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.

Peers' evaluation of a reconfigurable IEEE1451.0-compliant and FPGA-based weblab

It is already more than 10 years that weblabs are seen as important resources to provide the experimental work required in engineering education. Several weblabs have been applied in engineering courses, but there are still unsolved problems related to the development of their infrastructures. For solving some of those problems, it was implemented a weblab with a reconfigurable infrastructure compliant with the IEEE1451.0 Std. and supported by Field Programmable Gate Array (FPGA) technology. This paper presents the referred weblab, and provides and analyses a set of researchers' opinions about the implemented infrastructure, and the adopted methodology for the conduction of real experiments.

Reconfigurable IEEE1451-FPGA based weblab infrastructure

Weblabs are spreading their influence in Science and Engineering (S&E) courses providing a way to remotely conduct real experiments. Typically, they are implemented by different architectures and infrastructures supported by Instruments and Modules (I&Ms) able to be remotely controlled and observed. Besides the inexistence of a standard solution for implementing weblabs, their reconfiguration is limited to a setup procedure that enables interconnecting a set of preselected I&Ms into an Experiment Under Test (EUT). Moreover, those I&Ms are not able to be replicated or shared by different weblab infrastructures, since they are usually based on hardware platforms. Thus, to overcome these limitations, this paper proposes a standard solution that uses I&Ms embedded into Field-Programmable Gate Array (FPGAs) devices. It is presented an architecture based on the IEEE1451.0 Std. supported by a FPGA-based weblab infrastructure able to be remotely reconfigured with I&Ms, described through standard Hardware Description Language (HDL) files, using a Reconfiguration Tool (RecTool).

Embedding instruments & modules into an IEEE1451-FPGA-Based Weblab infrastructure

Adopting standard-based weblab infrastructures can be an added value for spreading their influence and acceptance in education. This paper suggests a solution based on the IEEE1451.0 Std. and FPGA technology for creating reconfigurable weblab infrastructures using Instruments and Modules (I&Ms) described through standard Hardware Description Language (HDL) files. It describes a methodology for creating and binding I&Ms into an IEEE1451-module embedded in a FPGA-based board able to be remotely controlled/accessed using IEEE1451-HTTP commands. At the end, an example of a step-motor controller module bond to that IEEE1451-module is described.

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.

Work-in-progress on a thin IEEE1451.0 - architecture to implement reconfigurable Weblab infrastructures

Institutions have been creating their own specific weblab infrastructures. Usually, they use distinct software and hardware architectures comprehending instruments and modules (I&M) able to be parameterized but difficult to be shared. These aspects are impairing their widespread in education, since collaboration between institutions, in developing and sharing resources, is still low. To handle both aspects, this paper proposes the adoption of the IEEE1451.0 Std. with FPGA technology for creating reconfigurable weblab infrastructures. It is suggested the adoption of an IEEE1451.0 infrastructure with compatible instruments, described in Hardware Description Languages (HDL), to be reconfigured in FPGA-based boards. Besides an overview of the IEEE1451.0 Std., this paper presents a solution currently under development which seeks to enable the reconfiguration and the remote control of weblab infrastructures using a set of IEEE1451.0 HTTP commands.

An Enhanced WLAN Security System With FPGA Implementation for Multimedia Applications

Maintaining a high level of data security with a low impact on system performance is more challenging in wireless multimedia applications. Protocols that are used for wireless local area network (WLAN) security are known to significantly degrade performance. In this paper, we propose an enhanced security system for a WLAN. Our new design aims to decrease the processing delay and increase both the speed and throughput of the system, thereby making it more efficient for multimedia applications. Our design is based on the idea of offloading computationally intensive encryption and authentication services to the end systems’ CPUs. The security operations are performed by the hosts’ central processor (which is usually a powerful processor) before delivering the data to a wireless card (which usually has a low-performance processor). By adopting this design, we show that both the delay and the jitter are significantly reduced. At the access point, we improve the performance of network processing hardware for real-time cryptographic processing by using a specialized processor implemented with field-programmable gate array technology. Furthermore, we use enhanced techniques to implement the Counter (CTR) Mode with Cipher Block Chaining Message Authentication Code Protocol (CCMP) and the CTR protocol. Our experiments show that it requires timing in the range of 20–40 μs to perform data encryption and authentication on different end-host CPUs (e.g., Intel Core i5, i7, and AMD 6-Core) as compared with 10–50 ms when performed using the wireless card. Furthermore, when compared with the standard WiFi protected access II (WPA2), results show that our proposed security system improved the speed to up to 3.7 times.

Estado da Arte da Computação Evolutiva Aplicada à Eletrónica

A Computação Evolutiva enquadra-se na área da Inteligência Artificial e é um ramo das ciências da computação que tem vindo a ser aplicado na resolução de problemas em diversas áreas da Engenharia. Este trabalho apresenta o estado da arte da Computação Evolutiva, assim como algumas das suas aplicações no ramo da eletrónica, denominada Eletrónica Evolutiva (ou Hardware Evolutivo), enfatizando a síntese de circuitos digitais combinatórios. Em primeiro lugar apresenta-se a Inteligência Artificial, passando à Computação Evolutiva, nas suas principais vertentes: os Algoritmos Evolutivos baseados no processo da evolução das espécies de Charles Darwin e a Inteligência dos Enxames baseada no comportamento coletivo de alguns animais. No que diz respeito aos Algoritmos Evolutivos, descrevem-se as estratégias evolutivas, a programação genética, a programação evolutiva e com maior ênfase, os Algoritmos Genéticos. Em relação à Inteligência dos Enxames, descreve-se a otimização por colônia de formigas e a otimização por enxame de partículas. Em simultâneo realizou-se também um estudo da Eletrónica Evolutiva, explicando sucintamente algumas das áreas de aplicação, entre elas: a robótica, as FPGA, o roteamento de placas de circuito impresso, a síntese de circuitos digitais e analógicos, as telecomunicações e os controladores. A título de concretizar o estudo efetuado, apresenta-se um caso de estudo da aplicação dos algoritmos genéticos na síntese de circuitos digitais combinatórios, com base na análise e comparação de três referências de autores distintos. Com este estudo foi possível comparar, não só os resultados obtidos por cada um dos autores, mas também a forma como os algoritmos genéticos foram implementados, nomeadamente no que diz respeito aos parâmetros, operadores genéticos utilizados, função de avaliação, implementação em hardware e tipo de codificação do circuito.

Aplicação web para tratamento estatístico de dados de teste

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Estudo do reaproveitamento energético de ar quente numa Olaria

Como o sector cerâmico é um consumidor intensivo de energia, este trabalho teve como objectivo principal a elaboração de um plano de optimização do desempenho energético da olaria número três da Fábrica Cerâmica de Valadares. Para o efeito, efectuou-se o levantamento energético desta fracção autónoma. O valor total obtido para os ganhos térmicos foi de 8,7x107 kJ/dia, sendo 82% desta energia obtida na combustão do gás natural. Por outro lado, as perdas energéticas rondam os 8,2x107 kJ/dia, sendo o ar de exaustão e a envolvente os principais responsáveis, com um peso de 42 % e 38%, respectivamente. Tendo em conta estes valores, estudaram-se várias medidas de isolamento da cobertura, pavimento, paredes e saída de ar através de fendas do edifício. No caso do isolamento da cobertura sugeriu-se a substituição das telhas de fibrocimento e do isolamento actualmente existentes por painéis sandwich de cobertura. Esta acção permite uma poupança de 64.796€/ano, com um investimento de 57.029€ e o seu período de retorno de 0,9 anos. O Valor Actualizado Líquido (VAL) no 5º ano foi de 184.069€, com uma Taxa Interna de Rentabilidade (TIR) de 92%. Para isolar o pavimento, sugeriu-se a utilização de placas de poliuretano expandido (PU) de 20mm de espessura. Assim, consegue-se uma poupança de 7.442 €/ano, com um investimento de 21.708€, e um tempo de retorno 2,9 anos. No final do 5º ano de vida útil do projecto, o VAL é de 4.070€ e a TIR 7%. Relativamente ao isolamento das paredes e pilares, sugeriu-se a utilização de placas de PU (30mm), recobertas com chapa de ferro galvanizado. O tempo de retorno do investimento é de 1,5 anos, uma vez que, o investimento é de 13.670€ e a poupança anual será de 9.183€. Esta solução apresenta no último ano um VAL de 12.835€ e uma TIR de 22%. No isolamento das fendas do edifício, sugeriu-se a redução de 20% da sua área livre. Esta medida de optimização implica um investimento de 8.000€, revelando-se suficientemente eficaz, pois apresenta um tempo de retorno de 0,67 anos. O VAL e a TIR da solução no último ano de vida útil do projecto de investimento são de 36.835€ e 35%, respectivamente. Por fim, sugeriu-se ainda a instalação de um sistema de controlo que visa o aproveitamento de ar quente proveniente do forno, instalado no piso inferior à olaria, para pré-aquecer o ar alimentado aos geradores de calor. Esta medida implicaria um investimento de 4.000€, com um tempo de retorno de 2,4 anos e uma poupança anual é de 1.686€. O investimento é aconselhável, já que, no 5º ano, o VAL é de 1.956€ e a TIR é de 17%.

Multiprocessor platform using LEON3 processor

The recent advances in embedded systems world, lead us to more complex systems with application specific blocks (IP cores), the System on Chip (SoC) devices. A good example of these complex devices can be encountered in the cell phones that can have image processing cores, communication cores, memory card cores, and others. The need of augmenting systems’ processing performance with lowest power, leads to a concept of Multiprocessor System on Chip (MSoC) in which the execution of multiple tasks can be distributed along various processors. This thesis intends to address the creation of a synthesizable multiprocessing system to be placed in a FPGA device, providing a good flexibility to tailor the system to a specific application. To deliver a multiprocessing system, will be used the synthesisable 32-bit SPARC V8 compliant, LEON3 processor.

Sistema para monitorização cardiovascular

Esta dissertação propõe o desenvolvimento de um sistema capaz de adquirir e monitorizar num computador o sinal do electrocardiograma (ECG) e de detectar o pico R do complexo QRS do referido sinal. Numa primeira fase foi efectuado um estudo do sistema cardiovascular, de forma a compreender a actividade eléctrica do coração e dos diversos sinais que constituem o ECG. Foi efectuado um estudo sobre o sinal ECG, tendo sido estudadas as suas características, bem como técnicas e componentes básicos de aquisição e condicionamento do sinal, sendo também analisados diversos sistemas que efectuam a aquisição de ECG. Numa segunda fase foram estudadas as Field Programmable Analog Array (FPAA), analisando o estado da arte desta tecnologia, bem como os dispositivos disponíveis comercialmente. Após esta análise foram seleccionados os dispositivos FPAA, bem como o restante hardware e software necessários para a realização desta Tese. Foi desenvolvido um sistema de condicionamento de sinal ECG, e de detecção de pico R do complexo QRS, apenas com componentes analógicos discretos tendo sido analisados os resultados obtidos antes de se avançar para a fase seguinte. Após a realização do sistema com componentes discretos, foi implementado um sistema em que grande parte do condicionamento do sinal ECG é efectuado por duas placas de desenvolvimento FPAA, de forma a diminuir a quantidade de componentes e a obter um sinal com melhor resolução. Os resultados obtidos foram analisados e comparados com o sistema desenvolvido. Para monitorizar o sinal ECG e o pico R num computador, foi desenvolvido um sistema em que os sinais são convertidos pelo conversor A/D de um microcontrolador, e enviados por comunicação série para um computador, sendo os valores obtidos visualizados numa aplicação em ambiente MATLAB.

Controlador Boundary-Scan

A crescente complexidade dos sistemas electrónicos associada a um desenvolvimento nas tecnologias de encapsulamento levou à miniaturização dos circuitos integrados, provocando dificuldades e limitações no diagnóstico e detecção de falhas, diminuindo drasticamente a aplicabilidade dos equipamentos ICT. Como forma de lidar com este problema surgiu a infra-estrutura Boundary Scan descrita na norma IEEE1149.1 “Test Access Port and Boundary-Scan Architecture”, aprovada em 1990. Sendo esta solução tecnicamente viável e interessante economicamente para o diagnóstico de defeitos, efectua também outras aplicações. O SVF surgiu do desejo de incutir e fazer com que os fornecedores independentes incluíssem a norma IEEE 1149.1, é desenvolvido num formato ASCII, com o objectivo de enviar sinais, aguardar pela sua resposta, segundo a máscara de dados baseada na norma IEEE1149.1. Actualmente a incorporação do Boundary Scan nos circuitos integrados está em grande expansão e consequentemente usufrui de uma forte implementação no mercado. Neste contexto o objectivo da dissertação é o desenvolvimento de um controlador boundary scan que implemente uma interface com o PC e possibilite o controlo e monitorização da aplicação de teste ao PCB. A arquitectura do controlador desenvolvido contém um módulo de Memória de entrada, um Controlador TAP e uma Memória de saída. A implementação do controlador foi feita através da utilização de uma FPGA, é um dispositivo lógico reconfiguráveis constituído por blocos lógicos e por uma rede de interligações, ambos configuráveis, que permitem ao utilizador implementar as mais variadas funções digitais. A utilização de uma FPGA tem a vantagem de permitir a versatilidade do controlador, facilidade na alteração do seu código e possibilidade de inserir mais controladores dentro da FPGA. Foi desenvolvido o protocolo de comunicação e sincronização entre os vários módulos, permitindo o controlo e monitorização dos estímulos enviados e recebidos ao PCB, executados automaticamente através do software do Controlador TAP e de acordo com a norma IEEE 1149.1. A solução proposta foi validada por simulação utilizando o simulador da Xilinx. Foram analisados todos os sinais que constituem o controlador e verificado o correcto funcionamento de todos os seus módulos. Esta solução executa todas as sequências pretendidas e necessárias (envio de estímulos) à realização dos testes ao PCB. Recebe e armazena os dados obtidos, enviando-os posteriormente para a memória de saída. A execução do trabalho permitiu concluir que os projectos de componentes electrónicos tenderão a ser descritos num nível de abstracção mais elevado, recorrendo cada vez mais ao uso de linguagens de hardware, no qual o VHDL é uma excelente ferramenta de programação. O controlador desenvolvido será uma ferramenta bastante útil e versátil para o teste de PCBs e outras funcionalidades disponibilizadas pelas infra-estruturas BS.

Acesso remoto via infra-estrutura de teste IEEE1149.1 a dispositivos lógicos programáveis

Actualmente verifica-se que a complexidade dos sistemas informáticos tem vindo a aumentar, fazendo parte das nossas ferramentas diárias de trabalho a utilização de sistemas informáticos e a utilização de serviços online. Neste âmbito, a internet obtém um papel de destaque junto das universidades, ao permitir que alunos e professores possam interagir mais facilmente. A internet e a educação baseada na Web vêm oferecer acesso remoto a qualquer informação independentemente da localização ou da hora. Como consequência, qualquer pessoa com uma ligação à internet, ao poder adquirir informações sobre um determinado tema junto dos maiores peritos, obtém vantagens significativas. Os laboratórios remotos são uma solução muito valorizada no que toca a interligar tecnologia e recursos humanos em ambientes que podem estar afastados no tempo ou no espaço. A criação deste tipo de laboratórios e a sua utilidade real só é possível porque as tecnologias de comunicação emergentes têm contribuído de uma forma muito relevante para melhorar a sua disponibilização à distância. A necessidade de criação de laboratórios remotos torna-se imprescindível para pesquisas relacionadas com engenharia que envolvam a utilização de recursos escassos ou de grandes dimensões. Apoiado neste conceito, desenvolveu-se um laboratório remoto para os alunos de engenharia que precisam de testar circuitos digitais numa carta de desenvolvimento de hardware configurável, permitindo a utilização deste recurso de uma forma mais eficiente. O trabalho consistiu na criação de um laboratório remoto de baixo custo, com base em linguagens de programação open source, sendo utilizado como unidade de processamento um router da ASUS com o firmware OpenWrt. Este firmware é uma distribuição Linux para sistemas embutidos. Este laboratório remoto permite o teste dos circuitos digitais numa carta de desenvolvimento de hardware configurável em tempo real, utilizando a interface JTAG. O laboratório desenvolvido tem a particularidade de ter como unidade de processamento um router. A utilização do router como servidor é uma solução muito pouco usual na implementação de laboratórios remotos. Este router, quando comparado com um computador normal, apresenta uma capacidade de processamento e memória muito inferior, embora os testes efectuados provassem que apresenta um desempenho muito adequado às expectativas.

Oxidative Leaching of metals from electronic waste with solutions based on quaternary ammonium salts

The treatment of electric and electronic waste (WEEE) is a problem which receives ever more attention. An inadequate treatment results in harmful products ending up in the environment. This project intends to investigate the possibilities of an alternative route for recycling of metals from printed circuit boards (PCBs) obtained from rejected computers. The process is based on aqueous solutions composed of an etchant, either 0.2 M CuCl2.2H2O or 0.2 M FeCl3.6H2O, and a quaternary ammonium salt (quat) such as choline chloride or chlormequat. These solutions are reminiscent of deep eutectic solvents (DES) based on quats. DES are quite similar to ionic liquids (ILs) and are used as well as alternative solvents with a great diversity of physical properties, making them attractive for replacement of hazardous, volatile solvents (e.g. VOCs). A remarkable difference between genuine DES and ILs with the solutions used in this project is the addition of rather large quantities of water. It is shown the presence of water has a lot of advantages on the leaching of metals, while the properties typical for DES still remain. The oxidizing capacities of Cu(II) stem from the existence of a stable Cu(I) component in quat based DES and thus the leaching stems from the activity of the Cu(II)/Cu(I) redox couple. The advantage of Fe(III) in combination with DES is the fact that the Fe(III)/Fe(II) redox couple becomes reversible, which is not true in pure water. This opens perspectives for regeneration of the etching solution. In this project the leaching of copper was studied as a function of gradual increasing water content from 0 - 100w% with the same concentration of copper chloride or iron(III) chloride at room temperature and 80ºC. The solutions were also tested on real PCBs. At room temperature a maximum leaching effect for copper was obtained with 30w% choline chloride with 0.2 M CuCl2.2H2O. The leaching effect is still stronger at 80°C, b ut of course these solutions are more energy consuming. For aluminium, tin, zinc and lead, the leaching was faster at 80ºC. Iron and nickel dissolved easily at room temperature. The solutions were not able to dissolve gold, silver, rhodium and platinum.