Разработка киберфизических систем на основе микроконтроллеров

 
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Федеральное государственное автономное  
образовательное учреждение высшего образования 
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
Инженерно-технологическая академия 
 
 
 
 
 
С. А. СИНЮТИН  
А. В. ЛЕОНОВА 
 
 
РАЗРАБОТКА КИБЕРФИЗИЧЕСКИХ СИСТЕМ  
НА ОСНОВЕ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ростов-на-Дону – Таганрог 
Издательство Южного федерального университета 
2024 
 

 
УДК 007.5: 004.31 (075.8) 
ББК 32.81:32.973 я73 
С388 
Печатается по решению кафедры встраиваемых и радиоприемных систем 
Института радиотехнических систем и управления Южного  
федерального университета (протокол № 5 от 30 мая 2023 г.) 
 
Рецензенты: 
профессор кафедры информационных и измерительных технологий  
Южного федерального университета В. Л. Земляков 
ведущий научный сотрудник ФГУП «Ростовский-на-Дону научноисследовательский институт радиосвязи», доктор технических наук,  
доцент В. А. Погорелов 
 
Синютин, С. А.  
С388           Разработка киберфизических систем на основе микроконтроллеров : учебное пособие / С. А. Синютин, А. В. Леонова ; Южный 
федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2024. ‒ 108 с. 
ISBN 978-5-9275-4633-6 
В учебном пособии рассмотрены основы создания киберфизических систем. Затронуты понятия «интернет вещей», «умных вещей» и «умного дома». 
На примере показано, как создаются проекты устройств, позволяющих собирать 
информацию с датчиков, управлять исполнительными механизмами и создавать 
алгоритмы работы умных вещей. Приведены примеры конкретных задач, возникающих при проектировании киберфизических систем. Все практические 
примеры требуют начальных знаний по программированию и электронике. Даются пояснения из области электроники, информатики, физики и других областей знаний, необходимых для понимания материала широким кругом читателей, интересующихся созданием киберфизических систем. 
УДК 007.5: 004.31 (075.8) 
ББК 32.81:32.973 я73 
ISBN 978-5-9275-4633-6 
 
© Южный федеральный университет, 2024 
© Синютин С. А., Леонова А. В., 2024  
© Оформление. Макет. Издательство  
Южного федерального университета, 2024 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................... 5 
1. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КИБЕРФИЗИЧЕСКИХ  
СИСТЕМ ........................................................................................................... 6 
Лекция 1. Киберфизические системы.  Основные понятия  
и принципы работы ...................................................................................... 6 
Контрольные вопросы ............................................................................ 10 
Лекция 2. Интернет вещей ......................................................................... 10 
Контрольные вопросы ............................................................................ 12 
Лекция 3. Человекомашинные интерфейсы (ЧМИ)   
в киберфизических системах ..................................................................... 12 
Контрольные вопросы ............................................................................ 16 
Лекция 4. Как работают вычислительные средства   
в  киберфизических системах .................................................................... 17 
Задачи для самостоятельной проработки.............................................. 23 
Контрольные вопросы ............................................................................ 24 
Лекция 5. Основы работы микроконтроллера .......................................... 24 
Контрольные вопросы ............................................................................ 27 
Лекция 6. Микропроцессоры и микроконтроллеры   
в киберфизических системах ..................................................................... 27 
Контрольные вопросы ............................................................................ 40 
Лекция 7. Аналого-цифровой преобразователь  
микроконтроллера AVR ............................................................................. 41 
Контрольные вопросы ............................................................................ 52 
Лекция 8. Обработка прерывания ............................................................. 53 
Контрольные вопросы ............................................................................ 58 
2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КИБЕРФИЗИЧЕСКИХ СИСТЕМ ........................ 59 
Лекция 1. Этапы проектирования киберфизических систем ................... 59 
Лекция 2. Примеры решения типовых задач, решаемых   
при проектировании киберфизических систем  на основе 
микроконтроллеров .................................................................................... 60 
Контрольные вопросы ............................................................................ 71 

Оглавление 
4 
Лекция 3. Структура типового проекта разработки киберфизической 
системы на основе микроконтроллера ...................................................... 72 
Контрольные вопросы ............................................................................ 75 
Лекция 4. Пример разработки киберфизической системы на основе 
микроконтроллера ...................................................................................... 75 
Лекция 5. Часто встречающиеся ошибки при разработке 
киберфизических систем н основе микроконтроллеров ........................... 94 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................... 97 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .............................................................................. 98 
ПРИЛОЖЕНИЕ ............................................................................................ 100 
 

ВВЕДЕНИЕ 
Данное учебное пособие представляет собой подробное руководство 
по проектированию киберфизических систем. В разд. 1 "Основы проектирования киберфизических систем" рассматриваются ключевые понятия и 
принципы работы таких систем, как интернет вещей, человекомашинные 
интерфейсы, работу вычислительных средств, микроконтроллеров и аналого-цифровых преобразователей. 
В разд. 2 "Проектирование киберфизических систем" подробно описываются этапы проектирования, примеры решения задач на основе микроконтроллеров, приводится типовая структура проекта разработки киберфизических систем, а также примеры разработки киберфизических систем. 
Также освещаются часто встречающиеся ошибки при разработке таких систем. 
Учебное пособие будет полезным для студентов колледжа ППО  
ИРТСУ ЮФУ по специальности 15.02.10 – Мехатроника и мобильная робототехника (по отраслям), студентов ИРТСУ ЮФУ по образовательным 
программам бакалавриата ЮФУ «Электронные средства киберфизических 
систем. 11.03.03 – Конструирование и технология электронных средств» и 
магистратуры ЮФУ «Программно-аппаратные комплексы киберфизических систем. 12.04.01 – Приборостроение», «Интернет вещей и технологии 
беспроводной связи. 11.04.02 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи», «Интеллектуальное управление робототехническими комплексами. 15.04.06 – Мехатроника и робототехника»,  обучающихся по 
группам научных специальностей 2.2 «Электроника, фотоника, приборостроение и связь», а также для широкого круга читателей, интересующихся 
созданием киберфизических систем.  
 
 

1. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КИБЕРФИЗИЧЕСКИХ СИСТЕМ 
Лекция 1. Киберфизические системы.  
Основные понятия и принципы работы 
Актуальное направление в современной технологии – киберфизические системы. Киберфизическая система – это интегрированная система, 
объединяющая программное обеспечение, аппаратную часть и механические компоненты для выполнения сложных задач в реальном времени. 
Киберфизические системы широко используются в различных областях, таких как автомобильная промышленность, медицина, производство, 
умный дом и другие. Они объединяют в себе высокие технологии информационных систем и физических процессов, что позволяет им работать эффективно и автономно. 
Основой киберфизических систем являются микроконтроллеры – специализированные вычислительные устройства, которые управляют различными компонентами системы. Они выполняют функции сбора, обработки и 
передачи данных, управления исполнительными механизмами и взаимодействия с внешним миром. Подробно мы рассмотрим работу микроконтроллеров в лекциях 4–8 данного учебного пособия. 
Ключевые принципы работы киберфизических систем включают в себя непрерывное взаимодействие с окружающей средой, высокую отказоустойчивость, автономность и возможность быстрой адаптации к изменяющимся условиям. 
Одним из важных аспектов киберфизических систем является интернет вещей (IoT) – сеть взаимосвязанных устройств, способных обмениваться данными и взаимодействовать между собой без участия человека. Это 
позволяет создавать интеллектуальные системы, способные самостоятельно принимать решения и выполнять задачи. 
Человекомашинные интерфейсы играют также важную роль в киберфизических системах, обеспечивая коммуникацию между человеком и 
машиной. Это может быть голосовое управление, сенсорные экраны, жесты 
и другие методы взаимодействия, более подробно рассмотрим их в лекции 3. 
Перспективное развивающееся направление для инженеров, программистов и ученых и при этом достаточно обширное понятие самой киберфизической системы. Встречаются различные варианты и написания данного 

Лекция 1. Киберфизические системы. Основные понятия и принципы работы  
7 
термина: киберфизические системы или кибер физические системы. Мы 
остановимся на варианте слитного написания термина «киберфизические 
системы» или его сокращенного варианта в виде аббревиатуры  КФС.  
Согласно одному из официальных определений, киберфизические системы – созданные в результате инженерной деятельности системы, которые основаны на бесшовной интеграции вычислительных алгоритмов и физических компонентов и зависят от этой интеграции [1]. 
Тем не менее, многие сходятся в наличии тесной связи и интеграции 
вычислительной машины и человека, вычислительной машины и привычных предметов жизни человека, его быта, производственных процессов. 
Также отмечают адаптивность и обратную связь от окружающей среды. 
КФС могут быть очень большими, объемными и многокомпонентными, а могут представлять собой миниатюрные портативные системы. 
Появление самих КФС, как и понятия «Интернета вещей», стало естественным процессом, к которому привело стремительное развитие встраиваемых вычислительных систем, облачного хранения данных, беспроводных и сенсорных технологий, микротехнологий в целом. 
На рис. 1 [1] показана эволюция управляющих ВС, их элементной базы, рост степени их интеграции с объектом мониторинга и/или управления.  
 
Рис. 1. Эволюция вычислительной компоненты (ВК) КФС  
(ИУС – информационно-управляющие системы) [1] 
В настоящее время методы проектирования элементной базы становятся все более близкими к методам проектирования управляющих ВС, 

1. Основы проектирования киберфизических систем  
8 
особенно в части вычислительной архитектуры. Сегодня система на кристалле может «закрывать» значительную часть вычислительных задач 
КФС. 
Структура киберфизических систем включает несколько основных 
компонентов, которые взаимодействуют между собой для выполнения задачи. Вот основные элементы структуры киберфизических систем. 
1. Физические компоненты: это механические, электрические или другие физические устройства, которые выполняют конкретные функции в реальном мире. Примерами таких компонентов могут быть датчики,  как исполнительные механизмы, роботы, машины и другие устройства. 
2. Вычислительные устройства: это компоненты системы, отвечающие 
за обработку данных, управление физическими устройствами и принятие 
решений. К ним относятся микроконтроллеры, компьютеры, серверы и 
другие устройства. 
3. Сетевые коммуникации: этот компонент обеспечивает связь и обмен 
данных между различными частями киберфизической системы. Это может 
быть проводная или беспроводная связь, локальные или глобальные сети. 
4. Программное обеспечение: это программы и алгоритмы, которые 
управляют работой киберфизической системы, обрабатывают данные, принимают решения и управляют физическими компонентами. Программное 
обеспечение может быть разделено на уровни управления, мониторинга, 
анализа данных и другие. 
5. Человекомашинный интерфейс (ЧМИ): этот компонент обеспечивает взаимодействие между человеком и киберфизической системой. Это 
может быть графический интерфейс, голосовое управление, сенсорные 
экраны или другие методы коммуникации. 
6. Базы данных и знаний: этот компонент отвечает за хранение и обработку данных, полученных от физических компонентов и вычислительных 
устройств. Базы данных могут использоваться для анализа данных, прогнозирования и оптимизации работы системы. 
На рис. 2 схематично представлена структура киберфизической системы. 
Все эти компоненты взаимодействуют между собой, образуя целостную киберфизическую систему, способную выполнять сложные задачи в 
реальном времени. Они работают совместно для достижения поставленных 
целей и обеспечения эффективной работы системы. 

Лекция 1. Киберфизические системы. Основные понятия и принципы работы  
9 
 
Рис. 2. Структура КФС 
Итак, из лекции 1 вы узнали, что киберфизическая система представляет собой интегрированную систему, в которой компьютерные и информационные технологии взаимодействуют с физическими процессами и 
объектами. КФС объединяет в себе вычислительные и коммуникационные 
возможности с физическими компонентами, такими как датчики, роботы, 
машины и другие устройства. 
Киберфизические системы широко применяются в различных областях, таких как автоматизация производства, умный город, медицинская 
техника, автономные транспортные средства, робототехника и другие. CPS 
позволяют управлять и контролировать физические процессы с использованием высокотехнологичных методов и алгоритмов, что повышает эффективность, безопасность и надежность систем. 
Примером CPS может служить умный дом, в котором различные 
устройства (например, светильники, кондиционеры, камеры видеонаблюдения) управляются и контролируются через централизованную систему 
умного дома с использованием сети Интернет. 
Киберфизические системы – это будущее технологий, которое уже 
наступило. Изучение основ проектирования и применения таких систем открывает новые возможности для развития индустрии, повышения эффективности процессов и улучшения качества жизни.  

1. Основы проектирования киберфизических систем  
10 
Контрольные вопросы 
1. Что представляют собой киберфизические системы (КФС) согласно 
официальному определению? 
2. Какие основные характеристики имеют киберфизические системы? 
3. Какие технологии и разработки способствовали появлению киберфизических систем? 
4. Какова эволюция управляющих вычислительных систем и их интеграции с объектом мониторинга и управления? 
5. В каких областях применяются киберфизические системы? 
6. Какие преимущества предоставляют киберфизические системы в 
управлении физическими процессами? 
7. Приведите пример использования киберфизической системы в повседневной жизни. 
8. Какие возможности предоставляет умный дом как пример киберфизической системы? 
9. Каким образом киберфизические системы способствуют повышению эффективности, безопасности и надежности систем? 
10. Какие перспективы развития киберфизических систем можно выделить на основе данной лекции? 
11. Опишите структуру КФС. 
Лекция 2. Интернет вещей 
Идея интернета вещей играет ключевую роль в развитии IT-индустрии 
по всему миру, включая Россию. В Китае интернет вещей внесет в перечень стратегических областей промышленности, в США – в перечень прорывных технологий. Активно ведутся разработки в Австралии, Южной Корее, Японии и Англии.  
Русское понятие «Интернет вещей» происходит от английского «internet of Thingc» (IoT), однако у «Интернета вещей» нет общепринятого определения. 
Одни промышленные гиганты определяют «интернет вещей» как сеть: 
устройства, объекты и сервисы, объединенные в глобальную сеть с интеллектуальными возможностями. Например, «умный дом», где все предметы 
объединены в единую сеть, собирают данные о пользователях, изучают их