Uma aplicação Web para apoio a laboratórios remotos reconfiguráveis baseados na norma IEEE 1451.0

Nos últimos anos, o processo de ensino e aprendizagem tem sofrido significativas alterações graças ao aparecimento da Internet. Novas ferramentas para apoio ao ensino têm surgido, nas quais se destacam os laboratórios remotos. Atualmente, muitas instituições de ensino disponibilizam laboratórios remotos nos seus cursos, que permitem, a professores e alunos, a realização de experiências reais através da Internet. Estes são implementados por diferentes arquiteturas e infraestruturas, suportados por vários módulos de laboratório acessíveis remotamente (e.g. instrumentos de medição). No entanto, a sua inclusão no ensino é ainda deficitária, devido: i) à falta de meios e competências técnicas das instituições de ensino para os desenvolverem, ii) à dificuldade na partilha dos módulos de laboratório por diferentes infraestruturas e, iii) à reduzida capacidade de os reconfigurar com esses módulos. Para ultrapassar estas limitações, foi idealizado e desenvolvido no âmbito de um trabalho de doutoramento [1] um protótipo, cuja arquitetura é baseada na norma IEEE 1451.0 e na tecnologia de FPGAs. Para além de garantir o desenvolvimento e o acesso de forma normalizada a um laboratório remoto, este protótipo promove ainda a partilha de módulos de laboratório por diferentes infraestruturas. Nesse trabalho explorou-se a capacidade de reconfiguração de FPGAs para embutir na infraestrutura do laboratório vários módulos, todos descritos em ficheiros, utilizando linguagens de descrição de hardware estruturados de acordo com a norma IEEE 1451.0. A definição desses módulos obriga à criação de estruturas de dados binárias (Transducer Electronic Data Sheets, TEDSs), bem como de outros ficheiros que possibilitam a sua interligação com a infraestrutura do laboratório. No entanto, a criação destes ficheiros é bastante complexa, uma vez que exige a realização de vários cálculos e conversões. Tendo em consideração essa mesma complexidade, esta dissertação descreve o desenvolvimento de uma aplicação Web para leitura e escrita dos TEDSs. Para além de um estudo sobre os laboratórios remotos, é efetuada uma descrição da norma IEEE 1451.0, com particular atenção para a sua arquitetura e para a estrutura dos diferentes TEDSs. Com o objetivo de enquadrar a aplicação desenvolvida, efetua-se ainda uma breve apresentação de um protótipo de um laboratório remoto reconfigurável, cuja reconfiguração é apoiada por esta aplicação. Por fim, é descrita a verificação da aplicação Web, de forma a tirar conclusões sobre o seu contributo para a simplificação dessa reconfiguração.

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.

Conceção de um tutorial de Iniciação ao co-projeto de Hardware/software

A crescente evolução dos dispositivos contendo circuitos integrados, em especial os FPGAs (Field Programmable Logic Arrays) e atualmente os System on a chip (SoCs) baseados em FPGAs, juntamente com a evolução das ferramentas, tem deixado um espaço entre o lançamento e a produção de materiais didáticos que auxiliem os engenheiros no Co- Projecto de hardware/software a partir dessas tecnologias. Com o intuito de auxiliar na redução desse intervalo temporal, o presente trabalho apresenta o desenvolvimento de documentos (tutoriais) direcionados a duas tecnologias recentes: a ferramenta de desenvolvimento de hardware/software VIVADO; e o SoC Zynq-7000, Z-7010, ambos desenvolvidos pela Xilinx. Os documentos produzidos são baseados num projeto básico totalmente implementado em lógica programável e do mesmo projeto implementado através do processador programável embarcado, para que seja possível avaliar o fluxo de projeto da ferramenta para um projeto totalmente implementado em hardware e o fluxo de projeto para o mesmo projeto implementado numa estrutura de harware/software.

Controller implementation using analog reconfigurable hardware (FPAA)

This Thesis has the main target to make a research about FPAA/dpASPs devices and technologies applied to control systems. These devices provide easy way to emulate analog circuits that can be reconfigurable by programming tools from manufactures and in case of dpASPs are able to be dynamically reconfigurable on the fly. It is described different kinds of technologies commercially available and also academic projects from researcher groups. These technologies are very recent and are in ramp up development to achieve a level of flexibility and integration to penetrate more easily the market. As occurs with CPLD/FPGAs, the FPAA/dpASPs technologies have the target to increase the productivity, reducing the development time and make easier future hardware reconfigurations reducing the costs. FPAA/dpAsps still have some limitations comparing with the classic analog circuits due to lower working frequencies and emulation of complex circuits that require more components inside the integrated circuit. However, they have great advantages in sensor signal condition, filter circuits and control systems. This thesis focuses practical implementations of these technologies to control system PID controllers. The result of the experiments confirms the efficacy of FPAA/dpASPs on signal condition and control systems.

Configurador de sistemas distribuídos de controlo especificados através de redes de Petri IOPT

O objetivo principal deste trabalho é desenvolver um protótipo de ferramenta que permita a geração de ficheiros de configuração de sistemas distribuídos de controlo em plataformas específicas permitindo a integração de um conjunto de componentes previamente definidos. Cada componente é caracterizado como um módulo, identificando-se o conjunto de sinais e eventos de entrada e saída, bem como o seu comportamento, normalmente especificado através de um modelo em redes de Petri IOPT – RdP-IOPT (Input-Output Place-Transitions). O formato PNML (Petri Net Markup Language) será utilizado para a representação de cada componente. Os componentes referidos poderão ser obtidos através de vários métodos, nomeadamente através de ferramentas em desenvolvimento, que se encontram disponíveis em http://gres.uninova.pt/IOPT-Tools/ e também através da sua edição no editor de IOPT, como resultado da partição de um modelo expresso em IOPT, utilizando o editor Snoopy-IOPT em conjugação com a ferramenta SPLIT. Serão considerados várias formas para interligação dos componentes, incluindo-se ligações diretas e wrappers assíncronos num contexto de sistemas Globalmente Assíncronos Localmente Síncronos - GALS bem como diferentes tipos de barramentos e ligações série, incluindo Network-On-Chip específicos. A descrição da interligação entre componentes é gerada automaticamente pela ferramenta desenvolvida, tendo em conta resultados de dissertações de mestrado anteriores. As plataformas especificas de suporte à implementação incluem FPGA’s da serie Xilinx Spartan3,3E e Xilinx Virtex, e várias placas de desenvolvimento.

Controlador com FPGA para um motor-in-wheel CA de fluxo axial

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e de Computadores

Disseny d'un sistema HW/SW de control remot amb dispositius FPGA

El projecte que es presenta a continuació, té com a objectiu implementar un sistema HW/SW encastat en una FPGA, capaç d’executar funcions de control remot per infraroig en plataformes de televisió flexibles de Sony Corp. El disseny obtingut, s’incorporarà a un sistema més ampli de verificació i test de circuits impresos, dins del marc de producció SMD. La finalitat d’aquest projecte, és la realització d’un sistema flexible per a la implementació de comandaments de comunicació per infraroig amb circuits impresos. Prèviament, s’ha estudiat els conceptes bàsics referents a la implementació de sistemes amb FPGAs, la seva metodologia de desenvolupament i les principals característiques de la seva arquitectura. Com a especificacions, s’ha utilitzat l’estàndard de control remot per infraroig de Sony Corp SIRCS (Sony Infrared remote control system).

Performance evaluation of MPEG-4 Video encoder on Adres

Actualment un típic embedded system (ex. telèfon mòbil) requereix alta qualitat per portar a terme tasques com codificar/descodificar a temps real; han de consumir poc energia per funcionar hores o dies utilitzant bateries lleugeres; han de ser el suficientment flexibles per integrar múltiples aplicacions i estàndards en un sol aparell; han de ser dissenyats i verificats en un període de temps curt tot i l’augment de la complexitat. Els dissenyadors lluiten contra aquestes adversitats, que demanen noves innovacions en arquitectures i metodologies de disseny. Coarse-grained reconfigurable architectures (CGRAs) estan emergent com a candidats potencials per superar totes aquestes dificultats. Diferents tipus d’arquitectures han estat presentades en els últims anys. L’alta granularitat redueix molt el retard, l’àrea, el consum i el temps de configuració comparant amb les FPGAs. D’altra banda, en comparació amb els tradicionals processadors coarse-grained programables, els alts recursos computacionals els permet d’assolir un alt nivell de paral•lelisme i eficiència. No obstant, els CGRAs existents no estant sent aplicats principalment per les grans dificultats en la programació per arquitectures complexes. ADRES és una nova CGRA dissenyada per I’Interuniversity Micro-Electronics Center (IMEC). Combina un processador very-long instruction word (VLIW) i un coarse-grained array per tenir dues opcions diferents en un mateix dispositiu físic. Entre els seus avantatges destaquen l’alta qualitat, poca redundància en les comunicacions i la facilitat de programació. Finalment ADRES és un patró enlloc d’una arquitectura concreta. Amb l’ajuda del compilador DRESC (Dynamically Reconfigurable Embedded System Compile), és possible trobar millors arquitectures o arquitectures específiques segons l’aplicació. Aquest treball presenta la implementació d’un codificador MPEG-4 per l’ADRES. Mostra l’evolució del codi per obtenir una bona implementació per una arquitectura donada. També es presenten les característiques principals d’ADRES i el seu compilador (DRESC). Els objectius són de reduir al màxim el nombre de cicles (temps) per implementar el codificador de MPEG-4 i veure les diferents dificultats de treballar en l’entorn ADRES. Els resultats mostren que els cícles es redueixen en un 67% comparant el codi inicial i final en el mode VLIW i un 84% comparant el codi inicial en VLIW i el final en mode CGA.

FPGA-Based Control Design for Power Electronic Applications

Tehoelektoniikkalaitteella tarkoitetaan ohjaus- ja säätöjärjestelmää, jolla sähköä muokataan saatavilla olevasta muodosta haluttuun uuteen muotoon ja samalla hallitaan sähköisen tehon virtausta lähteestä käyttökohteeseen. Tämä siis eroaa signaalielektroniikasta, jossa sähköllä tyypillisesti siirretään tietoa hyödyntäen eri tiloja. Tehoelektroniikkalaitteita vertailtaessa katsotaan yleensä niiden luotettavuutta, kokoa, tehokkuutta, säätötarkkuutta ja tietysti hintaa. Tyypillisiä tehoelektroniikkalaitteita ovat taajuudenmuuttajat, UPS (Uninterruptible Power Supply) -laitteet, hitsauskoneet, induktiokuumentimet sekä erilaiset teholähteet. Perinteisesti näiden laitteiden ohjaus toteutetaan käyttäen mikroprosessoreja, ASIC- (Application Specific Integrated Circuit) tai IC (Intergrated Circuit) -piirejä sekä analogisia säätimiä. Tässä tutkimuksessa on analysoitu FPGA (Field Programmable Gate Array) -piirien soveltuvuutta tehoelektroniikan ohjaukseen. FPGA-piirien rakenne muodostuu erilaisista loogisista elementeistä ja niiden välisistä yhdysjohdoista.Loogiset elementit ovat porttipiirejä ja kiikkuja. Yhdysjohdot ja loogiset elementit ovat piirissä kiinteitä eikä koostumusta tai lukumäärää voi jälkikäteen muuttaa. Ohjelmoitavuus syntyy elementtien välisistä liitännöistä. Piirissä on lukuisia, jopa miljoonia kytkimiä, joiden asento voidaan asettaa. Siten piirin peruselementeistä voidaan muodostaa lukematon määrä erilaisia toiminnallisia kokonaisuuksia. FPGA-piirejä on pitkään käytetty kommunikointialan tuotteissa ja siksi niiden kehitys on viime vuosina ollut nopeaa. Samalla hinnat ovat pudonneet. Tästä johtuen FPGA-piiristä on tullut kiinnostava vaihtoehto myös tehoelektroniikkalaitteiden ohjaukseen. Väitöstyössä FPGA-piirien käytön soveltuvuutta on tutkittu käyttäen kahta vaativaa ja erilaista käytännön tehoelektroniikkalaitetta: taajuudenmuuttajaa ja hitsauskonetta. Molempiin testikohteisiin rakennettiin alan suomalaisten teollisuusyritysten kanssa soveltuvat prototyypit,joiden ohjauselektroniikka muutettiin FPGA-pohjaiseksi. Lisäksi kehitettiin tätä uutta tekniikkaa hyödyntävät uudentyyppiset ohjausmenetelmät. Prototyyppien toimivuutta verrattiin vastaaviin perinteisillä menetelmillä ohjattuihin kaupallisiin tuotteisiin ja havaittiin FPGA-piirien mahdollistaman rinnakkaisen laskennantuomat edut molempien tehoelektroniikkalaitteiden toimivuudessa. Työssä on myösesitetty uusia menetelmiä ja työkaluja FPGA-pohjaisen säätöjärjestelmän kehitykseen ja testaukseen. Esitetyillä menetelmillä tuotteiden kehitys saadaan mahdollisimman nopeaksi ja tehokkaaksi. Lisäksi työssä on kehitetty FPGA:n sisäinen ohjaus- ja kommunikointiväylärakenne, joka palvelee tehoelektroniikkalaitteiden ohjaussovelluksia. Uusi kommunikointirakenne edistää lisäksi jo tehtyjen osajärjestelmien uudelleen käytettävyyttä tulevissa sovelluksissa ja tuotesukupolvissa.

Jännitteen reunan hallinta taajuusmuuttajissa

Diplomityössä perehdyttiin taajuusmuuttajien toimintaan ja ohjaukseen. Lisäksi työssä tarkasteltiin vaihtosuuntaajan nopeiden transienttitilojen aiheuttamaa moottorin ylijännitettä. Moottorikaapelin heijastuksia käsiteltiin vertaamalla moottorikaapelia siirtolinjaan ja todennettiin ylijännitteen syyt. Ylijännitteen vähentämiseksi on kehitetty useita suodatusmenetelmiä. Työssä vertailtiin näitä menetelmiä ja kartoitettiin kaupallisia vaihtoehtoja. Taajuusmuuttajan ohjaus on tähän päivään asti tehty yleensä käyttäen mikroprosessoria sekä logiikkapiiriä. Tulevaisuudessa ohjaukseen käytetään todennäköisesti uudelleenohjelmoitavia FPGA-piirejä (Field Programmable Gate Array). FPGA-piirin etuihin kuuluu uudelleenohjelmoitavuus sekä ohjauksen keskittäminen yhdelle piirille.

Trigger and data link system for CMS Resistive Plate Chambers at the LHC accelerator

The purpose of the work was to realize a high-speed digital data transfer system for RPC muon chambers in the CMS experiment on CERN’s new LHC accelerator. This large scale system took many years and many stages of prototyping to develop, and required the participation of tens of people. The system interfaces to Frontend Boards (FEB) at the 200,000-channel detector and to the trigger and readout electronics in the control room of the experiment. The distance between these two is about 80 metres and the speed required for the optic links was pushing the limits of available technology when the project was started. Here, as in many other aspects of the design, it was assumed that the features of readily available commercial components would develop in the course of the design work, just as they did. By choosing a high speed it was possible to multiplex the data from some the chambers into the same fibres to reduce the number of links needed. Further reduction was achieved by employing zero suppression and data compression, and a total of only 660 optical links were needed. Another requirement, which conflicted somewhat with choosing the components a late as possible was that the design needed to be radiation tolerant to an ionizing dose of 100 Gy and to a have a moderate tolerance to Single Event Effects (SEEs). This required some radiation test campaigns, and eventually led to ASICs being chosen for some of the critical parts. The system was made to be as reconfigurable as possible. The reconfiguration needs to be done from a distance as the electronics is not accessible except for some short and rare service breaks once the accelerator starts running. Therefore reconfigurable logic is extensively used, and the firmware development for the FPGAs constituted a sizable part of the work. Some special techniques needed to be used there too, to achieve the required radiation tolerance. The system has been demonstrated to work in several laboratory and beam tests, and now we are waiting to see it in action when the LHC will start running in the autumn 2008.

Performance evaluation of MPEG-4 Video encoder on Adres

Actualment un típic embedded system (ex. telèfon mòbil) requereix alta qualitat per portar a terme tasques com codificar/descodificar a temps real; han de consumir poc energia per funcionar hores o dies utilitzant bateries lleugeres; han de ser el suficientment flexibles per integrar múltiples aplicacions i estàndards en un sol aparell; han de ser dissenyats i verificats en un període de temps curt tot i l’augment de la complexitat. Els dissenyadors lluiten contra aquestes adversitats, que demanen noves innovacions en arquitectures i metodologies de disseny. Coarse-grained reconfigurable architectures (CGRAs) estan emergent com a candidats potencials per superar totes aquestes dificultats. Diferents tipus d’arquitectures han estat presentades en els últims anys. L’alta granularitat redueix molt el retard, l’àrea, el consum i el temps de configuració comparant amb les FPGAs. D’altra banda, en comparació amb els tradicionals processadors coarse-grained programables, els alts recursos computacionals els permet d’assolir un alt nivell de paral•lelisme i eficiència. No obstant, els CGRAs existents no estant sent aplicats principalment per les grans dificultats en la programació per arquitectures complexes. ADRES és una nova CGRA dissenyada per I’Interuniversity Micro-Electronics Center (IMEC). Combina un processador very-long instruction word (VLIW) i un coarse-grained array per tenir dues opcions diferents en un mateix dispositiu físic. Entre els seus avantatges destaquen l’alta qualitat, poca redundància en les comunicacions i la facilitat de programació. Finalment ADRES és un patró enlloc d’una arquitectura concreta. Amb l’ajuda del compilador DRESC (Dynamically Reconfigurable Embedded System Compile), és possible trobar millors arquitectures o arquitectures específiques segons l’aplicació. Aquest treball presenta la implementació d’un codificador MPEG-4 per l’ADRES. Mostra l’evolució del codi per obtenir una bona implementació per una arquitectura donada. També es presenten les característiques principals d’ADRES i el seu compilador (DRESC). Els objectius són de reduir al màxim el nombre de cicles (temps) per implementar el codificador de MPEG-4 i veure les diferents dificultats de treballar en l’entorn ADRES. Els resultats mostren que els cícles es redueixen en un 67% comparant el codi inicial i final en el mode VLIW i un 84% comparant el codi inicial en VLIW i el final en mode CGA.

Comparison and Evaluation of Eddy Current Sensors

In the work eddy current sensors are described and evaluated. Theoretical part includes physical basics of the eddy currents, overview of available commercial products and technologies. Industrial sensors operation was assessed based on several working modes. Apart from this, the model was created in Matlab Simulink with Xilinx Blockset and then translated into a Xilinx ISE Design Suite compatible project. The performance of the resulting implementation was compared to the existing implementation in the Xilinx Spartan 3 FPGA board with the custom made sensor. Additionally, an introduction to FPGAs and VHDL is presented.

FPGA-based object detection using classification circuits

Dans l'apprentissage machine, la classification est le processus d’assigner une nouvelle observation à une certaine catégorie. Les classifieurs qui mettent en œuvre des algorithmes de classification ont été largement étudié au cours des dernières décennies. Les classifieurs traditionnels sont basés sur des algorithmes tels que le SVM et les réseaux de neurones, et sont généralement exécutés par des logiciels sur CPUs qui fait que le système souffre d’un manque de performance et d’une forte consommation d'énergie. Bien que les GPUs puissent être utilisés pour accélérer le calcul de certains classifieurs, leur grande consommation de puissance empêche la technologie d'être mise en œuvre sur des appareils portables tels que les systèmes embarqués. Pour rendre le système de classification plus léger, les classifieurs devraient être capable de fonctionner sur un système matériel plus compact au lieu d'un groupe de CPUs ou GPUs, et les classifieurs eux-mêmes devraient être optimisés pour ce matériel. Dans ce mémoire, nous explorons la mise en œuvre d'un classifieur novateur sur une plate-forme matérielle à base de FPGA. Le classifieur, conçu par Alain Tapp (Université de Montréal), est basé sur une grande quantité de tables de recherche qui forment des circuits arborescents qui effectuent les tâches de classification. Le FPGA semble être un élément fait sur mesure pour mettre en œuvre ce classifieur avec ses riches ressources de tables de recherche et l'architecture à parallélisme élevé. Notre travail montre que les FPGAs peuvent implémenter plusieurs classifieurs et faire les classification sur des images haute définition à une vitesse très élevée.

Performance analysis of double digit decimal multiplier on various FPGA logic families

Decimal multiplication is an integral part of financial, commercial, and internet-based computations. This paper presents a novel double digit decimal multiplication (DDDM) technique that performs 2 digit multiplications simultaneously in one clock cycle. This design offers low latency and high throughput. When multiplying two n-digit operands to produce a 2n-digit product, the design has a latency of (n / 2) 1 cycles. The paper presents area and delay comparisons for 7-digit, 16-digit, 34-digit double digit decimal multipliers on different families of Xilinx, Altera, Actel and Quick Logic FPGAs. The multipliers presented can be extended to support decimal floating-point multiplication for IEEE P754 standard