957 research outputs found

    Artificial Spill Generator at COMPASS

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    openThe Artificial Spill Generator firmware for controlling, monitoring, and generating accelerator timing signals, has been developed for the DAQ system of CERN SPS M2 beamline experiments COMPASS and AMBER, within the frame of the Summer Student Program. In this work, the COMPASS experimental context is described, reporting its field of research, the main purposes of its creation, and the architecture of its spectrometer setup. A more detailed presentation of its Trigger and DAQ systems is also produced, providing a description of the bigger architecture in which the Artificial Spill Generator was first devised and eventually deployed. The structure and behaviour of the M2 beam line of CERN SPS exploited by COMPASS is explained, providing links with the functioning of the FPGA-based continuously run- ning DAQ currently used in the experiment. Moreover, the hardware and software monitoring tools of the DAQ are presented, making comments on how they interact with the Artificial Spill Generator. Eventually, the logic and the behavior of the firmware are reported in detail, explaining the different tasks and measurements associated with such a module. After having passed all the required tests, the Artificial Spill Generator firmware has been programmed into an FPGA board, which is currently still implemented in COMPASS and AMBER DAQ systems, improving their acquisition performances

    Radio Measurements of Cosmic Rays at the South Pole

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    Die ultrahochenergetische kosmische Strahlung, die in der Erdatmosphäre massive Teilchenkaskaden (ausgedehnt Luftschauer) auslöst, kann am Erdboden mit Hilfe von Detektorfeldern gemessen werden. Unter den verschiedenen Detektoren, die zum Einsatz kommen, haben Radioantennen im letzten Jahrzehnt an Bedeutung gewonnen, da sie eine einzigartige Möglichkeit bieten diese Luftschauer zu untersuchen. Die Radioemission, die während der Entwicklung des Luftschauers hauptsächlich durch die Ablenkung der Elektronen und Positronen in der Teilchenkaskade durch das Erdmagnetfeld entsteht, enthält Informationen über die Art der Teilchen, die den Schauer ausgelöst haben. Insbesondere können Radioantennen zusammen mit Fluoreszenzteleskopen die Position des Maximums der Entwicklung des Luftschauers XmaxX_\mathrm{max} rekonstruieren. Dieser rekonstruierte Parameter ist abhängig von der Art des primären Atomkerns der kosmischen Strahlung, die den Luftschauer ausgelöst hat. Die Kenntnis des Typs der kosmischen Strahlung wiederum trägt zu einem besseren Verständnis der Beschleunigungsprozesse astrophysikalischer Quellen in unserem Universum bei. Das IceCube Neutrino Observatorium am geografischen Südpol ist ein Mehrzweckdetektor, der sowohl astrophysikalische Neutrinos, als auch Luftschauer nachweisen kann, insbesondere mit seinem Oberflächendetektor, IceTop. Um IceTop als Detektor für kosmische Strahlung zu verbessern und die Auswirkungen der Schneeansammlung abzuschwächen, soll in den kommenden Jahren ein hybrider Dektector aus anhebbaren Szintillationsplatten und Radioantennen installiert werden. Dieser Sub-Detektor wird aus 32 Stationen bestehen, die jeweils 8 Szintillationspaneele und 3 Antennen umfassen und eine Fläche von 1 km2^2 abdecken. Die Radioantennen nutzen mit 70 bis 350 MHz statt 30 bis 80 MHz ein höheres Frequenzband als bisher üblich. Der erste vollständige Prototyp einer Hybridstation wurde im Januar 2020 in Betrieb genommen. Diese Arbeit behandelt die Hardware der Prototyp-Station und der zukünftigen geplanten Stationen, die Inbetriebnahme der Daten der Prototyp-Station sowie eine Methode zur Energie- und XmaxX_\text{max}-Rekonstruktion, die auf der Grundlage gemessener Ereignisse und Monte-Carlo-Simulationen entwickelt wurde. Insbesondere wurde eine Struktur zum Anheben der Antennen über dem Schnee entworfen, gebaut, im Feld getestet und produziert, zusammen mit einer Radio-Frontend-Platine für die analoge Vorverarbeitung des von den Antennen empfangenen Signals. Die Kalibrierung der anderen Radiosignalkomponenten bei verschiedenen Temperaturen erreicht eine Amplitudenunsicherheit von nur 3,9%, was deutlich unter der geforderten Unsicherheit von 10% für die Radio-Signalkette liegt. Die Funktionsweise der Detektoren wurde durch die Analyse des Radio-Untergrunds unter Verwendung der entwickelten Radio-Datenanalysekette bestätigt. Es wurden insgesamt 121 Luftschauer nachgewiesen, von denen 5 auch durch die anderen Detektoren nachgewiesen wurden. Sechszehn Luftschauer wurden verwendet, um die erste Energie- und XmaxX_\text{max}-Rekonstruktionsmethode für die Radiokomponente der Detektorerweiterung zu entwickeln. Diese Rekonstruktionsmethode basiert auf dem neuesten Stand der Technik für Radio-Detektoren. Es wurde eine Analyse des Einflusses des Radio-Untergrundes auf das Signal durchgeführt. Anschließend wird die üblicherweise verwendete Methode der χ2\chi^2-Minimierung durch eine Log-Likelihood-Minimierung mit einer Parametrisierung des Rauschens ersetzt, und es wird gezeigt, dass diese Technik mit den gemessenen Daten funktioniert. Darüber hinaus zeigt sich, dass bei denselben rekonstruierten Ereignissen das Hochfrequenzband mit den nur drei Antennen der Prototypstation eine deutlich bessere Genauigkeit als das traditionelle Niedrigfrequenzband aufweist. Sobald der gesamte Detektor fertiggestellt ist, wird die erwartete Rekonstruktionsgenauigkeit auf 15 g/cm2^2 für XmaxX_\text{max} und besser als 10% für die Energie geschätzt

    Anpassen verteilter eingebetteter Anwendungen im laufenden Betrieb

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    The availability of third-party apps is among the key success factors for software ecosystems: The users benefit from more features and innovation speed, while third-party solution vendors can leverage the platform to create successful offerings. However, this requires a certain decoupling of engineering activities of the different parties not achieved for distributed control systems, yet. While late and dynamic integration of third-party components would be required, resulting control systems must provide high reliability regarding real-time requirements, which leads to integration complexity. Closing this gap would particularly contribute to the vision of software-defined manufacturing, where an ecosystem of modern IT-based control system components could lead to faster innovations due to their higher abstraction and availability of various frameworks. Therefore, this thesis addresses the research question: How we can use modern IT technologies and enable independent evolution and easy third-party integration of software components in distributed control systems, where deterministic end-to-end reactivity is required, and especially, how can we apply distributed changes to such systems consistently and reactively during operation? This thesis describes the challenges and related approaches in detail and points out that existing approaches do not fully address our research question. To tackle this gap, a formal specification of a runtime platform concept is presented in conjunction with a model-based engineering approach. The engineering approach decouples the engineering steps of component definition, integration, and deployment. The runtime platform supports this approach by isolating the components, while still offering predictable end-to-end real-time behavior. Independent evolution of software components is supported through a concept for synchronous reconfiguration during full operation, i.e., dynamic orchestration of components. Time-critical state transfer is supported, too, and can lead to bounded quality degradation, at most. The reconfiguration planning is supported by analysis concepts, including simulation of a formally specified system and reconfiguration, and analyzing potential quality degradation with the evolving dataflow graph (EDFG) method. A platform-specific realization of the concepts, the real-time container architecture, is described as a reference implementation. The model and the prototype are evaluated regarding their feasibility and applicability of the concepts by two case studies. The first case study is a minimalistic distributed control system used in different setups with different component variants and reconfiguration plans to compare the model and the prototype and to gather runtime statistics. The second case study is a smart factory showcase system with more challenging application components and interface technologies. The conclusion is that the concepts are feasible and applicable, even though the concepts and the prototype still need to be worked on in future -- for example, to reach shorter cycle times.Eine große Auswahl von Drittanbieter-Lösungen ist einer der Schlüsselfaktoren für Software Ecosystems: Nutzer profitieren vom breiten Angebot und schnellen Innovationen, während Drittanbieter über die Plattform erfolgreiche Lösungen anbieten können. Das jedoch setzt eine gewisse Entkopplung von Entwicklungsschritten der Beteiligten voraus, welche für verteilte Steuerungssysteme noch nicht erreicht wurde. Während Drittanbieter-Komponenten möglichst spät -- sogar Laufzeit -- integriert werden müssten, müssen Steuerungssysteme jedoch eine hohe Zuverlässigkeit gegenüber Echtzeitanforderungen aufweisen, was zu Integrationskomplexität führt. Dies zu lösen würde insbesondere zur Vision von Software-definierter Produktion beitragen, da ein Ecosystem für moderne IT-basierte Steuerungskomponenten wegen deren höherem Abstraktionsgrad und der Vielzahl verfügbarer Frameworks zu schnellerer Innovation führen würde. Daher behandelt diese Dissertation folgende Forschungsfrage: Wie können wir moderne IT-Technologien verwenden und unabhängige Entwicklung und einfache Integration von Software-Komponenten in verteilten Steuerungssystemen ermöglichen, wo Ende-zu-Ende-Echtzeitverhalten gefordert ist, und wie können wir insbesondere verteilte Änderungen an solchen Systemen konsistent und im Vollbetrieb vornehmen? Diese Dissertation beschreibt Herausforderungen und verwandte Ansätze im Detail und zeigt auf, dass existierende Ansätze diese Frage nicht vollständig behandeln. Um diese Lücke zu schließen, beschreiben wir eine formale Spezifikation einer Laufzeit-Plattform und einen zugehörigen Modell-basierten Engineering-Ansatz. Dieser Ansatz entkoppelt die Design-Schritte der Entwicklung, Integration und des Deployments von Komponenten. Die Laufzeit-Plattform unterstützt den Ansatz durch Isolation von Komponenten und zugleich Zeit-deterministischem Ende-zu-Ende-Verhalten. Unabhängige Entwicklung und Integration werden durch Konzepte für synchrone Rekonfiguration im Vollbetrieb unterstützt, also durch dynamische Orchestrierung. Dies beinhaltet auch Zeit-kritische Zustands-Transfers mit höchstens begrenzter Qualitätsminderung, wenn überhaupt. Rekonfigurationsplanung wird durch Analysekonzepte unterstützt, einschließlich der Simulation formal spezifizierter Systeme und Rekonfigurationen und der Analyse der etwaigen Qualitätsminderung mit dem Evolving Dataflow Graph (EDFG). Die Real-Time Container Architecture wird als Referenzimplementierung und Evaluationsplattform beschrieben. Zwei Fallstudien untersuchen Machbarkeit und Nützlichkeit der Konzepte. Die erste verwendet verschiedene Varianten und Rekonfigurationen eines minimalistischen verteilten Steuerungssystems, um Modell und Prototyp zu vergleichen sowie Laufzeitstatistiken zu erheben. Die zweite Fallstudie ist ein Smart-Factory-Demonstrator, welcher herausforderndere Applikationskomponenten und Schnittstellentechnologien verwendet. Die Konzepte sind den Studien nach machbar und nützlich, auch wenn sowohl die Konzepte als auch der Prototyp noch weitere Arbeit benötigen -- zum Beispiel, um kürzere Zyklen zu erreichen

    Efficient Security Protocols for Constrained Devices

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    During the last decades, more and more devices have been connected to the Internet.Today, there are more devices connected to the Internet than humans.An increasingly more common type of devices are cyber-physical devices.A device that interacts with its environment is called a cyber-physical device.Sensors that measure their environment and actuators that alter the physical environment are both cyber-physical devices.Devices connected to the Internet risk being compromised by threat actors such as hackers.Cyber-physical devices have become a preferred target for threat actors since the consequence of an intrusion disrupting or destroying a cyber-physical system can be severe.Cyber attacks against power and energy infrastructure have caused significant disruptions in recent years.Many cyber-physical devices are categorized as constrained devices.A constrained device is characterized by one or more of the following limitations: limited memory, a less powerful CPU, or a limited communication interface.Many constrained devices are also powered by a battery or energy harvesting, which limits the available energy budget.Devices must be efficient to make the most of the limited resources.Mitigating cyber attacks is a complex task, requiring technical and organizational measures.Constrained cyber-physical devices require efficient security mechanisms to avoid overloading the systems limited resources.In this thesis, we present research on efficient security protocols for constrained cyber-physical devices.We have implemented and evaluated two state-of-the-art protocols, OSCORE and Group OSCORE.These protocols allow end-to-end protection of CoAP messages in the presence of untrusted proxies.Next, we have performed a formal protocol verification of WirelessHART, a protocol for communications in an industrial control systems setting.In our work, we present a novel attack against the protocol.We have developed a novel architecture for industrial control systems utilizing the Digital Twin concept.Using a state synchronization protocol, we propagate state changes between the digital and physical twins.The Digital Twin can then monitor and manage devices.We have also designed a protocol for secure ownership transfer of constrained wireless devices. Our protocol allows the owner of a wireless sensor network to transfer control of the devices to a new owner.With a formal protocol verification, we can guarantee the security of both the old and new owners.Lastly, we have developed an efficient Private Stream Aggregation (PSA) protocol.PSA allows devices to send encrypted measurements to an aggregator.The aggregator can combine the encrypted measurements and calculate the decrypted sum of the measurements.No party will learn the measurement except the device that generated it

    Optical Synchronization of Time-of-Flight Cameras

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    Time-of-Flight (ToF)-Kameras erzeugen Tiefenbilder (3D-Bilder), indem sie Infrarotlicht aussenden und die Zeit messen, bis die Reflexion des Lichtes wieder empfangen wird. Durch den Einsatz mehrerer ToF-Kameras können ihre vergleichsweise geringere Auflösungen überwunden, das Sichtfeld vergrößert und Verdeckungen reduziert werden. Der gleichzeitige Betrieb birgt jedoch die Möglichkeit von Störungen, die zu fehlerhaften Tiefenmessungen führen. Das Problem der gegenseitigen Störungen tritt nicht nur bei Mehrkamerasystemen auf, sondern auch wenn mehrere unabhängige ToF-Kameras eingesetzt werden. In dieser Arbeit wird eine neue optische Synchronisation vorgestellt, die keine zusätzliche Hardware oder Infrastruktur erfordert, um ein Zeitmultiplexverfahren (engl. Time-Division Multiple Access, TDMA) für die Anwendung mit ToF-Kameras zu nutzen, um so die Störungen zu vermeiden. Dies ermöglicht es einer Kamera, den Aufnahmeprozess anderer ToF-Kameras zu erkennen und ihre Aufnahmezeiten schnell zu synchronisieren, um störungsfrei zu arbeiten. Anstatt Kabel zur Synchronisation zu benötigen, wird nur die vorhandene Hardware genutzt, um eine optische Synchronisation zu erreichen. Dazu wird die Firmware der Kamera um das Synchronisationsverfahren erweitert. Die optische Synchronisation wurde konzipiert, implementiert und in einem Versuchsaufbau mit drei ToF-Kameras verifiziert. Die Messungen zeigen die Wirksamkeit der vorgeschlagenen optischen Synchronisation. Während der Experimente wurde die Bildrate durch das zusätzliche Synchronisationsverfahren lediglich um etwa 1 Prozent reduziert.Time-of-Flight (ToF) cameras produce depth images (three-dimensional images) by measuring the time between the emission of infrared light and the reception of its reflection. A setup of multiple ToF cameras may be used to overcome their comparatively low resolution, increase the field of view, and reduce occlusion. However, the simultaneous operation of multiple ToF cameras introduces the possibility of interference resulting in erroneous depth measurements. The problem of interference is not only related to a collaborative multicamera setup but also to multiple ToF cameras operating independently. In this work, a new optical synchronization for ToF cameras is presented, requiring no additional hardware or infrastructure to utilize a time-division multiple access (TDMA) scheme to mitigate interference. It effectively enables a camera to sense the acquisition process of other ToF cameras and rapidly synchronizes its acquisition times to operate without interference. Instead of requiring cables to synchronize, only the existing hardware is utilized to enable an optical synchronization. To achieve this, the camera’s firmware is extended with the synchronization procedure. The optical synchronization has been conceptualized, implemented, and verified with an experimental setup deploying three ToF cameras. The measurements show the efficacy of the proposed optical synchronization. During the experiments, the frame rate was reduced by only about 1% due to the synchronization procedure

    Design and Implementation of an IMU Sensor System to Estimate a Hockey Puck’s Peak Velocity

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    The rapid advancement in sensor technology can revolutionize how sports dynamics are understood and analyzed. This thesis focuses on designing and implementing an Inertial Measurement Unit (IMU) sensor system to be deployed within a hockey puck to estimate its peak velocity. The research involved the intricate design of a sensor system comprising an accelerometer, two gyroscopes, and a magnetometer. Moreover, puck preparation was carried out to secure the sensor and battery within the puck to ensure functionality and durability. Furthermore, a data acquisition system is developed to receive, save, and plot data transmitted via Bluetooth Low Energy (BLE) protocol. Three distinct methods for estimating the puck's peak velocity from the sensor data are compared. It is discovered that the method based on an extended Kalman filter and utilizing data from all three sensor types exhibits superior accuracy. This method is subsequently validated under various hockey shot conditions, reinforcing its practical applicability. Moreover, the relationship between velocity estimation error versus true velocity is investigated. Primarily designed for research studies, this work offers a foundational understanding of hockey puck dynamics, despite the sensor system not being tailored for real-game scenarios. The insights gained have substantial implications for further sports analytics and player training. Furthermore, the results outline a promising pathway for future sports engineering and wearable technology investigations

    Autonomous Sensing Nodes for IoT Applications

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    The present doctoral thesis fits into the energy harvesting framework, presenting the development of low-power nodes compliant with the energy autonomy requirement, and sharing common technologies and architectures, but based on different energy sources and sensing mechanisms. The adopted approach is aimed at evaluating multiple aspects of the system in its entirety (i.e., the energy harvesting mechanism, the choice of the harvester, the study of the sensing process, the selection of the electronic devices for processing, acquisition and measurement, the electronic design, the microcontroller unit (MCU) programming techniques), accounting for very challenging constraints as the low amounts of harvested power (i.e., [ÎĽW, mW] range), the careful management of the available energy, the coexistence of sensing and radio transmitting features with ultra-low power requirements. Commercial sensors are mainly used to meet the cost-effectiveness and the large-scale reproducibility requirements, however also customized sensors for a specific application (soil moisture measurement), together with appropriate characterization and reading circuits, are also presented. Two different strategies have been pursued which led to the development of two types of sensor nodes, which are referred to as 'sensor tags' and 'self-sufficient sensor nodes'. The first term refers to completely passive sensor nodes without an on-board battery as storage element and which operate only in the presence of the energy source, provisioning energy from it. In this thesis, an RFID (Radio Frequency Identification) sensor tag for soil moisture monitoring powered by the impinging electromagnetic field is presented. The second term identifies sensor nodes equipped with a battery rechargeable through energy scavenging and working as a secondary reserve in case of absence of the primary energy source. In this thesis, quasi-real-time multi-purpose monitoring LoRaWAN nodes harvesting energy from thermoelectricity, diffused solar light, indoor white light, and artificial colored light are presented

    2023-2024 Boise State University Undergraduate Catalog

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    This catalog is primarily for and directed at students. However, it serves many audiences, such as high school counselors, academic advisors, and the public. In this catalog you will find an overview of Boise State University and information on admission, registration, grades, tuition and fees, financial aid, housing, student services, and other important policies and procedures. However, most of this catalog is devoted to describing the various programs and courses offered at Boise State

    The Role of Circadian Entrainment in Rice Blast Disease

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    A circadian clock is present in some capacity in almost all forms of life, and is useful for a wide array of traits, but crucially allows organisms to predict future conditions and adapt their behaviour to synchronise with, and thrive under, their dynamic environment. Accordingly, plant environmental stress responses are gated in a circadian manner, including that for pathogenic defence and immunity. Comparatively less work has been carried out on the plant pathogens, but there are increasing reports of pathogens capable of rhythmically altering their behaviour and virulence-related traits. Magnaporthe oryzae, the fungal pathogen responsible for the destruction of enough rice to feed at least 60 M people annually, has been shown to possess some circadian clock components, and based on bioinformatic analyses, likely contains all the core, accessory, and circadian-associated genes. M. oryzae displays a conidial banding pattern, reminiscent of the model clock species, N. crassa, and (after sufficient entrainment) this pattern can continue to occur under free running conditions for a number of days, with a period of approximately 24 h. This rhythm is also presented on a range of nutrient-rich and poor media, suggesting a nutritionally-compensated circadian rhythm in M. oryzae. This onset of conidial banding is partially determined by the presence of secreted metabolites, the sensation of which is facilitated by the circadian clock, predominantly via WC2. The entraining light conditions that M. oryzae is exposed to can significantly alter its vegetative growth, conidiation and conidial development, and even pathogenicity. Further, inoculation timing (dawn or dusk) plays a role in both the virulence of M. oryzae, and in the susceptibility of the plant host, seemingly in a species-by-species manner, where rice is most susceptible at dawn, and barley most susceptible at dusk. For M. oryzae, pre-inoculation entrainment to darkness predominantly favours dawn inoculations, and those exposed to prolonged periods of light prefer dusk inoculation. Upon mutation of the core clock genes, WC2 and FRQ, vegetative growth, conidiation and conidial development, photoadaptation, and pathogenicity were all significantly altered compared to the wild type, suggesting an important role of the clock in the general fitness of M. oryzae. This work discusses how entraining light cycles and the circadian clock impacts the growth, development, conidiation, virulence, and ultimate severity in the economically important rice blast disease

    General Course Catalog [2022/23 academic year]

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    General Course Catalog, 2022/23 academic yearhttps://repository.stcloudstate.edu/undergencat/1134/thumbnail.jp
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