A study of FPGA-based System-on-Chip designs for real-time industrial application

This paper shows the benefits of the Field Programming Gate Array (FPGAs) in industrial control applications. The author starts by addressing the benefits of FPGA and where it is useful. As well as, the author has done some FPGA’s evaluation researches on the FPGA performing explaining the performance of the FPGA and the design tools. To show the benefits of the FPGA, an industrial application example has been used. The application is a real-time face detection and tracking using FPGA. Face tracking will depend on calculating the centroid of each detected region. A DE2-SoC Altera board has been used to implement this application. The application based on few algorithms that filter the captured images to detect them. These algorithms have been translated to a Verilog code to run it on the DE2-SoC boar

FPGAs in Industrial Control Applications

The aim of this paper is to review the state-of-the-art of Field Programmable Gate Array (FPGA) technologies and their contribution to industrial control applications. Authors start by addressing various research fields which can exploit the advantages of FPGAs. The features of these devices are then presented, followed by their corresponding design tools. To illustrate the benefits of using FPGAs in the case of complex control applications, a sensorless motor controller has been treated. This controller is based on the Extended Kalman Filter. Its development has been made according to a dedicated design methodology, which is also discussed. The use of FPGAs to implement artificial intelligence-based industrial controllers is then briefly reviewed. The final section presents two short case studies of Neural Network control systems designs targeting FPGAs

Validation matérielle d'une architecture générique de réseaux avioniques basée sur une gestion modulaire de la redondance

RÉSUMÉ Les systèmes avioniques ne cessent d'évoluer depuis l'apparition des technologies numériques au tournant des années 60. Après le passage par plusieurs paradigmes de développement, ces systèmes suivent maintenant l'approche « Integrated Modular Avionics » (IMA) depuis le début des années 2000. Contrairement aux méthodes antérieures, cette approche est basée sur une conception modulaire, un partage de ressources génériques entre plusieurs systèmes et l'utilisation plus poussée de bus multiplexés. La plupart des concepts utilisés par l'architecture IMA, bien que déjà connus dans le domaine de l'informatique distribuée, constituent un changement marqué par rapport aux modèles antérieurs dans le monde avionique. Ceux-ci viennent s'ajouter aux contraintes importantes de l'avionique classique telles que le déterminisme, le temps réel, la certification et les cibles élevées de fiabilité. L'adoption de l'approche IMA a déclenché une révision de plusieurs aspects de la conception, de la certification et de l'implémentation d'un système IMA afin d'en tirer profit. Cette révision, ralentie par les contraintes avioniques, est toujours en cours, et offre encore l'opportunité de développement de nouveaux outils, méthodes et modèles à tous les niveaux du processus d'implémentation d‟un système IMA. Dans un contexte de proposition et de validation d'une nouvelle architecture IMA pour un réseau générique de capteurs à bord d‟un avion, nous avons identifié quelques aspects des différentes approches traditionnelles pour la réalisation de ce type d‟architecture pouvant être améliorés. Afin de remédier à certaines des différentes lacunes identifiées, nous avons proposé une approche de validation basée sur une plateforme matérielle reconfigurable ainsi qu'une nouvelle approche de gestion de la redondance pour l'atteinte des cibles de fiabilité. Contrairement aux outils statiques plus limités satisfaisant les besoins pour la conception d'une architecture fédérée, notre approche de validation est spécifiquement développée de manière à faciliter la conception d'une architecture IMA. Dans le cadre de cette thèse, trois axes principaux de contributions originales se sont dégagés des travaux exécutés suivant les différents objectifs de recherche énoncés précédemment. Le premier axe se situe au niveau de la proposition d'une architecture hiérarchique de réseau de capteurs s'appuyant sur le modèle de base de la norme IEEE 1451. Cette norme facilite l'intégration de capteurs et actuateurs intelligents à tout système de commande par des interfaces normalisées et génériques.----------ABSTRACT Since the emergence of digital technologies in the 1960s, avionics has evolved very rapidly. To reflect the technological evolution, several design approaches have been followed up to the Integrated Modular Avionics (IMA) introduced in the late 1990s. Unlike previous approaches, IMA is based on modular conception, generic resources sharing between several previously independent systems and further use of multiplexed busses. While the major aspects used in the IMA architecture is already known in other fields such as distributed computing, they represent a fundamental change in regards to traditional approaches for avionics. These new concepts are added to the existing constraints of classic avionic such as determinism, real time application, certification and stringent reliability targets. Several aspects of the design, certification and implementation of an IMA system must be revised in order to maximize its benefice. The adoption of the IMA thus requires the development of new approaches, models and tools at each level of the implementation process of an IMA system. In a context of proposition and validation of a new IMA architecture for a generic sensor network, we have identified several key aspects of the traditional approaches that could be enhanced for a better compatibility with the IMA approach. In order to overcome these identified deficiencies, we have proposed a global validation approach based on a reconfigurable material platform combined with a new approach to redundancy management required to reach the reliability targets. Unlike the static tools devised for the previous federated design approach, our approach was specifically devised to ease the design process under the IMA architecture. Within the context of this thesis, three primary areas of original contributions have been identified from our work done within the objectives of project AVIO 402. The first contribution resides in the proposition of a hierarchical architecture for a sensor network base on the reference model of the IEEE 1451 standard

Durchführbarkeitsanalyse und Validierung eines Feldbussystems mit einer großen Anzahl an Busteilnehmern mit formalen Methoden

The complexity of large scale fieldbus systems is two-fold: message-sending concurrency and emergent bus behavior. On the one hand, an increase in the number of accumulating nodes within one fieldbus system expands its message-sending concurrency; on the other hand, the growth of emergent bus behavior causes a temporary or lasting message burst on the fieldbus channel. The message sequences in turn have an increased burst behavior, aggravating the traffic density. Therefore, this dissertation evaluates the performability of large scale fieldbus systems by presenting a busload validation procedure by formal methods. The model concept is conceptualized and formulated by UMLCD and OSI Model. Furthermore, the validation procedure is formalized and structurally specified by applying the attribute hierarchy and BMW principle. Based on sorting the message-sending occurrences from the log data of a real fieldbus-based building automation system, the validation procedure is thus quantified with the real system timed-parameters. In addition, the stochastic distributions of message transmissions are determined by the goodness of fit method. The entire work is based on DSPN as formal means of descriptions and models. The corresponding Petri net communication model is hierarchically constructed, which has been further parameterized, integrated and simulated. The analysis of system complexity is provided by the programming-based extension of the Petri net communication model. In addition, the results of Monte-Carlo-Simulation have been sorted, analyzed and evaluated regarding the validation aspects of system performability. Finally, the emergent message burst generated from the function interrelations has also been observed and evaluated. The result of this work will make a formal contribution to the improvement the fieldbus specification.Insbesondere für Feldbussysteme mit einer großen Anzahl an Busteilnehmern wird die Komplexität über zwei Kenngrößen charakterisiert. Einerseits stellt die Erhöhung der Anzahl akkumulierter Feldbusknoten innerhalb eines Feldbussystems eine gestiegene Message-Sendung-Nebenläufigkeit dar. Andererseits steigt diese auch durch Zuwachs des emergenten Busverhaltens, die temporäre oder dauerhafte Nachrichtenfolgen mit sich führen. Die Nachrichtenfolgen wiederum können ein erhöhtes Burst-Verhalten auf dem Feldbus-Kanal, d.h. eine erhöhte Busauslastung verursachen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, ein komplexes Feldbussystem formal zu beschreiben und ein formales Buslastvalidierungsverfahren darzustellen. Das Modellkonzept wird zunächst durch das UMLCD und das OSI-Modell formuliert, und anschließend wird das Validierungsverfahren mit der Attributhierarchie und dem BMW-Prinzip formalisiert und spezifiziert. Aufgrund der Sortierung des Sendungsverhaltens mittels Logdaten eines realen Feldbus-basierten Gebäudeautomationssystems, wird das Validierungsverfahren durch die quantitative Analyse weitergeführt. Zusätzlich werden die stochastischen Verteilungen der Sendungsverhaltene durch die Goodness-of-Fit Methode angepasst. Die gesamte Arbeit basiert auf DSPN als formales Beschreibungsmittel und Modellierungsmittel. Das entsprechende Petrinetz-Kommunikationsmodell wird vorgestellt, welches hierarchisch konstruiert, parametriert und simuliert wurde. Die Systemkomplexität wird mit Hilfe der Programmierung-basierten Erweiterung des Petrinetz-Kommunikationsmodells analysiert. Dazu werden die Monte-Carlo-Simulationsergebnisse dieses erweiterten Modells vorgestellt, analysiert und bewertet und in Bezug zu den Validierungsaspekten der Systemleistung gesetzt. Schließlich wird das erzeugte Nachrichten-Burst-Verhalten von den Funktionsverknüpfungen beobachtet und bewertet. Die Ergebnisse werden von dieser Arbeit nach der Vervollständigung der formalen Feldbusspezifikation zurückgeführt und verbessert