Guidelines for small embedded system companies aiming to enter the space industry

This guide summarizes useful information about the European Space Agency (ESA), the European space industry, the ECSS standards and product assurance for small and medium enterprises that are aiming to enter the industry. Additionally, the applicability of agile development in space projects is discussed.

Protocol Specific Embedded Operating System

Sulautettujen järjestelmien määrä kuten niiden sisältämä älykkyyskin ovat viime vuosina kasvaneet merkittävästi. Sulautettujen ohjelmistojen yleistymistä ja monipuolistumista on edesauttanut sulautettujen laitteistojen prosessointitehon merkittävä kehittyminen, jonka myötä entistä vaativampien ohjelmistojen totetuttaminen sulautetusti on mahdollistunut. Seuraavana sulautettujen järjestelmien kehitysaskeleena on nähtävissä järjestelmien kommunikointikyvyn paraneminen ja siten uusien ja uudentyyppisten sulautettujen ratkaisujen toteuttaminen. VTT on päättänyt tutkia sulautettujen järjestelmien kommunikointia ja kehittää sulautettun protokolla-alustan. Tutkimuksen perusta on CVOPS protokollajärjestelmä, jota jatkokehittämällä pyritään toteuttamaan sulautettu protokollajärjestelmä, µCVOPS. Tässä diplomityössä esitetään kommunikaation sulautetulle järjestelmälle asettamia vaatimuksia, järjestelmän suunnittelu ja prototyypitys sulautetulla laitteistolla. Prototyypitykseen on käytetty sulautettua DragonBall mikrokontrolleria jonka käyttöjärjestelmänä käytettiin sulautettua Linux:a. Tälle alustalle on tehty CVOPS:sta modifioitu versio, jolla µCVOPS:ia pystytään simuloimaan.

Embedded controller system in crane application

The thesis studies possibility of using embedded controller in a crane application and furthermore defines requirements when designing such a controller. Basic crane control architectures are considered and compared. Then embedded controller product life cycle is described: considering such issues like microcontroller selection, software/hardware design and application development tools. Finally, available embedded controller is described and used for implementing crane control.

Embedded Monitoring Server

This study investigates, designs, and implements an inexpensive application that allows local and remote monitoring of a home. The application consists of an array of sensors for monitoring different conditions in a home environment and also for accessing the devices that might be connected to the system. Only a few sensors are initially involved in this study and information about the temperature level, forced entry detection, smoke and water leakage detection can be obtained at any time from any location with an Internet connection. The application software (coded in C language) runs on an embedded system which is basically a wireless Linksys router running on a GNU/Linux based firmware for embedded systems. Interaction between the sensors and the application software is achieved through an implemented sensor interfacing circuit. The communication with the sensor interfacing unit is done through the serial port, and accessibility of the connected sensors is achieved through a telnet client. The sensors can be accessed from local and remote locations with the sensors giving reliable information. The resulting application shows that it is possible to use the router for other applications other than what it is intended for.

Conceptual Design of Embedded Weather Display

The objective of this thesis work is to describe the Conceptual Design process of an embedded electronic display device. The work presents the following sub processes: definition of device specifications, introduction to the technological alternatives for system components and their comparison, comparative photometric measurements of selected display panels, and the design and building of a functional concept prototype. This work focuses mainly on electronics design, albeit the mechanical issues and fields of the software architecture that significantly affect the decisions are also discussed when necessary. The VESA Flat Panel Display Measurement (FPDM) 2.0 Standard was applied to the appropriate extent into photometric measurements. The results were analyzed against the requirement standards of a customer-specific display development project. An Active Matrix LCD was selected as the display of concept prototype, but also the excellent visual characteristics of Active Matrix OLED technology were noted. Should the reliability of the OLED products be significantly improved in the future, utilizing such products in the described application must be reconsidered.

Taajuusmuuttajan ohjelmiston testaus

Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää menetelmiä ja ohjeitataajuusmuuttajan sulautetun ohjelmiston kehityksen aikaiseen testaukseen. Soveltuvia menetelmiä etsittiin tutkimalla laajasti kirjallisuutta sekä selvittämälläyrityksen testauskäytäntöä. Tutkittuja kirjallisuudesta löytyneitä menetelmä olivat testauskehykset, simulointi ja staattinen sekä automaattinen testaus. Kirjallisuudesta etsittiin myös menetelmiä, joiden avulla testausprosessia voidaan helpottaa tai muuten parantaa. Tällaisista menetelmistä tutkittiin muun muassa testidatan valintaa, testauslähtöistä kehitystä sekä testattavuuden parantamista. Lisäksi selvitettiin uudelleenkäytettävien testien ohjelmointiin soveltuvia ohjelmointikieliä. Haastatteluiden ja dokumentaation avulla saatiin hyvä käsitys yrityksessä vallitsevasta testauskäytännöstä sekä sen ongelmakohdista. Testauksen ongelmiksi havaittiin testausprosessin järjestelmällisyyden puute sekä tarve suunnittelijoiden testauskoulutukseen. Testausprosessin parantamiseksi esitetään moduulitestauskehyksen käyttöönottoa. Lisäksi suunnittelijoiden testauskoulutuksella arvioidaan olevan suuri vaikutus koko testausprosessiin. Testitapausten suunnitteluun esitetään menetelmiä, joiden avulla voidaan suunnitella kattavampia testejä.

Terrestrial Trunked Radio - verkossa toimivan reaaliaikaisen Short Data Service - viesteihin perustuvan telemetriasovelluksen ohjelmistokehitys

Tämä diplomityö tarkastelee TETRA-verkon soveltuvuutta turvallisuusviranomaisille tarkoitettuun telemetriasovellukseen, jossa erilaiset mittausdatat ja hälytystiedot kulkevat verkon yli SDS-viestiliikenteenä. Diplomityön tarkoituksena on tehdä kaksi sulautettua ohjelmistoa sekä yksi PCohjelmisto, joita käytetään rakennettavassa demolaitteistossa. Lisäksi selvitetään TETRA-verkon toimivuus ja rajoitukset sovelluksessa eri olosuhteissa ja eri kuormitustilanteissa. Diplomityön teoriaosassa käydään läpi työn määrittely ja ohjelmistonkehitysprosessin läpivienti eri osa-alueilla. Loppuosassa kuvataan tehdyt ohjelmistot erikseen ja yhdessä suunnittelusta toteutukseen, sekä lopullisen järjestelmän testaus.

Sulautetun moniprosessorijärjestelmän suunnittelu sähkömoottorien ohjaus- ja valvontatarpeisiin

Universal Converter (UNICON) –projektin osana suunniteltiin sähkömoottorikäyttöjen ohjaukseen ja mittaukseen soveltuva digitaaliseen signaaliprosessoriin (DSP) pohjautuva sulautettu järjestelmä. Riittävän laskentatehon varmistamiseksi päädyttiin käyttämään moniprosessorijärjestelmää. Prosessorijärjestelmässä käytettävää DSP-piiriä valittaessa valintaperusteina olivat piirien tarjoama prosessointiteho ja moniprosessorituki. Analog Devices:n SHARC-sarjan DSP-piirit täyttivät parhaiten asetetut vaatimukset: Ne tarjoavat tehokkaan käskykannan lisäksi suuren sisäisen muistin ja sisäänrakennetun moniprosessorituen. Järjestelmän mittalaiteluonteisuudesta johtuen keskeinen suunnitteluparametri oli luoda nopeat tiedonsiirtoyhteydet mittausantureilta DSP-järjestelmään. Tämä toteutettiin käyttäen ohjelmointavia FPGA-logiikkapiirejä digitaalimuotoisen mittausdatan vastaanotossa ja esikäsittelyssä. Tiedonsiirtoyhteys PC-tietokoneelle toteutettiin käyttäen erityistä liityntäkorttia DSP-järjestelmän ja PC-tietokoneen välillä. Liityntäkortin päätehtävänä on puskuroida siirrettävä data. Järjestelyllä estetään PC-tietokoneen vaikutus DSP-järjestelmän toimintaan, jotta kyetään takaamaan järjestelmän reaaliaikainen toiminta kaikissa olosuhteissa.

Sulautetun järjestelmän Web-käyttö

Diplomityössä on tutkittu sulautetun järjestelmän liittämistä Ethernet-verkkoon sekä TCP/IP-protokollapinoon kuuluvien tavallisimpien protokollien toimintaa. Työn tuloksien perusteella on suunniteltu harjoitustyö, jota voidaan käyttää sähkötekniikan osaston opetuksessa. Työssä hankittiin Atmelin sulautettu Web-serverikortti (EWS) ja STK500-kortti serverin ohjelmointiin. Serverin mukana tuli Internet-yhteyden mahdollistava TCP/IP-pinon lähdekoodi. Työssä selvitettiin TCP/IP:hen kuuluvien protokollien toimintaa teoriassa ja käytännön toteutusta EWS:n avulla. Lähdekoodiin lisättiin ominaisuudet, joiden avulla laite hakee kellonaikatiedot aikapalvelimelta time-protokollaa käyttäen ja lähettää sähköpostia määriteltyyn osoitteeseen sähköpostipalvelimen kautta. Laitetta käytettiin sekä palvelimena että asiakkaana. Työssä perehdyttiin sulautettujen järjestelmien yleisiin ominaisuuksiin ja erilaisiin verkonhallinnan apuohjelmiin. Työssä tutkittiin palvelin- ja asiakaskoneen välillä Ethernetissä kulkevaa verkkoliikennettä. Työssä minimoitiin protokollatiedostojen viemä tila prosessorin muistista ja tutkittiin Internet-yhteyden kuluttamien kellojaksojen määrää. Työssä selvitettiin tietoturva-kysymysten merkitystä ja toteutusta sulautetuissa järjestelmissä.

Real-time Linux in electric drive systems

Reaaliaikaisten käyttöjärjestelmien käyttö sulautetuissa järjestelmissä on kasvamassa koko ajan. Sulautettuja tietokoneita käytetään yhä useammassa kohteessa kuten sähkökäyttöjen ohjauksessa. Sähkökäyttöjen ohjaus hoidetaan nykyisin yleensä nopealla digitaalisella signaaliprosessorilla (DSP), jolloin ohjelmointi ja päivittäminen on hidasta ja vaikeaa johtuen käytettävästä matalan tason Assembler-kielestä. Ratkaisuna yleiskäyttöisten prosessorien ja reaaliaikakäyttöjärjestelmien käyttö. Kaupalliset reaaliaikakäyttöjärjestelmät ovat kalliita ja lähdekoodin saaminen omaan käyttöön jopa mahdotonta. Linux on ei-kaupallinen avoimen lähdekoodin käyttöjärjestelmä, joten sen käyttö on ilmaista ja sitä voi muokata vapaasti. Linux:iin on saatavana useita laajennuksia, jotka tekevät siitä reaaliaikaisen käyttöjärjestelmän. Vaihtoehtoina joko kova (hard) tai pehmeä (soft) reaaliaikaisuus. Linux:iin on olemassa valmiita kehitysympäristöjä mutta ne kaipaavat parannusta ennen kuin niitä voidaan käyttää suuressa mittakaavassa teollisuudessa. Reaaliaika Linux ei sovellus nopeisiin ohjauslooppeihin (<100 ms) koska nopeus ei riitä vielä mutta nopeus kasvaa samalla kun prosessorit kehittyvät. Linux soveltuu hyvin rajapinnaksi nopean ohjauksen ja käyttäjän välille ja hitaampaan ohjaukseen.

Thermal modelling of semiconductor switches in three-level Neutral Point Clamped Medium Voltage DTC-inverter

The aim of this thesis is to investigate the thermal loading of medium voltage three-level NPC inverter’s semiconductor IGCT switches in different operation points. The objective is to reach both a fairly accurate off-line simulation program and also so simple a simulation model that its implementation into an embedded system could be reasonable in practice and a real time use should become feasible. Active loading limitation of the inverter can be realized with a thermal model which is practical in a real time use. Determining of the component heating has been divided into two parts; defining of component losses and establishing the structure of a thermal network. Basics of both parts are clarified. The simulation environment is Matlab-Simulink. Two different models are constructed – a more accurate one and a simplified one. Potential simplifications are clarified with the help of the first one. Simplifications are included in the latter model and the functionalities of both models are compared. When increasing the calculation time step a decreased number of considered components and time constants of the thermal network can be used in the simplified model. Heating of a switching component is dependent on its topological position and inverter’s operation point. The output frequency of the converter defines mainly which one of the switching components is – because of its losses and heating – the performance limiting component of the converter. Comparison of results given by different thermal models demonstrates that with larger time steps, describing of fast occurring switching losses becomes difficult. Generally articles and papers dealing with this subject are written for two-level inverters. Also inverters which apply direct torque control (DTC) are investigated rarely from the heating point of view. Hence, this thesis completes the former material.

Diagnostiikkayksikön kehittäminen rautatiesovellukseen

Suomessa rautatiellä käytetään muutamia tuhansia sähköisesti ohjattavia vaihteita, joiden toiminta varmistetaan määräajoin tehtävillä huolloilla. Työssä on tutkittu, onko kehitteillä olevalla vaihteenohjaimella mahdollista mitata ja analysoida vaihteen kunnonvalvontaan liittyviä suureita. Tutkimuksessa on tutustuttu rautatietekniikkaan sekä vaihdetta ohjaavaan vaihteenkääntölaitteeseen. Tutkimuksen perusteella on kehitetty sulautettuun järjestelmään perustuva mittaus- ja analysointijärjestelmäsovellus, joka tekee mittauksia, havaintoja ja johtopäätöksiä vaihteen toiminnasta. Mittaukset on suoritettu moottoria ohjaavista johtimista ja mittaustulokset on tallennettu analysointia ja jatkokäsittelyä varten. Ohjelmiston toimintaa on varmistettu mittauksilla sekä laboratorio-olosuhteissa että oikealla vaihteella testausympäristössä. Saatujen tulosten perusteella voidaan todeta, että kehitetyllä laitteistolla on mahdollista toteuttaa vaihdetta diagnosoivia mittauksia riittävän laadukkaasti ja tarkasti. Työssä kehitetty järjestelmäalusta soveltuu käytettäväksi vaihteen diagnostiikan jatkokehittämiselle.

Kannettavan kaasuilmaisimen suunnittelu ja toteutus

Työn tarkoituksena on suunnitella ja toteuttaa kannettava kaasuilmaisin, joka soveltuu erityisesti tavallisen kuluttajan tarpeisiin. Kaasuilmaisin on herkkä haihtuville palaville kaasuille, sekä orgaanisille kaasuille. Työssä käytetään Atmelin ATMega164P- mikrokontrolleria, piirin ohjelmointiin käytetään AVR-ISP-II, ja kehitystyökaluina AVRStudio 4:ää. Piirilevy on suunniteltu Cadsoftin Eagle- piirieditorilla. Työssä käydään läpi kokonaisvaltainen sulautetun järjestelmän suunnitteluprosessi, tuotteen spesifikaatioiden määrityksistä aina valmiin fyysisen tuotteen valmistuttamiseen asti. Tuote suunnitellaan Environics Oy:lle.

Sähköauto osana älykästä sähköverkkoa – Ohjaus ja toiminnallisuudet

Tulevaisuudessa sähköverkko kohtaa monia haasteita, kun sähköautot yleistyvät, vaatien suuren tehotarpeen. Uusiutuvan energiantuotannon epävarma huipputehon tuotanto ei välttämättä pysty kattamaan sähköautoista johtuvaa suurta tehopiikkiä, jos suuret määrät ajoneuvoista kytketään yhtä aikaa lataukseen. Jos sähköajoneuvot voidaan ladata ohjatusti, ei välttämättä tarvita lisäenergian tuotantoa kattamaan kasvanutta huipputehon tarvetta. Lisäksi sähköajoneuvojen akut toimivat koko sähköverkolle energiavarastoina, jollaista ei ole ennen ollut. Älykkäällä sähköverkolla voidaan ohjata sähköajoneuvon latausta, mikäli ajoneuvossa on ohjausjärjestelmä ja akkujen varaustilan mittaus. Tässä kandidaatin työssä ohjelmoidaan mittaus- ja ohjauskortti plug-in hybridiautoa varten, jossa on V2G-ominaisuus. Ohjainkortista toteutetaan toimintakuvaus, jonka mukaan se myös ohjelmoidaan. Ohjainkortti mittaa akkujen jännitettä ja virtaa, joista voidaan määrittää akkujen varaustilat. Ohjainkortti lähettää tiedot eteenpäin PC:lle, jolta ohjainkortti saa käskyn toimintatilasta. Mittaustietojen perusteella voidaan seurata mahdollisia vikatilanteita. Kandidaatintyön aikana ohjainkorttia ei ehditty asentamaan ajoneuvoon, mutta laboratoriotestien mukaan voidaan todeta, että ohjainkortti on ohjelmallisesti toimiva. Mittauksissa selvisi, että ohjainkortin mittaustulot eivät olleet tarpeeksi tarkkoja käyttökohteeseen. Todettiin, että ohjainkortti vaatii rakenteellisia muutoksia mittaustuloksien parantamista varten, ennen ohjainkortin käyttöönottoa, mutta kandidaatintyön tavoitteet saavutettiin.

Ohjelmistotuotannon menetelmien käyttö sulautetuissa järjestelmissä

Sulautettujen järjestelmien tekemisessä käytettävät metodit ovat moninaiset. Tämä johtuu siitä, että sulautettuja järjestelmiä on tuhansia erilaisia, sekä laitteiston ja ohjelmiston rakentamisen eroavaisuuksista. Sovellukset vaihtelevat kännyköistä aina avaruusluotaimiin. Näihin projekteihin on sovellettu metodeita joita ei ole alun perin suunniteltu laitteiston ja ohjelmiston yhteissuunnitteluun ja toteuttamiseen. Ohjelmistotuotannon menetelmistä oikean valinta nimenomaan tietylle sulautetulle järjestelmälle on haasteellista. Viimeisimpinä ovat tulleet erilaiset ketterät menetelmät ja niitäkin on olemassa useita erilaisia. Ketteriä ja perinteisempiä ohjelmistotuotannon menetelmiä esitellään tässä kandidaatin työssä. Tässä työssä on tarkoituksena selvittää mitkä olisivat parhaiten soveltuvia sulautetun järjestelmän projektille.