Made available in DSpace on 2015-05-08T14:57:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 3795959 bytes, checksum: 7a11a6cf0b41c67297d55642c2b80df3 (MD5) Previous issue date: 2014-02-21 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / In this work, we analyse different architectures of analog-to-digital converters (ADC) and propose an architecture based on sampling by crossing levels and adaptive quantization step, aiming at reducing the energy required to convert and process specific signals. The proposed architecture has parameters which can be dynamically configured by the user, as to adapt the conversion process to the signal being sampled and to the requirements of power consumption of the target application. The architecture was modeled and simulated using Matlab, and used to convert several test signals, of which an ECG signal. The use of the proposed architecture resulted in SNR improvements of up to 10dB if compared against uniform (periodic) sampling. The digital logic was implemented in FPGA from a SystemVerilog description functionally compatible with the Matlab model, and the analog part was implemented with discrete components. / Neste trabalho, faz-se uma análise de diferentes arquiteturas de conversores analógico-digitais, e propõe-se uma arquitetura de conversor analógico-digital baseado em amostragem por cruzamento de níveis (não-uniforme) com adaptação do passo de quantização, com o objetivo de reduzir o consumo de energia requerido pela conversão analógica-digital e processamento de sinais com características específicas. A arquitetura proposta possui parâmetros que podem ser configurados dinamicamente pelo usuário, a fim de que o processo de conversão se adeque às características do sinal a ser amostrado e aos requerimentos de consumo de energia da aplicação. A arquitetura foi modelada e simulada em MatLab, tendo sido utilizada na conversão de diversos sinais de teste, dentre os quais um sinal típico de eletrocardiograma. Verificou-se que a amostragem não-uniforme com adaptação do passo de quantização proposta resultou em um aumento da relação sinal-ruído do sinal amostrado de até 10dB quando comparado com a amostragem uniforme. A implementação da parte digital foi feita em FPGA a partir de uma descrição em SystemVerilog funcionalmente compatível com o modelo em Matlab, e a parte analógica foi implementada com componentes discretos.

Energieeffizienz hat in Forschung und Alltag eine zentrale Bedeutung. Arbeiten verschiedene elektronische Geräte zusammen, um gemeinsam eine Regelungsaufgabe zu lösen, müssen sie miteinander kommunizieren. Ein Beispiel aus dem Alltag sind Funk-Raumtemperaturregler, bei denen ein batteriebetriebener Temperatursensor und ein Heizungsaktor (Stellantrieb am Heizungsventil) über drahtlose Kommunikation zusammenarbeiten. Diese Kommunikation benötigt oft mehr Energie als der Betrieb der eigentlichen (elektronischen) Funktionalität der Teilsysteme. Energieeffizienter als die in Regelkreisen übliche periodische (äquidistante) Abtastung ist – durch eine Verringerung der Nachrichtenrate – eine ereignisbasierte Abtastung. Send-on-Delta-Abtastung ist die am weitesten verbreitete Art der ereignisbasierten Abtastung. Dabei wird der Wert der Regelgröße (im Beispiel die Raumtemperatur) nicht in konstanten Zeitintervallen übertragen, sondern nur dann, wenn er sich um einen bestimmten Betrag geändert hat. Der mit einem Anteil von über 90 % im Praxiseinsatz am weitesten verbreitete Reglertyp ist der PID-Regler, wobei die meisten als „PID-Regler“ bezeichneten Regler aus verschiedenen Gründen keinen D-Anteil (Differential-Anteil) verwenden und daher als „PI-Regler“ bezeichnet werden können. Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, systematisch zu untersuchen, wie man PI-Regler einstellen sollte, um neben dem Erreichen einer hohen Regelgüte auch die Vorteile der Send-on-Delta-Abtastung bezüglich der Netzlastreduktion und Energieeffizienz bestmöglich auszunutzen. Die „Gewichtung“ dieser sich teilweise widersprechenden Kriterien ist anwendungsspezifisch einstellbar. / Energy efficiency is very important both in science and everyday life. If different electronic devices work together, for example for solving a control task together, they have to communicate with each other. An everyday life example are room temperature controllers using radio communication between a battery-powered temperature sensor and a heating actuator. This communication often needs more energy than the operation of the actual (electronic) functionality of the components. More energy-efficient than the commonly used periodic sampling is event-based sampling, due to the reduction of the message rate. Send-on-delta sampling is the most widely-known kind of event-based sampling. In that case, the value of the controlled variable (e.g. the room temperature) is not transmitted equidistantly but only when it has changed by a specific amount. The most successful controller in practice is the PID controller. The most so-called “PID controllers” do not use the D part (differential action) for several reasons and can therefore be called “PI controllers”. This work analyses systematically how the parameters of a PI controller should be tuned to reach besides a high control quality also a good exploitation of the advantages of send-on-delta sampling regarding network load reduction and energy efficiency. The “weighting” of these partially contradicting criteria is application specifically adjustable.

Energieeffizienz hat in Forschung und Alltag eine zentrale Bedeutung. Arbeiten verschiedene elektronische Geräte zusammen, um gemeinsam eine Regelungsaufgabe zu lösen, müssen sie miteinander kommunizieren. Ein Beispiel aus dem Alltag sind Funk-Raumtemperaturregler, bei denen ein batteriebetriebener Temperatursensor und ein Heizungsaktor (Stellantrieb am Heizungsventil) über drahtlose Kommunikation zusammenarbeiten. Diese Kommunikation benötigt oft mehr Energie als der Betrieb der eigentlichen (elektronischen) Funktionalität der Teilsysteme. Energieeffizienter als die in Regelkreisen übliche periodische (äquidistante) Abtastung ist – durch eine Verringerung der Nachrichtenrate – eine ereignisbasierte Abtastung. Send-on-Delta-Abtastung ist die am weitesten verbreitete Art der ereignisbasierten Abtastung. Dabei wird der Wert der Regelgröße (im Beispiel die Raumtemperatur) nicht in konstanten Zeitintervallen übertragen, sondern nur dann, wenn er sich um einen bestimmten Betrag geändert hat. Der mit einem Anteil von über 90 % im Praxiseinsatz am weitesten verbreitete Reglertyp ist der PID-Regler, wobei die meisten als „PID-Regler“ bezeichneten Regler aus verschiedenen Gründen keinen D-Anteil (Differential-Anteil) verwenden und daher als „PI-Regler“ bezeichnet werden können. Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, systematisch zu untersuchen, wie man PI-Regler einstellen sollte, um neben dem Erreichen einer hohen Regelgüte auch die Vorteile der Send-on-Delta-Abtastung bezüglich der Netzlastreduktion und Energieeffizienz bestmöglich auszunutzen. Die „Gewichtung“ dieser sich teilweise widersprechenden Kriterien ist anwendungsspezifisch einstellbar. / Energy efficiency is very important both in science and everyday life. If different electronic devices work together, for example for solving a control task together, they have to communicate with each other. An everyday life example are room temperature controllers using radio communication between a battery-powered temperature sensor and a heating actuator. This communication often needs more energy than the operation of the actual (electronic) functionality of the components. More energy-efficient than the commonly used periodic sampling is event-based sampling, due to the reduction of the message rate. Send-on-delta sampling is the most widely-known kind of event-based sampling. In that case, the value of the controlled variable (e.g. the room temperature) is not transmitted equidistantly but only when it has changed by a specific amount. The most successful controller in practice is the PID controller. The most so-called “PID controllers” do not use the D part (differential action) for several reasons and can therefore be called “PI controllers”. This work analyses systematically how the parameters of a PI controller should be tuned to reach besides a high control quality also a good exploitation of the advantages of send-on-delta sampling regarding network load reduction and energy efficiency. The “weighting” of these partially contradicting criteria is application specifically adjustable.