Using interactive hybrid online labs for rapid prototyping of digital systems

The Ilmenau Interactive Hybrid Online Lab offers several fields of application. In this article an enhancement of the existing Online Lab will be described to provide additional functionalities for a Web-based rapid prototyping of digital systems as well as the Web-based verification of such systems. For this new operation mode of the online lab a special rapid-prototyping board for digital systems was developed to fulfill the design tasks of digital systems. All the components of the rapid prototyping board will be described in detail. The implemented online lab infrastructure allows to interconnect online labs and to exchange remote lab experiments among different universities worldwide

Методичні аспекти викладання дисциплін напрямку «Інтернет речей»

В роботі здійснено огляд комп’ютерних технологій Інтернету речей, короткий аналіз складу і структури інтернету речей, розглянуто властивості і особливості роботи і проектування вбудованих систем керування, як основної складової Інтернету речей. Досліджено запити ІоТ-індустрії щодо випускника закладу вищої освіти, а саме: наявність розуміння структури і процесів в екосистемі, в якій розвиваються виробники компонентів, постачальники готових систем і компанії-інтегратори; володіння системним, цілісним підходом до аналізу і оцінки ситуації та вирішення проблеми; відкритість до нових знань, ідей і технологій; вміння організовувати власну діяльність та виконувати проекти у складі групи, ефективно спілкуватись із замовником, формулювати технічне завдання, розробляти план його виконання, оцінювати та забезпечувати якість виконуваних робіт, представляти результати роботи й обґрунтовувати запропоновані рішення. З огляду на це вивчено ключові питання і проблеми викладання окремих дисциплін напрямку ІоТ та шляхи їх вирішення. Показано, що ефективним є проектне навчання, для реалізації якого було розроблено спеціальний алгоритм створення вбудованих комп’ютерних засобів ІоТ для його використання студентами в процесі вивчення відповідних дисциплін і створення власних проектів. Він характеризується тим, що передбачає дослідження більшості найвідоміших технологій та умов їх застосування і охоплює усі етапи проектування, які використовуються у виробництві. Описано впровадження отриманих результатів досліджень в Київському університеті імені Бориса Грінченка для підготовки фахівців спеціальності «Комп’ютерні науки» в рамках дисциплін «Фізичні процеси в обчислювальних системах» та «Технології проектування вбудованих комп’ютерних систем»

Нові технології в підготовці фахівців з вбудованих систем

Автори наводять результати аналізу вимог до фахівців в галузі вбудованих систем в Запорізькому регіоні. Представлено огляд методів та засобів навчання, що дозволять підвищити мотивацію студентів і якість підготовки відповідних фахівців.The authors shows the results of analysis of requirements to specialists in the field of embedded systems in the Zaporizhzhya region. An overview of methods and learning tools to help increase motivation of students and the quality of specialists training is presented

МЕТОДИЧНІ АСПЕКТИ ВИКЛАДАННЯ ДИСЦИПЛІН НАПРЯМКУ «ІНТЕРНЕТ РЕЧЕЙ»

В роботі здійснено огляд комп’ютерних технологій Інтернету речей, короткий аналіз складу і структури інтернету речей, розглянуто властивості і особливості роботи і проектування вбудованих систем керування, як основної складової Інтернету речей. Досліджено запити ІоТ-індустрії щодо випускника закладу вищої освіти, а саме: наявність розуміння структури і процесів в екосистемі, в якій розвиваються виробники компонентів, постачальники готових систем і компанії-інтегратори; володіння системним, цілісним підходом до аналізу і оцінки ситуації та вирішення проблеми; відкритість до нових знань, ідей і технологій; вміння організовувати власну діяльність та виконувати проекти у складі групи, ефективно спілкуватись із замовником, формулювати технічне завдання, розробляти план його виконання, оцінювати та забезпечувати якість виконуваних робіт, представляти результати роботи й обґрунтовувати запропоновані рішення. З огляду на це вивчено ключові питання і проблеми викладання окремих дисциплін напрямку ІоТ та шляхи їх вирішення. Показано, що ефективним є проектне навчання, для реалізації якого було розроблено спеціальний алгоритм створення вбудованих комп’ютерних засобів ІоТ для його використання студентами в процесі вивчення відповідних дисциплін і створення власних проектів. Він характеризується тим, що передбачає дослідження більшості найвідоміших технологій та умов їх застосування і охоплює усі етапи проектування, які використовуються у виробництві. Описано впровадження отриманих результатів досліджень в Київському університеті імені Бориса Грінченка для підготовки фахівців спеціальності «Комп’ютерні науки» в рамках дисциплін «Фізичні процеси в обчислювальних системах» та «Технології проектування вбудованих комп’ютерних систем»

Gift: an integrated development and training system for finite state machine based approaches

At the Ilmenau University of Technology’s “Integrated Communication Systems” Department a main teaching concept deals with the design of digital control systems. Different lectures from the 1st to the 8th semester are using Finite State Machines (FSM) as a specification technique to realize different design tasks. During undergraduate studies the basics of Finite State Machines and their usage within the design of digital control systems are taught. To conceptualize more complex digital systems, as required in higher courses, it is necessary to use powerful toolsets. One example of such a toolset is the GIFT (Graphical Interactive Finite State Machine Toolset) system, developed by the Integrated Communications System Group at the Ilmenau University of Technology. With this toolset we want to extent our remote lab GOLDi and implement new techniques for a web-based development system for Finite State Machines

Plataforma de desarrollo tecnológico de sistemas digitales basada en FPGA

This work is a research, technological development and innovation project where design, development, building and implementation of a FPGA-based digital systems technological development platform are shown. This work was developed along with the INSTECH S.A.P.I. de C.V. company, the platform was submitted for industrial protection at IMPI under the little patent category. This work is focused in the platform design strategy for making it outstand among the many options currently available in the market and it targets a regional market seeking adaptability rather than specialization. CONACYT’s National Laboratory in Embedded Systems, Advanced Electronic Design, and Microsystems (SEDEAM), which is part of the Industrial Technological Research and Innovation Center (CIITI) at Electric Engineering Academic Unit (UAIE) from Universidad Autónoma de Zacatecas, enabled this thesis’ development with the acquisition, installation and start-up of its PCBs prototype assembly line. Besides the design and implementation of the platform, an application focused in digital radiography tested initially in the platform and then ported towards an application specific design. The radiography solution was submitted for industrial protection to the Mexican Institute for Intellectual Protection under the patent category.El presente trabajo es un proyecto de investigación, desarrollo tecnológico e innovación donde se muestra el diseño, desarrollo, construcción e implementación de una plataforma de desarrollo tecnológico de sistemas digitales basada en FPGA. Este trabajo se desarrolló en conjunto con la empresa INSTECH S.A.P.I. de C.V. y la plataforma fue sometida ante el Instituto Mexicano de la Propiedad Industrial (IMPI) para su protección industrial bajo la figura de modelo de utilidad. En la presente tesis se explica a detalle la estrategia de diseño de dicha plataforma y sus diferencias con las otras opciones que existen actualmente en el mercado, destacando su enfoque hacia un mercado regional que busca adaptabilidad por sobre especialización. El Laboratorio Nacional CONACYT en Sistemas Embebidos, Diseño Electrónico Avanzado y Microsistemas (SEDEAM), que forma parte del Centro de Investigación e Innovación Tecnológica Industrial (CIITI) en la Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica (UAIE) de la Universidad Autónoma de Zacatecas, facilitó el desarrollo de esta tesis con la adquisición, instalación y puesta en marcha de su línea de desarrollo de prototipos de PCBs. Además del diseño e implementación de la plataforma, se presenta una aplicación enfocada en radiografía digital probada inicialmente en la plataforma y portada posteriormente hacia un diseño de aplicación específico. La solución de radiografía fue sometida ante el IMPI para su protección industrial bajo la figura de patente

Modellierung und automatische Generierung von FPGA-basierten Testinstrumenten für den strukturellen Leiterplattentest

Neue Bauformen von Schaltkreisen wie BGAs führen zu sinkenden Möglichkeiten des optischen und mechanischen Testzugriffs und stellen Testsysteme vor Probleme bei der Testbarkeit von Verbindungen zwischen ICs auf Leiterplatten. Damit verbunden sind eine reduzierte Testabdeckung und steigende Kosten. Besonders für FPGAs fehlen geeignete Methoden, bei denen sich das Testsystem automatisch den Gegebenheiten der zu testenden Leiterplatte anpasst. Diese Dissertation beschäftigt sich mit dem Problem des FPGA-basierten Testens. Das vorgestellte Konzept nutzt ausschließlich vorhandene Ressourcen des FPGAs, um Testalgorithmen in dessen Logik zu implementieren und erhöht die Herstellungskosten der Leiterplatte nicht. Die Ressourcen des FPGAs stehen während der Testphase exklusiv für das Testen zur Verfügung. Ausgehend vom Stand der Technik nicht-invasiver elektrischer Verfahren für Leiterplattentests werden aktuelle Ansätze und Methoden miteinander verglichen. Aus deren Stärken und Schwächen wird eine detaillierte Zielstellung für diese Dissertation erarbeitet. Es wird eine Methode zur Generierung von Testinstrumenten für das FPGA-basierte Testen vorgestellt, die die Ausführung von Testalgorithmen in den FPGA verlagern und eine vergleichbare oder bessere Testabdeckung sowie Testgeschwindigkeit als etablierte Verfahren liefert, ohne dafür auf manuelle Eingriffe bei der Generierung angewiesen zu sein. Im Rahmen eines Lösungsansatzes wird neben der Testsystemarchitektur eine Modellierung für die an den Verbindungstests beteiligten Schaltkreise vorgestellt. Hierbei wird die Ausführung der Testalgorithmen im FPGA entweder in Software auf einem softcore-basierten Prozessor oder direkt in Hardware als diskrete Logik in einem sogenannten Co-Prozessor ermöglicht. Mit der Methode ist es möglich jeden Schaltkreis getrennt und unabhängig von der Art seiner späteren Implementierung und den konkreten Gegebenheiten des Prüflings zu modellieren. Die Generierung aller nötigen Bestandteile in Software und Hardware, wie auch deren Integration zu einem Testinstrument erfolgen dabei vollständig automatisch. Kern der Arbeit ist die Modellierung und Generierung für eingebettete Testinstrumente, die auf der Testsystemarchitektur basieren. Der Fokus wird dabei auf die zeitlich korrekte Ansteuerung der an den Verbindungstests beteiligten Schaltkreise gelegt, ohne dabei eine konkrete Implementierung vorzugeben. In Untersuchungen wird die Generierung von Testinstrumenten für verschiedene Schaltkreise betrachtet. Die Ergebnisse belegen die Leistungsfähigkeit der vorgestellten Methode zur automatischen Generierung von FPGA-basierten Testinstrumenten und zeigen eine signifikante Beschleunigung des FPGA-basierten Verbindungstests.New types of cases for integrated circuits like BGAs are leading to a decreased optical and mechanical test access. They are causing problems for test systems when testing connections between integrated circuits on printed circuit boards. This causes decreasing test coverage and increasing test costs. Especially for FPGAs some appropriate methods that automatically adapt the test system to the conditions of the printed circuit board are missing. This thesis is about the problems of FPGA-based testing. The presented concept solely uses available resources of the FPGA to transfer test algorithms from external test equipment into the programmable logic of the FPGA and therefore does not increase the production costs of the printed circuit board. The resources of the FPGA are exclusively used for testing during the test phase. Based on state-of-the-art non-invasive electrical methods for printed circuit boards with FPGAs current approaches are compared and analyzed. From the strengths and weaknesses of the considered methods a detailed description of the goals that should be achieved with this thesis is discussed. A method for the generation of so called test instruments for FPGA-based testing is presented. This method transfers the execution of test algorithms into the FPGA and has a similar or better test coverage as well as test speed compared to the well-established techniques without the need for any manually actions when generating such systems. Besides the chosen test system architecture the modeling of integrated circuits that are part of the connection test is presented. The test system architecture allows the execution of test algorithms either in software on a soft-core processor or directly in dedicated logic, so called co-processors. With this method it is possible to model each integrated circuit independent of each other and also independent of the implementation in software or hardware. The generation of all software and hardware parts of the test system is done fully automatically. Central element of this thesis is the modeling and generation of embedded test instruments, based on the presented test system architecture. The focus is on the timing-correct control routines of the integrated circuits that are part of the connection test. All parts of the test system should be modeled independent of each other and without knowledge about the use case. In experiments the generation of test instruments for different integrated circuits is carried out. These experiments prove the performance of the proposed methods for automatic generation of FPGA-based test instrument and show a significant speed-up for FPGA-based tests of printed circuit boards