FPGA-based architecture for hyperspectral endmember extraction

Hyperspectral instruments have been incorporated in satellite missions, providing data of high spectral resolution of the Earth. This data can be used in remote sensing applications, such as, target detection, hazard prevention, and monitoring oil spills, among others. In most of these applications, one of the requirements of paramount importance is the ability to give real-time or near real-time response. Recently, onboard processing systems have emerged, in order to overcome the huge amount of data to transfer from the satellite to the ground station, and thus, avoiding delays between hyperspectral image acquisition and its interpretation. For this purpose, compact reconfigurable hardware modules, such as field programmable gate arrays (FPGAs) are widely used. This paper proposes a parallel FPGA-based architecture for endmember’s signature extraction. This method based on the Vertex Component Analysis (VCA) has several advantages, namely it is unsupervised, fully automatic, and it works without dimensionality reduction (DR) pre-processing step. The architecture has been designed for a low cost Xilinx Zynq board with a Zynq-7020 SoC FPGA based on the Artix-7 FPGA programmable logic and tested using real hyperspectral data sets collected by the NASA’s Airborne Visible Infra-Red Imaging Spectrometer (AVIRIS) over the Cuprite mining district in Nevada. 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 new perspectives for onboard hyperspectral image processing.

Arquitetura híbrida com DSP e FPGA para implementação de controladores de filtros ativos de potência

The presence of non-linear loads at a point in the distribution system may deform voltage waveform due to the consumption of non-sinusoidal currents. The use of active power filters allows significant reduction of the harmonic content in the supply current. However, the processing of digital control structures for these filters may require high performance hardware, particularly for reference currents calculation. This work describes the development of hardware structures with high processing capability for application in active power filters. In this sense, it considers an architecture that allows parallel processing using programmable logic devices. The developed structure uses a hybrid model using a DSP and an FPGA. The DSP is used for the acquisition of current and voltage signals, calculation of fundamental current related controllers and PWM generation. The FPGA is used for intensive signal processing, such as the harmonic compensators. In this way, from the experimental analysis, significant reductions of the processing time are achieved when compared to traditional approaches using only DSP. The experimental results validate the designed structure and these results are compared with other ones from architectures reported in the literature.

Implementação em FPGA de compensadores de desvios para conversor analógico digital intercalado

This work presents the modeling and FPGA implementation of digital TIADC mismatches compensation systems. The development of the whole work follows a top-down methodology. Following this methodology was developed a two channel TIADC behavior modeling and their respective offset, gain and clock skew mismatches on Simulink. In addition was developed digital mismatch compensation system behavior modeling. For clock skew mismatch compensation fractional delay filters were used, more specifically, the efficient Farrow struct. The definition of wich filter design methodology would be used, and wich Farrow structure, required the study of various design methods presented in literature. The digital compensation systems models were converted to VHDL, for FPGA implementation and validation. These system validation was carried out using the test methodology FPGA In Loop . The results obtained with TIADC mismatch compensators show the high performance gain provided by these structures. Beyond this result, these work illustrates the potential of design, implementation and FPGA test methodologies.

Programmable diagnostic devices made from paper and tape

This paper describes three-dimensional microfluidic paper-based analytical devices (3-D mu PADs) that can be programmed (postfabrication) by the user to generate multiple patterns of flow through them. These devices are programmed by pressing single-use 'on' buttons, using a stylus or a ballpoint pen. Pressing a button closes a small space (gap) between two vertically aligned microfluidic channels, and allows fluids to wick from one channel to the other. These devices are simple to fabricate, and are made entirely out of paper and double-sided adhesive tape. Programmable devices expand the capabilities of mu PADs and provide a simple method for controlling the movement of fluids in paper-based channels. They are the conceptual equivalent of field-programmable gate arrays (FPGAs) widely used in electronics.

Implementação em hardware reconfigurável de método de separação de dados hiperespetrais

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

Using test infrastructures for (remote) online evaluation of the sensitivity to SEUs of FPGAs

This paper proposes an online mechanism that can evaluate the sensitivity of single event upsets (SEUs) of field programmable gate arrays (FPGAs). The online detection mechanism cyclically reads and compares the values form the external and internal configuration memories, taking into account the mask information. This remote detection method also signals any mismatch as a result of a SEU that affects both used and not-used FPGA parts, which maximizes the monitored area. By utilizing an external, Web-accessible controller that is connected to the test infrastructure, the possibility of running the same operation in a remote manner is enabled. Moreover, the need for a local memory to store the mask values is also eliminated.

Reliability and availability in reconfigurable computing: a basis for a common solution

Dynamically reconfigurable SRAM-based field-programmable gate arrays (FPGAs) enable the implementation of reconfigurable computing systems where several applications may be run simultaneously, sharing the available resources according to their own immediate functional requirements. To exclude malfunctioning due to faulty elements, the reliability of all FPGA resources must be guaranteed. Since resource allocation takes place asynchronously, an online structural test scheme is the only way of ensuring reliable system operation. On the other hand, this test scheme should not disturb the operation of the circuit, otherwise availability would be compromised. System performance is also influenced by the efficiency of the management strategies that must be able to dynamically allocate enough resources when requested by each application. As those resources are allocated and later released, many small free resource blocks are created, which are left unused due to performance and routing restrictions. To avoid wasting logic resources, the FPGA logic space must be defragmented regularly. This paper presents a non-intrusive active replication procedure that supports the proposed test methodology and the implementation of defragmentation strategies, assuring both the availability of resources and their perfect working condition, without disturbing system operation.

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.

Controlo de conversores de potência genéricos por FPGA

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica Ramo de Automação e Eletrónica Industrial

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.

Desenvolvimento de arquitetura para sistemas de reconhecimento automático de voz baseados em modelos ocultos de Markov

Este trabalho foi realizado dentro da área de reconhecimento automático de voz (RAV). Atualmente, a maioria dos sistemas de RAV é baseada nos modelos ocultos de Markov (HMMs) [GOM 99] [GOM 99b], quer utilizando-os exclusivamente, quer utilizando-os em conjunto com outras técnicas e constituindo sistemas híbridos. A abordagem estatística dos HMMs tem mostrado ser uma das mais poderosas ferramentas disponíveis para a modelagem acústica e temporal do sinal de voz. A melhora da taxa de reconhecimento exige algoritmos mais complexos [RAV 96]. O aumento do tamanho do vocabulário ou do número de locutores exige um processamento computacional adicional. Certas aplicações, como a verificação de locutor ou o reconhecimento de diálogo podem exigir processamento em tempo real [DOD 85] [MAM 96]. Outras aplicações tais como brinquedos ou máquinas portáveis ainda podem agregar o requisito de portabilidade, e de baixo consumo, além de um sistema fisicamente compacto. Tais necessidades exigem uma solução em hardware. O presente trabalho propõe a implementação de um sistema de RAV utilizando hardware baseado em FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) e otimizando os algoritmos que se utilizam no RAV. Foi feito um estudo dos sistemas de RAV e das técnicas que a maioria dos sistemas utiliza em cada etapa que os conforma. Deu-se especial ênfase aos Modelos Ocultos de Markov, seus algoritmos de cálculo de probabilidades, de treinamento e de decodificação de estados, e sua aplicação nos sistemas de RAV. Foi realizado um estudo comparativo dos sistemas em hardware, produzidos por outros centros de pesquisa, identificando algumas das suas características mais relevantes. Foi implementado um modelo de software, descrito neste trabalho, utilizado para validar os algoritmos de RAV e auxiliar na especificação em hardware. Um conjunto de funções digitais implementadas em FPGA, necessárias para o desenvolvimento de sistemas de RAV é descrito. Foram realizadas algumas modificações nos algoritmos de RAV para facilitar a implementação digital dos mesmos. A conexão, entre as funções digitais projetadas, para a implementação de um sistema de reconhecimento de palavras isoladas é aqui apresentado. A implementação em FPGA da etapa de pré-processamento, que inclui a pré-ênfase, janelamento e extração de características, e a implementação da etapa de reconhecimento são apresentadas finalmente neste trabalho.

Uma interface para o aumento da faixa de freqüências de operação de FPAAS

O crescente avanço nas mais diversas áreas da eletrônica, desde instrumentação em baixa freqüência até telecomunicações operando em freqüências muito elevadas, e a necessidade de soluções baratas em curto espaço de tempo que acompanhem a demanda de mercado, torna a procura por circuitos programáveis, tanto digitais como analógicos, um ponto comum em diversas pesquisas. Os dispositivos digitais programáveis, que têm como grande representante os Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), vêm apresentando um elevado e contínuo crescimento em termos de complexidade, desempenho e número de transistores integrados, já há várias décadas. O desenvolvimento de dispositivos analógicos programáveis (Field Programmable Analog Arrays – FPAAs), entretanto, esbarra em dois pontos fundamentais que tornam sua evolução um tanto latente: a estreita largura de banda alcançada, conseqüência da necessidade de um grande número de chaves de programação e reconfiguração, e a elevada área consumida por componentes analógicos como resistores e capacitores, quando integrados em processos VLSI Este trabalho apresenta uma proposta para aumentar a faixa de freqüências das aplicações passíveis de serem utilizadas tanto em FPAAs comerciais quanto em outros FPAAs, através da utilização de uma interface de translação e seleção de sinais, mantendo características de programabilidade do FPAA em questão, sem aumentar em muito sua potência consumida. A proposta, a simulação e a implementação da interface são apresentadas ao longo desta dissertação. Resultados de simulação e resultados práticos obtidos comprovam a eficácia da proposta.

A current-mode based Field-Programmable Analog Array for signal processing applications

This paper presents a new approach to develop Field Programmable Analog Arrays (FPAAs),(1) which avoids excessive number of programming elements in the signal path, thus enhancing the performance. The paper also introduces a novel FPAA architecture, devoid of the conventional switching and connection modules. The proposed FPAA is based on simple current mode sub-circuits. An uncompounded methodology has been employed for the programming of the Configurable Analog Cell (CAC). Current mode approach has enabled the operation of the FPAA presented here, over almost three decades of frequency range. We have demonstrated the feasibility of the FPAA by implementing some signal processing functions.

Common architecture for discrete wavelet transform analysis and synthesis with sequential and constant processing elements

This paper adresses the problem on processing biological data such as cardiac beats, audio and ultrasonic range, calculating wavelet coefficients in real time, with processor clock running at frequency of present ASIC's and FPGA. The Paralell Filter Architecture for DWT has been improved, calculating wavelet coefficients in real time with hardware reduced to 60%. The new architecture, which also processes IDWT, is implemented with the Radix-2 or the Booth-Wallace Constant multipliers. Including series memory register banks, one integrated circuit Signal Analyzer, ultrasonic range, is presented.

Conception of wheeled mobile robots with reconfigurable control using integrate prototyping

With the fast innovation of the hardware and software technologies using rapid prototyping devices, with application in the robotics and automation, more and more it becomes necessary the development of applications based on methodologies that facilitate future modifications, updates and enhancements in the original projected system. This paper presents a conception of mobile robots using rapid prototyping, distributing the several control actions in growing levels of complexity and using resources of reconfigurable computing proposal oriented to embed systems implementation. Software and the hardware are structuralized in independents blocks, with connection through common bus. The study and applications of new structures control that permits good performance in relation to the parameter variations. This kind of controller can be tested on different platform representing the wheeled mobile robots using reprogrammable logic components (FPGA). © 2006 IEEE.