsal benzetim kavramına, benzeticinin blok diyagramına, kavramın bileşenlerine değinildikten sonra, döngüde donanımsal benzetimin örneklerine yer vermek gerekir. Döngüde donanımsal benzetime kısaca örnekler verilecek olunursa: Savunma sanayi alanında, Havacılık alanında, Hava ve deniz taşıtlarında, Kompleks gömülü sistemlerin tasarımında ve yapımında büyük rol oynamaktadırlar.

61 Döngüde Donanımsal Benzetim Nerelerde Kullanılır? Benzetimin kullanıldığı bazı uygulama alanları şöyle sıralanabilinir; Üretim/imalat sistemlerinin tasarım ve analizi Montaj hattı dengeleme İşgücü planlaması Malzeme taşıma sistemleri Yeni askeri silah ve sistem taktiklerinin saptanması Bir envanter sistemindeki sipariş planlarının incelenmesi Satış tahminleri Üretim planlaması ve çizelgelemesi İletişim sistemlerinin ve bunlar için gerekli mesaj protokollerinin tasarımı Otoyollar, havaalanları, metrolar ve limanların tasarım ve işletimi Ambulans bulundurma noktalarının ve buralardaki araç sayılarının saptanması Yangın söndürme istasyonlarının yerlerinin ve buralarda bulundurulması gerekli minimum araç sayılarının saptanması Finansal veya ekonomik sistemlerin analizi Dağıtım kanallarının tasarımı Bir bilgisayar sisteminin donanım ve yazılım gereksinimlerinin belirlenmesi İşletme yöneticilerinin eğitilmesi (işletme oyunları/firma benzetimi) Alınacak riskleri minimize etmek için uzay uçuşları denemeleri Tamir-bakım sistemleri [Dinç, 2012] Döngüde Donanımsal Benzetimin Avantaj ve Dezavantajları Döngüde donanımsal benzetimin uygulama alanlarını da sıralandıktan sonra, benzetimin avantaj ve dezavantajlarını kısaca açıklamakta fayda görülmektedir. Bunları: Döngüde donanımsal benzetimin avantajları,

62 47 Döngüde donanımsal benzetimin dezavantajları şeklinde ikiye ayırmak mümkün olmaktadır. Döngüde donanımsal benzetimin avantajlarına gelinecek olunduğunda bazı anekdotlar dikkat çekmektedir. Bunlar: Benzetim esnek bir çözüm yöntemi olmaktadır. Diğer modellere kıyasla anlaşılması daha kolay olmaktadır. Aşamalı olarak uygulanabilme imkanı bulunmaktadır. Klasik çözüm yöntemlerinin kullanılamadığı büyük karmaşık problemlerin çözümünde oldukça etkili durumdadır. Bir başka yöntemde incelenmesi olanaksız olan koşullar ve kısıtlar benzetimle rahatça modellenebilmektedir. Model kurucu, yönetici ile yakın ve sürekli ilişkide olduğundan yöneticinin görüşlerinden yararlanılabilmektedir. Model aynı zamanda yöneticinin görüşlerini de yansıttığından uygulanabilme olanağı yüksek olmaktadır. Sonuçları ancak aylar, yıllar sonra alınabilecek durumlar benzetimle çok kısa sürede analiz edilebilmektedir. Eğer-ne' (what-if) türü senaryoların modellenmesiyle yöneticilere değişik seçenekleri değerlendirme olanağı tanımaktadır. Benzetim, modellenen sistemi değiştirmedeki yeni fikir ve politikaların model üzerinde rahatça uygulanmasına olanak vermektedir. Hem mevcut bir sistem için önerilen değişiklikleri hem de mevcut olmayan sistemleri analiz etme ortamı sağlamaktadır. Pek çok faktörün etkisi aynı anda ve etkileşimli olarak incelenebilme imkanı bulunmaktadır. Kullanıcı benzetimi istenen zamanda durdurup yeniden başlatabildiğinden deney koşulları üzerinde tam bir kontrole sahip olunabilmektedir. Oysa gerçek

63 48 sistemlerin içinde çalıştığı saat geriye alınamamakta ve durdurulamamaktadır [Dinç, 2012]. Tüm bu avantajların yanı sıra, DDB nin bazı dezavantajları bulunmaktadır. Bunlar ise: İyi bir benzetim modelini geliştirmek vakit alıcı ve pahallı durumda olmaktadır. Döngüde donanımsal benzetimin optimum çözüm üretme garantisi bulunmamaktadır. Bu benzetim yönteminde bir çeşit deneme-yanılma yöntemi olarak kabul edilebilmektedir. Yöneticiler denemek istedikleri alternatifler için tüm koşul ve kısıtları ortaya koymak durumundadırlar. Aksi gerçekleştiği takdirde, benzetim kendi başına çözüm üretmemektedir. Bu da benzetimi sonuçsuz bırakmaktadır. Her benzetim modeli kendine özgü olmaktadır. Genel olarak çözümler ve çıkarsamalar başka problemlerin çözümünde kullanılamamaktadır. Bu da bir dezavantaj olarak kabul edilmektedir. Döngüde donanımsal benzetim, uygulamasında bazı kolaylıklar sağlamaktadır. Bunun bir sonucu olarak da analitik çözümlerin göz ardı edilmesine neden olabilmektedir. Döngüde donanımsal benzetimin stokastik yapısı çok sayıda deneyi gerektiren istatistiksel analizleri öngörmektedir. Bunun ardılı olarak da bazı işlemler ve bazı kurallar gerçekleşmektedir. Bu da sorunların ve çalışmaların uzamasına neden olmaktadır. Modellemede ve bulguların analizinde yapılacak hatalar, yanlış sonuçlara yol açabilmektedir [Dinç, 2012]. Bunlar kısaca sıralanacak olduğu takdirde: Çalışmanın geri kalmasına, İşlemlerin uzamasına, Programın aksamasına,

64 49 Masrafların artmasına neden olmaktadır. Yapılan tüm bu açıklamaların ardından, gömülü sistemlerin tasarımına ve gömülü yazılım örneklerine değinmek mantıklı olmaktadır.

65 50 5. DONANIM İÇEREN BENZETİM ÖRNEKLERİ 5.1. Donanım İçeren Benzetim (İçten Yanmalı Dizel Motor) Örneği Bu örnekte de bir içten yanmalı motor elektronik kontrol ünitesinin gerçek zamanlı donanım içeren benzetimler ile testi hakkında bilgi verilecektir [Demirci, 2006]. Motor kontrol ve yönetim sistemleri motor gücü, yakıt tüketimi ve emisyon seviyelerini sensör girişlerini kullanarak denetler. Ayrıca olası sensör hatalarını ve diğer hataları da kontrol ederek gerekli diyagnostik sinyallerini oluştururlar. Yeni bir motorun geliştirilmesi esnasındaki zaman daraltıcı etmenlerden biri de elektronik kontrol ünitesindeki katsayı tablolarının kalibrasyonu ve tüm Elektronik Kontrol Ünitesi (ECU) yazılımının hatalara karşı sınanmasıdır. Test odasında ya da yolda yapılan testlerde tüm sensör hatalarının test edilmesine olanak yoktur, olsa bile maliyetli ve zaman alan işlerdir. Dolayısıyla otomotiv sektöründe motor elektronik kontrol ünitesinin sınanmasını hızlandırma amaçlı olarak donanım içeren benzetimler kullanılmaktadır. Zaten içten yanmalı motor ECU testleri, donanım içeren benzetimlerin ilk ve yaygın olarak kullanıldığı alanlardan biridir. ECU, motor kontrol sistemindeki işlevini tam olarak yerine getirebilmek için motor devri, krank ve kam durumu, hava miktarı, motor sıcaklığı, motor yükü, gaz pedalı açısı gibi bilgilere ihtiyaç duymaktadır. ECU bu bilgileri kullanarak enjeksiyon zamanlamasını ve gerekli yakıt miktarını ayarlar. Şekil 5.1 de ECU nun işlevi bir diyagram üzerinde verilmiştir. ECU nun donanım içeren benzetimlerde test edilmesi için Şekil 5.2 de ki yapının oluşturulması gerekir. Buradaki amaç elektronik kontrol ünitesini sanki gerçek bir araç üzerinde gerçek bir motor ile çalışıyormuş gibi kandırmaktır. Bunun için ECU yu doğrudan gerçek bir motora bağlamaktansa, motorun bir benzetim modeli kullanılmaktadır. Bu benzetim modeline sensör ve aktüatör dinamikleri doğrudan eklenebileceği gibi gerçek donanımlar da benzetime dahil edilebilir. Buna göre,

66 51 ECU nun ihtiyaç duyduğu Şekil 5.1 de belirtilen sensör bilgileri, sinyaller, benzetim modelinde sanal olarak oluşturulabilir ve bu sayede ECU kandırılabilir. Şekil 5.1. Bir dizel ECU sunun işlevsel diyagramı ECU nun ihtiyaç duyduğu sinyallerden kam ve krank sinyallerinin benzetim ortamında oluşturulması hızlı ve güçlü, gerçek zamanlı olarak çalışabilen donanımları gerektirmektedir. Dolayısıyla benzetim modelinin gerçek zamanlı olarak çalıştırılabileceği donanım seçilirken, maksimum motor hızı için gerekli kam ve krank sinyallerini üretebilmesi ve doğru ve tutarlı bir şekilde çalışabilmesi aranan en temel kriterler olmalıdır. Ayrıca benzetimlerde gerçek yol verileri kullanılmış ve ECU nun hata benzetimleri de yapılmıştır. Yapılan benzetimlerde motor modeli olarak literatürde ortalama değer motor modeli (Mean Value Engine Model, MVEM), olarak adlandırılan motor modeli kullanılmıştır [Demirci, 2006].

67 52 Şekil 5.2. ECU donanım içeren benzetim test diyagramı 5.2. Donanım İçeren Benzetim (Güneş Enerjisi Sistemi) Örneği Bu örnekte de güneş enerjisi sisteminin benzetimi ve sonuçları hakkında bilgi verilecektir [Evran ve Aydemir, 2011]. Yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olan güneş enerjisi sisteminde, Fotovoltaik (FV) paneller, güneş enerjisini doğru akım (DA) elektrik enerjisine çevirirler. Şekil 5.3. Güneş enerjisi ile batarya dolumunda kullanılan devre

68 53 Şekilde de görüldüğü gibi sistem FV panel, Maksimim güç nokta izleyicisi (MGNİ) denetleyicisi, akü grubu ve DA-DA dönüştürücüsünü içermektedir. Güneş enerjisi benzetiminde sistem 4 alt ana grubundan oluşmuştur. Bu alt gruplar güneş paneli, DA-DA dönüştürücü, akü ve MGNİ denetleyicisinden oluşmaktadır. Şekil 5.4 te MGNİ denetimli güneş güç sistemi alt sistemler halinde gösterilmektedir. Şekil 5.4 MGNİ denetimli güneş enerjili sistemin gösterilmesi Yükselten DA-DA dönüştürücü devresinin ana görevi düşük giriş gerilimini yüksek çıkış gerilimine dönüştürmektir. Anahtar durumu kontrol sinyali, sabit periyot T ve çalışma zamanı (d) ile kontrol edilmektedir. Şekil 5.5. Yükselten dönüştürücü devresi

69 54 Dönüştürücünün anahtarı iletim konumundayken, bobin akımı kondansatör gerilimleri, dv C1 dt 1 = C 1 2 ( I C ) 1 ( ) dvc 2 1 Vc2 Vbat = dt C R bat ( 5.1) ( 5.2) ifadeleri ile tanımlanır. Anahtar kesime girdiğinde ise akım ve gerilim ifadeleri aşağıdaki gibidir. dv C1 dt 1 = C 1 2 ( I C ) 1 di 1 L = ( VC1 VC2) dt L dvc 2 1 IL ( Vc2 Vbat) = dt C R bat ( 5.3) ( 5.4) ( 5.5) Ortalama durum değişkenleri yöntemi kullanılarak, sürekli iletim modu için dönüştürücünün dinamik davranışı üç doğrusal diferansiyel denklem tarafından belirlenebilir. dv d C1 dt IL dt dv C 2 dt 1 = C 1 ( I C ) 1 = L = 1 ( VC1 ( 1 d) VC2) ( 1 d) I ( V V ) L C2 bat C R 2 bat ( 5.6) ( 5.7) ( 5.8) Şekil 5.6 da verilen devre modeli, FV güneş pilinin genel statik eşdeğer devresidir. Bu modeldeki parametreler ışık şiddeti ve sıcaklığa bağlıdır. Dolayısıyla hesaplanacak her çıkış değeri için ışık ve sıcaklık seviyelerinin bilinmesi gerekir. Bu şekilde verilen devre modeli, matematiksel olarak eşitlik (5.9) ile temsil edilebilir.

70 55 Şekil 5.6. İdeal güneş pili eşdeğer devre modeli q ( Vpil Rs xip ' l G + ) V + R xi pil Ipil = IFV I 0 e RSH kt N pil s pil ( 5.9 ) Burada; I pil I FV I 0 V pil R S R SH : FV pilin çıkış akımı (A) : Işık seviyesi ve p-n eklemi sıcaklığının fonksiyonu, fotoakım (A) : D diyodunun ters doyma akımı (A) : FV pilin çıkış gerilimi (V) : Eşdeğer devrenin seri direnci (Ω) : Eşdeğer devrenin paralel direnci (Ω) Q : Elektron yükü (1, x 10-9 C) K : Boltzmann sabiti ( x J/ K) T pil N : Referans çalışma sıcaklığı ( K) : Seri bağlı güneş pili sayısı G : Işıma şiddeti (1000 Watt/m 2 ) Eşdeğer devrede I D olarak belirtilen akım, FV pili oluşturan yarıiletken malzemelerin p-n birleşme noktasından akan bir iç akım olup, pilin mutlak sıcaklığı, terminal gerilimi ve yük tarafından çekilen akımın bir fonksiyonu olarak değişir. Bu, eşitlik (5.10) ile ifade edilir.

71 56 e I = I0 exp V + R xi AkTpil ( ) D pil S pil ( 5.10 ) Fotovoltaik sistemlerin çoğunda, güneş ışığından alınan enerji, modüller aracılığıyla toplanarak, gece veya bulutlu günlerde kullanılabilmek için kimyasal enerjiye dönüştürülerek akülerde depolanır. Ayrıca, eğer güneş pillerinden alınan güç, istenen miktarda değilse, aradaki fark akülerden karşılanabilir. Akülerin elektrik eşdeğer devresi Şekil 5.7'de ki gibi bir direnç ve bir sabit güç kaynağı ile gösterilebilir. Şekil 5.7. Basit bir batarya modeli Bataryanın bir yükü beslemesi (boşalma) sırasında uçlarındaki gerilim, E = V IR 0 ( 5.11 ) biçiminde ifade edilir. Burada R 0 olarak isimlendirilen iç direnç parametresi deşarj zamanı boyunca sürekli değişen bağlantı noktalan dirençleri, akü kapasitesi ile değişen yüzey direnci farklı dirençlerin toplamından oluşmaktadır. Benzetim çalışmasında kullanılan parametreler şunlardır: I FV = 8,2 A I 0 = 1e -10 A R bat = 0,08 Ω

72 57 V bat = 48 V T pil = 298 K N = 50 H = 10 µs (adım aralığı) C1 = 1 mf (Yükselten dönüştürücü girişindeki kondansatör) C2 = 1 mf (Yükselten dönüştürücü çıkışındaki kondansatör) L = 1 mh (Yükselten dönüştürücü kullanılan bobin) Farklı ışıma şiddetlerinde güneş panelinin akım-gerilim ve güç-gerilim eğrileri Şekil 5.8 ve 5.9 da gösterilmiştir. Şekillerden görüldüğü gibi ışıma şiddeti azaldıkça kısa devre akımı azaldığından dolayı güneş panelinin maksimum güç noktası kaymaktadır. Şekil 5.8. Farklı ışıma şiddetlerinde akım-gerilim eğrisi Şekil 5.9. Farklı ışıma şiddetlerinde güç-gerilim eğrisi

73 58 Benzetim sırasında Şekil 5.10 da görüldüğü gibi 0,3 s aralıklarla ışıma şiddeti azaltılmıştır. MGNİ denetleyicisinin azalan ışıma şiddetlerinde davranışı Şekil 5.11 de gösterilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi güneş paneli maksimum güçte çalışmaktadır. Şekil Işıma şiddetinin değişimi Şekil Farklı ışıma şiddetlerinde panelden alınan güç değerleri Yükselten DA-DA dönüştürücüsü devresindeki ortalama anahtar doluluk oranı Şekil 5.12 de gösterilmiştir. Işıma şiddeti azaldığından dolayı maksimum güçte güneş panelinin çıkış gerilimi ve akımı azalmaktadır; dolayısıyla anahtarın doluluk artmaktadır. Şekil te güneş panelinin çıkış akımının, geriliminin ve akü geriliminin zamanla değişimi gösterilmektedir.

74 59 Şekil Farklı ışıma şiddetlerinde ortalama anahtar doluluk oranı Şekil Farklı ışıma şiddetlerinde güneş paneli çıkış akımı Farklı ışıma şiddetlerinde güneş paneli çıkış gerilimi

75 60 6. GERÇEKLEŞTİRİLEN ÇALIŞMADA MATERYAL VE METOD Döngüde donanımsal benzetim örneği olarak güç dönüştürücüsü seçilmiş ve güç dönüştürücüsü hakkında veriler toplanarak benzetim çalışmaları MATLAB/Simulink programı ile gerçekleştirilmiştir. Elde edilen deneysel sonuçlar ile benzetim sonuçları karşılaştırılmıştır Veri Toplama Veri toplama işlemi için literatür taraması uygun görülmüştür. İnternet üzerinden makale ve tez taraması yapılarak ihtiyaç duyulan veriler belirlenmiştir. Benzetim çalışmalarında kullanılacak program için akademik ve sanayide konu ile ilgili çalışmaları olan kişilerden destek alınmıştır. Güç devresinin kontrolü için oluşturulacak yazılım için hızlı ve temiz sonuç alınabilecek bir program tercih edilmiştir. MATLAB/Simulink program yazılımı danışman, akademik ve sanayideki uzman kişilerin kontrolünde yazılıp, sonuçlar gerçek değerleriyle karşılaştırılmıştır Verilerin Değerlendirilmesi Güç dönüştürücüsünün incelenmesi ve kullanılacak programın döngüde donanımsal benzetim yazılımında gerekli veriler titizlikle seçilip incelenmiştir. Kodların yazımında daha hızlı ve temiz görünüme sahip olması nedeniyle Code Composer Studio programı kullanılmıştır. Güç dönüştürücüsünün benzetimi için gerekli hesaplamalar, gerçeği ile birebir örtüşmesi için dikkatlice yapılarak, istenilen sonuca ulaşılmıştır Güç Dönüştürücüsünün Donanım İçeren Benzetimi Mevcut güç elektroniği kontrolleri için Döngüde Donanımsal Benzetim (DDB) açık kaynak kodlu yazılım kullanılıp uygulanmasına rağmen, küçük zaman adımına sahip

76 61 değildir. Bu yüksek hızlı I/O uçları ile DDB simülatörü oluşturmak mümkündür. Bununla birlikte, geleneksel bir DDB simülatörü, donanımı sınırlandırması nedeniyle uzun göreceli bir benzetim adım boyutuna sahiptir, bu da yüksek anahtarlama frekanslı DC-DC dönüştürücülerin uygulamasını sınırlaması anlamına gelmektedir. Gerçek zamanlı benzetimin önemli bir şartı, seçilen adım boyutu içinde gerçekleştirilen bir zaman adımı için gerekli hesaplamayı sağlamaktır [Karaarslan, 2005]. Bu çalışmada dönüştürücü, alternatif bir kontrol yöntemi olarak basit anahtar yaklaşımı ile modellenmiştir. Modellenen sistemlerin denklemleri seçilen küçük bir zaman boyutu içinde yeterince hızlı çözülebilir. Kontrol işlemlerinde sayısal sinyal işlemi (DSP- Digital Signal Processor) denetleyicisinin yürütüldüğü DDB test edilmektedir. Güç elektroniği kısmı gerçek zamanlı olarak benzetimi bilgisayar üzerinde yapılmaktadır. Bu yöntem "DDB denetleyicisi" olarak da adlandırılabilir. DDB denetleyicisi metodu, kontrol panolarının değerlendirilmesi için güç elektroniği uygulamaları sıklıkla kullanılmıştır. Bu yaklaşım, DSP kontrollü güç dönüştürücülerinin tasarım ve testini sağlar [Karaarslan, 2011]. Gerçek zamanlı veri sunucusu platformu, 8 GB RAM ile 3 GHz hızında çalışan çift çekirdekli Intel işlemci olan bir bilgisayardır. QNX Neutrino adlı bir açık kaynak gerçek zamanlı işletim sistemi (RTOS), etkili bir performans elde etmek için kullanıldı. Geliştirilen bir kesme odaklı çerçeve yapılandırılabilir ve maksimum sürdürülebilir kesme frekansı 9 µs dir. Ayrıca DDB, bir PCI-E I/O kartı kullanılarak harici arayüz yeteneği sağlamak için bilgisayara yerleştirildi. Denetleyiciyi, harici DSP denetleyicisi çalıştırır. Önerilen framework te ki blok diyagram, Şekil 6.1 de gösterilmiştir.

77 62 Şekil 6.1. Önerilen frameworkteki blok şema Benzer güç faktörü düzeltme (GFD) dönüştürücüler üzerinde topolojinin önemli bir avantajı, yarıiletken anahtarlarının iletim kayıpların daha az olmasıdır. Bu, iki işlemin akım yolundaki herhangi bir anda yarıiletken anahtarlarının en az sayıda olmasından kaynaklanmaktadır. Bu topoloji diğer GFD devrelerinde kullanılan giriş doğrultucu olmadan iki tek fazlı yükselten tip dönüştürücülerden oluşmaktadır [Karaarslan, 2011]. Şekil 6.2. AC-DC GFD dönüştürücü topolojisi [Karaarslan, 2011] Çıkış gerilimi regülasyonu ve akım kontrolü, AC giriş geriliminin yarı döngüleri sırasında negatif S 2 anahtarı ve pozitif S 1 anahtarı kontrol ederek elde edilir. Giriş gerilimi pozitif ve negatif yarı döngüsü sırasında sürekli akım modu (CCM- Continuous Current Mode) dönüştürücü farklı çalışma durumu sırasıyla Şekil 6.3 (a) ve 4 (b)'de gösterilmiştir.

78 Şekil 6.3. Anahtarların açık/kapalı durumlarında dönüştürücülerin eşdeğer devreleri, (a) Pozitif yarı döngüsü, (b) Negatif yarı döngüsü [Karaarslan, 2011] 63

79 64 AC giriş gerilimi pozitif yarı döngüsü sırasında dönüştürücünün matematiksel model eşitliği (6.1) ve (6.2) de verilmiştir. v in dil = L dt (6.1) dv 0 0 C0 dt R L V = (6.2) S 1 anahtarının kapalı olduğu esnada, D 1 üzerindeki akım, S 2 deki diyot, yük ve kondansatör paralel bağlıdır (dt s <t<t s ). di = (6.3) L vin V0 L dt C dv V = i (6.4) L dt RL AC giriş geriliminin negatif yarım devrine karşılık eşitlikler, pozitif yarım devir (eşitlik ( )) için aynıdır. 0<t<dT s ve dt s <t<t s zaman aralıklarında karşılık gelen model, eşitlik (6.5) ve (6.6) da sırasıyla verilmiştir. dil dt il = 1 + L v dv 0 V 0 dt 0 0 RC L 0 di 1 L 0 1 dt L il = L v dv V dt C0 RLC 0 in in (6.5) (6.6) Bobin ve basit kondansatör akımı boyunca ortalama gerilim, kararlı durumda sıfırdır. Sürekli olarak iletken durum (CCM) bu dönüştürücünün uzay durum denklemi eşitlik (6.7) 'de verilmiştir.

80 65 di 1 L d 0 d dt L il = L v dv 1 d 1 + V dt C0 RLC 0 in (6.7) T s, L=L a +L b, d=t on /T s, C 0 ve R L sırasıyla periyot, giriş bobini, görev çarpanı, çıkış kondansatörü ve yüktür. Diferansiyel denklemler analitik olarak çözülemez ancak bilim ve mühendislikte, çözümü için sayısal bir yaklaşım, genellikle bir problemi çözmek için yeterlidir. Örtük trapez ayrılmaz kuralı, aşağıdaki genel biçime sahip dönüştürücü denklemlerin formülü ve ayrıştırılmasında uygulanır. h x( n+ 1) = x( n) + [ f( x( n+ 1)) + f( x( n))] (6.8) 2 Burada h adım zamanıdır. h I L( n+ 1) = IL( n) + [2 vin (1 d)( V0( n+ 1) + V0( n))] (6.9) 2L h 1 V ( n + 1) = V ( n) + [(1 d)( I ( n + 1) + I ( n)) ( V ( n + 1) + V ( n))] (6.10) 0 0 L L 0 0 2C RL Eşitlik (6.10), yeniden düzenlenmiş ve dönüştürücü çıkış gerilimi denklemini verir. 1 V ( n+ 1) = [ V ( n) + a ( I ( n+ 1) + I ( n)) av ( n)] (6.11) L L 3 0 a1 Buradan; h h h a = 1 +, a = (1 d), a = (6.12) 2CR 2C 2CR L L

81 66 Dönüştürücünün giriş akımına, (6.9) eşitliği eklenerek (6.11) eşitliği elde edilir; 1 I ( n+ 1) = [(1 a ) I ( n) + ( a a a ) V ( n) + a v ] L a L in 6 (6.13) Burada; h (1 d) h (1 dha ) (1 dha ) (1 d) h a =, a =, a =, a =, a = (6.14) L 2La 2La 2La 2L Denetleyicinin blok diyagramı Şekil 6.4 te ki gibidir. Programda iki döngü vardır. İçteki döngü, giriş akımının durumunu kontrol eder ve dış döngü kontrolü çıkış voltajı ve referans değerinde sabit tutar. Dış döngünün görevini yapması için PI denetleyicisi bulundurulur. Dış döngüde, çıkış gerilim seviyesi ölçeklendirilebilir ve PI denetleyicisi girişindeki hataları, referans değer ile karşılaştırılır. Bu, belirli bir kontrolörün çıkışı, akım referansı elde etmek için kullanılır. İç döngüde, doğrultulmuş giriş akımı, geçerli referans akımı ile karşılaştırılarak sonuç ortalama görev çarpanı oranı üretmek için kullanılmak üzere işlenir. Şekil 6.4. Güç dönüştürücüsü blok diyagramı DDB ile GFD dönüştürücüsünün başarılı olması için, GFD de ki gömülü kontrol sistemi için TMS320F28335 ezdsp sistemi seçildi. Bilgisayarın donanım arayüzü, Advantech PCLD-8712, düşük maliyetli DAQ kartı bilgisayarın PCI-E yuvasına

82 67 takıldı. DDB sisteminin yapılandırılması Şekil 6.5 te gösterilmiştir. Arayüz, Analog- Dijital Dönüştürücüler (ADCs) ve Dijital-Analog Dönüştürücülerden (DACs) oluşturularak bir örnekleme periyodu ile ideal bir örnek verilmiştir. Şekil 6.5. DDB sisteminin yapılandırılması DDB, denetleyicinin kontrol algoritmasını test etmektedir. Denetleyici girişlerinde bobin akımı, giriş ve çıkış gerilimleri vardır. Denetleyici çıkışı, basit görev çarpanı oranıdır. Bilgisayar, PCI-E yuvasına bağlı I/O kartı üzerinden ezdsp sistemi ile etkileşime geçer. Bu kartla bilgisayarda çalışan yazılım, basit görev çarpanı oranı verilerini ve örneklenen bobin akımını, bir örnek aralığı için her kesme de ezdsp için giriş ve çıkış gerilimleri verileri okuyabilmektedir. EZdsp sistemi, bobin akımı gibi bilgisayardan giriş ve çıkış gerilimleri olarak, 3 analog sinyal olarak alır. Denetleyici,

83 68 modellenen güç dönüştürücü sisteminden bu sinyalleri aldığında, sinyaller ADC ile analog dijitale dönüştürülür; bu bir örnek aralığı için kontrol algoritmasını yürütür. Denetleyici PCI-E yuvası aracılığıyla bilgisayara, bu adım sırasında hesaplanan ortalama görev çarpanı oranını verir. Bu noktada, gerçek zamanlı benzetimindeki örnek döngü tamamlanır ve modellenen güç dönüştürücü sistemi sonraki örnek aralığa geçer. İşlemi tekrarlar ve benzetim ilerler.

84 69 7. ELDE EDİLEN BULGULAR 7.1. Donanım İçeren Benzetimde Kullanılan Parametreler Benzetim ve deneylerde kullanılan parametreler Çizelge 7.1 'de verilmiştir. İlk olarak, benzetim çalışmaları bu parametreleri kullanılarak MATLAB/Simulink aracı içinde gerçekleştirilmiştir. Çizelge 7.1. Deneyler ve benzetimde kullanılan parametreler Çıkış Gücü P o 500 [W] Çıkış Gerilimi V o 400 [V] Giriş Voltajı v in, f line 220 [V rms,50 Hz] Anahtarlama Frekansı f s 50 [khz] Adım Aralığı h 10 µs Endüktans değeri L a 1,5 [mh] Endüktans değeri L b 1,5 [mh] Çıkış Kapasitörü C [µf] 7.2. Benzetim Çalışmaları ve Karşılaştırılması Benzetim çalışmaları, Çizelge 7.1 de ki parametreleri kullanarak MATLAB/ Simulink aracı içinde gerçekleştirilmiş ve sonuçlar Şekil 'de verilmiştir. Bobin akımı ve tam yük için ( P o = 500 W ) dönüştürücü çıkış ve giriş gerilimi Şekil 7.1 de verilmiştir. Tam yükte (500 W) güç dönüştürücüsü çalışma kararlılığına ulaştıktan sonra 250 W olarak değiştirildi, sonra tekrar 500 W kararlılığına döndürülerek test işlemi gerçekleştirilmiştir. Sinyal görünümleri Şekil 7.2 de verilmiştir.

85 70 Şekil 7.1. Yukarıdan aşağıya doğru : Kapalı döngü sisteminin çıkış voltajı (V o ), giriş voltajı (v in ) ve giriş bobin akımı (i L ) sinyalleri Şekil 7.2. Yukarıdan aşağıya doğru : Kapalı döngü sisteminin yükleme ayarlarında değişiklik ile çıkış voltajı (V o ), giriş voltajı (v in ) ve bobin akımı (i L ) Bu işlem için benzetim çalışma süresi 0,5 s olmasına rağmen, bu yürütmeyi bitirmek için geçen süre 15 s civarındadır. Uzun süre benzetimlerdeki gerekli zaman için gelişmekte olan ve test edilen gömülü denetleyici önemli olabilir. Denetleyicinin şematik bir diyagramı Şekil 6.1'de verilmiştir. Gerçek zaman çalışma ortamı, benzetim için gerekli tüm elemanları içerir. Bu elemanlar alternatif kontrol yöntemi olarak dönüştürücü model ve basit anahtarlama kullanan gömülü sistemler