Η παρούσα ειδική ερευνητική εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του Διατμηματικού Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών Ειδίκευσης στην “Ηλεκτρονική και Επεξεργασία της Πληροφορίας” στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Πατρών. Αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η σχεδίαση και ανάπτυξη ενός βασικού μικροϋπολογιστικού συστήματος με τη χρήση της VHDL και FPGAs. Το σύστημα βασίζεται σε μία επαυξημένη, σε δυνατότητες, εκδοχή της σχετικά απλής cpu του Carpinelli και ενσωματώνει τη δυνατότητα παράλληλης διασύνδεσης μίας σειράς περιφερειακών διατάξεων και υποκυκλωμάτων. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται πλήρως η σχεδίαση ενός τέτοιου συστήματος και μελετάται η δομή των επιμέρους δομικών στοιχείων που το απαρτίζουν. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η περιγραφή του μικροϋπολογιστικού συστήματος σε γλώσσα VHDL και η πλήρης εξομοίωσή του με τη βοήθεια του λογισμικού Quartus v7.2 της ALTERA. Στο τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζεται η υλοποίηση του μικροϋπολογιστικού συστήματος στην αναπτυξιακή πλατφόρμα DE2 της εταιρείας ALTERA. / This project objective is the design and development of an FPGA based microcomputer system in VHDL. The system is based on an enhanced version of Carpinelli’s relative simple cpu and is implemented with parallel input and output ports and interrupts. The first chapter presents the full design of such a system and study the structure of the individual components that compose it. The second chapter presents the implementation of the microcomputer system in VHDL and the simulation results using Quartus v7.2 software suite. The last chapter presents the implementation of the system in a FPGA using DE2 development board of ALTERA.

Η διπλωματική εργασία συνίσταται στην κατασκευή και έλεγχο, μιας πειραματικής διάταξης, στην οποία δύο πνευματικοί κύλινδροι διπλής δράσης, προσπαθούν να λειτουργήσουν συνεργατικά, για να μετακινήσουν ένα αντικείμενο που βρίσκεται ανάμεσά τους, ασκώντας του κάθε χρονική στιγμή μια επιθυμητή σταθερή δύναμη. / The aim of this diploma thesis is the cooperation of two pneumatic cylinders, in order to exert a constant force in an object while moving it, in both directions.

Τα ενσωματωμένα υπολογιστικά συστήματα έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούνται ολοένα και περισσότερο τα τελευταία χρόνια, όχι μόνο σε βιομηχανικές ή άλλες εξεζητημένες εφαρμογές αλλά και στην καθημερινότητα μας. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η συγκεκριμένη τεχνολογία είναι φτηνότερη, ευέλικτη και λιγότερο ενεργοβόρος σε σχέση με τα αντίστοιχα ηλεκτρονικά κυκλώματα που χρησιμοποιούνταν παλιότερα. Η παρούσα διπλωματική εργασία περιγράφει αναλυτικά τη διαδικασία για τη σωστή ρύθμιση του συστήματος μας και την μεταγλώττιση (compilation) του πυρήνα του Linux προκειμένου να τρέχει χωρίς προβλήματα πάνω στην FPGA πλακέτα της Xilinx, Virtex 5. Σαν επεξεργαστή επιλέξαμε να χρησιμοποιήσουμε τον soft - core επεξεργαστή της Xilinx microblaze,προσθέτοντας σαν επιπλέον περιφερειακά την οθόνη TFT καθώς και την θύρα PS/2. Στη συνέχεια προκειμένου να καταδείξουμε τις δυνατότητες που έχει το σύστημα που “χτίσαμε”, εγκαταστήσαμε γραφικό περιβάλλον με ορισμένες εφαρμογές και εκτελούμε κρυπτογραφικές συναρτήσεις από το terminal του λειτουργικού μας. / The embedded computer systems have recently started to be present in a number of implementations, not only in the industrial setting but also in normal life applications. This is due to the fact that this particular technology is cheaper, more efficient and less power - consuming than its dedicated electronic counterparts. In this diploma thesis we will study the process for the proper configuration of our system and the compilation of Linux Kernel in order to have a completely functional embedded system on the Xilinx' s FPGA board, Virtex 5. We used the Microblaze soft - core processor and we added the TFT monitor and the PS/2 port as extra components to our system. Furthermore in order to present the capabilities of our system, we added the Nano - X graphical user interface and we run cryptographic algorithms through the terminal of the operating system.

Η διπλωματική αυτή εργασία, συνίσταται στην μελέτη των αυτοματισμών παραγωγής της διαδικασίας επεξεργασίας γάλακτος στη βιομηχανία Ροδόπη Α.Ε. καθώς και στη συλλογή δεδομένων και τον εποπτικό έλεγχο αυτής. Επιπρόσθετα, αναπτύχθηκε εξαρχής η αυτοματοποίηση και η ανάπτυξη συστήματος SCADA του βιολογικού καθαρισμού της πιο πάνω βιομηχανίας. Για την εκπόνηση της διπλωματικής εργασίας, ήταν αναγκαία η τετράμηνη πρακτική εργασία μου στη βιομηχανία Ροδόπη Α.Ε. από τις 1-7-2011 έως τις 31-10-2011, γεγονός που μου επέτρεψε να συλλέξω τα απαιτούμενα στοιχεία για την αναλυτική περιγραφή των διαφόρων σταδίων της παραγωγικής διαδικασίας. Η αυτοματοποίηση πραγματοποιήθηκε με τη χρήση ενός PLC και ενός συστήματος SCADA. Στην πρώτη φάση υλοποίησης της διπλωματικής εργασίας, προγραμματίστηκε ένα PLC το οποίο θα αναλάμβανε τον κυρίως έλεγχο της εγκατάστασης μετρώντας όλα τα χρήσιμα για τον έλεγχο μεγέθη (στάθμη δεξαμενών, ρεύμα κινητήρων, pH κλπ) και αντιδρώντας αντίστοιχα σε κάθε μεταβολή των μεγεθών αυτών. Η δεύτερη φάση, περιελάμβανε την ανάπτυξη ενός συστήματος SCADA για την εποπτεία και την παρακολούθηση της εγκατάστασης. Για να μπορέσει αυτό το σύστημα να αναλάβει το έλεγχο της εγκατάστασης, το PLC και το SCADA επικοινωνούν μέσω ενός δικτύου MPI, μέσω του οποίου πραγματοποιείται η συνεχής ενημέρωση της εκάστοτε συσκευής για τις αλλαγές που πραγματοποιούνται στην άλλη. Έτσι, σχεδιάστηκε ένα σύστημα SCADA, το οποίο δίνει τη δυνατότητα στο χειριστή να επεμβαίνει στο σύστημα και να μπορεί ανά πάσα στιγμή να γνωρίζει οποιαδήποτε πληροφορία χρειάζεται για την εγκατάσταση με τον ευκολότερο δυνατό τρόπο. / -

Η διπλωματική εργασία συνίσταται στην κατασκευή και τον έλεγχο της κίνησης ενός ιδιόμορφου ρομποτικού βραχίονα προορισμένου να υλοποιεί ελαφρού τύπου εργασίες. Η διάταξη περιλαμβάνει τις τριβο-πολυμερείς αρθρώσεις συνδεόμενες μεταξύ τους μέσω ελαφρών σωλήνων αλουμινίου, τους βηματικούς κινητήρες, καθώς και τις κάρτες οδήγησής τους, τους αισθητήρες μέτρησης γωνίας περιστροφής των αρθρώσεων και τον προγραμματιζόμενο λογικό ελεγκτή (PLC) για τον έλεγχο της κίνησης του βραχίονα. Επίσης, χρησιμοποιείται το λογισμικό SCADA WinCC Flexible για την επικοινωνία του χρήστη με τη διάταξη. Βασικός σκοπός της εργασίας είναι ο έλεγχος κίνησης του ρομποτικού βραχίονα Robolink μέσω βηματικών κινητήρων, οι οποίοι με τη σειρά τους ελέγχονται από το PLC. Ο ρομποτικός βραχίονας Robolink είναι ένας βραχίονας από ελαφριά υλικά, σχεδιασμένος για ελαφριές εργασίες με μεγάλες δυνατότητες σε ταχύτητα αλλά σχετικά μικρή ακρίβεια στην επίτευξη θέσης στο χώρο. Ο Robolink είναι ένας βραχίονας διαμορφώσιμος από το χρήστη, ο οποίος μπορεί να επιλέξει το μήκος των μελών του και συνεπώς την απόσταση μεταξύ των αρθρώσεων, ενώ διατίθεται με διάφορους βαθμούς ελευθερίας, ανάλογα με τις ανάγκες της εφαρμογής. Στη συγκεκριμένη εφαρμογή ο βραχίονας διαθέτει 4 βαθμούς ελευθερίας, δύο περιστροφικούς περί άξονα και δύο περιστροφικούς σε επίπεδο. Η κίνηση του βραχίονα γίνεται μέσω νηματόσχοινων τα οποία κινούν τις αρθρώσεις του και συνδέονται μέσω ειδικών τροχαλιών με τους βηματικούς κινητήρες. Η ανίχνευση της κίνησης γίνεται με κωδικοποιητές (encoders) που βρίσκονται πάνω στο βραχίονα και δίνουν την πληροφορία για τη γωνία περιστροφής κάθε άρθρωσης στο PLC. Τα σήματα των κωδικοποιητών διαβάζονται μέσω της κάρτας μέτρησης FM 350-2 του PLC. Η κάρτα FM 350-2 έχει τη δυνατότητα να μετρά παλμικά σήματα μεγάλης συχνότητας, όπως είναι αυτά των κωδικοποιητών, καθώς και να ενεργοποιεί κάποιες ψηφιακές εξόδους ανάλογα με τον αριθμό των σημάτων που έχει δεχθεί. Το PLC λαμβάνει από τη μονάδα FM 350-2 την ακριβή γωνία περιστροφής κάθε άρθρωσης του βραχίονα και ελέγχει την ενεργοποίηση και φορά περιστροφής κάθε ενός από τους τέσσερις βηματικούς κινητήρες, ελέγχοντας κατ’ επέκταση την κίνηση του βραχίονα. Για τη λειτουργία της διάταξης, ο χρήστης μπορεί να επιλέξει ανάμεσα σε 4 δυνατές λειτουργίες κίνησης του βραχίονα. Οι λειτουργίες αυτές είναι: Χειροκίνητη κίνηση με αναλογικά-γραμμικά ποτενσιόμετρα, κίνηση με χρήση οθόνης αφής, κίνηση προκαθορισμένης επίδειξης και κίνηση επιστροφής στη θέση αναφοράς (Reset). / --

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη και ο έλεγχος ρομποτικού συστήματος για την επεξεργασία βωξίτη. Αφορά συγκεκριμένα το μηχανολογικό σχεδιασμό του συστήματος, την επιλογή εξοπλισμού, τον ηλεκτρολογικό σχεδιασμό, τον έλεγχο με χρήση προγραμματιζόμενου λογικού ελεγκτή (PLC) και τέλος την υλοποίηση εφαρμογής scada / The purpose of this thesis is the development and control of robotic system for processing bauxite. Concern in particular the mechanical system design, the choice of equipment, the electrical design, the control using programmable logic controller (PLC) and finally the creation of scada application.

Thesis (MEng)--University of Stellenbosch, 2000. / ENGLISH ABSTRACT: The need for a locally manufactured, cost-effective, fuel management system led to the design and development of a functional prototype. This thesis presents the design, development and full implementation of two functional prototypes. While field tests performed on the first prototype assisted in identifying necessary modifications, a need for greater complexity in support hardware was also identified. In order to comply with the cost-effective nature of the project, it was realized that this complexity could only be achieved via the implementation of a CPLD based system. Using Altera's Maxplus II design software, the CPLD code was synthesized according to the required specifications then simulated and analyzed On completion of the new CPLD based system, the second prototype, one of Altera's megacore functions is implemented and used as a substitute to an external hardware. All necessary modifications were successfully completed and the system was installed. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Die benodiging van 'n lokale vervaardigde, koste effektiewe brandstofbeheerstelsel het gelei tot die ontwerp en ontwikkeling van 'n funksionele prototipe. Hierdie tesis dek die ontwerp, ontwikkeling en volle implementasie van twee funksionele prototipes. Terwyl toetse op die eerste prototipe gebruik is om die nodige aanpassings te identifiseer, is daar ook besef dat daar meer komplekse hardeware onderstuening benodig word. Om die koste effektiewe aard van die projek te handhaaf, is daar gesien dat die nodige kompleksieteit alleenlik deur middel van die implementering van 'n 'CPLD' gebaseerde sisteem bereik kan word. Deur gebruik te maak van Altera se Maxplus II ontwerp sagteware, is die 'CPLD' kode met die nodige spesifiekasies gesintiseer, gesimuleer en geanaliseer. Na voltooing van die tweede prototiepe, die 'CPLD' gebaseerde sisteem, is een van Altera se megacore funksies geimplementeer en gebruik as 'n plaasvervanger vir eksteme hardware. AIle nodige aanpassings is suksesvol voltooi en die sisteem is geinstalleer.

Context. Testing is a very critical process to evaluate whether a related function is correctly implemented in the control system. There is an upward trend to using PAC based control system in the automation production context. However, currently, most testing of PAC based controlling system is in manual testing, which has low efficiency and high complexity. Furthermore, there has been little research on the systematic testing of PAC in an industry environment. Objectives. Due to this problem, this study is to investigate whether a model-based testing method can overcome the challenge of manual testing and improve the testing effectiveness in PAC based controlling system. Methods. We use three steps to achieve the objective, and the first one is to implement a systematic mapping study to find existing model-based testing method that is using in the industrial area, what the process and the context. The second one is to implement a case study in a printing house, to see what the real challenge of manual testing, the third one is to find if exist MBT method could be used under such context to overcome challenges. Results. Through mapping study and case study, we found there are many testing methods and implement under diverse context, but none of them focus on the PAC based controlling system. And we found there exist MBT that also can be used in PAC based controlling system to mitigate some manual testing challenges. Conclusions. In our thesis, we implement a mapping study from 38 papers to collect data for existing model-based testing methods to have a deep understanding of this area. We found there are five main contexts that MBT are usually being used and we extract implement process and advantages and disadvantages for MBT methods which value to practitioners and researchers. And we conducted a case study in a printing house in Switzerland to observe the challenges of manual testing of PAC based controlling system. We found one exist MBT method that can be used in our context that makes the test case generation step more effective. And we proposed a simulation testing model that hopefully can address all the manual testing challenges by combined with the exist MBT method.

Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) são largamente utilizadas em sistemas digitais por características como flexibilidade, baixo custo e alta densidade. Estas características advém do uso de células de SRAM na memória de configuração, o que torna estes dispositivos suscetíveis a erros induzidos por radiação, tais como SEUs. TMR é o método de mitigação mais utilizado, no entanto, possui um elevado custo tanto em área como em energia, restringindo seu uso em aplicações de baixo custo e/ou baixo consumo. Como alternativa a TMR, propõe-se utilizar DMR associado a um mecanismo de reparo da memória de configuração da FPGA chamado scrubbing. O reparo de FPGAs em sistemas em tempo real apresenta desafios específicos. Além da garantia da computação correta dos dados, esta computação deve se dar completamente dentro do tempo disponível (time-slot), devendo ser finalizada antes do tempo limite (deadline). A diferença entre o tempo de computação dos dados e a deadline é chamado de slack e é o tempo disponível para reparo do sistema. Este trabalho faz uso de scrubbing deslocado dinâmico, que busca maximizar a probabilidade de reparo da memória de configuração de FPGAs dentro do slack disponível, baseado em um diagnóstico do erro. O scrubbing deslocado já foi utilizado com técnicas de diagnóstico de grão fino (NAZAR, 2015). Este trabalho propõe o uso de técnicas de diagnóstico de grão grosso para o scrubbing deslocado, evitando as penalidades de desempenho e custos em área associados a técnicas de grão fino. Circuitos do conjunto MCNC foram protegidos com as técnicas propostas e submetidos a seções de injeção de erros (NAZAR; CARRO, 2012a). Os dados obtidos foram analisados e foram calculadas as melhores posição iniciais do scrubbing para cada um dos circuitos. Calculou-se a taxa de Failure-in-Time (FIT) para comparação entre as diferentes técnicas de diagnóstico propostas. Os resultados obtidos confirmaram a hipótese inicial deste trabalho que a redução do número de bits sensíveis e uma baixa degradação do período do ciclo de relógio permitiram reduzir a taxa de FIT quando comparadas com técnicas de grão fino. Por fim, uma comparação entre as três técnicas propostas é feita, analisando o desempenho e custos em área associados a cada uma. / Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) are widely used in digital systems due to characteristics such as flexibility, low cost and high density. These characteristics are due to the use of SRAM memory cells in the configuration memory, which make these devices susceptible to radiation-induced errors, such as SEUs. TMR is the most used mitigation technique, but it has an elevated cost both in area as well as in energy, restricting its use in low cost/low energy applications. As an alternative to TMR, we propose the use of DMR associated with a repair mechanism of the FPGA configuration memory called scrubbing. The repair of FPGA in real-time systems present a specific set of challenges. Besides guaranteeing the correct computation of data, this computation must be completely carried out within the available time (time-slot), being finalized before a time limit (deadline). The difference between the computation time and the deadline is called the slack and is the time available to repair the system. This work uses a dynamic shifted scrubbing that aims to maximize the repair probability of the configuration memory of the FPGA within the available slack based on error diagnostic. The shifted scrubbing was already proposed with fine-grained diagnostic techniques (NAZAR, 2015). This work proposes the use of coarse-grained diagnostic technique as a way to avoid the performance penalties and area costs associated to fine-grained techniques. Circuits of the MCNC suite were protected by the proposed techniques and subject to error-injection campaigns (NAZAR; CARRO, 2012a). The obtained data was analyzed and the best scrubbing starting positions for each circuit were calculated. The Failure-in-Time (FIT) rates were calculated to compare the different proposed diagnostic techniques. The obtained results validated the initial hypothesis of this work that the reduction of the number of sensitive bits and a low degradation of the clock cycle allowed a reduced FIT rate when compared with fine-grained diagnostic techniques. Finally, a comparison is made between the proposed techniques, considering performance and area costs associated to each one.

O uso de pequenos satélites tem aumentado substancialmente nos últimos anos devido ao custo reduzido de desenvolvimento e lançamento, assim como pela flexibilidade oferecida pela utilização de componentes comerciais. Este trabalho propõe o projeto e a implementação de uma plataforma para teste, controle e qualificação de circuitos integrados (Integrated Circuits, CIs) comerciais e customizados para uso em aplicações espaciais. Esta plataforma flexível pode ser ajustada a uma gama de dispositivos e interfaces, e reduz os esforços de integração desses componentes e, portanto, acelera o desenvolvimento de todo o projeto. O sistema proposto é sintetizado em um tecnologia de Arranjo de Portas Programáveis em Campo (Field Programmable Gate Array) baseado em memória Flash, que, apesar de não ser classificado para uso aeroespacial, testes demonstram a viabilidade de seu uso. Este sistema adaptável permite o controle de novas cargas-úteis e softcores para o teste e validação antes da sua aplicação em voo. A comunicação com dispositivos é feita através de protocolos préimplementados. Os resultados de testes funcionais in loco sugerem a possibilidade de aplicação desta plataforma para uso em Cubesats. A primeira aplicação desta plataforma foi no teste do controle da placa de carga-útil do NanoSatC-BR1, o primeiro nanossatélite científico brasileiro, lançado em órbita em 2014. / The number of small satellites has substantially increased in the last years due to reduced development and launching costs, as well as due to the flexibility brought by the usage of commercial off the shelf components. This work purposes the design and implementation of a platform for test, control and qualification of commercial and customized integrated circuits for space applications. This flexible platform can be adjusted to control a wide range of devices and interfaces, and is intended to reduce the integration difficulties, resulting in the speed up of some of the project stages. The platform is synthesized in a Flash-based Field Programmable Gate Array technology. The target device is not qualified for aerospace projects. Nevertheless, previous radiation tests demonstrated its hardness for space missions. The system is adaptable and makes it possible to control, test and validate new payloads and softcores before flight. The communication between devices is done through pre-implemented protocols. Functional tests suggested the possibility to apply the platform in Cubesats projects. The first application of this platform was in the NanoSatC-BR1, the first Brazilian scientific nanosatellite, to test the controller of the payload board.