abstract: There is a tremendous need for wireless biological signals acquisition for the microelectrode-based neural interface to reduce the mechanical impacts introduced by wire-interconnects system. Long wire connections impede the ability to continuously record the neural signal for chronic application from the rodent's brain. Furthermore, connecting and/or disconnecting Omnetics interconnects often introduces mechanical stress which causes blood vessel to rupture and leads to trauma to the brain tissue. Following the initial implantation trauma, glial tissue formation around the microelectrode and may possibly lead to the microelectrode signal degradation. The aim of this project is to design, develop, and test a compact and power efficient integrated system (IS) that is able to (a) wirelessly transmit triggering signal from the computer to the signal generator which supplies voltage waveforms that move the MEMS microelectrodes, (b) wirelessly transmit neural data from the brain to the external computer, and (c) provide an electrical interface for a closed loop control to continuously move the microelectrode till a proper quality of neural signal is achieved. One of the main challenges of this project is the limited data transmission rate of the commercially available wireless system to transmit 400 kbps of digitized neural signals/electrode, which include spikes, local field potential (LFP), and noise. A commercially available Bluetooth module is only capable to transmit at a total of 115 kbps data transfer rate. The approach to this challenge is to digitize the analog neural signal with a lower accuracy ADC to lower the data rate, so that is reasonable to wirelessly transfer neural data of one channel. In addition, due to the limited space and weight bearing capability to the rodent's head, a compact and power efficient integrated system is needed to reduce the packaged volume and power consumption. 3D SoP technology has been used to stack the PCBs in a 3D form-factor, proper routing designs and techniques are implemented to reduce the electrical routing resistances and the parasitic RC delay. It is expected that this 3D design will reduce the power consumption significantly in comparison to the 2D one. The progress of this project is divided into three different phases, which can be outlined as follow: a) Design, develop, and test Bluetooth wireless system to transmit the triggering signal from the computer to the signal generator. The system is designed for three moveable microelectrodes. b) Design, develop, and test Bluetooth wireless system to wirelessly transmit an amplified (200 gain) neural signal from one single electrode to an external computer. c) Design, develop, and test a closed loop control system that continuously moves a microelectrode in searching of an acceptable quality of neural spikes. The outcome of this project can be used not only for the need of neural application but also for a wider and general applications that requires customized signal generations and wireless data transmission. / Dissertation/Thesis / M.S. Electrical Engineering 2012

The miniaturization of electronics in modern times has enabled the possibility of creating a “continuity of care” using small wearable bioelectronic devices. Using wearable devices, such as the Fitbit or Garmin fitness trackers, allows for the exchange of data between devices which can be used to improve the accuracy of data analysis and thus patient health. In this thesis work, three wearable bioelectronic devices are proposed: an EOG-based eye-gaze tracking assistive technology device for the physically disabled to control a computer cursor, a battery-operated miniaturized polysomnograph that can store and transmit data wirelessly to sleep technicians and a trauma-detecting personal locator beacon. The first two system designs are outlined and simulated, followed by the testing of a prototype while the third system is a proposed design that will be reduced to practice at a later date. With continued development needed in the signal processing algorithms, the eye-gaze tracking computer mouse demonstrated capability and repeatable results. The wearable sleep sensor system also demonstrated capability and provided data with high signal-to-noise ratios on most channels before any filtering, allowing for comparable signal quality to conventional polysomnography devices.

Cada vez mais equipamentos eletrônicos digitais têm sido fabricados utilizando um sistema operacional embarcado. Por razões de custo, estes sistemas operacionais são implementados sobre um hardware com os requisitos mínimos para atender as necessidades da aplicação. Este trabalho apresenta um estudo sobre a viabilidade de implementação de suporte a multitarefa sobre a arquitetura FemtoJava, um microcontrolador monotarefa dedicado a sistemas embarcados. Para tanto, o suporte de hardware necessário é adicionado à arquitetura. Também são implementados dois escalonadores de tarefas diretamente em bytecodes Java, visando à otimização de área e o compromisso com desempenho e consumo de energia. Modificações no ambiente de desenvolvimento e uma ferramenta de relocação de endereços são propostas, objetivando a utilização dos escalonadores de tarefas implementados junto ao fluxo de desenvolvimento existente. Por fim, uma análise é realizada sobre o impacto que a capacidade de multitarefa produz no sistema em termos de desempenho, consumo de área e energia. / Most digital electronic equipments are produced using an embedded operating system. Due to economic reasons, these operating systems are implemented on hardware with minimal requirements to support the application needs. This work will present a viability study to implement multitask support on the FemtoJava architecture, a monotask microcontroller dedicated to embedded applications. The support to multitask involves the addition of specific hardware mechanisms to the architecture. Two different scheduling policies are then directly implemented using Java bytecodes, aiming area optimization as well as a good performance/energy-consumption trade-off. Some modifications in the development environment and a code relocation tool were introduced, in order to enable the use of the schedulers in the existing design tool flow. Finally, an analysis is performed to evaluate the impact that the multitask support produces in the system with respect to the final performance, area and energy consumption.

Neste trabalho foi elaborado um microcontrolador 8051 tolerante à radiação, usando para isso técnicas de recomputação de instruções. A base para este trabalho foi a descrição VHDL desse microcontrolador, sendo proposto o uso de sensores de radiação, Bulk-BICS, e códigos de proteção de erros para os elementos de memória, como forma de suporte à técnica apresentada. Inicialmente serão abordados sucintamente a origem e os efeitos prejudiciais da radiação nos dispositivos eletrônicos, motivando a realização deste trabalho. Serão mostrados em detalhes os passos para implementar a técnica de recomputação, que consiste em monitorar os sensores e, ao ser detectado um pulso transiente, fazer o processador reler a última instrução e executá-la novamente, a fim de mitigar o efeito do SET (Single Event Transient). Para isso a manipulação do contador de programa (PC) e o apontador de pilha (SP) são fundamentais. Durante esse processo também deve ser garantido que nenhum dado, potencialmente corrompido, seja armazenado na memória. Contra SEUs (Single Event Upsets) é pressuposto que todos os elementos de memória do microcontrolador estão protegidos através de algum código de correção de erros, assunto já pesquisado por outros autores. Na seqüência serão apresentadas várias simulações realizadas, onde é possível ver o processo de recomputação sendo iniciado a partir da incidência de partículas geradas através de um testbench. Por fim será feita uma comparação entre o 8051 original e o protegido, mostrando dados de área, freqüência de operação e potência de cada um. / This work presents a radiation hard 8051 microcontroller, designed using instruction recomputation techniques. The basis for this work was the VHDL description of the microcontroller. To make the microcontroller radiation hard, built in radiation sensors, called Bulk-BICS, were use to protect the combinational logic blocks. Codes for error detection and correction were used to protect the memory elements. Initially, this work discusses the sources of ionizing radiation and its harmful effects on digital integrated circuits, showing the motivation for this work. Next, the details of the implemented instruction re-computation technique are shown. It consists in monitoring the radiation sensors and, if the incidence of ionizing radiation is detected, the processor reads the last instruction and executes it again, in order to mitigate the effect of a single event transient (SET). In order to implement this re-computation, the manipulation of the program counter (PC) and stack pointer (SP) is essential. During this process it must be guaranteed that any data, potentially corrupted, will not be stored in memory. Regarding radiation effects on memory elements (Single Event Upsets-SEUs), it is assumed that all memory elements of the microcontroller are protected by some error detection and correction code, a topic previously studied by other authors. Finally, several simulations will be shown, where it is possible to see the evolution of the re-computation process, from the detection of the incidence of ionizing radiation (incidence generated by a testbench) to the full re-computation of the instruction. Finally, a comparison is made between the performance of the original 8051 and the radiation hardened version, showing overheads of area, frequency of operation and power.

In spite of the fast development of the medical sector, cardiovascular diseases are still the major cause of death in the world. The identification of the patient who presents a risk situation that may result in death is still a challenge. The number of systems to monitor vital signs has increased in the last years, with more compact devices, and a range of parameters that help the medical team to monitor the development of the patients\' clinical situation. This work presents the modeling and development of a low-power portable ECG to be used as input of the system to monitor cardiac signals, generated in PROCADNF-1493/2007. The aim of this device is to promote a communication with a computer enabling the analysis of the ECG signal using a software for research in this area. It was used a wireless communication system using the Zigbee technology with the band of 2.4GHz and a range of approximately 70 meters without a wall. This promotes the analysis of the ECG in movement, in which the patient has the possibility to move. To support the construction of such system, this work presents an architecture review, a state-of-the-art in hardware, as well as a study and a model specification of a low-power portable ECG used to aid the research that aim the monitoring of vital signs. Finally, a qualitative analysis of the constructed hardware is provided. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Apesar do rápido desenvolvimento da medicina, as doenças cardiovasculares ainda são uma das principais causa de morte no mundo. A identificação do paciente que apresenta um quadro de risco que pode decorrer a morte súbita é ainda um desafio. Os sistemas de monitoramento de sinais vitais vêm crescendo nos últimos anos, com aparelhos cada vez mais compactos, e uma gama de parâmetros que auxiliam a equipe médica a acompanhar o desenvolvimento do quadro clínico de seus pacientes. Este trabalho apresenta o modelo e o desenvolvimento de um Eletrocardiógrafo portátil, de baixo consumo para ser usado como entrada do sistema de monitoração dos sinais cardíacos, gerado no PROCAD NF-1493/2007. O objetivo desse aparelho é de promover a comunicação com o computador, possibilitando a análise do sinal do eletrocardiograma através de softwares desenvolvidos para pesquisas nesta área. Trabalhou-se neste projeto com um sistema de comunicação sem o utilizando a tecnologia Zigbee com a faixa de comunicação de 2,4GHz, e um alcance de aproximadamente 70 metros sem barreira, Isso favorece a análise do sinal ECG com o paciente em locomoção. Para embasar a construção do referido sistema, o presente trabalho apresenta uma revisão de arquiteturas, estado da arte, em hardware, bem como um estudo e uma especificação do modelo de um ECG portátil de baixa potência, usado neste trabalho para auxiliar as pesquisas voltadas a monitoração de sinais vitais. Por fim, uma análise qualitativa do hardware construído é fornecida.

The aim of the thesis is to explain and introduce the indiviudal components and control proceedings in the systems of automatic control of intelligent houses. The thesis is divided into three parts. In the first part I deal with the general description and structure of the house automatic systems, their availability and application in wiring practise. The second part is focused on the proceedings used in RC5 infra-red area and the most used X10 PowerLine protocol and its processing by AVR microprocessors. The third part is concentrated on the practical construction of a module with a microprocessor enabling the development and education of user applications for the substance of the automation system and that extend it in other possibilities of communication such as ethernet and WiFi networks, eventually GSM mobile network.

Cada vez mais equipamentos eletrônicos digitais têm sido fabricados utilizando um sistema operacional embarcado. Por razões de custo, estes sistemas operacionais são implementados sobre um hardware com os requisitos mínimos para atender as necessidades da aplicação. Este trabalho apresenta um estudo sobre a viabilidade de implementação de suporte a multitarefa sobre a arquitetura FemtoJava, um microcontrolador monotarefa dedicado a sistemas embarcados. Para tanto, o suporte de hardware necessário é adicionado à arquitetura. Também são implementados dois escalonadores de tarefas diretamente em bytecodes Java, visando à otimização de área e o compromisso com desempenho e consumo de energia. Modificações no ambiente de desenvolvimento e uma ferramenta de relocação de endereços são propostas, objetivando a utilização dos escalonadores de tarefas implementados junto ao fluxo de desenvolvimento existente. Por fim, uma análise é realizada sobre o impacto que a capacidade de multitarefa produz no sistema em termos de desempenho, consumo de área e energia. / Most digital electronic equipments are produced using an embedded operating system. Due to economic reasons, these operating systems are implemented on hardware with minimal requirements to support the application needs. This work will present a viability study to implement multitask support on the FemtoJava architecture, a monotask microcontroller dedicated to embedded applications. The support to multitask involves the addition of specific hardware mechanisms to the architecture. Two different scheduling policies are then directly implemented using Java bytecodes, aiming area optimization as well as a good performance/energy-consumption trade-off. Some modifications in the development environment and a code relocation tool were introduced, in order to enable the use of the schedulers in the existing design tool flow. Finally, an analysis is performed to evaluate the impact that the multitask support produces in the system with respect to the final performance, area and energy consumption.

Neste trabalho foi elaborado um microcontrolador 8051 tolerante à radiação, usando para isso técnicas de recomputação de instruções. A base para este trabalho foi a descrição VHDL desse microcontrolador, sendo proposto o uso de sensores de radiação, Bulk-BICS, e códigos de proteção de erros para os elementos de memória, como forma de suporte à técnica apresentada. Inicialmente serão abordados sucintamente a origem e os efeitos prejudiciais da radiação nos dispositivos eletrônicos, motivando a realização deste trabalho. Serão mostrados em detalhes os passos para implementar a técnica de recomputação, que consiste em monitorar os sensores e, ao ser detectado um pulso transiente, fazer o processador reler a última instrução e executá-la novamente, a fim de mitigar o efeito do SET (Single Event Transient). Para isso a manipulação do contador de programa (PC) e o apontador de pilha (SP) são fundamentais. Durante esse processo também deve ser garantido que nenhum dado, potencialmente corrompido, seja armazenado na memória. Contra SEUs (Single Event Upsets) é pressuposto que todos os elementos de memória do microcontrolador estão protegidos através de algum código de correção de erros, assunto já pesquisado por outros autores. Na seqüência serão apresentadas várias simulações realizadas, onde é possível ver o processo de recomputação sendo iniciado a partir da incidência de partículas geradas através de um testbench. Por fim será feita uma comparação entre o 8051 original e o protegido, mostrando dados de área, freqüência de operação e potência de cada um. / This work presents a radiation hard 8051 microcontroller, designed using instruction recomputation techniques. The basis for this work was the VHDL description of the microcontroller. To make the microcontroller radiation hard, built in radiation sensors, called Bulk-BICS, were use to protect the combinational logic blocks. Codes for error detection and correction were used to protect the memory elements. Initially, this work discusses the sources of ionizing radiation and its harmful effects on digital integrated circuits, showing the motivation for this work. Next, the details of the implemented instruction re-computation technique are shown. It consists in monitoring the radiation sensors and, if the incidence of ionizing radiation is detected, the processor reads the last instruction and executes it again, in order to mitigate the effect of a single event transient (SET). In order to implement this re-computation, the manipulation of the program counter (PC) and stack pointer (SP) is essential. During this process it must be guaranteed that any data, potentially corrupted, will not be stored in memory. Regarding radiation effects on memory elements (Single Event Upsets-SEUs), it is assumed that all memory elements of the microcontroller are protected by some error detection and correction code, a topic previously studied by other authors. Finally, several simulations will be shown, where it is possible to see the evolution of the re-computation process, from the detection of the incidence of ionizing radiation (incidence generated by a testbench) to the full re-computation of the instruction. Finally, a comparison is made between the performance of the original 8051 and the radiation hardened version, showing overheads of area, frequency of operation and power.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:24:47Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2006-06-26Bitstream added on 2014-06-13T20:32:13Z : No. of bitstreams: 1 khenaifes_m_me_bauru.pdf: 11653802 bytes, checksum: 00691f8a0498d00bcda7c19abcca703d (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Auto Financiadora / Na indústria moderna, a precisão e o custo são fundamentais para a qualidade do produto e competitividade no mercado. Desenvolver sistemas mais velozes, dinâmicos e autoajustáveis aplicando técnicas de controle é um objetivo dos pesquisadores de todas as áreas da engenharia. A retificação de materiais é um sistema complexo que possui muitas variáveis relacionadas, principalmente por possuir múltiplas arestas de corte associado a altas velocidades e potências de retificação. Para aumentar o domínio sobre o processo, sinais de emissão acústica e de potência de acionamento do rebolo têm sido monitorados em várias pesquisas. Nesse trabalho foram realizadas experiências utilizando a retificação plana tangencial com o aço ABNT 1020 e rebolo de óxido de alumínio, onde foi determinado a ocorrência e o início da queima através da variação da profundidade de corte, tendo-se o cuidado de manter os outros parâmetros constantes, inclusive a superfície de corte do rebolo através da operação de dressagem. Os sinais de emissão acústica e de potência elétrica foram adquiridos durante uma passada do rebolo sobre a peça, numa taxa de 2.5 milhões de amostras por segundo, e pro cessados através de um ferramental matemático, onde foram propostos outros parâmetros, para a análise da ocorrência da queima. Observou-se também a detecção do início da queima, onde o parâmetro proposto VARPO obteve bons resultados. Paralelamente foi realizado um estudo sobre os microcontroladores, onde foram inseridos os cálculos de detecção da queima do processo de retificação num PIC18F452, mostrando a viabilidade de um monitoramento. / In modern industry, the accuracy and cost are extremely important to the quality of product and market competition. The development of faster dynamic and robust systems by applying control techniques is the goal of researchers of all engineering areas. The grinding process is a complex system which contains many related variables mainly because its multiple cutting edges associated with high speed and power. In order to improve the knowledge on the process, acoustic emission and power signals have been monitored in several research investigations. In this work, surface grinding tests with ABNT 1020 steel and aluminum oxide grinding wheel were carried out in which the burning occurrence as well as the onset of it were studied. This was done by varying the depth of cut and maintaining the other grinding parameters constant, including the grinding wheel surface through the dressing operation. Acoustic emission and electrical power signals were acquired during a single grinding pass of the grinding wheel over the work-piece at 2.5 million of samples per second rate. The signals were digitally processed through many statistic algorithms among which new parameters for burn detection have been proposed. Also, the onset of burning occurrence was observed and remarkably detected for the proposed parameter dubbed VARPO. In addition, a study on microcontrollers was performed, and the implementation of the algorithms previously mentioned were carried out into the microcontroller PIC18F452, showing the monitoring feasibility.

O espectrofotômetro, aparelho muito utilizado para realizar leituras de absorbância e/ou transmitância de amostras laboratoriais, pode ser aplicado para a realização de leituras do dosímetro químico Fricke Xilenol Gel. Este aparelho, por possuir componentes eletrônicos avançados e ser importado, apresenta um custo elevado e acaba muitas vezes se tornando um dispositivo inviável para medidas mais simples e rotineiras. O presente estudo implementou-se um aparelho portátil e de baixo custo, para que medidas específicas de absorbância possam ser feitas em laboratórios de ensino de física e que possa ser aplicado como leitor de dosímetros géis, como o acima citado. Este monoespectrofotômetro é constituído por uma fonte LED (próximo a 590 nm), um fotodiodo para avaliação da intensidade da luz transmitida e um display de LCD. Tal leitor permite a comunicação com microcomputadores via porta USB, facilitando o trabalho do usuário para manipular os resultados das medidas. A principal finalidade é voltada para uso acadêmico, no entanto, devido ao seu baixo custo e simplicidade, poderá também ser direcionado para atender outros segmentos como ambulatorial, industrial, cosmético, biológico, agronômico, dentre outros. / The spectrophotometer, a device often used to perform absorbance readings and or transmittance of laboratory samples, can be applied to perform readings in the chemical dosimeter Fricke Xylenol Gel. This device, once it has advanced electronics components and is imported, has an elevated cost and often ends up becoming an impractical device for most simple measurements and routine. This study implemented a device portable and inexpensive, so that specific measurements absorbance can be made in teaching laboratories of physics and that can be applied as a gel dosimeter reader, like the above. This monospectrophotometer consists of a LED source of visible light (near 590 nm), a photodiode to assess the intensity of transmitted light and an LCD display. This reader allows communication with computers via USB port, making it easier for users to manipulate the results of the measurements. The main purpose is directed for academic use, however, due to its low cost and simplicity, may also be applied to attend other segments such as outpatient, industrial, cosmetic, biological, agronomic, among others.