Μονάδα:
Κατεύθυνση Σχεδίασης Ολοκληρωμένων ΚυκλωμάτωνΠληροφορική
Ημερομηνία κατάθεσης:
2016-11-22
Συγγραφέας:
Ζαφειράκης Ιωάννης
Στοιχεία επιβλεπόντων καθηγητών:
Χατζανδρούλης Σταύρος, Ερευνητής, ΕΚΕΦΕ “ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ”
Πρωτότυπος Τίτλος:
Σχεδιασμός και υλοποίηση αναδιαμορφούμενου ενσωματωμένου συστήματος μέτρησης αιθητήρων χωρητικότητας σε FPGA
Γλώσσες εργασίας:
Ελληνικά
Μεταφρασμένος τίτλος:
Σχεδιασμός και υλοποίηση αναδιαμορφούμενου ενσωματωμένου συστήματος μέτρησης αιθητήρων χωρητικότητας σε FPGA
Περίληψη:
Οι έξυπνοι αισθητήρες χρησιμοποιούνται όλο και πιο πολύ στις μέρες μας για την παρακολούθηση του περιβάλλοντος. Ουσιαστικά ένας έξυπνος αισθητήρας είναι ένα σύστημα το οποίο περιλαμβάνει εκτός από τα αισθητήρια και έναν επεξεργαστή ο οποίος παρέχει τη δυνατότητα τοπικής επεξεργασίας των μετρήσεων. Στο πλαίσιο της διπλωματικής εργασίας υλοποιήθηκε ένα έξυπνο και ευέλικτο ενσωματωμένο σύστημα για την μέτρηση αισθητήρων χωρητικότητας. Στο σύστημα εκτός από το κύκλωμα διεπαφής των αισθητήρων έχει ενσωματωθεί ένας επεξεργαστής LEON3 με τα απαραίτητα περιφερειακά και έχει εγκατασταθεί λειτουργικό σύστημα Linux. Η υλοποίηση έγινε σε FPGA της σειράς CYCLON της ALTERA στο αναπτυξιακό σύστημα της Terasic DE2-115.
Για την μέτρηση των αισθητήρων έχει υλοποιηθεί ένα κύκλωμα διεπαφής το οποίο μετατρέπει της μεταβολές της χωρητικότητας σε μεταβολές συχνότητας με χρήση ενός ειδικά διαμορφωμένου ταλαντωτή δακτυλίου. Ακολούθως, χρησιμοποιείται ένας προγραμματιζόμενος μετρητής συχνότητας ο οποίος διαθέτει μεταβλητό χρονικό παράθυρο μέτρησης ώστε να παρέχει ευελιξία ως προς το χρόνο μέτρησης, την ακρίβεια και το εύρος των μετρούμενων συχνοτήτων. Το κύκλωμα διεπαφής έχει συνδεθεί στον εσωτερικό δίαυλο δεδομένων (AMBA bus) του επεξεργαστή LEON3 ώστε να συμπεριφέρεται ως ένα τυπικό περιφερειακό του επεξεργαστή και να επιτυγχάνεται εύκολη και αποδοτική διαχείρισή του από το λογισμικό της εφαρμογής. Στο δίαυλο AMBA έχουν συνδεθεί και άλλα περιφερειακά όπως για παράδειγμα μια SVGA οθόνη επαφής (touch screen), μια μονάδα δικτύου (ETHERNET) και ένα πληκτρολόγιο τα οποία προσδίδουν στο συνολικό σύστημα επιπλέον δυνατότητες και ευελιξία. Με το ενσωματωμένο λειτουργικό σύστημα Linux ο χρήστης του συστήματος μπορεί να χρησιμοποιεί ένα καθιερωμένο περιβάλλον για την επεξεργασία των μετρήσεων και την επικοινωνία με τους αισθητήρες. Ο χρήστης μπορεί να παρατηρεί τα αποτελέσματα στην SVGA οθόνη ή να εισάγει εντολές επεξεργασίας από το πληκτρολόγιο. Ταυτόχρονα υπάρχει η δυνατότητα απομακρυσμένης σύνδεσης με το σύστημα και μεταφοράς των αποτελεσμάτων σε ένα απομακρυσμένο υπολογιστή. Έχουν υλοποιηθεί προγράμματα σε γλώσσα C για την επεξεργασία των μετρήσεων και για τον έλεγχο του κυκλώματος διεπαφής. Ένα πρόγραμμα το οποίο υλοποιήθηκε αξιοποιεί την “touch screen” λειτουργία της οθόνης, ώστε να μην χρειάζεται απαραίτητα συνδεδεμένο πληκτρολόγιο στο σύστημα. Με το πρόγραμμα αυτό μπορεί να γίνει βαθμονόμηση του αισθητήρα και να υπολογίζεται η μέση τιμή και η διασπορά των μετρήσεων. Για να επαληθευθεί η ορθή λειτουργία του συστήματος ελήφθησαν μετρήσεις με χωρητικούς αισθητήρες αερίων οι οποίοι αποτελούνται από διαπλεκόμενα (interdigitated) ηλεκτρόδια και ένα στρώμα πολυμερούς, του οποίου οι ιδιότητες μεταβάλλονται με την απορρόφηση συγκεκριμένων αερίων. Η απόκριση του προτεινόμενου συστήματος για διάφορες συγκεντρώσεις αναλυτών συγκρίθηκε με τις μετρήσεις των ίδιων αισθητήρων με σύστημα γέφυρας και προέκυψε ικανοποιητική σύμπτωση. Η ευαισθησία του συστήματος είναι, επίσης, ικανοποιητική γιατί δίνει τη δυνατότητα μέτρησης πολύ μικρών μεταβολών της χωρητικότητας οι οποίες αντιστοιχούν σε μεταβολή μερικών δεκάδων Hz στη συχνότητα ταλάντωσης.
Το σύστημα που υλοποιήθηκε μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πλήθος εφαρμογών και να προσαρμοστεί σε διαφορετικά περιβάλλοντα. Με την ενσωμάτωση του επεξεργαστή LEON3 ο οποίος είναι ευέλικτος και παραμετροποιήσιμος μπορούν να γίνουν εύκολα προσθήκες υλικού (hardware) και να προσαρμοστεί κατάλληλα το λογισμικό ώστε να προστεθούν επιπλέον λειτουργίες. Συνολικά, στην διπλωματική εργασία παρουσιάζεται ένα ευέλικτο, αυτόνομο, εύχρηστο και αποδοτικό “έξυπνο” σύστημα για την μέτρηση αισθητήρων χωρητικότητας, το οποίο περιλαμβάνει πολλαπλές λειτουργίες επεξεργασίας και επικοινωνίας και έχει πάρα πολλές δυνατότητες εξέλιξης. Η παρούσα υλοποίηση μπορεί να αποτελέσει οδηγό για παρόμοιες υλοποιήσεις στο μέλλον και παρουσιάζει τις προοπτικές των έξυπνων συστημάτων σε συνδυασμό με αισθητήρες.
Κύρια θεματική κατηγορία:
Τεχνολογία – Πληροφορική
Λέξεις-κλειδιά:
LEON3, FPGA, VHDL, EMBEDDED LINUX, “έξυπνοι” αισθητήρες
Αρ. σελίδων ευρετηρίου:
9
Αρ. βιβλιογραφικών αναφορών:
48
