Analog Reconfigurable Circuits

The aim of this paper is to present an overview of a new branch of analog electronics represented by analog reconfigurable circuits. The reconfiguration of analog circuits has been known and used since the beginnings of electronics, but the universal reconfigurable circuits called Field Programmable Analog Arrays (FPAA) have been developed over the last two decades. This paper presents the classification of analog circuit reconfiguration, examples of FPAA solutions obtained as academic projects and commercially available ones, as well as some application examples of the dynamic reconfiguration of FPAA.

Controller implementation using analog reconfigurable hardware (FPAA)

This Thesis has the main target to make a research about FPAA/dpASPs devices and technologies applied to control systems. These devices provide easy way to emulate analog circuits that can be reconfigurable by programming tools from manufactures and in case of dpASPs are able to be dynamically reconfigurable on the fly. It is described different kinds of technologies commercially available and also academic projects from researcher groups. These technologies are very recent and are in ramp up development to achieve a level of flexibility and integration to penetrate more easily the market. As occurs with CPLD/FPGAs, the FPAA/dpASPs technologies have the target to increase the productivity, reducing the development time and make easier future hardware reconfigurations reducing the costs. FPAA/dpAsps still have some limitations comparing with the classic analog circuits due to lower working frequencies and emulation of complex circuits that require more components inside the integrated circuit. However, they have great advantages in sensor signal condition, filter circuits and control systems. This thesis focuses practical implementations of these technologies to control system PID controllers. The result of the experiments confirms the efficacy of FPAA/dpASPs on signal condition and control systems.Esta tese tem como principal objectivo fazer uma pesquisa sobre circuitos integrados e tecnologias das FPAA/dpASPs aplicadas a sistemas de controlo. Estes dispositivos possibilitam a emulação de circuitos analógicos que podem ser reconfiguráveis por ferramentas de programação dos próprios fabricantes e no caso dos dpASPs são capazes de ser dinamicamente reconfiguráveis em tempo real. São descritas diferentes tecnologias disponíveis no mercado e também projectos académicos de grupos de investigação. Estas tecnologias são muito recentes e estão em pleno desenvolvimento para alcançar um nível de flexibilidade e integração para penetrar mais facilmente no mercado. Como já ocorre com as CPLD/FPGAs, os FPAA/dpASPs tem o objectivo de aumentar a produtividade, reduzindo o tempo de desenvolvimento e facilitar reconfigurações futuras de hardware, reduzindo os custos. As FPAA/dpASPs ainda tem algumas limitações comparando com os circuitos analógicos clássicos devido a uma menor largura de banda de frequências de trabalho e à dificuldade de emulação de circuitos complexos que requerem mais componentes dentro do circuito integrado e portanto uma maior escala de integração. No entanto, estes circuitos integrados têm grandes vantagens e podem ser utilizados para aplicações de condicionamento do sinal de sensores, circuitos de filtros e sistemas de controlo. Esta tese concentra-se nas implementações práticas destas tecnologias aos sistemas de controlo usando controladores PID. Os resultados das experiências confirmam a eficácia das FPAA/dpASPs no condicionamento de sinal e sistemas de controlo

Circuito de demonstração de FPAA com infraestruturas IEEE1149.4

Nos últimos anos, tornou-se notável o grande avanço na tecnologia, e com este surgiram novos equipamentos que tornaram a vida dos utilizadores mais facilitada. Cada equipamento teve uma evolução progressiva, notando-se uma diminuição dos componentes constituintes e cada equipamento, de forma a torná-lo mais leve, mais pequeno e com as mesmas funcionalidades. Com este avanço tecnológico, a procura por equipamentos novos aumentou, fazendo com que empresas de desenvolvimento tornassem a produção mais rápida e eficaz. Para tal a realização de testes a lotes ou a equipamentos individuais, tornou-se um papel fundamental para que o equipamento fosse entregue ao cliente pronto para utilização. Sendo o encapsulamento dos componentes cada vez mais pequeno, a realização de testes em produtos finais começou a tornar-se um problema, devido à dificuldade de acesso físico a pontos estratégicos de teste. Para tal foram desenvolvidas infraestruturas normalizadas capazes de ajudar na depuração de cada um dos equipamentos sem acesso direto aos pinos, das quais se pode destacar a norma IEEE1149.1 a nível digital e a IEEE1149.4, sendo esta baseada na norma anterior, mas com extensão para o domínio dos circuitos analógicos e mistos. Os dispositivos reconfiguráveis têm tornado possível a evolução de equipamentos mais pequenos, permitindo criar diversos circuitos no seu interior através de programação. Ao longo do tempo tem-se deparado que os dispositivos reconfiguráveis têm evoluído maioritariamente através da eletrónica com a utilização de Field-Programmable Gate Array (FPGA). O sucesso destes circuitos no domínio digital teve reflexo também no domínio analógico, os quais assumem especial importância, sendo denominados por FieldProgrammable Analog Arrays (FPAAs). Presentemente os dispositivos FPGA’s já incluem meios, frequentemente baseados na infraestrutura IEEE1149.1, que permitem a realização de um conjunto importante de operações de depuração do circuito. No entanto, as FPAA’s, encontram-se desprovidas desses meios, estando as operações de depuração e/ou teste limitadas às de acesso físico aos pinos antes da respetiva introdução no circuito global. É apenas possível realizar uma simulação de forma a perceber o possível estado do sistema, sendo necessário o acesso direto aos pinos para validar que o sistema funciona tal como foi configurada. Dado que uma parte importante do sucesso da infraestrutura IEEE1149.1 se deveu às suas características notáveis para apoiar operações de depuração em circuitos digitais, vale a pena analisar de que modo é que a infraestrutura IEEE1149.4 poderá apoiar as mesmas operações no domínio analógico. Desta forma, para criar um mecanismo de verificação funcional, realiza-se a interligação entre as FPAA’s e os dispositivos que implementem a infraestrutura IEEE1149.4. Para alargar o interesse pelo desenvolvimento de aplicações com utilização de FPAA’s, sem necessidade de utilização de uma placa de desenvolvimento, foram desenvolvidos meios de apoio ao ensino. Assim, a aproximação do aluno ao projeto para configuração de uma ou várias FPAA’s, com utilização de um microcontrolador externo, será mais facilitada. No presente trabalho, desenvolve-se uma solução capaz de tornar as FPAA’s acessíveis através de um único ponto para controlo e observação do sistema, sem necessidade de acesso direto aos pinos, facilitando-se assim as tarefas de teste e/ou depuração.In the last years, it has become remarkable the great advance in technology, and with this one emerged new equipment that made life of users easier. Each equipment had a progressive evolution, noting a decrease of the components that constitute each equipment, in order to make it lighter, smaller and with the same features. With this technological advancement, the demand for new equipment increased, causing that development companies made production more fast and efficient. For such a testing of batches or individual equipment, it has become a major role so that the equipment was delivered to the customer ready for use. As the package of the components became smaller, making tests in final products started becoming a problem, due to difficulty of access to strategic points of test. For such standard infrastructure were developed, capable of helping in the debugging of each of the equipment without direct access to pinout, of which we can highlight the norm IEEE1149.1 in digital level and the IEEE1149.4, being this one based on the previous norm, but extending to the domain of the analog and mixed circuits. Reconfigurable devices are making possible the evolution of smaller devices, allowing to create several circuits inside each one by programming. Over time it has noted that reconfigurable devices have evolved mainly through the electronics with the use of FieldProgrammable Gate Array (FPGA). The success of these circuits in the digital domain was also reflected in the analog domain which takes special importance, being called by FieldProgrammable Analog Arrays (FPAA). Nowadays the FPGA’s devices already include means, often based on IEEE1149.4 infrastructure, that allow the realization of an important set of circuit debugging operations. However, the FPAA’s are devoid of such means, being the debug operations and/or test limited to physical access to pinout before the introduction into the global circuit. Is possible only to carry out a simulation in order to understand the possible system state, requiring direct access to pinout to validate that the system works as it was configured. As an important part of the success of IEEE1149.1 infrastructure was due to its notable features to support debug operations in digital circuits, it is worth examining how is that IEEE1149.4 infrastructure may support the same operations in the analog domain. So, to create a functional verification mechanism, is carried out the interconnection between the FPAA's and devices that implement the IEEE1149.4 infrastructure. To extend the interest in developing applications with use of FPAA's, without need to use a development board, means have been developed to support education. So, the approach of the student to the project to configure one or several FPAA's, using an external microcontroller, will be facilitated. In the present work, it is developed a solution capable of making the FPAA’s accessible through a single point for control and observation of the system, without the need of direct access to pinout, thereby facilitating the test task and/or debugging

Programozható analóg áramkör megszakításos alkalmazása mikrovezérlő környezetben

Az egyre nagyobb számban elterjedő programozható analóg áramkörök és mikroprocesszorok, mikrovezérlők kapcsolatában rejlő újabb lehetőséget kíván a következő cikk taglalni. Ebben az alkalmazásban a készülékben jelen lévő mikrovezérlő és a szabályozási funkciót ellátó programozható analóg áramkör megszakításos kapcsolaton keresztül kommunikál egymással, mellérenedelt hierarchiában. A mikrovezérlő a beágyazott funkciókon túl a megszakítás függvényében hajt végre konfigurációs, illetve rekonfigurációs feladatokat a szabályozás, vezérlés minőségét javítanandó. Az eljárást egy automata vezérlése kapcsán kívánjuk bemutatni

A Novel Method of Solving Linear Programs with an Analog Circuit

We present the design of an analog circuit which solves linear programming (LP) problems. In particular, the steady-state circuit voltages are the components of the LP optimal solution. The paper shows how to construct the circuit and provides a proof of equivalence between the circuit and the LP problem. The proposed method is used to implement a LP-based Model Predictive Controller by using an analog circuit. Simulative and experimental results show the effectiveness of the proposed approach.Comment: 8 page

Aplicação de dispositivos analógicos reconfiguráveis

Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de ComputadoresEsta Tese tem como principal objectivo efectuar um estudo sobre o funcionamento e aplicabilidade das FPAAs, um circuito integrado reprogramável que permite emular sistemas analógicos. São estudadas diversas tecnologias e modelos disponíveis no mercado. Trata-se de uma tecnologia recente que está ainda numa fase de desenvolvimento com vista a atingir a sua maturidade e uma maior penetração no mercado. Assim como nas FPGAs, a tecnologia FPAA tem como objectivo aumentar a produtividade, reduzindo tempo e gastos no desenvolvimento, facilitando futuras alterações com o mínimo de impacto no sistema em execução. No entanto, em circuitos analógicos mais complexos ainda apresenta algumas limitações quando comparada com os sistemas de electrónica analógica clássicos, nomeadamente as frequências de funcionamento e limitações no número de componentes que pode emular num único integrado. Contudo, existem grandes vantagens quando utilizada em sistemas de condicionamento de sinal, filtragem e controlo. Em termos de ensaio e implementação, esta Tese foca a utilização desta tecnologia para o controlo industrial. São realizadas duas implementações: o controlo de temperatura de um forno e o controlo de velocidade de um motor DC. Quer numa aplicação quer noutra, a FPAA faz a leitura do valor de referência pretendido e o valor real medido e, conforme o erro resultante, actua sobre o actuador de modo a controlar o sistema. São utilizados três métodos de controlo, nomeadamente o controlo simples por comparação (ON/OFF), controlo por PWM e controlo PID. Para cada uma das implementações é analisado o comportamento do sistema. Os resultados das experiências efectuadas confirmam a eficácia e desempenho das FPAAs no condicionamento de sinal e no controlo de sistemas.The objective of this thesis is to study the operation and applicability of the FPAAs, a reprogrammable chip that can emulate analog circuit systems. Several technologies and types of FPAAs available in the market are studied. This is a recent technology which is still in a development phase in order to reach its maturity and greater market penetration. As in FPGAs, the FPAA technology is aimed to increase the productivity, reducing the development time and facilitating future changes with minor impact on the implemented system. However, these devices still present some limitations when compared with the realization of complex analog systems, including the frequency of operation and limitations on the number of components that can be emulated in a single device. However, the FPAAs have major advantages when used in signal conditioning systems, filtering and control. The FPAA applications in this thesis are focused in the test and implementation of this technology for industrial control. Two applications are developed: a temperature control of an oven system and a DC motor speed control system. In both applications, the FPAA reads the desired reference value and the actual value of the measured variable and, as function of the resulting error, acts on the actuator to control the system. Three methods of control are used, namely ON/OFF control, PWM control and PID control. For each application the behavior of the system is analyzed. The obtained results from the two experiments confirm the effectiveness and performance of the FPAAs in the signal conditioning and automatic control areas

Application of the FPAA to Sample Input Signal for Laboratory Exercise: Pulse Amplitude Modulation

This paper presents exemplary exercise on the fundamentals of signal processing course which is offered for second year bachelor level students. Application of Field Programmable Analog Array (FPAA) for pulse amplitude modulation (PAM) exercise is described with signal processing laboratory. There are presented two methods for implementing PAM modulation and demodulation technique in FPAA module. Example configuration files are available form Authors’ web site