Reliability and availability in reconfigurable computing: a basis for a common solution

Dynamically reconfigurable SRAM-based field-programmable gate arrays (FPGAs) enable the implementation of reconfigurable computing systems where several applications may be run simultaneously, sharing the available resources according to their own immediate functional requirements. To exclude malfunctioning due to faulty elements, the reliability of all FPGA resources must be guaranteed. Since resource allocation takes place asynchronously, an online structural test scheme is the only way of ensuring reliable system operation. On the other hand, this test scheme should not disturb the operation of the circuit, otherwise availability would be compromised. System performance is also influenced by the efficiency of the management strategies that must be able to dynamically allocate enough resources when requested by each application. As those resources are allocated and later released, many small free resource blocks are created, which are left unused due to performance and routing restrictions. To avoid wasting logic resources, the FPGA logic space must be defragmented regularly. This paper presents a non-intrusive active replication procedure that supports the proposed test methodology and the implementation of defragmentation strategies, assuring both the availability of resources and their perfect working condition, without disturbing system operation.

Particle swarm design of digital circuits

Swarm Intelligence (SI) is the property of a system whereby the collective behaviors of (unsophisticated) agents interacting locally with their environment cause coherent functional global patterns to emerge. Particle swarm optimization (PSO) is a form of SI, and a population-based search algorithm that is initialized with a population of random solutions, called particles. These particles are flying through hyperspace and have two essential reasoning capabilities: their memory of their own best position and knowledge of the swarm's best position. In a PSO scheme each particle flies through the search space with a velocity that is adjusted dynamically according with its historical behavior. Therefore, the particles have a tendency to fly towards the best search area along the search process. This work proposes a PSO based algorithm for logic circuit synthesis. The results show the statistical characteristics of this algorithm with respect to number of generations required to achieve the solutions. It is also presented a comparison with other two Evolutionary Algorithms, namely Genetic and Memetic Algorithms.

Determinação do teor de compostos aromáticos policíclicos de óleos minerais isolantes para transformadores

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Optimização Energética na Indústria Química

Sistema didáctico de baixo custo com FPGA de alta densidade

O uso das Field-Programmable Gate Array tem crescido de forma exponencial. Com isto dito, é importante que os engenheiros electrotécnicos estejam familiarizados com este tipo de tecnologia. Foi com o intuído de passar estas valências para os alunos do ISEP, que surgiu a ideia de criar um sistema didáctico, que permitisse ao alunos aprender a trabalhar com estes dispositivos. O seguinte trabalho iniciou-se com base num estudo das características destes dispositivos e das suas potencialidades, seguido de uma avaliação do que o mercado tem para oferecer. Posteriormente, com base em toda a informação reunida, foi definida a arquitectura do sistema, que levou selecção de dispositivos a incluir no mesmo, e culminando na concepção do esquema eléctrico do sistema e da placa de circuito impresso correspondente ao protótipo do mesmo. As principais directivas para este projecto foram o uso de uma FPGA de alta densidade e a concepção da ferramenta com o custo de projecto o mais reduzido possível.

Fractional electrical impedances in botanical elements

Fractional calculus (FC) is no longer considered solely from a mathematical viewpoint, and is now applied in many emerging scientific areas, such as electricity, magnetism, mechanics, fluid dynamics, and medicine. In the field of dynamical systems, significant work has been carried out proving the importance of fractional order mathematical models. This article studies the electrical impedance of vegetables and fruits from a FC perspective. From this line of thought, several experiments are developed for measuring the impedance of botanical elements. The results are analyzed using Bode and polar diagrams, which lead to electrical circuit models revealing fractional-order behaviour.

On-line self-healing of circuits implemented on reconfigurable FPGAs

To boost logic density and reduce per unit power consumption SRAM-based FPGAs manufacturers adopted nanometric technologies. However, this technology is highly vulnerable to radiation-induced faults, which affect values stored in memory cells, and to manufacturing imperfections. Fault tolerant implementations, based on Triple Modular Redundancy (TMR) infrastructures, help to keep the correct operation of the circuit. However, TMR is not sufficient to guarantee the safe operation of a circuit. Other issues like module placement, the effects of multi- bit upsets (MBU) or fault accumulation, have also to be addressed. In case of a fault occurrence the correct operation of the affected module must be restored and/or the current state of the circuit coherently re-established. A solution that enables the autonomous restoration of the functional definition of the affected module, avoiding fault accumulation, re-establishing the correct circuit state in real-time, while keeping the normal operation of the circuit, is presented in this paper.

A framework for self-healing radiation-tolerant implementations on reconfigurable FPGAs

To increase the amount of logic available in SRAM-based FPGAs manufacturers are using nanometric technologies to boost logic density and reduce prices. However, nanometric scales are highly vulnerable to radiation-induced faults that affect values stored in memory cells. Since the functional definition of FPGAs relies on memory cells, they become highly prone to this type of faults. Fault tolerant implementations, based on triple modular redundancy (TMR) infrastructures, help to keep the correct operation of the circuit. However, TMR is not sufficient to guarantee the safe operation of a circuit. Other issues like the effects of multi-bit upsets (MBU) or fault accumulation, have also to be addressed. Furthermore, in case of a fault occurrence the correct operation of the affected module must be restored and the current state of the circuit coherently re-established. A solution that enables the autonomous correct restoration of the functional definition of the affected module, avoiding fault accumulation, re-establishing the correct circuit state in realtime, while keeping the normal operation of the circuit, is presented in this paper.

Projeto e implementação de um pré-regulador de fator de potência com controlo digital

Hoje em dia as fontes de alimentação possuem correção do fator de potência, devido às diversas normas regulamentares existentes, que introduziram grandes restrições no que respeita à distorção harmónica (THD) e fator de potência (FP). Este trabalho trata da análise, desenvolvimento e implementação de um Pré-Regulador de fator de potência com controlo digital. O controlo digital de conversores com recurso a processamento digital de sinal tem vindo a ser ao longo dos últimos anos, objeto de investigação e desenvolvimento, estando constantemente a surgirem modificações nas topologias existentes. Esta dissertação tem como objetivo estudar e implementar um Pré-Regulador Retificador Boost e o respetivo controlo digital. O controlo do conversor é feito através da técnica dos valores médios instantâneos da corrente de entrada, desenvolvido através da linguagem de descrição de hardware VHDL (VHSIC HDL – Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) e implementado num dispositivo FPGA (Field Programmable Gate Array) Spartan-3E. Neste trabalho são apresentadas análises matemáticas, para a obtenção das funções de transferência pertinentes ao projeto dos controladores. Para efetuar este controlo é necessário adquirir os sinais da corrente de entrada, tensão de entrada e tensão de saída. O sinal resultante do módulo de controlo é um sinal de PWM com valor de fator de ciclo variável ao longo do tempo. O projeto é simulado e validado através da plataforma MatLab/Simulink e PSIM, onde são apresentados resultados para o regime permanente e para transitórios da carga e da tensão de alimentação. Finalmente, o Pré-Regulador Retificador Boost controlado de forma digital é implementado em laboratório. Os resultados experimentais são apresentados para validar a metodologia e o projeto desenvolvidos.

Implementação de um Array de detetores de radiação ionizante

Atualmente, as radiações ionizantes desempenham um papel fundamental nas áreas de diagnóstico e terapia, estando omnipresentes em ambientes hospitalares. Contudo, devido aos efeitos biológicos adversos da radiação, torna-se essencial a protecção dos profissionais de saúde e pacientes. Consequentemente, um array de detetores capazes de produzir um sinal acústico, aquando da presença de radiação ionizante excedendo determinados valores limite e transmissão via wireless das leituras para um sistema central _e de grande interesse prático. Nesta dissertação, foi implementado um sistema capaz de alimentar um array de sensores de radiação para monitorização de diferentes espaços e transmissão das leituras efetuadas via wireless. A aquisição de dados foi realizada, recorrendo à utilização de um conversor analógico-digital. Vários testes de validação foram realizados, através de vários passos para alcançar a concretização do sistema final, nomeadamente testes relativos ao circuito de detecção, módulos de comunicação wireless, bem como o uso de diferentes ambientes de desenvolvimento integrados (IDE). Os resultados destes testes mostram a visualização e gravação adequadas dos dados relativos aos níveis de radiação, bem como a transmissão de dados de forma viável, permitindo a monitorização de espaços sujeitos à presença de radiação ionizante. Desta forma, um array de contadores Geiger-Müller, ligados a módulos wireless XBee open-source e uma placa Arduino, possibilitou a implementação de um sistema viável e de baixo custo para monitorização de radiação ionizante e registar esses mesmos dados para posterior análise.

Construção de um variador de frequência

A dificuldade de controlo de um motor de indução, bem como o armazenamento de energia CC e posterior utilização como energia alternada promoveram o desenvolvimento de variadores de frequência e inversores. Assim, como projeto de tese de mestrado em Automação e Sistemas surge o desenvolvimento de um variador de frequência. Para elaboração do variador de frequência efetuou-se um estudo sobre as técnicas de modulação utilizadas nos inversores. A técnica escolhida e utilizada é a Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM). Esta técnica baseia-se na modelação por largura de impulso (PWM), o qual é formado por comparação de um sinal de referência com um sinal de portadora de elevada frequência. Por sua vez, a topologia escolhida para o inversor corresponde a um Voltage Source Inverter (VSI) de ponte trifásica completa a três terminais. O desenvolvimento da técnica de modulação SPWM levou ao desenvolvimento de um modelo de simulação em SIMULINK, o qual permitiu retirar conclusões sobre os resultados obtidos. Na fase de implementação, foram desenvolvidas placas para o funcionamento do variador de frequência. Assim, numa fase inicial foi desenvolvida a placa de controlo, a qual contém a unidade de processamento e que é responsável pela atuação de Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBTs). Para além disso, foi desenvolvida uma placa para proteção dos IGBTs (evitando condução simultânea no mesmo terminal) e uma placa de fontes isoladas para alimentação dos circuitos e para atuação dos IGBTs. Ainda, foi desenvolvida a técnica de SPWM em software para a unidade de controlo e finalmente foi desenvolvida uma interface gráfica para interação com o utilizador. A validação do projeto foi conseguida através da variação da velocidade do motor de indução trifásico. Para isso, este foi colocado a funcionar a diversas frequências de funcionamento e a diferentes amplitudes. Para além disso, o seu funcionamento foi também validado utilizando uma carga trifásica equilibrada de 3 lâmpadas de forma a ser visualizada a variação de frequência e variação de amplitude.

Implementação e integração do modelo de acreditação da Joint Commission International na unidade de imagiologia do Hospital Privado da Boavista

Este trabalho descreve a abordagem abrangente sobre a melhoria do sistema de gestão da qualidade na Unidade de Imagiologia do Hospital da Boavista através da implementação das normas de acreditação da Joint Commission International (JCI). Fundamental para a melhoria geral da qualidade é a redução contínua de riscos para os doentes e para os profissionais da Unidade. Tais riscos podem existir ao nível do ambiente físico assim como no circuito dos exames e dos doentes. A acreditação em Saúde é uma das prioridades estratégicas do Ministério da Saúde e tem como objetivo fortalecer a confiança dos cidadãos nos profissionais de saúde bem como nas instituições de saúde. É importante que Portugal cultive a melhoria da qualidade e segurança nas instituições de saúde mantendo uma relação adequada custo/benefício. A União Europeia tem feito um esforço para que a acreditação seja harmoniosa nos seus princípios, no entanto é respeitada sempre a prevalência da legislação de cada país, bem como as suas especificações culturais e religiosas (Shaw, 2006), responsabilizando-o pelo seu sistema de saúde O trabalho aqui apresentado tem como objetivo principal fundamentar a escolha do modelo de acreditação da JCI para o Hospital da Boavista, nomeadamente para a Unidade de Imagiologia, ver se os padrões estão de acordo com os procedimentos da Unidade, identificar falhas e apontar possiveis melhorias. Pretende-se ainda mostrar a importância da implementação dos sistemas de certificação e acreditação da gestão da qualidade, documentada pela experiência profissional, bem como o know-how do Hospital da Boavista, assim como a complementaridade dos programas da gestão da qualidade, certificação e acreditação. A escolha do modelo de acreditação da JCI, foi uma opção do Hospital da Boavista baseada na credibilidade e no grau de exigência que a entidade impõe. Foi imperativo que a Unidade de Imagiologia realizasse as suas funções de forma válida e fiável e que disponibilizasse produtos / serviços de qualidade. A monitorização e consequente controlo de qualidade do serviço prestado pela Unidade de Imagiologia, foi difícil mas simplificado, em parte, devido ao sistema de gestão da qualidade ISO 9001:2008 já implementado, tendo este sido consolidado com a implementação da acreditação da JCI, com padrões específicos bem definidos na gestão do controlo de qualidade na Unidade de Imagiologia do Hospital da Boavista.

Desenvolvimento de um Controlador de Boundary Scan (Ieee 1149.1)

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores - Área de Especialização em Automação e Sistemas

Development of a system to monitor surfer’s balance and plantar pressure and surfboard’s movement

O uso da tecnologia tem crescido nas últimas décadas nas mais diversas áreas, seja na indústria ou no dia-a-dia, e é cada vez mais evidente os benefícios que traz. No desporto não é diferente. Cada dia surgem novos desenvolvimentos objetivando a melhoria do desempenho dos praticantes de atividades físicas, possibilitando atingir resultados nunca antes pensados. Além disto, a utilização da tecnologia no desporto permite a obtenção de dados biomecânicos que podem ser utilizados tanto no treinamento quando na melhoria da qualidade de vida dos atletas auxiliando na prevenção de lesões, por exemplo. Deste modo, o presente projeto se aplica na área do desporto, nomeadamente, na modalidade do surfe, onde a ausência de trabalhos científicos ainda é elevada, aliando a tecnologia eletrônica ao desporto para quantificar informações até então desconhecidas. Três fatores básicos de desempenho foram levantados, sendo eles: equilíbrio, posicionamento dos pés e movimentação da prancha de surfe. Estes fatores levaram ao desenvolvimento de um sistema capaz de medi-los dinamicamente através da medição das forças plantares e da rotação da prancha de surfe. Além da medição dos fatores, o sistema é capaz de armazenar os dados adquiridos localmente através de um cartão de memória, para posterior análise; e também enviá-los através de uma comunicação sem fio, permitindo a visualização do centro de pressões plantares; dos ângulos de rotação da prancha de surfe; e da ativação dos sensores; em tempo real. O dispositivo consiste em um sistema eletrônico embarcado composto por um microcontrolador ATMEGA1280; um circuito de aquisição e condicionamento de sinal analógico; uma central inercial; um módulo de comunicação sem fio RN131; e um conjunto de sensores de força Flexiforce. O firmware embarcado foi desenvolvido em linguagem C. O software Matlab foi utilizado para receção de dados e visualização em tempo real. Os testes realizados demostraram que o funcionamento do sistema atende aos requisitos propostos, fornecendo informação acerca do equilíbrio, através do centro de pressões; do posicionamento dos pés, através da distribuição das pressões plantares; e do movimento da prancha nos eixos pitch e roll, através da central inercial. O erro médio de medição de força verificado foi de -0.0012 ± 0.0064 N, enquanto a mínima distância alcançada na transmissão sem fios foi de 100 m. A potência medida do sistema foi de 330 mW.

Projecto e implementação de osciloscópio digital baseado na norma IEEE1451.0

Os osciloscópios digitais são utilizados em diversas áreas do conhecimento, assumindo-se no âmbito da engenharia electrónica, como instrumentos indispensáveis. Graças ao advento das Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), os instrumentos de medição reconfiguráveis, dadas as suas vantagens, i.e., altos desempenhos, baixos custos e elevada flexibilidade, são cada vez mais uma alternativa aos instrumentos tradicionalmente usados nos laboratórios. Tendo como objectivo a normalização no acesso e no controlo deste tipo de instrumentos, esta tese descreve o projecto e implementação de um osciloscópio digital reconfigurável baseado na norma IEEE 1451.0. Definido de acordo com uma arquitectura baseada nesta norma, as características do osciloscópio são descritas numa estrutura de dados denominada Transducer Electronic Data Sheet (TEDS), e o seu controlo é efectuado utilizando um conjunto de comandos normalizados. O osciloscópio implementa um conjunto de características e funcionalidades básicas, todas verificadas experimentalmente. Destas, destaca-se uma largura de banda de 575kHz, um intervalo de medição de 0.4V a 2.9V, a possibilidade de se definir um conjunto de escalas horizontais, o nível e declive de sincronismo e o modo de acoplamento com o circuito sob análise. Arquitecturalmente, o osciloscópio é constituído por um módulo especificado com a linguagem de descrição de hardware (HDL, Hardware Description Language) Verilog e por uma interface desenvolvida na linguagem de programação Java®. O módulo é embutido numa FPGA, definindo todo o processamento do osciloscópio. A interface permite o seu controlo e a representação do sinal medido. Durante o projecto foi utilizado um conversor Analógico/Digital (A/D) com uma frequência máxima de amostragem de 1.5MHz e 14 bits de resolução que, devido às suas limitações, obrigaram à implementação de um sistema de interpolação multi-estágio com filtros digitais.

Otimização Energética do Sistema de Refrigeração da máquina de impregnar ZELL

Esta dissertação teve como objetivo fundamental a otimização energética do sistema de refrigeração da máquina de impregnar tela ZELL e, como objetivo adicional, a avaliação da qualidade da água do circuito, justificada pela acentuada degradação dos rolos devido à corrosão provocada pela recirculação da água de arrefecimento. Inicialmente fez-se o levantamento de informações do processo produtivo para caracterizar o funcionamento do sistema de refrigeração, tendo-se selecionado duas telas de poliéster designadas neste estudo por P1 e P2 e, também, uma tela de nylon designada por N. Foram efetuados ensaios, um para cada tela, para a atual temperatura de setpoint da água à saída da torre de arrefecimento (30ºC). Realizou-se outro ensaio para a tela N mas com uma temperatura de setpoint de 37ºC, ao qual se chamou N37. Deste modo, determinou-se as potências térmicas removidas pela água de refrigeração e as potências térmicas perdidas por radiação e por convecção, tendo-se verificado que na generalidade dos rolos as referências P1 e P2 apresentam valores mais elevados. Em termos percentuais, a potência térmica removida pela água de refrigeração nos grupos tratores 1 e 3 e no conjunto de rolos de R1 a R29 corresponde a 48%, 10% e 70%, respetivamente. Com a avaliação às necessidades de arrefecimento da máquina ZELL, confirmou-se que os caudais atuais de refrigeração dos rolos garantem condições, mais que suficientes, de funcionamento dos rolamentos. Assim sendo, fez-se uma análise no sentido da diminuição do caudal total que passou de 10,25 L/s para 7,65 L/s. Considerando esta redução, determinou-se o caudal de ar húmido a ser introduzido na torre de arrefecimento. O valor determinado foi de 4,6 m3ar húmido/s, o que corresponde a uma redução de cerca de 32% em relação ao caudal atual que é de 6,8 m3ar húmido/s. Com os resultados das análises efetuadas à água do circuito de refrigeração, concluiu-se que a água de reposição e a água de recirculação possuem má qualidade para uso na generalidade dos sistemas de refrigeração, principalmente devido aos elevados valores de concentração de ferro e condutividade elétrica, responsáveis pela intensificação da corrosão no interior dos rolos.