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.

A self-healing real-time system based on run-time self-reconfiguration

The new generations of SRAM-based FPGA (field programmable gate array) devices are the preferred choice for the implementation of reconfigurable computing platforms intended to accelerate processing in real-time systems. However, FPGA's vulnerability to hard and soft errors is a major weakness to robust configurable system design. In this paper, a novel built-in self-healing (BISH) methodology, based on run-time self-reconfiguration, is proposed. A soft microprocessor core implemented in the FPGA is responsible for the management and execution of all the BISH procedures. Fault detection and diagnosis is followed by repairing actions, taking advantage of the dynamic reconfiguration features offered by new FPGA families. Meanwhile, modular redundancy assures that the system still works correctly

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.

A new approach to assess defragmentation strategies in dynamically reconfigurable FPGAs

Fragmentation on dynamically reconfigurable FPGAs is a major obstacle to the efficient management of the logic space in reconfigurable systems. When resource allocation decisions have to be made at run-time a rearrangement may be necessary to release enough contiguous resources to implement incoming functions. The feasibility of run-time relocation depends on the processing time required to set up rearrangements. Moreover, the performance of the relocated functions should not be affected by this process or otherwise the whole system performance, and even its operation, may be at risk. Relocation should take into account not only specific functional issues, but also the FPGA architecture, since these two aspects are normally intertwined. A simple and fast method to assess performance degradation of a function during relocation and to speed up the defragmentation process, based on previous function labelling and on the application of the Euclidian distance concept, is proposed in this paper.

Run-time defragmentation for dynamically reconfigurable hardware

Reconfigurable computing experienced a considerable expansion in the last few years, due in part to the fast run-time partial reconfiguration features offered by recent SRAM-based Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), which allowed the implementation in real-time of dynamic resource allocation strategies, with multiple independent functions from different applications sharing the same logic resources in the space and temporal domains. However, when the sequence of reconfigurations to be performed is not predictable, the efficient management of the logic space available becomes the greatest challenge posed to these systems. Resource allocation decisions have to be made concurrently with system operation, taking into account function priorities and optimizing the space currently available. As a consequence of the unpredictability of this allocation procedure, the logic space becomes fragmented, with many small areas of free resources failing to satisfy most requests and so remaining unused. A rearrangement of the currently running functions is therefore necessary, so as to obtain enough contiguous space to implement incoming functions, avoiding the spreading of their components and the resulting degradation of system performance. A novel active relocation procedure for Configurable Logic Blocks (CLBs) is herein presented, able to carry out online rearrangements, defragmenting the available FPGA resources without disturbing functions currently running.

Comunicações intra- e inter-circuito de componentes especificados com Redes de Petri

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

25 kV bipolar solid-state Marx generator for industrial food applications

The preliminary results from a bipolar industrial solidstate based Marx generator, developed for the food industry, capable of delivering 25 kV/250 A positive and negative pulses with 12 kW average power, are presented and discussed. This modular topology uses only four controlled switches per cell, 27 cells in total that can be charged up to 1000V each, the two extra cells are used for droop compensation. The triggering signals for all the switches are generated by a FPGA. Considering that biomaterials are similar to resistive type loads, experimental results from this new bipolar 25 kV modulator into resistive loads are presented and discussed.

Petri nets based components within globally asynchronous locally synchronous systems

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologias da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e Computadores

Sparse matrix multiplication on a reconfigurable many-core architecture

Sparse matrix-vector multiplication (SMVM) is a fundamental operation in many scientific and engineering applications. In many cases sparse matrices have thousands of rows and columns where most of the entries are zero, while non-zero data is spread over the matrix. This sparsity of data locality reduces the effectiveness of data cache in general-purpose processors quite reducing their performance efficiency when compared to what is achieved with dense matrix multiplication. In this paper, we propose a parallel processing solution for SMVM in a many-core architecture. The architecture is tested with known benchmarks using a ZYNQ-7020 FPGA. The architecture is scalable in the number of core elements and limited only by the available memory bandwidth. It achieves performance efficiencies up to almost 70% and better performances than previous FPGA designs.

System-on-chip field-programmable gate array design for onboard real-time hyperspectral unmixing

Hyperspectral instruments have been incorporated in satellite missions, providing large amounts of data of high spectral resolution of the Earth surface. This data can be used in remote sensing applications that often require a real-time or near-real-time response. To avoid delays between hyperspectral image acquisition and its interpretation, the last usually done on a ground station, onboard systems have emerged to process data, reducing the volume of information to transfer from the satellite to the ground station. For this purpose, compact reconfigurable hardware modules, such as field-programmable gate arrays (FPGAs), are widely used. This paper proposes an FPGA-based architecture for hyperspectral unmixing. This method based on the vertex component analysis (VCA) and it works without a dimensionality reduction preprocessing step. The architecture has been designed for a low-cost Xilinx Zynq board with a Zynq-7020 system-on-chip FPGA-based on the Artix-7 FPGA programmable logic and tested using real hyperspectral data. Experimental results indicate that the proposed implementation can achieve real-time processing, while maintaining the methods accuracy, which indicate the potential of the proposed platform to implement high-performance, low-cost embedded systems, opening perspectives for onboard hyperspectral image processing.

Coluna de som utilizando array de transdutores de ultrasons

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

Projecto e realização de sensores de temperatura analógicos e digitais

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e Computadores

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.

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.