Optimización de Arquitecturas de Procesamiento Digital de Señales en Lógica Programable para Aplicaciones en Vuelos No Tripulados

En dispositivos electrónicos de última generación destinados a funciones de comunicación o control automático, los algoritmos de procesamiento digital de señales trasladados al hardware han ocupado un lugar fundamental. Es decir el estado de arte en el área de las comunicaciones y control puede resumirse en algoritmos basados en procesamiento digital de señales. Las implementaciones digitales de estos algoritmos han sido estudiadas en áreas de la informática desde hace tiempo. Sin embargo, aunque el incremento en la complejidad de los algoritmos modernos permite alcanzar desempeños atractivos en aplicaciones específicas, a su vez impone restricciones en la velocidad de operación que han motivado el diseño directamente en hardware de arquitecturas para alto rendimiento. En este contexto, los circuitos electrónicos basados en lógica programable, principalmente los basados en FPGA (Field-Programmable Gate Array), permiten obtener medidas de desempeño altamente confiables que proporcionan el acercamiento necesario hacia el diseño electrónico de circuitos para aplicaciones específicas “ASIC-VLSI” (Application Specific Integrated Circuit - Very Large Scale Integration). En este proyecto se analiza el diseño y la implementación de aquitecturas electrónicas para el procesamiento digital de señales, con el objeto de obtener medidas reales sobre el comportamiento del canal inalámbrico y su influencia sobre la estimación y el control de trayectoria en vehículos aéreos no tripulados (UAV, Unmanned Aerial Vehicle). Para esto se propone analizar un dispositivo híbrido basado en microcontroladores y circuitos FPGA y sobre este mismo dispositivo implementar mediante algoritmo un control de trayectoria que permita mantener un punto fijo en el centro del cuadro de una cámara de video a bordo de un UAV, que sea eficiente en términos de velocidad de operación, dimensiones y consumo de energía.

Proyecto integrado en el Area de Microelectrónica para el Diseño de circuitos integrados (Programa de Modernización Tecnológica III I-P - PAE 2006)

El objetivo general de este proyecto estratégico es incorporar una actividad de alto valor agregado como es el diseño de circuitos integrados dentro del segmento de alta tecnología de la cadena productiva nacional. Para ello resulta necesario cumplimentar los siguientes objetivos específicos:• Fortalecer los grupos de investigación y desarrollo que realizan tareas dentro de este área temática, tanto en infraestructura como en recursos humanos; • Fortalecer y desarrollar la Industria Electrónica mediante la incorporación de estas nuevas tecnologías en sus productos; • Representar y asistir a los grupos de diseño locales en la búsqueda de oportunidades para realizar “outsourcing” de diseño para compañías del exterior; • Establecer una primer masa crítica de diseñadores, que funcione como impulsora de la actividad en el medio; • Generar una red a nivel local, donde convivan empresas, universidades y profesionales. La mejora continua en las prestaciones de los productos y en los procesos productivos ha llevado a que la microelectrónica esté presente en los más diversos ámbitos de la actividad humana, con la perspectiva de ir incrementando constantemente su participación. Por eso mismo, un país que pretenda insertarse en el mundo de manera soberana no puede menospreciar la necesidad de incrementar la capacidad de su industria en el área. Los componentes de la Cadena de valor de la ME son los siguientes: • Diseño del circuito, con valor agregado de conocimientos y experiencia del diseñador; • Herramientas de Software de diseño (CAD) con verificación y simulación; • Prototipeo de circuitos y ensayo (testing); • Fabricación de chip en línea; •Encapsulado y testeo. Salvo el primer eslabón, los restantes requieren de una gran inversión en infraestructura, con una permanente actualización. Sin embargo, el Diseño de circuitos es perfectamente abordable en la Argentina, dado que solo requiere de conocimiento y experiencia, y se puede realizar sobre computadoras estándar.

Sistema de comunicación con alta escala de integración, tolerante a fallas, para su utilización en microsatélites

Nuestro grupo está utilizando dos nuevas técnicas en el desarrollo electrónico aplicado a la instrumentación científica. Una es la del diseño, simulación y generación de máscaras de circuitos integrados que serán fabricados en el exterior. Otra, la implementación de sistemas utilizando Procesadores Digitales de Señales (DSPs). Actualmente se pretende estudiar, desarrollar e implementar dispositivos tolerantes a fallas para comunicaciones en el medio ambiente espacial con tecnología y presupuesto disponibles en nuestro país. La importancia del proyecto radica en que nuestra incipiente actividad espacial, necesita de la solución a los problemas asociados para producir resultados a nivel internacional. (...) Objetivos generales y específicos * Los sistemas de comunicación con alta escala de integración, tolerante a fallas, para su utilización en microsatélites se perfilan actualmente como la alternativa más viable para la investigación y el desarrollo espacial. Esto abre un conjunto de interesantes líneas de trabajo, entre las cuales se encuentra el desarrollo de dispositivos electrónicos aptos para soportar las severas condiciones impuestas por el medio ambiente espacial. El uso de elementos de muy alta escala de integración permite optimizar el aprovechamiento del espacio y potencializar la flexibilidad y perfomance de los sistemas utilizados a bordo. Pero el principal problema que presentan estos sistemas es su vulnerabilidad frente a las radiaciones, que se manifiesta, principalmente, produciendo fallas como "Latch up", corrimientos de voltajes umbrales y S.E.UP S.("Single Event Up Sets"). * Luego, el objetivo específico consiste en investigar las distintas posibilidades que ofrece el estado actual del arte para mitigar los efectos negativos de estas fallas, estudiar la factibilidad de implementación de soluciones con la tecnología y presupuesto disponibles en Argentina, aplicar estos métodos al desarrollo de dispositivos para comunicaciones que utilizan elementos de alta escala de integración y planear estrategias generales para aplicarlas a otros tipos de dispositivos.

Errores en sistemas de procesamiento de datos debido a eventos transitorios en interfaces analógicas: aportes a la mitigación de los mismos. Errors in data processing systems due to single transient events affecting analog interfaces: contributions to their mitigation.

Los eventos transitorios únicos analógicos (ASET, Analog Single Event Transient) se producen debido a la interacción de un ión pesado o un protón de alta energía con un dispositivo sensible de un circuito analógico. La interacción del ión con un transistor bipolar o de efecto de campo MOS induce pares electrón-hueco que provocan picos que pueden propagarse a la salida del componente analógico provocando transitorios que pueden inducir fallas en el nivel sistema. Los problemas más graves debido a este tipo de fenómeno se dan en el medioambiente espacial, muy rico en iones pesados. Casos típicos los constituyen las computadoras de a bordo de satélites y otros artefactos espaciales. Sin embargo, y debido a la continua contracción de dimensiones de los transistores (que trae aparejado un aumento de sensibilidad), este fenómeno ha comenzado a observarse a nivel del mar, provocado fundamentalmente por el impacto de neutrones atmosféricos. Estos efectos pueden provocar severos problemas a los sistemas informáticos con interfaces analógicas desde las que obtienen datos para el procesamiento y se han convertido en uno de los problemas más graves a los que tienen que hacer frente los diseñadores de sistemas de alta escala de integración. Casos típicos son los Sistemas en Chip que incluyen módulos de procesamiento de altas prestaciones como las interfaces analógicas.El proyecto persigue como objetivo general estudiar la susceptibilidad de sistemas informáticos a ASETs en sus secciones analógicas, proponiendo estrategias para la mitigación de los errores.Como objetivos específicos se pretende: -Proponer nuevos modelos de ASETs basados en simulaciones en el nivel dispositivo y resueltas por el método de elementos finitos.-Utilizar los modelos para identificar las secciones más propensas a producir errores y consecuentemente para ser candidatos a la aplicación de técnicas de endurecimiento a radiaciones.-Utilizar estos modelos para estudiar la naturaleza de los errores producidos en sistemas de procesamiento de datos.-Proponer soluciones novedosas para la mitigación de estos efectos en los mismos circuitos analógicos evitando su propagación a las secciones digitales.-Proponer soluciones para la mitigación de los efectos en el nivel sistema.Para llevar a cabo el proyecto se plantea un procedimiento ascendente para las investigaciones a realizar, comenzando por descripciones en el nivel físico para posteriormente aumentar el nivel de abstracción en el que se encuentra modelado el circuito. Se propone el modelado físico de los dispositivos MOS y su resolución mediante el Método de Elementos Finitos. La inyección de cargas en las zonas sensibles de los modelos permitirá determinar los perfiles de los pulsos de corriente que deben inyectarse en el nivel circuito para emular estos efectos. Estos procedimientos se realizarán para los distintos bloques constructivos de las interfaces analógicas, proponiendo estrategias de mitigación de errores en diferentes niveles.Los resultados esperados del presente proyecto incluyen hardware para detección de errores y tolerancia a este tipo de eventos que permitan aumentar la confiabilidad de sistemas de tratamiento de la información, así como también nuevos datos referentes a efectos de la radiación en semiconductores, nuevos modelos de fallas transitorias que permitan una simulación de estos eventos en el nivel circuito y la determinación de zonas sensibles de interfaces analógicas típicas que deben ser endurecidas para radiación.

Proyecto integrado en el área de microelectrónica para el diseño de circuitos integrados (Programa de Modernización Tecnológica III I-P - PAE 2006).

El objetivo general de este proyecto estratégico es incorporar una actividad de alto valor agregado como es el diseño de circuitos integrados dentro del segmento de alta tecnología de la cadena productiva nacional. Para ello resulta necesario cumplimentar los siguientes objetivos específicos: • Fortalecer los grupos de investigación y desarrollo que realizan tareas dentro de este área temática, tanto en infraestructura como en recursos humanos; • Fortalecer y desarrollar la Industria Electrónica mediante la incorporación de estas nuevas tecnologías en sus productos; • Representar y asistir a los grupos de diseño locales en la búsqueda de oportunidades para realizar "outsourcing" de diseño para compañías del exterior; • Establecer una primer masa crítica de diseñadores, que funcione como impulsora de la actividad en el medio; • Generar una red a nivel local, donde convivan empresas, universidades y profesionales. La mejora continua en las prestaciones de los productos y en los procesos productivos ha llevado a que la microelectrónica esté presente en los más diversos ámbitos de la actividad humana, con la perspectiva de ir incrementando constantemente su participación. Por eso mismo, un país que pretenda insertarse en el mundo de manera soberana no puede menospreciar la necesidad de incrementar la capacidad de su industria en el área. Los componentes de la Cadena de valor de la ME son los siguientes: • Diseño del circuito, con valor agregado de conocimientos y experiencia del diseñador; • Herramientas de Software de diseño (CAD) con verificación y simulación; • Prototipeo de circuitos y ensayo (testing); • Fabricación de chip en línea; • Encapsulado y testeo.

Brazo Humano Robotizado

El proyecto es el desarrollo de un manipulador de 8 grados de libertad, su optimización para lograr mayor similitud al brazo humano y poder estudiar su comportamiento y factibilidad de imitar el comportamiento del brazo humano. Con el diseño optimizado en CATIA y la construcción del prototipo se iniciará el modelado de las ecuaciones de movimiento y su simulación en la computadora, se iniciará con la simulación del modelo 3D en tiempo real que contará con un ambiente virtual desarrollado en CATIA de donde será obtenida la información de los movimientos a realizar por el brazo para ser aplicadas luego en un ambiente real similar. Finalmente se procederá al ensamblado de todos los componentes mecánicos y electrónicos para el inicio de las pruebas de laboratorio y sus ensayos de funcionamiento y testeos de acuerdo a los requerimientos previstos. El brazo humano estará diseñado con una mano de dos dedos que pueda tomar objetos.

Diseño de celdas analógicas embebidas en sistemas en un chip (SOC)

La metodología actual de diseño de celdas analógicas embebidas se basa en una tecnología CMOS fija, no teniendo dichos módulos características de reutilización y de migración hacia otras tecnologías. Para avanzar a un mayor nivel de productividad en el diseño se necesita un cambio de paradigma. Este cambio en la metodología necesita reducir tiempo y esfuerzo en el desarrollo, incrementar la predictibilidad y reducir el riesgo involucrado en el diseño y la fabricación de complejos sistemas en un chip (SOC). Las celdas digitales embebidas se han aplicado al diseño VLSI digital debido a que la síntesis a través de lenguajes de descripción de hardware (HDL) permite mapear complejos algoritmos en una descripción sintáctica digital, la cual puede luego ser automáticamente colocada e interconectada (place&route). Sin embargo, dada la falta de automatización del diseño electrónico en el dominio analógico, como así también por factores como el ruido, el corrimiento y falta de apareamiento, el uso de los circuitos analógicos ha sido muy bajo en la medida de lo posible, por lo que las celdas analógicas embebidas son ahora un cuello de botella en el diseño de SOC. Por lo expuesto, en el proyecto que se propone se planea diseñar celdas analógicas embebidas con características de: bajo consumo, reutilización, bajo costo y alta performance para satisfacer el notable crecimiento del mercado de los sistemas portables alimentados por batería y el de sistemas de identificación remotamente energizados (RFID). Conjuntamente con el Área de Comunicaciones, se propone un generador de tensión de alimentación a partir de una señal de RF.

Dispositivo de transmisión de datos por radio frecuencia

El proyecto comprende el diseño, implementación, medición y evaluación de un dispositivo de comunicaciones digitales inalámbrica. Este dispositivo podrá ser utilizado como soporte de distintas aplicaciones, como automatización de viviendas, automatización de edificios inteligentes, control y seguimiento de vehículos, control y monitoreo de animales, instrumental médico y otras. La construcción de un transmisor y un receptor de datos por radiofrecuencia, en un único circuito integrado, plantea distintas etapas y para concretarlas se trazaron los siguientes objetivos: • Diseño, implementación y medición de circuitos de transmisión de datos con integrados existentes. • Estudio de las tecnologías y software disponibles para el diseño de los circuitos que constituyen el proyecto. Diseño, simulación, implementación y medición de circuitos realizados con dispositivos discretos.

Redes de datos inalámbricas y dispositivos de transmisión de datos por radio frecuencia

El presente proyecto comprende el diseño, simulación, construcción y puesta en funcionamiento de una red inalámbrica. La plataforma de comunicaciones desarrollada en un proyecto anterior se complementa ahora con la implementación de una red inalámbrica, lo cual va a permitir que los módulos de comunicaciones- tres o más -puedan interactuar entre sí. La realización del proyecto surge de la necesidad de contar con una red inalámbrica que permita cubrir grandes distancias y transmitir a una central los datos de los sensores. La principal característica de cada módulo de comunicaciones es que trabajan como repetidores de las demás, permitiendo comunicar a todos y tener bajo consumo. La implementación de una red inalámbrica mencionada en el párrafo anterior está comprometida como parte del Proyecto PAV2003-0076. En dicho proyecto, el equipo va a continuar con la investigación en circuitos y dispositivos de Alta Frecuencia, para ser aplicados en sistemas de telecomunicaciones.

Redes de datos inalámbricas y dispositivos de transmisión de datos por radio frecuencia

La etapa del proyecto para este año consiste en la aplicación concreta de los conocimientos adquiridos. La principal aplicación es la implementación del sistema en la Clínica Reina Fabiola, en el servicio médico que se definirá con las autoridades de la misma. Se continuará trabajando en el diseño de la antena y en la etapa de RF en el Chip Pasivo, que se está desarrollado en conjunto con el equipo de Microelectrónica y en la etapa del transmisor “Reader”. Además se continúa con la investigación en circuitos y dispositivos de Alta Frecuencia, para ser aplicados en sistemas de telecomunicaciones y generar conocimientos para ser transferidos a las distintas cátedras relacionadas con el proyecto. Se establecieron las pautas con la Facultad de Ciencias Agropecuarias para desarrollar una aplicación de trazabilidad de ganado utilizando chips pasivos.

Manipulador Robótico (Similar a brazo Humano)

El proyecto ROBOT-01 propone la construcción de un manipulador de 7 grados de libertad, aplicando las mas modernas técnicas de Simulación, diseño, CAD-3D, materiales compuestos, construcción de micro-mecánica, electrónica y software. Con el diseño detallado finalizado en CATIA se iniciará el modelado de las ecuaciones de movimiento y su simulación en la computadora, la construcción de los componentes mecánicos que serán realizados en empresas locales, se iniciara con las pruebas de los componentes electrónicos drivers de motores y de sistemas de control con sensores y de la interface con una PC que será la que controlará los componentes electrónicos y de simulación del modelo 3D en tiempo real. Finalmente se procederá al ensamblado de todos los componentes mecánicos y electrónicos para el inicio de las pruebas de laboratorio y sus ensayos de funcionamiento y testeos de acuerdo a los requerimientos previstos. El brazo manipulador estará diseñado para ser continuado o asociado con una mano robótica y con una base móvil autónoma, las que serán encaradas en proyectos futuros, o con interacción con otros grupos de investigación similares de otras Universidades.