Reconfigurable weblabs based on the IEEE1451 Std

Technology plays a double role in Education: it can act as a facilitator in the teaching/learning process and it can be the very subject of that process in Science & Engineering courses. This is especially true when students perform laboratory activities where they interact with equipment and objects under experimentation. In this context, technology can also play a facilitator role if it allows students to perform experiments in a remote fashion, through the Internet, in a so-called weblab or remote laboratory. No doubt, the Internet has been revolutionizing the educational process in many aspects, and it can be stated that remote laboratories are just an angle of that on-going revolution. As any other educational tool or resource, the i) pedagogical approach and the ii) technology used in the development of a remote laboratory can dictate its general success or its ephemeral existence. By pedagogical approach we consider the way remote experiments address the process by which students acquire experimental skills and link experimental results to theoretical concepts. In respect to technology, we discuss different specification and implementation alternatives, to show the case where the adoption of a family of standards would positively contribute to a larger acceptance and utilization of remote laboratories, and also to a wider collaboration in their development.

A smart layer for remote laboratories

Commonly, when a weblab is developed to support remote experiments in sciences and engineering courses, a particular hardware/software architecture is implemented. However, the existence of several technological solutions to implement those architectures difficults the emergence of a standard, both at hardware and software levels. While particular solutions are adopted assuming that only qualified people may implement a weblab, the control of the physical space and the power consumption are often forgotten. Since controlling these two previous aspects may increase the quality of the weblab hosting the remote experiments, this paper proposes the useof a new layer implemented by a domotic system bus with several devices (e.g. lights, power sockets, temperature sensors, and others) able to be controlled through the Internet. We also provide a brief proof-of-concept in the form of a weblab equipped with a simple domotic system usually implemented in smart houses. The added value to the remote experiment hosted at the weblab is also identified in terms of power savings and environment conditions.

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.

FPGA-based weblab infrastructures guidelines and a prototype implementation example

Recent trends show an increasing number of weblabs, implemented at universities and schools, supporting practical training in technical courses and providing the ability to remotely conduct experiments. However, their implementation is typically based on individual architectures, unable of being reconfigured with different instruments/modules usually required by every experiment. In this paper, we discuss practical guidelines for implementing reconfigurable weblabs that support both local and remote control interfaces. The underlying infrastructure is based on reconfigurable, low-cost, FPGA-based boards supporting several peripherals that are used for the local interface. The remote interface is powered by a module capable of communicating with an Ethernet based network and that can either correspond to an internal core of the FPGA or an external device. These two approaches are discussed in the paper, followed by a practical implementation example.

Addressing software impact in the design of remote laboratories

Remote Laboratories or WebLabs constitute a first-order didactic resource in engineering faculties. However, in many cases, they lack a proper software design, both in the client and server side, which degrades their quality and academic usefulness. This paper presents the main characteristics of a Remote Laboratory, analyzes the software technologies to implement the client and server sides in a WebLab, and correlates these technologies with the characteristics to facilitate the selection of a technology to implement a WebLab. The results obtained suggest the adoption of a Service Oriented Laboratory Architecture-based approach for the design of future Remote Laboratories so that client-agnostic Remote Laboratories and Remote Laboratory composition are enabled. The experience with the real Remote Laboratory, WebLab-Deusto, is also presented.

Marcação CE de dispositivos médicos e segurança em software

Com o crescente aumento da Teleradiologia, sentiu-se necessidade de criar mais e melhores softwares para sustentar esse crescimento. O presente trabalho pretende abordar a temática da certificação de software e a sua marcação CE, pois para dar entrada no mercado Europeu todos os Dispositivos Médicos (DM) têm de estar devidamente certificados. Para efetuar a marcação CE e a certificação serão estudadas normas e normativos adequados para marcação de DM ao nível Europeu e também dos Estados Unidos da América. A temática da segurança de dados pessoais será também estudada de forma a assegurar que o dispositivo respeite a legislação em vigor. Este estudo tem como finalidade a certificação de um software proprietário da efficientia sysPACS, um serviço online abrangente, que permite a gestão integrada do armazenamento e distribuição de imagens médicas para apoio ao diagnóstico.

Suporte à computação paralela e distribuída em Java: distribuição e execução de trabalho

Nos últimos anos começaram a ser vulgares os computadores dotados de multiprocessadores e multi-cores. De modo a aproveitar eficientemente as novas características desse hardware começaram a surgir ferramentas para facilitar o desenvolvimento de software paralelo, através de linguagens e frameworks, adaptadas a diferentes linguagens. Com a grande difusão de redes de alta velocidade, tal como Gigabit Ethernet e a última geração de redes Wi-Fi, abre-se a oportunidade de, além de paralelizar o processamento entre processadores e cores, poder em simultâneo paralelizá-lo entre máquinas diferentes. Ao modelo que permite paralelizar processamento localmente e em simultâneo distribuí-lo para máquinas que também têm capacidade de o paralelizar, chamou-se “modelo paralelo distribuído”. Nesta dissertação foram analisadas técnicas e ferramentas utilizadas para fazer programação paralela e o trabalho que está feito dentro da área de programação paralela e distribuída. Tendo estes dois factores em consideração foi proposta uma framework que tenta aplicar a simplicidade da programação paralela ao conceito paralelo distribuído. A proposta baseia-se na disponibilização de uma framework em Java com uma interface de programação simples, de fácil aprendizagem e legibilidade que, de forma transparente, é capaz de paralelizar e distribuir o processamento. Apesar de simples, existiu um esforço para a tornar configurável de forma a adaptar-se ao máximo de situações possível. Nesta dissertação serão exploradas especialmente as questões relativas à execução e distribuição de trabalho, e a forma como o código é enviado de forma automática pela rede, para outros nós cooperantes, evitando assim a instalação manual das aplicações em todos os nós da rede. Para confirmar a validade deste conceito e das ideias defendidas nesta dissertação foi implementada esta framework à qual se chamou DPF4j (Distributed Parallel Framework for JAVA) e foram feitos testes e retiradas métricas para verificar a existência de ganhos de performance em relação às soluções já existentes.

Implementação de um software de gestão de logística no Hospital Agostinho Ribeiro

O presente relatório possui o propósito de apresentar o estágio curricular desenvolvido na empresa “Santa Casa da Misericórdia de Felgueiras”, iniciado a 1 de maio de 2013, englobando horas de aprendizagem e consolidação de conhecimentos adquiridos no percurso académico. A realização do presente estágio está enquadrada no protocolo celebrado entre a “Santa Casa da Misericórdia de Felgueiras” e a Associação de Politécnicos do Norte, cumprindo desta forma o art.º 2 e 3 do Regulamento de Estágios Curriculares da Associação de Politécnicos do Norte (APNOR). A realização do estágio, bem como a realização deste relatório, é o produto final de meses de experiência laboral, pesquisa bibliográfica e de reflexão, de um ano curricular. Com a realização deste estágio e do relatório permitiu-me concluir acerca de como é elaborada a gestão hospitalar e a sua importância no contexto empresarial. A gestão contribui com o fornecimento de informações económicas nos diferentes usuários como: Gestores, Governo, Sindicato, Funcionários.

Control of a 6-DOF parallel manipulator through a mechatronic approach

This paper shows that a hierarchical architecture, distributing several control actions in growing levels of complexity and using resources of reconfigurable computing, enables one to take into account the ease of future modifications, updates and improvements in robotic applications. An experimental example of a Stewart—Gough platform control (a platform applied as the solution to countless practical problems) is presented using reconfigurable computing. The software and hardware developed are structured in independent blocks. This open architecture implementation allows easy expansion of the system and better adaptation of the platform to its related tasks.

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.

A framework for fault tolerant real time systems based on reconfigurable FPGAs

To increase the amount of logic available to the users in SRAM-based FPGAs, manufacturers are using nanometric technologies to boost logic density and reduce costs, making its use more attractive. However, these technological improvements also make FPGAs particularly vulnerable to configuration memory bit-flips caused by power fluctuations, strong electromagnetic fields and radiation. This issue is particularly sensitive because of the increasing amount of configuration memory cells needed to define their functionality. A short survey of the most recent publications is presented to support the options assumed during the definition of a framework for implementing circuits immune to bit-flips induction mechanisms in memory cells, based on a customized redundant infrastructure and on a detection-and-fix controller.

On-line defragmentation for run-time partially reconfigurable FPGAs

Dynamically reconfigurable systems have benefited from a new class of FPGAs recently introduced into the market, which allow partial and dynamic reconfiguration at run-time, enabling multiple independent functions from different applications to share the same device, swapping resources as needed. When the sequence of tasks to be performed is not predictable, resource allocation decisions have to be made on-line, fragmenting the FPGA logic space. A rearrangement may be necessary to get enough contiguous space to efficiently implement incoming functions, to avoid spreading their components and, as a result, degrading their performance. This paper presents a novel active replication mechanism for configurable logic blocks (CLBs), able to implement on-line rearrangements, defragmenting the available FPGA resources without disturbing those functions that are currently running.

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.