Procesado digital de señales mediante circuitos integrados reconfigurables.

El procesado digital de señales en tiempo real requiere en algunos casos el desarrollo de hardware específico de alta velocidad. Con este fin se propone el diseño de una arquitectura, su especificación usando un lenguaje de descripción del hardware (VHDL) y su verificación experimental sobre un circuito integrado de tipo FPGA. Se propone en concreto la implementación de un filtro FIR y su aplicación a señales de audio.

Generación automática de VHDL mediante Simulink HDL coder y aplicación al procesado de señales

Gordon E. Moore, co-fundador de Intel, predijo en una publicación del año 1965 que aproximadamente cada dos años se duplicaría el número de transistores presentes en un circuito integrado, debido a las cada vez mejores tecnologías presentes en el proceso de elaboración. A esta ley se la conoce como Ley de Moore y su cumplimiento se ha podido constatar hasta hoy en día. Gracias a ello, con el paso del tiempo cada vez se presentan en el mercado circuitos integrados más potentes, con mayores prestaciones para realizar tareas cada vez más complejas. Un tipo de circuitos integrados que han podido evolucionar de forma importante por dicho motivo, son los dispositivos de lógica programable, circuitos integrados que permiten implementar sobre ellos las funciones lógicas que desee implementar el usuario. Hasta hace no muchos años, dichos dispositivos eran capaces de implementar circuitos compuestos por unas pocas funciones lógicas, pero gracias al proceso de miniaturización predicho por la Ley de Moore, hoy en día son capaces de implementar circuitos tan complejos como puede ser un microprocesador; dichos dispositivos reciben el nombre de FPGA, siglas de Field Programmable Gate Array. Debido a la mayor capacidad y por lo tanto a diseños más complejos implementados sobre las FPGA, en los últimos años han aparecido herramientas cuyo objetivo es hacer más fácil el proceso de ingeniería dentro de un desarrollo en este tipo de dispositivos, como es la herramienta HDL Coder de la compañía MathWorks, creadores también Matlab y Simulink, unas potentes herramientas usadas ampliamente en diferentes ramas de la ingeniería. El presente proyecto tiene como objetivo evaluar el uso de dicha herramienta para el procesado digital de señales, usando para ello una FPGA Cyclone II de la casa Altera. Para ello, se empezará analizando la herramienta escogida comparándola con herramientas de la misma índole, para a continuación seleccionar una aplicación de procesado digital de señal a implementar. Tras diseñar e implementar la aplicación escogida, se deberá simular en PC para finalmente integrarla en la placa de evaluación seleccionada y comprobar su correcto funcionamiento. Tras analizar los resultados de la aplicación de implementada, concretamente un analizador de la frecuencia fundamental de una señal de audio, se ha comprobado que la herramienta HDL Coder, es adecuada para este tipo de desarrollos, facilitando enormemente los procesos tanto de implementación como de validación gracias al mayor nivel de abstracción que aporta.

星载激光测距仪的高精度时间间隔测量单元

高精度时间间隔测量单元(TIU)是星载激光测距仪的关键部件。基于现场可编程门阵列(FPGA)研制出了满足星载要求的高精度、高集成度时间间隔测量单元。该单元采用数字计数法结合数字延迟线插入法的技术,在0.5～10 km的测量距离范围内,时间分辨率为500 ps。通过地面检测,在全程范围内保持了良好的线性度,标准偏差小于270 ps。该单元同时具备测量脉冲回波宽度的能力,可以获取目标的脉冲展宽信息。由于单元选用的元器件都具有航天产品性能,因此其设计和技术指标可满足星载激光测距仪的应用。

Efficient electronic implementations of adaptive systems for ambient intelligence environments

183 p.

Diseño de la lógica programable de un sistema de monitorización de estructuras.

[ES]El objeto de este trabajo es desarrollar la lógica programable de una FPGA para un sistema de monitorización de estructuras. El diseño se compone de un generador de señales arbitrarias y un sistema de adquisición. El sistema de monitorización está dirigido al campo aeronáutico, pero se puede emplear en otras áreas.

Configuración de una red de sensores inalámbricos para adquisición de datos en tiempo real. Acondicionamiento y procesado de señales mediante FPGAs.

El análisis de las vibraciones es utilizado comúnmente en el mantenimiento de los motores. Es por ello que en la industria resulta imprescindible la monitorización de todas las máquinas que estén en funcionamiento; ya que el fallo de uno de los equipos puede causar grandes pérdidas. La adquisición de las vibraciones mediante una red de sensores y el posterior procesado de datos permiten monitorizar en tiempo real el estado de cada uno de los motores. Este trabajo tiene como objetivo diseñar e implementar un sistema para la medición de vibraciones y su posterior procesado para el análisis de los datos en el dominio de la frecuencia. La toma de datos éstos se realizará mediante una red de sensores inalámbricos, haciendo uso de un acelerómetro, y el procesado mediante una FPGA.

Hardware paralelo reconfigurável para identificação de alinhamentos de sequências de DNA.

Amostras de DNA são encontradas em fragmentos, obtidos em vestígios de uma cena de crime, ou coletados de amostras de cabelo ou sangue, para testes genéticos ou de paternidade. Para identificar se esse fragmento pertence ou não a uma sequência de DNA, é necessário compará-los com uma sequência determinada, que pode estar armazenada em um banco de dados para, por exemplo, apontar um suspeito. Para tal, é preciso uma ferramenta eficiente para realizar o alinhamento da sequência de DNA encontrada com a armazenada no banco de dados. O alinhamento de sequências de DNA, em inglês DNA matching, é o campo da bioinformática que tenta entender a relação entre as sequências genéticas e suas relações funcionais e parentais. Essa tarefa é frequentemente realizada através de softwares que varrem clusters de base de dados, demandando alto poder computacional, o que encarece o custo de um projeto de alinhamento de sequências de DNA. Esta dissertação apresenta uma arquitetura de hardware paralela, para o algoritmo BLAST, que permite o alinhamento de um par de sequências de DNA. O algoritmo BLAST é um método heurístico e atualmente é o mais rápido. A estratégia do BLAST é dividir as sequências originais em subsequências menores de tamanho w. Após realizar as comparações nessas pequenas subsequências, as etapas do BLAST analisam apenas as subsequências que forem idênticas. Com isso, o algoritmo diminui o número de testes e combinações necessárias para realizar o alinhamento. Para cada sequência idêntica há três etapas, a serem realizadas pelo algoritmo: semeadura, extensão e avaliação. A solução proposta se inspira nas características do algoritmo para implementar um hardware totalmente paralelo e com pipeline entre as etapas básicas do BLAST. A arquitetura de hardware proposta foi implementada em FPGA e os resultados obtidos mostram a comparação entre área ocupada, número de ciclos e máxima frequência de operação permitida, em função dos parâmetros de alinhamento. O resultado é uma arquitetura de hardware em lógica reconfigurável, escalável, eficiente e de baixo custo, capaz de alinhar pares de sequências utilizando o algoritmo BLAST.

Hardware Reconfigurável para Controladores Nebulosos.

Controle de processos é uma das muitas aplicações que aproveitam as vantagens do uso da teoria de conjuntos nebulosos. Nesse tipo de aplicação, o controlador é, geralmente, embutido no dispositivo controlado. Esta dissertação propõe uma arquitetura reconfigurável eficiente para controladores nebulosos embutidos. A arquitetura é parametrizável, de tal forma, que permite a configuração do controlador para que este possa ser usado na implementação de qualquer aplicação ou modelo nebuloso. Os parâmetros de configuração são: o número de variáveis de entrada (N); o número de variáveis de saída (M); o número de termos linguísticos (Q); e o número total de regras (P). A arquitetura proposta proporciona também a configuração das características que definem as regras e as funções de pertinência de cada variável de entrada e saída, permitindo a escalabilidade do projeto. A composição das premissas e consequentes das regras são configuráveis, de acordo com o controlador nebuloso objetivado. A arquitetura suporta funções de pertinência triangulares, mas pode ser estendida para aceitar outras formas, do tipo trapezoidal, sem grandes modificações. As características das funções de pertinência de cada termo linguístico, podem ser ajustadas de acordo com a definição do controlador nebuloso, permitindo o uso de triângulos. Virtualmente, não há limites máximos do número de regras ou de termos linguísticos empregados no modelo, bem como no número de variáveis de entrada e de saída. A macro-arquitetura do controlador proposto é composta por N blocos de fuzzificação, 1 bloco de inferência, M blocos de defuzzificação e N blocos referentes às características das funções de pertinência. Este último opera apenas durante a configuração do controlador. A função dos blocos de fuzzificação das variáveis de entrada é executada em paralelo, assim como, os cálculos realizados pelos blocos de defuzzificação das variáveis de saída. A paralelização das unidades de fuzzificação e defuzzificação permite acelerar o processo de obtenção da resposta final do controlador. Foram realizadas várias simulações para verificar o correto funcionamento do controlador, especificado em VHDL. Em um segundo momento, para avaliar o desempenho da arquitetura, o controlador foi sintetizado em FPGA e testado em seis aplicações para verificar sua reconfigurabilidade e escalabilidade. Os resultados obtidos foram comparados com os do MATLAB em cada aplicação implementada, para comprovar precisão do controlador.

Otimização por enxame de partículas em arquiteturas paralelas de alto desempenho.

A Otimização por Enxame de Partículas (PSO, Particle Swarm Optimization) é uma técnica de otimização que vem sendo utilizada na solução de diversos problemas, em diferentes áreas do conhecimento. Porém, a maioria das implementações é realizada de modo sequencial. O processo de otimização necessita de um grande número de avaliações da função objetivo, principalmente em problemas complexos que envolvam uma grande quantidade de partículas e dimensões. Consequentemente, o algoritmo pode se tornar ineficiente em termos do desempenho obtido, tempo de resposta e até na qualidade do resultado esperado. Para superar tais dificuldades, pode-se utilizar a computação de alto desempenho e paralelizar o algoritmo, de acordo com as características da arquitetura, visando o aumento de desempenho, a minimização do tempo de resposta e melhoria da qualidade do resultado final. Nesta dissertação, o algoritmo PSO é paralelizado utilizando três estratégias que abordarão diferentes granularidades do problema, assim como dividir o trabalho de otimização entre vários subenxames cooperativos. Um dos algoritmos paralelos desenvolvidos, chamado PPSO, é implementado diretamente em hardware, utilizando uma FPGA. Todas as estratégias propostas, PPSO (Parallel PSO), PDPSO (Parallel Dimension PSO) e CPPSO (Cooperative Parallel PSO), são implementadas visando às arquiteturas paralelas baseadas em multiprocessadores, multicomputadores e GPU. Os diferentes testes realizados mostram que, nos problemas com um maior número de partículas e dimensões e utilizando uma estratégia com granularidade mais fina (PDPSO e CPPSO), a GPU obteve os melhores resultados. Enquanto, utilizando uma estratégia com uma granularidade mais grossa (PPSO), a implementação em multicomputador obteve os melhores resultados.

Implementação Eletrônica de Sistemas Fuzzy.

Este trabalho investiga a implementação de sistemas fuzzy com circuitos eletrônicos. Tais sistemas têm demonstrado sua capacidade de resolver diversos tipos de problemas em várias aplicações de engenharia, em especial nas relacionadas com controle de processos. Para processos mais complexos, o raciocínio aproximado da lógica fuzzy fornece uma maneira de compreender o comportamento do sistema, permitindo a interpolação aproximada entre situações observadas de entrada e saída. A implementação de um sistema fuzzy pode ser baseada em hardware, em software ou em ambos. Tipicamente, as implementações em software utilizam ambientes de programação integrados com simulação, de modo a facilitar o trabalho do projetista. As implementações em hardware, tradicionais ou evolutivas, podem ser analógicas ou digitais e viabilizam sistemas de maior desempenho. Este trabalho tem por objetivo pesquisar a implementação eletrônica de sistemas fuzzy, a fim de viabilizar a criação de sistemas reais capazes de realizar o mapeamento de entrada e saída adequado. O foco é a utilização de uma plataforma com uma arquitetura analógico-digital baseada em uma tabela de mapeamento armazenada em uma memória de alta capacidade. Memórias do tipo SD (Secure Digital) foram estudadas e utilizadas na construção do protótipo eletrônico da plataforma. Também foram desenvolvidos estudos sobre a quantização, especificamente sobre a possibilidade de redução do número de bits. Com a implementação realizada é possível desenvolver um sistema fuzzy num ambiente simulado (Matlab), configurar a plataforma e executar o sistema fuzzy diretamente na plataforma eletrônica. Os testes com o protótipo construído comprovaram seu bom funcionamento.

Hardware reconfigurável para geração de música harmonizada utilizando autômatos celulares.

Desde os primórdios da humanidade, a descoberta do método de processamento cerebral do som, e consequentemente da música, fazem parte do imaginário humano. Portanto, as pesquisas relacionadas a este processo constituem um dos mais vastos campos de estudos das áreas de ciências. Dentre as inúmeras tentativas para compreensão do processamento biológico do som, o ser humano inventou o processo automático de composição musical, com o intuito de aferir a possibilidade da realização de composições musicais de qualidade sem a imposição sentimental, ou seja, apenas com a utilização das definições e estruturas de música existentes. Este procedimento automático de composição musical, também denominado música aleatória ou música do acaso, tem sido vastamente explorado ao longo dos séculos, já tendo sido utilizado por alguns dos grandes nomes do cenário musical, como por exemplo, Mozart. Os avanços nas áreas de engenharia e computação permitiram a evolução dos métodos utilizados para composição de música aleatória, tornando a aplicação de autômatos celulares uma alternativa viável para determinação da sequência de execução de notas musicais e outros itens utilizados durante a composição deste tipo de música. Esta dissertação propõe uma arquitetura para geração de música harmonizada a partir de intervalos melódicos determinados por autômatos celulares, implementada em hardware reconfigurável do tipo FPGA. A arquitetura proposta possui quatro tipos de autômatos celulares, desenvolvidos através dos modelos de vizinhança unidimensional de Wolfram, vizinhança bidimensional de Neumann, vizinhança bidimensional Moore e vizinhança tridimensional de Neumann, que podem ser combinados de 16 formas diferentes para geração de melodias. Os resultados do processamento realizado pela arquitetura proposta são melodias no formato .mid, compostas através da utilização de dois autômatos celulares, um para escolha das notas e outro para escolha dos instrumentos a serem emulados, de acordo com o protocolo MIDI. Para tal esta arquitetura é formada por três unidades principais, a unidade divisor de frequência, que é responsável pelo sincronismo das tarefas executadas pela arquitetura, a unidade de conjunto de autômatos celulares, que é responsável pelo controle e habilitação dos autômatos celulares, e a unidade máquina MIDI, que é responsável por organizar os resultados de cada iteração corrente dos autômatos celulares e convertê-los conforme a estrutura do protocolo MIDI, gerando-se assim o produto musical. A arquitetura proposta é parametrizável, de modo que a configuração dos dados que influenciam no produto musical gerado, como por exemplo, a definição dos conjuntos de regras para os autômatos celulares habilitados, fica a cargo do usuário, não havendo então limites para as combinações possíveis a serem realizadas na arquitetura. Para validação da funcionalidade e aplicabilidade da arquitetura proposta, alguns dos resultados obtidos foram apresentados e detalhados através do uso de técnicas de obtenção de informação musical.

A closely integrated digital image capture device for embedded applications

A modular image capture system with close integration to CCD cameras has been developed. The aim is to produce a system capable of integrating CCD sensor, image capture and image processing into a single compact unit. This close integration provides a direct mapping between CCD pixels and digital image pixels. The system has been interfaced to a digital signal processor board for the development and control of image processing tasks. These have included characterization and enhancement of noisy images from an intensified camera and measurement to subpixel resolutions. A highly compact form of the image capture system is in an advanced stage of development. This consists of a single FPGA device and a single VRAM providing a two chip image capturing system capable of being integrated into a CCD camera. A miniature compact PC has been developed using a novel modular interconnection technique, providing a processing unit in a three dimensional format highly suited to integration into a CCD camera unit. Work is under way to interface the compact capture system to the PC using this interconnection technique, combining CCD sensor, image capture and image processing into a single compact unit. ©2005 Copyright SPIE - The International Society for Optical Engineering.

Soft turn-on of NPT IGBT under Active Voltage Control

In this paper the soft turn-on of NPT IGBT under Active Voltage Control (AVC) is presented. The AVC technique is able to control the IGBT switching trajectory according to a pre-defined reference signal generated by a FPGA chip. By applying a special designed reference signal at turn-on, the IGBT turn-on current overshoot and diode recovery can be optimized. Experiments of soft turn-on with different reference signal are presented in this paper. This technique can be used to reduce the switching stress on the device and on other components of the circuit. © 2011 IEEE.

Lentivirus介导分泌神经营养因子-3的基因工程神经干细胞移植治疗脊髓损伤的实验研究

神经干细胞(NSC)是中枢神经系统中具有自我更新能力和多种分化潜能的细胞,是脊髓损伤(SCI)后再生修复的理想材料和基因载体。我们探讨了Lentivirus介导分泌神经营养因子-3(NT-3)的基因工程NSC移植治疗SCI的可行性,以期为SCI后功能恢复的实验研究以及进一步临床研究提供基础资料。材料与方法一、实验材料1.试剂与来源:DMEM/F12、B27、N2(Gibco公司),bFGF(Sigma公司),Nestin抗体、NF-200抗体、GFAP抗体(武汉博士德公司),羊抗鼠NT-3抗体(USB公司),超信号West Pico化学发光底物试剂盒(Pierce34079ZZ)、人胚肾293T细胞购自武汉大学保藏中心,携带NT-3和绿色荧光蛋白(GFP)的Lentivirus的各种质粒由美国迈阿密大学Oudega M教授提供。2.实验动物:Wistar大鼠由成都军区昆明总医院实验动物中心提供。二、实验方法1.NSC的分离培养:取孕14d的Wistar胎鼠皮层组织,分离筋膜和血管,反复剪碎,再用200目细胞筛过滤,转入DMEM/F12,加B27添加剂、bFGF(20ng/ml);6~7d传代。