System-on-chip field-programmable gate array design for onboard real-time hyperspectral unmixing

Hyperspectral instruments have been incorporated in satellite missions, providing large amounts of data of high spectral resolution of the Earth surface. This data can be used in remote sensing applications that often require a real-time or near-real-time response. To avoid delays between hyperspectral image acquisition and its interpretation, the last usually done on a ground station, onboard systems have emerged to process data, reducing the volume of information to transfer from the satellite to the ground station. For this purpose, compact reconfigurable hardware modules, such as field-programmable gate arrays (FPGAs), are widely used. This paper proposes an FPGA-based architecture for hyperspectral unmixing. This method based on the vertex component analysis (VCA) and it works without a dimensionality reduction preprocessing step. The architecture has been designed for a low-cost Xilinx Zynq board with a Zynq-7020 system-on-chip FPGA-based on the Artix-7 FPGA programmable logic and tested using real hyperspectral data. Experimental results indicate that the proposed implementation can achieve real-time processing, while maintaining the methods accuracy, which indicate the potential of the proposed platform to implement high-performance, low-cost embedded systems, opening perspectives for onboard hyperspectral image processing.

Automação e controlo de um sistema de armazenamento de bicicletas

A crescente procura da bicicleta como meio de transporte alternativo torna relevante a criação e desenvolvimento de infra-estruturas de apoio, tais como ciclovias e parques para bicicletas. Os sistemas tradicionais de parqueamento de bicicletas com recurso a correntes e cadeados não fornecem segurança nem comodidade. No entanto, começam a surgir, em várias cidades do mundo, parque automáticos onde é possível guardar uma bicicleta em segurança, protegendo-a quer das intempéries quer de actos de vandalismo. Este trabalho apresenta uma proposta para um parque automático de armazenamento de bicicletas, com recurso a caixas individualizadas que garantem a sua segurança, e também de outros bens que podem ser guardados junto da mesma, como por exemplo um capacete ou uma mochila. O sistema proposto no âmbito deste trabalho é um complemento às alternativas existentes. As vantagens apresentadas pelo sistema proposto são: a sua construção modular e personalizada; e a possibilidade de instalação num terreno plano, sem recurso a obras de construção civil. O objectivo foi criar um projecto de automação e controlo de um protótipo, com base na proposta apresentada. O projecto de automação e controlo engloba a escolha dos sensores e dos actuadores. Para o dimensionamento dos motores foi necessário recorrer a um cálculo simplificado da estrutura do robô manipulador. Foi feita a escolha dos sensores, actuadores e do controlador com base nos requisitos funcionais. A programação foi desenvolvida numa linguagem normalizada. O modelo desenvolvido poderá servir de base para um projecto multidisciplinar entre vários departamentos do Instituto e dessa cooperação poderá surgir um novo projecto optimizado para produção e de menor custo.

Codificador JPEG baseado em FPGA

O presente trabalho consiste na implementação em hardware de unidades funcionais dedicadas e optimizadas, para a realização das operações de codificação e descodificação, definidas na norma de codificação com perda Joint Photographic Experts Group (JPEG), ITU-T T.81 ISO/IEC 10918-1. Realiza-se um estudo sobre esta norma de forma a caracterizar os seus principais blocos funcionais. A finalidade deste estudo foca-se na pesquisa e na proposta de optimizações, de forma a minimizar o hardware necessário para a realização de cada bloco, de modo a que o sistema realizado obtenha taxas de compressão elevadas, minimizando a distorção obtida. A redução de hardware de cada sistema, codificador e descodificador, é conseguida à custa da manipulação das equações dos blocos Forward Discrete Cosine Transform (FDCT) e Quantificação (Q) e dos blocos Forward Discrete Cosine Transform (IDCT) e Quantificação Inversa (IQ). Com as conclusões retiradas do estudo e através da análise de estruturas conhecidas, descreveu-se cada bloco em Very-High-Speed Integrated Circuits (VHSIC) Hardware Description Language (VHDL) e fez-se a sua síntese em Field Programmable Gate Array (FPGA). Cada sistema implementado recorre à execução de cada bloco em paralelo de forma a optimizar a codificação/descodificação. Assim, para o sistema codificador, será realizada a operação da FDCT e Quantificação sobre duas matrizes diferentes e em simultâneo. O mesmo sucede para o sistema descodificador, composto pelos blocos Quantificação Inversa e IDCT. A validação de cada bloco sintetizado é executada com recurso a vectores de teste obtidos através do estudo efectuado. Após a integração de cada bloco, verificou-se que, para imagens greyscale de referência com resolução de 256 linhas por 256 colunas, é necessário 820,5 μs para a codificação de uma imagem e 830,5 μs para a descodificação da mesma. Considerando uma frequência de trabalho de 100 MHz, processam-se aproximadamente 1200 imagens por segundo.

Projecto dum laboratório remoto para automação de processos industriais

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Monitorização via internet de processos industriais controlados com autómatos programáveis

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Implementação em hardware reconfigurável de método de separação de dados hiperespetrais

Relatório do Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

Sistema de reconhecimento de impressões digitais baseado em FPGA

Trabalho de Projeto para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Eletrónica e Telecomunicações

Many-core approach to 2D-DCT calculation using an FPGA

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

Efficient Implementation Of A Single-Precision Floating-Point Arithmetic Unit on FPGA

This paper presents a single precision floating point arithmetic unit with support for multiplication, addition, fused multiply-add, reciprocal, square-root and inverse squareroot with high-performance and low resource usage. The design uses a piecewise 2nd order polynomial approximation to implement reciprocal, square-root and inverse square-root. The unit can be configured with any number of operations and is capable to calculate any function with a throughput of one operation per cycle. The floatingpoint multiplier of the unit is also used to implement the polynomial approximation and the fused multiply-add operation. We have compared our implementation with other state-of-the-art proposals, including the Xilinx Core-Gen operators, and conclude that the approach has a high relative performance/area efficiency. © 2014 Technical University of Munich (TUM).

Trends Of CPU, GPU and FPGA for high-performance computing

Floating-point computing with more than one TFLOP of peak performance is already a reality in recent Field-Programmable Gate Arrays (FPGA). General-Purpose Graphics Processing Units (GPGPU) and recent many-core CPUs have also taken advantage of the recent technological innovations in integrated circuit (IC) design and had also dramatically improved their peak performances. In this paper, we compare the trends of these computing architectures for high-performance computing and survey these platforms in the execution of algorithms belonging to different scientific application domains. Trends in peak performance, power consumption and sustained performances, for particular applications, show that FPGAs are increasing the gap to GPUs and many-core CPUs moving them away from high-performance computing with intensive floating-point calculations. FPGAs become competitive for custom floating-point or fixed-point representations, for smaller input sizes of certain algorithms, for combinational logic problems and parallel map-reduce problems. © 2014 Technical University of Munich (TUM).

Virtual laboratory for educational environments

In this paper a new simulation environment for a virtual laboratory to educational proposes is presented. The Logisim platform was adopted as the base digital simulation tool, since it has a modular implementation in Java. All the hardware devices used in the laboratory course was designed as components accessible by the simulation tool, and integrated as a library. Moreover, this new library allows the user to access an external interface. This work was motivated by the needed to achieve better learning times on co-design projects, based on hardware and software implementations, and to reduce the laboratory time, decreasing the operational costs of engineer teaching. Furthermore, the use of virtual laboratories in educational environments allows the students to perform functional tests, before they went to a real laboratory. Moreover, these functional tests allow to speed-up the learning when a problem based approach methodology is considered. © 2014 IEEE.

Multifunctional controller architecture for sold-state marx modulator based on FPGA

This paper proposes a multifunctional architecture to implement field-programmable gate array (FPGA) controllers for power converters and presents a prototype for a pulsed power generator based on a solid-state Marx topology. The massively parallel nature of reconfigurable hardware platforms provides very high processing power and fast response times allowing the implementation of many subsystems in the same device. The prototype includes the controller, a failure detection system, an interface with a safety/emergency subsystem, a graphical user interface, and a virtual oscilloscope to visualize the generated pulse waveforms, using a single FPGA. The proposed architecture employs a modular design that can be easily adapted to other power converter topologies.

An internet remote laboratory to teach industrial automation

This paper presents the new internet remote laboratory (IRL), constructed at Mechanical Engineering Department (MED), Instituto Superior de Engenharia de Lisboa (ISEL), to teach Industrial Automation, namely electropneumatic cycles. The aim of this work was the development and implementation of a remote laboratory that was simple and effective from the user point of view, allowing access to all its functionalities through a web browser without having to install any other program and giving access to all the features that the students can find at the physical laboratory. With this goal in mind, it has been implemented a simple architecture with the new programmable logic controller (PLC) SIEMENS S7-1200, and with the aid of several free programs, programming technologies such as JavaScript, PHP and databases, it was possible to have a remote laboratory, with a simple interface, to teach industrial automation students.

JPEG decoder implementation on FPGA using dynamic partial reconfiguration

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e telecomunicações

ALS-Sence: sistema de aquisição e processamento de electromiogramas para pacientes com ALS

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Eletrónica e Computadores