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.

TEA: Timing and Energy Aware compression architecture for Efficient Configuration in CGRAs

Coarse Grained Reconfigurable Architectures (CGRAs) are emerging as enabling platforms to meet the high performance demanded by modern applications (e.g. 4G, CDMA, etc.). Recently proposed CGRAs offer time-multiplexing and dynamic applications parallelism to enhance device utilization and reduce energy consumption at the cost of additional memory (up to 50% area of the overall platform). To reduce the memory overheads, novel CGRAs employ either statistical compression, intermediate compact representation, or multicasting. Each compaction technique has different properties (i.e. compression ratio, decompression time and decompression energy) and is best suited for a particular class of applications. However, existing research only deals with these methods separately. Moreover, they only analyze the compaction ratio and do not evaluate the associated energy overheads. To tackle these issues, we propose a polymorphic compression architecture that interleaves these techniques in a unique platform. The proposed architecture allows each application to take advantage of a separate compression/decompression hierarchy (consisting of various types and implementations of hardware/software decoders) tailored to its needs. Simulation results, using different applications (FFT, Matrix multiplication, and WLAN), reveal that the choice of compression hierarchy has a significant impact on compression ratio (up to 52%), decompression energy (up to 4 orders of magnitude), and configuration time (from 33 n to 1.5 s) for the tested applications. Synthesis results reveal that introducing adaptivity incurs negligible additional overheads (1%) compared to the overall platform area.

BoaVista – Sensor Dedicado de Visão Artificial Baseado em Hardware (Re)configurável

4º Festival Nacional de Robótica - Actas do Encontro Científico - Proceedings of the Scientific Meeting, Biblioteca Almeida Garrett, Palácio de Cristal – Porto, 23-24 Abril 2004

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.

Reconfigurable photonic logic architecture

The amorphous silicon photo-sensor studied in this thesis, is a double pin structure (p(a-SiC:H)-i’(a-SiC:H)-n(a-SiC:H)-p(a-SiC:H)-i(a-Si:H)-n(a-Si:H)) sandwiched between two transparent contacts deposited over transparent glass thus with the possibility of illumination on both sides, responding to wave-lengths from the ultra-violet, visible to the near infrared range. The frontal il-lumination surface, glass side, is used for light signal inputs. Both surfaces are used for optical bias, which changes the dynamic characteristics of the photo-sensor resulting in different outputs for the same input. Experimental studies were made with the photo-sensor to evaluate its applicability in multiplexing and demultiplexing several data communication channels. The digital light sig-nal was defined to implement simple logical operations like the NOT, AND, OR, and complex like the XOR, MAJ, full-adder and memory effect. A pro-grammable pattern emission system was built and also those for the validation and recovery of the obtained signals. This photo-sensor has applications in op-tical communications with several wavelengths, as a wavelength detector and to execute directly logical operations over digital light input signals.

OnBoard reconfigurable battery charger for electric vehicles with traction-to-auxiliary mode

This paper proposes a single-phase reconfigurable battery charger for Electric Vehicle (EV) that operates in three different modes: Grid-to-Vehicle (G2V) mode, in which the traction batteries are charged from the power grid; Vehicle-to-Grid (V2G) mode, in which the traction batteries deliver part of the stored energy back to the power grid; and in Traction-to-Auxiliary (T2A) mode, in which the auxiliary battery is charged from the traction batteries. When connected to the power grid, the battery charger works with sinusoidal current in the AC side, for both G2V and V2G modes, and also regulates the reactive power. When the EV is disconnected from the power grid, the control algorithms are modified and the full-bridge AC-DC bidirectional converter works as a full-bridge isolated DC-DC converter that is used to charge the auxiliary battery of the EV, avoiding the use of an additional charger to accomplish this task. To assess the behavior of the proposed reconfigurable battery charger under different operation scenarios, a 3.6 kW laboratory prototype has been developed and experimental results are presented.

Projecto de hardware digital orientado por objectos

Os limites entre os domínios do software e do hardware são cada vez mais ténues, pelo que técnicas inicialmente experimentadas no software têm vindo a ser gradualmente aplicadas no hardware. Este artigo pretende descrever o estado actual da utilização da tecnologia de programação orientada por objectos no projecto de hardware digital. São analisadas as vantagens e implicações quando se introduzem conceitos ligados à tecnologia orientada por objectos em projectos de hardware e é apresentado um exemplo utilizando uma das extensões orientadas por objectos da linguagem VHDL.

An evolutionary approach to the use of Petri net based models: from parallel controllers to HW/SW co-design

"A workshop within the 19th International Conference on Applications and Theory of Petri Nets - ICATPN’1998"

Automatisierte Hardware-Software Partitionierung am Beispiel eines eingebetteten, echtzeitfähigen Stereobildanalysesystems in Kraftfahrzeugen

Hardware-Software Co-Design, Simulated Annealing, Real-Time Image Processing, Automated Hardware-Software Partitioning

Efficiency Comparison of DFT/IDFT Algorithms by Evaluating Diverse Hardware Implementations

In this paper we investigate various algorithms for performing Fast Fourier Transformation (FFT)/Inverse Fast Fourier Transformation (IFFT), and proper techniques for maximizing the FFT/IFFT execution speed, such as pipelining or parallel processing, and use of memory structures with pre-computed values (look up tables -LUT) or other dedicated hardware components (usually multipliers). Furthermore, we discuss the optimal hardware architectures that best apply to various FFT/IFFT algorithms, along with their abilities to exploit parallel processing with minimal data dependences of the FFT/IFFT calculations. An interesting approach that is also considered in this paper is the application of the integrated processing-in-memory Intelligent RAM (IRAM) chip to high speed FFT/IFFT computing. The results of the assessment study emphasize that the execution speed of the FFT/IFFT algorithms is tightly connected to the capabilities of the FFT/IFFT hardware to support the provided parallelism of the given algorithm. Therefore, we suggest that the basic Discrete Fourier Transform (DFT)/Inverse Discrete Fourier Transform (IDFT) can also provide high performances, by utilizing a specialized FFT/IFFT hardware architecture that can exploit the provided parallelism of the DFT/IDF operations. The proposed improvements include simplified multiplications over symbols given in polar coordinate system, using sinе and cosine look up tables, and an approach for performing parallel addition of N input symbols.

Efficiency Comparison of DFT/IDFT Algorithms by Evaluating Diverse Hardware : Implementations,Parallelization Prospectsand Possible Improvements

In this paper we investigate various algorithms for performing Fast Fourier Transformation (FFT)/Inverse Fast Fourier Transformation (IFFT), and proper techniquesfor maximizing the FFT/IFFT execution speed, such as pipelining or parallel processing, and use of memory structures with pre-computed values (look up tables -LUT) or other dedicated hardware components (usually multipliers). Furthermore, we discuss the optimal hardware architectures that best apply to various FFT/IFFT algorithms, along with their abilities to exploit parallel processing with minimal data dependences of the FFT/IFFT calculations. An interesting approach that is also considered in this paper is the application of the integrated processing-in-memory Intelligent RAM (IRAM) chip to high speed FFT/IFFT computing. The results of the assessment study emphasize that the execution speed of the FFT/IFFT algorithms is tightly connected to the capabilities of the FFT/IFFT hardware to support the provided parallelism of the given algorithm. Therefore, we suggest that the basic Discrete Fourier Transform (DFT)/Inverse Discrete Fourier Transform (IDFT) can also provide high performances, by utilizing a specialized FFT/IFFT hardware architecture that can exploit the provided parallelism of the DFT/IDF operations. The proposed improvements include simplified multiplications over symbols given in polar coordinate system, using sinе and cosine look up tables,and an approach for performing parallel addition of N input symbols.

Disseny i implementació hardware d'algorismes de reconeixement de caràcters per comptadors d'aigua

Aquest projecte consisteix en l'estudi, comparació i implementació en hardware d'algoritmes de reconeixement de caràcters per integrar en un sistema intel·ligent de captura d'imatges. Aquest sistema, integrat per una càmera amb format i característiques específiques i que anirà acoblat a un comptador d'aigua tradicional, en captarà imatges i les enviarà per RF al punt de recepció de la companyia. L'objectiu principal consisteix en aconseguir un disseny que redueixi al màxim la quantitat d'informació per transmetre, tenint en compte les limitacions de l'entorn.

Análisis de prestaciones de sistemas de comunicaciones inalámbricas en aplicaciones de robótica: sistema hardware

Una característica importante de la robótica es la comunicación entre sistema base y robot que puede establecerse de forma remota. Ello representa la base del proyecto que se describe a continuación, el cual se descompone de dos partes, una por cada miembro del proyecto: Sistema software y sistema hardware. En el sistema software analizaremos las diferentes tecnologías inalámbricas (características, funcionamiento, seguridad, etc.), se realizará una comparativa de los diferentes módulos de comunicación y finalmente decidiremos aquellos que nos interesa para la implementación en Radiofrecuencia (RF) y Bluetooth. En este sistema también estudiaremos la interfaz gráfica que se utilizará, así como los programas creados en este entorno para realizar las implementaciones. En el sistema hardware trataremos de realizar el control de dos periféricos de forma independiente, un servomotor y un sonar, que nos servirán como ejemplo para analizar una posible comunicación entre varios robots y un PC. Por lo tanto, en este apartado analizaremos a fondo los diferentes componentes que harán posible tanto la comunicación, vía RF y Bluetooth, como el control de los diferentes dispositivos.