Το πρότυπο IEC61499 ορίζει το Function Block ως νέο τρόπο ανάπτυξης συστημάτων ελέγχου και αυτοματισμού. Τα συστήματα αυτά αποτελούνται από κατανεμημένες, ενσωματωμένες συσκευές οι οποίες διασυνδέονται μέσω βιομηχανικών δικτύων πραγματικού χρόνου. Λόγω του κατανεμημένου χαρακτήρα των συστημάτων αυτών, η εύρεση και επιδιόρθωση σφαλμάτων και ο έλεγχος της ορθής λειτουργίας τους θα πρέπει να γίνεται στο περιβάλλον των ενσωματωμένων αυτών συστημάτων. Στα πλαίσια αυτής της διπλωματικής δίνεται μία υλοποίηση για την κάλυψη της παραπάνω ανάγκης. Ο χρήστης μέσω μίας γραφικής διεπαφής, έχει την δυνατότητα να εκτελεί βασικές λειτουργίες απασφαλμάτωσης στο περιβάλλον των ενσωματωμένων συστημάτων, σε πραγματικό χρόνο, με την χρήση του RTAI και του RTnet. / The IEC 61499 standard defines Function Block as a new way of developing control and automation systems. These systems consist of distributed embedded devices which interconnect via real time industrial networks. Due to the distributive character of these systems, debugging and operation integrity check, should be done on target environment. This dissertation provides a tool for covering this need. Via a graphical user interface the user has the ability to perform basic real time debugging operations in the target enviroment, using RTAI and RTnet.

Η παρούσα ειδική ερευνητική εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του Διατμηματικού Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών Ειδίκευσης στα “Συστήματα Επεξεργασίας Σημάτων και Επικοινωνιών” στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών. Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η σχεδίαση και ανάπτυξη του MPEG – 4 Simple Profile CODEC στο περιβάλλον Simulink με σκοπό την τελική εκτέλεση του αλγορίθμου DSP που θα προκύψει, στην πλατφόρμα ανάπτυξης TMS320DM6437 EVM. Στο πρώτο κεφάλαιο ορίζεται η έννοια της κωδικοποίησης βίντεο σε πραγματικό χρόνο και περιγράφεται η σύγχυση που επικρατεί γύρω από αυτήν. Επίσης γίνεται μια περιγραφή των επεξεργαστών ψηφιακού σήματος ως προς τα τυπικά χαρακτηριστικά που διαθέτουν, την αρχιτεκτονική τους, την αρχιτεκτονική μνήμης, τα στοιχεία υλικού που διαθέτουν για τη ροή του DSP προγράμματος, ενώ παράλληλα, παρουσιάζεται η ιστορική εξέλιξη των DSPs που οδήγησε στους σύγχρονους DSPs και οι οποίοι, διαθέτουν καλύτερες επιδόσεις από τους προπάτορές τους, και αυτό χάρη στις τεχνολογικές και αρχιτεκτονικές εξελίξεις όπως, οι χαμηλότεροι κανόνες σχεδίασης, η γρήγορη προσπέλαση κρυφής μνήμης δύο επιπέδων, η σχεδίαση του DMA και ενός μεγαλύτερου συστήματος διαύλου. Στο τέλος του κεφαλαίου παρουσιάζεται η αρχιτεκτονική της πλατφόρμας ανάπτυξης TMS320DM6437 EVM καθώς και οι διεπαφές υλικού που διαθέτει για την είσοδο και έξοδο βίντεο/ήχου από αυτήν. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται μια εκτενής παρουσίαση των εννοιών που συναντώνται στην κωδικοποίηση βίντεο. Στην αρχή του κεφαλαίου απεικονίζεται το γενικό μοντέλο ενός κωδικοποιητή/αποκωδικοποιητή και βάσει αυτού προχωράμε στην περιγραφή του χρονικού μοντέλου, το οποίο επιβάλλει την πρόβλεψη του τρέχοντος πλαισίου βίντεο χρησιμοποιώντας το προηγούμενο, ενώ παράλληλα, εξηγεί και μεθόδους για την εκτίμηση κίνησης περιοχών (μακρομπλοκ) μέσα στο πλαίσιο ενός βίντεο και το πώς μπορεί να γίνει ο υπολογισμός του σφάλματος κίνησης τους. Στη συνέχεια περιγράφεται το μοντέλο εικόνας το οποίο στην πράξη αποτελείται από τρία συστατικά μέρη: τον μετασχηματισμό (αποσυσχετίζει και συμπιέζει τα δεδομένα), την κβάντιση (μειώνει την ακρίβεια των μετασχηματισμένων δεδομένων) και την ανακατάταξη (ανακατατάσσει τα δεδομένα ούτως ώστε να ομαδοποιήσει μαζί τις σημαντικές τιμές). Οι συντελεστές του μετασχηματισμού μετά την ανακατάταξη και την κωδικοποίηση, μπορούν να κωδικοποιηθούν περαιτέρω με τη χρήση κωδικών μεταβλητού μήκους (Huffman κωδικοποίηση) ή μέσω αριθμητικής κωδικοποίησης. Στο τέλος του κεφαλαίου περιγράφεται το υβριδικό μοντέλο DPCM/DCT CODEC πάνω στον οποίο στηρίζεται και η υλοποίηση του MPEG – 4 Simple Profile CODEC. Στο τρίτο κεφάλαιο ουσιαστικά γίνεται μια περιγραφή των χαρακτηριστικών του MPEG – 4 Simple Profile CODEC, των εργαλείων που χρησιμοποιεί, της έννοιας αντικείμενο που πλέον υπεισέρχεται στην κωδικοποίηση βίντεο καθώς και τα είδη προφίλ και επιπέδων που υποστηρίζει το συγκεκριμένο πρωτόκολλο κωδικοποίησης/αποκωδικοποίησης. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η υλοποίηση του κωδικοποιητή, του αποκωδικοποιητή του MPEG – 4 Simple Profile CODEC καθώς και των επιμέρους υποσυστημάτων που τους απαρτίζουν. Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφεται η αλληλεπίδραση του χρήστη με το σύστημα κωδικοποίησης/αποκωδικοποίησης, τι παράμετροι χρειάζονται να δοθούν ως είσοδοι από αυτόν, καθώς και πως είναι δυνατή η χρήση του συγκεκριμένου συστήματος. / This project objective is the design and development of MPEG – 4 Simple Profile CODEC in Simulink environment in order to execute the resulting DSP algorithm on the development platform TMS320DM6437 EVM. The first chapter defines the term of real – time video coding which sometimes is misunderstood by most people. Besides there is a brief description of DSP systems, which includes information about their typical characteristics, their architecture, their memory architecture and the hardware elements provided with in order to support the flow of a DSP program. It is also presented the evolution of DSPs through time, which finally gave the modern DSPs with better performance than their ancestors thanks to the technological and architectonical improvements such as, lower design rules, fast-access two-level cache, (E)DMA circuitry and a wider bus system. At the end of this chapter it is presented the architecture of TMS320DM6437 EVM board and its input/output hardware interfaces for video and sound. At the second chapter there is an extensive presentation of terms found at the science of coding/decoding video. At the beginning of this chapter it is depicted a general model including a video encoder/decoder and this is the reason for the description of temporal model, which includes the prediction of current frame from the previous one, and at the same time it explains the computation methods of macroblock motion estimation and motion compensation. Continuing it is described the image model aparted from three component parts, the transformation (decorrelation and data compression), the quantization (reduces the accuracy of transformed data) and the reordering (reorders data on a way that groups significant values all together). The transform coefficients after reordering and coding, can be further coding by using variable length coding (Huffman coding) or arithmetic coding. At the end of the chapter the hybrid model of DPCM/DCT CODEC is described and this is the one where the implementation of MPEG – 4 Simple Profile CODEC has been set up. At the third chapter there is a description about the characteristics of MPEG – 4 Simple Profile CODEC, the tools used, the “object” term, which appears on video coding/decoding and also what are the profiles and levels supported by the specific video encoding/decoding protocol. Finally it is described how the coding of rectangular frames is done and the Simulink model of MPEG – 4 Simple Profile CODEC which is the base for the implementation of DSP algorithm executed on the development platform. At the forth chapter we present the implementation of MPEG – 4 Simple Profile CODEC encoder/decoder and their partial subsystems. At the fifth chapter it is described the interaction between user and the CODEC, what are the parameters needed to be entered as inputs and how the system can be used.

Η αλματώδης πρόοδος στις ασύρματες επικοινωνίες έχει φέρει ως αποτέλεσμα την δυνατότητα δημιουργίας μικρών σε μέγεθος μικροϋπολογιστικών συστημάτων που έχουν την δυνατότητα ασύρματης διασύνδεσης. Λόγω του μικρού μεγέθους αυτών είναι δυνατή η μεταφορά τους ακόμα και από φυσικά πρόσωπα και άρα προσφέρουν με τον τρόπο αυτό το πλεονέκτημα φορητότητας. Παράλληλα η επιθυμία για δημιουργία δικτύων μεγάλης κλίμακας με χρήση τέτοιων συσκευών χωρίς την δυνατότητα σταθερής παροχής ενέργειας δημιούργησε την ανάγκη μικρής εμβέλειας μετάδοσης και άρα πολλαπλών επαναμεταδόσεων ανά πακέτο δεδομένων μέχρι να φτάσει στον τελικό προορισμό του. Το ερευνητικό αντικείμενο αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η πρόταση μίας ολοκληρωμένης ασύρματης δομής που θα παρέχει δυνατότητες ασύρματης διασύνδεσης σε δίκτυα μεγάλης κλίμακας χωρίς ύπαρξη κεντρικής διαχείρισης. Το πρόβλημα της εύρεσης διαδρομών σε ένα ασύρματο δίκτυο κινούμενων αισθητήρων αποτελεί ένα πολύ δύσκολο εγχείρημα, ακόμα δε περισσότερο αν λάβουμε υπόψη μας και το ασύρματο μέσο που είναι ένα μη-ντετερμινιστικό φυσικό μέσο δικτύου. Η ύπαρξη απαιτήσεων πραγματικού χρόνου παρ’ όλες τις δυσκολίες υπάρχει σε εφαρμογές δικτύων κινούμενων αισθητήρων και δυσκολεύει περαιτέρω την σχεδίαση μιας δομής που θα διατηρεί διασυνδεσιμότητα μεταξύ των αισθητήρων του δικτύου ενώ παράλληλα θα ικανοποιεί τις απαιτήσεις πραγματικού χρόνου. Πρόσθετα οι δυναμικές συνθήκες που παρατηρούνται σε ένα ασύρματο δίκτυο κινούμενων αισθητήρων όσον αφορά σημαντικές παραμέτρους λειτουργίας όπως μεταβλητό φορτίο εφαρμογής, ταχύτητα φυσικής κίνησης του κινούμενου αισθητήρα και αριθμός συγκέντρωσης τους στην ίδια ασύρματη περιοχή καθώς και η μη ύπαρξη σταθερής παροχής ενέργειας, δημιουργούν την ανάγκη σχεδίασης μιας ασύρματης δομής που θα έχει την δυνατότητα να προσαρμόζεται στις εκάστοτε συνθήκες του δικτύου. Υποστηρίζοντας δυνατότητα προσαρμογής στις εκάστοτε συνθήκες του δικτύου ενώ παράλληλα εξυπηρετούνται οι απαιτήσεις πραγματικού χρόνου, δημιουργείται η δυνατότητα μείωσης του προσθετόμενου πρωτοκολλικού δικτυακού φόρτου άρα και μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης του κινούμενου αισθητήρα. Προχωρώντας περαιτέρω, η λειτουργία του πρωτοκόλλου δρομολόγησης μπορεί επίσης να βελτιστοποιηθεί ώστε να εξυπηρετεί τα δρομολογούμενα πακέτα με μεγαλύτερη επιτυχία. Η παρούσα διδακτορική διατριβή έρχεται να καλύψει την ανάγκη για τεχνικές προσαρμοστικότητας σε ασύρματα δίκτυα στις εκάστοτε συνθήκες του δικτύου και να παρουσιάσει μια πρόταση πρότυπης υλοποίησης που να βελτιστοποιεί την λειτουργία του ασύρματου δικτύου, παρακολουθώντας σε πραγματικό χρόνο κρίσιμες μεταβλητές της λειτουργίας. Τα κυριότερα αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής παρουσιάζονται παρακάτω: • Μελέτη και ανάλυση της εν γένη συμπεριφοράς υπαρχόντων προτεινόμενων δομών για την δρομολόγηση σε ασύρματα κινούμενα δίκτυα αισθητήρων. • Σχεδίαση και ανάλυση πρότυπης υβριδικής δομής στηριζόμενη σε γνωστούς αποδεκτούς αλγορίθμους δρομολόγησης. • Μελέτη και ανάλυση των μεταβλητών λειτουργίας και εξαγωγή των κρίσιμων μεταβλητών μέσω των οποίων μπορεί να γίνει η αναγνώριση κατάστασης του ασύρματου δικτύου. • Σχεδίαση, ανάλυση και υλοποίηση πρότυπου αλγορίθμου ελέγχου και προσαρμογής λειτουργίας της ασύρματης δομής στις εκάστοτε συνθήκες λειτουργίας του δικτύου. • Πλήρης υλοποίηση πρότυπης δικτυακής ασύρματης αρχιτεκτονικής με δυνατότητες αναπροσαρμογής σε μεταβλητές συνθήκες δικτύου. • Λήψη και δημοσίευση πλήρους συνόλου μετρήσεων μέσω προσομοίωσης της προτεινόμενης δομής με χρήση παγκοσμίου φήμης λογισμικού προσομοίωσης δικτύων και απόδειξη της επιτυγχανόμενης βελτίωσης λειτουργίας του δικτύου. / The progress in wireless telecommunications has resulted in the creation of small sized microprocessor systems that are wireless enabled. Due to the small size of these systems, they are considered portable since they can even be carried by a person. Furthermore, the need to create large scale wireless networks using such systems, without a fixed power supply, has created the constraint of small communication range for such devices. This leads to multiple retransmissions of data packets in order to reach their final destination within the wireless network. This communication is often referred to as multihop communication. The research objective of this thesis is to propose a new wireless architecture that will provide wireless connectivity for large scale wireless ad-hoc networks without the need of central management. The problem of finding a route, or even worse, the optimal route in a wireless ad-hoc network is very difficult and gets even worse if we consider the nature of the wireless medium that is un-deterministic and probably the less predictable medium used in networks. The need of real time constraints in wireless ad-hoc networks exists however, making even more difficult the design of a wireless architecture that will provide connectivity in the domain of a wireless network while managing to succeed in satisfying the real time constraints. Furthermore the dynamic nature of a wireless mobile network as far as important functional variables are concerned, like application load, speed of node movement, rate of connectivity in the same wireless domain, as well as the lack of a fixed power supply, create the need of adaptivity support, based on network status, in any wireless module designed to address the above problems. Supporting an adaptivity functionality based on the wireless network status, while managing to meet the real time constrains imposed from the application, we manage to lower the overhead of the network protocol, hence reducing the energy consumption of the wireless node. Moving forward, the functionality of the routing protocol itself is enhanced so as to route the data packets to the destination node with higher rates of success. This dissertation manages to fulfill the need for techniques of adaptivity in wireless ad-hoc networks by presenting a new wireless architecture, that is enhancing the general behavior of a wireless network by monitoring in real time various critical network variables and change the protocols behavior to adapt to changing network condition. The more important results of this dissertation are presented below: • Study and analysis of general behavior of already existing routing protocols for ad-hoc wireless networks. • Design and analysis of a prototype hybrid module, based on existing routing algorithms. • Study and analysis of functional variables, extraction of critical functional variables that can be used to identify the status of the wireless network within a certain domain. • Design, analysis and implementation of a prototype algorithm that controls and adapts the general functionality of the wireless module based on the network status. • Implementation prototype of a wireless architecture supporting automatic real time adaptability to network status based on real time monitoring of network variables. • Collection and publication of a full set of tests by using a world wide known software tool to simulate data networks, and proof of the resulted functionality enhancement of the wireless network’s behaviour.