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Das Ziel der vorliegenden Bachelorarbeit war es, die Fähigkeiten des LDC1000 EVM von Texas Instruments (TI) zur hochauflösenden induktiven Distanzmessung, integriert in ein Kraftmesssystem, als Alternative zur Dehnungsmessung mit Dehnungsmessstreifen zu untersuchen. Hierzu wurden zunächst Versuche an einem Wegmessaufbau bezüglich Auflösung, Rauschverhalten und der Qualitätsmerkmale für messtechnische Systeme wie Nullpunktstabilität, Linearität und Hystereseverhalten durchgeführt. Anschließend diente eine entworfene Druckmessdose, mit applizierten Dehnungsmessstreifen als Referenz, zur weiteren Untersuchung der Qualitätsmerkmale und zur Optimierung des LDC1000-Systems. Als Messobjekte zur Abstandsmessung kamen die Werkstoffe AlMgSi0,5, St37, AlCu4Mg1 und 1.4305 verschiedener Geometrien zum Einsatz. Die Ergebnisse bestätigen die Angabe von TI zur Sub-Mikrometer-Auflösung des Systems, ein relativ hoher Rauschanteil beschränkt allerdings die Genauigkeit. Die Resultate der Untersuchungen von Nullpunktstabilität und Hystereseverhalten lassen einen Einsatz im Bereich der Kraftmesstechnik unter gewissen Voraussetzungen zu, das nichtlineare Verhalten der induktiven Wegmessung hingegen macht eine nachträgliche Linearisierung der Messwerte unumgänglich. Diese Bachelorarbeit richtet sich an all diejenigen, die sich detallierter mit Alternativen zur Dehnungsmessung auseinandersetzen oder genauere Untersuchungen zum LDC1000 EVM von TI durchführen.
Durch die Digitalisierung erschlossen sich in den letzten 15 Jahren nicht nur viele Möglichkeiten neues Bildmaterial oder Videomaterial aufzunehmen und zu verwahren, sondern auch die Zugänglichkeit der breiten Masse zu solcher Technologie. Abseits der Datenmengen wie sie Social Media Plattformen tagtäglich verarbeiten, existieren die Sende- und Rundfunkanstalten mit gigantischen Archiven von Videomaterial. Der Großteil davon ist von dokumentarischer oder szenischer Natur sowie verschiedenste Interviews aus allen Bereichen des öffentlichen Lebens.
Nach dem aktuellen Stand wird das Videomaterial von Hand kategorisiert und zur Indizierung verschlagwortet. Die Aufgabe war es nun, diesen Prozess zumindest teilweise zu automatisieren. Dazu sollten auf dem Markt verfügbare Technologien in Bereich der Gesichtserkennung und Texterkennung auf ihre Nutzbarkeit zu diesem Zweck hin evaluiert werden. Dabei soll mit Hilfe der in Interviews verwendeten Bauchbinden das momentan gezeigte Gesicht "gelernt" werden, um es später ohne solche Hilfe wiederzuerkennen.
Implementierung von Softcore-Prozessoren und/oder weiteren IPs (Intellectual Properties) in FPGAs
(2017)
In heutigen Low-Power-Anwendungen ist es mittlerweile Standard sogenannte System-on-a-Chip (SoC)-Systeme zu entwickeln. Diese benötigen eine Recheneinheit, sowie nur die notwendigste Hardware, um die Energieversorgung auch über Energy-Harvesting zu ermöglichen.
Im Rahmen dieser Abschlussarbeit wurde der aktuelle Stand von verfügbaren Hardcore- und Softcore-Prozessoren evaluiert. Aufgrund der hohen Anforderung an den Prozessor in Low-Power-Systemen, wurden Hardcore-Prozessoren für die weitere Untersuchung ausgeschlossen. Obwohl diese sehr leistungstarke und energieeffiziente Prozessoren sind, weisen Hardcore-Prozessoren nicht die notwendige Flexibilität in einer minimalen Konfiguration auf, um die Ansprüche einer Low-Power-Anwendung zu erfüllen.
Aus diesem Grund wurden von verschiedenen Quellen Softcore-Prozessoren untereinander mit zusätzlich, ausgewählten Kriterien untersucht. Die Wahl fiel auf den NEO430, welcher auf der Architektur des Mikrocontrollers MSP430 von Texas Instrument basiert.
Mit dem NEO430 als Softcore, wurde ein Demonstrator-System entwickelt und auf dem Development-Board DE2-115 von Terasic implementiert. Im Zuge der Entwicklung des Demonstrators wurden weiterhin frei verfügbare IP-Cores zur Anbindung an den NEO430 untersucht. Der Demonstrator umfasste eine selbst entwickelte CRC-Berechnung, um damit die Programmierbarkeit, die Funktionen des NEO430 zu testen und dessen Ressourcenverbrauch, sowie Erweiterbarkeit über der Wishbone-Schnittstelle zu evaluieren.
Die Evaluierung des Demonstrator-Systems ergab einen Ressourcenverbrauch von 1253 Logikelemente des Development-Boards. Neben dem Demonstrator wurden weitere Konfigurationen, wie eine Minimale-, die Standard-Konfiguration und insbesondere eine Konfiguration ohne der Wishbone-Schnittstelle evaluiert.
Durch die starke Verbreitung der MSP430-Serie in der Industrie, ist der NEO430 ein interessanter Kandidat für Low-Power-Systeme
Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) ist ein modernes Mehrträgermodulationsverfahren, das sich gut an die besonderen Eigenschaften eines Mobilfunkkanals mit zeitvarianter Mehrwegeausbreitung anpassen kann. Es eignet sich aufgrund seines Aufbaus vor allem für Breitbandübertragungen und wird in vielen aktuellen Funksystemen wie LTE, WLAN, DVB-T usw. eingesetzt. In DSL wird die Basisbandvariante von OFDM eingesetzt, die „Discrete Multitone Transmission (DMT)“ genannt wird. Viele Aussagen über OFDM lassen sich auch auf DMT übertragen.
Moduliert wird mit Hilfe der inversen Fouriertransformation, die viele Unterträger parallel verarbeitet und am Schluss aufsummiert. Dies hat den Nachteil einer hohen Signalfluktuation, die bei Verstärkern zu Problemen führt.
Reale Verstärker haben eine nichtlineare Verstärkungskennlinie mit einer maximalen Ausgangsamplitude. Wird diese überschritten, wird das Signal abgeschnitten (geclippt). Dies hat sowohl vermehrte Bitfehler aufgrund des Orthogonalitätsverlustets der Unterträgersignale zueinander zur Folge, als auch eine erhöhte Außerbandabstrahlung.
Eine mögliche Lösung besteht darin, die Aussteuerung des Verstärkers klein zu halten. Daraus resultieren jedoch erhöhte Kosten und eine verringerte Energieeffizienz. Man ist daher bemüht die Signalfluktuation möglichst gering zu halten. Eine Maßzahl für die Amplitudenschwankungen ist das Peak-to-Average-Power-Ratio (PAPR).
Um das PAPR zu senken, gibt es eine ganze Reihe unterschiedlicher Verfahren. In dieser Arbeit werden die gängigsten davon vorgestellt und das Interleavingverfahren, die Tone Reservations (TR) und das Active Constellation Expanding (ACE) genauer untersucht.
How can manufacturers or service companies provide better services with connected products, without having acquired a powerful IT infrastructure nor the competences for software development?
Today companies can appeal to a relocated-IT-infrastructure provider, which is called Cloud.
Consequently, they do not have to manage and take care of the safety/security aspect, the updates and the breakdown of the infrastructure internally, as those are all managed by the provider.
It is possible to outsource the development of the software of the connected product to an external company. However, the question now is how fast this company can juggle from one Cloud to another in order to fulfil their clients wishes?
neverMind offers a solution based on a multi-protocols-platform linking the different connected products to a multitude of Clouds without having to redesign the whole communication stack/building block for each change in the Cloud-solution. This is the object of my thesis.
The development follows the V-Model, the first steps to understand the complexity of the project were the realisation of the product technical and architectural specifications. The last step before the Implementation was to design in details the progress and the process of every parts of the platform.
The outcome of the requirements analysis led me to divide the project in two parts:
• a “General Interface” acting as a gateway between the Client-application and “Cloud-modules”
• the “Cloud-modules” themselves.
So far, the specifications are drown up; the General Interface and a client example are coded, as well as a first Cloud-module template.
In dieser Bachelor Arbeit wird die Realisierung und messtechnische Analyse dreier Delta-Sigma-Modulatoren vorgestellt. Zwei der drei Modulatoren sind mit diskreten Bauteilen realisiert, ein dritter als integrierte Schaltung. Bei den diskret realisierten Modulatoren handelt es sich um Modulatoren 1. und 2. Ordnung, der als integrierte Schaltung verbaute Modulator ist ein Modulator 7. Ordnung.
Die Messdaten werden mithilfe eines Mikrocontrollers aufgezeichnet und am Computer mit MATLAB ausgewertet. Für die Auswertung der Modulatoren wird jeweils der Signalrauschabstand und die harmonische Verzerrung des Signals ermittelt. Zusätzlich wird bei jeder Messung eines Modulators das Spektrum des Signals ermittelt und dargestellt. Bei den beiden diskreten Modulatoren ergibt sich bei den Messungen ein Signalrauschabstand von 54 dB bis 56 dB, bei dem als integrierte Schaltung implementierten Delta-Sigma-Modulator wird ein Wert von 70 dB bis 76 dB erreicht. Für die harmonische Verzerrung der Signale wird beim Modulator 1. Ordnung ein Wert von 64 dB, beim Modulator 2. Ordnung 72 dB und beim 7. Ordnung 91 dB gemessen.
Im Rahmen dieser Abschlussarbeit wurde evaluiert, welche Hardware-Plattform für Einsteiger im Bereich der System-on-Chip (SoC) Field-Programmable-Gate-Arrays (FPGAs) (SoC-FPGAs)geeignet ist, speziell Altera Cyclone V SoC. Dabei wurde die Vorgehensweise sowie die benötigten Programme, die für die Entwicklung benötigt werden, ermittelt. Als Beispiel Applikation diente hier die Bildverarbeitung. Die Hardware-Plattform soll es ermöglichen, dass diese von Programmierern im Bereich der Bildverarbeitung genutzt werden kann, ohne dass diese sich um die Hardware kümmern müssen. Zusätzlich sollte evaluiert werden, ob und wie man den FPGA benutzen kann, um Algorithmen auf der Hardware auszuführen, und so einen Performance Gewinn zu erhalten.
Für die Thesis stand zu Beginn ein Hardware-Paket, bestehend aus einem FPGA-SoC-Board, Kamera-Modul sowie TFT-Display zur Verfügung. Dieses Paket stellte sich als nicht geeignet heraus, da die Hersteller entweder keine oder nur mangelhafte Dokumentation zu den Modulen bereitstellten.
Als geeignete Hardware wurde das DE0-Nano-SoC von der Firma Terasic gewählt. Das verwendete Kamera–Modul sowie Display–Modul stammt ebenfalls von Terasic. Diese Module bieten den Vorteil, dass sie auch mit anderen Boards von Terasic kompatibel und gut dokumentiert sind und es Beispiel-Programme für diese Module gibt. Für die gewählte Hardware-Plattform wurde ein IP-Core für die Kommunikation mit der Kamera, sowie ein IP-Core für die Berechnung von Bayer-Raw-Format in das 16 bit(565)-RGB-Format entworfen und implementiert. Die Funktion der IP-Cores wurde mit Hilfe von Simulationen verifiziert.
Es wurden die Arbeitsschritte und Abläufe ermittelt, die nötig sind, um das System vom embedded Linux zu programmieren und mit den IP-Cores zu kommunizieren.
Entwicklung eines miniaturisierten Energieversorgungs-Moduls zur autarken Versorgung von Funkmodulen
(2017)
Diese Abschlussarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines miniaturisierten Energieversorgungs-Moduls. Das Modul soll gleichzeitig aus drei Energy-Harvestern Energie sammeln und diese in einem Doppelschichtkondensator zwischenspeichern. Diese Energie kann anschließend von einem Funksensorknoten zum Sammeln und Übermitteln von Daten genutzt werden.
Solch ein aufgebautes System verspricht bei einem geringen Volumen eine hohe Lebensdauer,geringen Wartungsaufwand und eine hohe Leistung, ohne dass eine drahtgebundene Energieversorgung oder große Batterien notwendig sind.
Nach dem Erstellen eins Konzepts und der Auswahl der dafür passenden Komponenten wurde zunächst ein Evaluations-Board aufgebaut. Auf diesem wurden alle in Frage kommenden Komponenten vermessen und die Funktion getestet. Aus den dadurch erworbenen Erkenntnissen wurde das miniaturisierte Energieversorgungs-Modul entwickelt. Das miniaturisierte Modul bietet folgende Möglichkeiten: Aus drei verschiedenen Energy Harvestern wird gleichzeitig die Energie gesammelt und aufbereitet. Durch die Nutzung eines effizienten Wandler-Moduls wird bei der Energieaufbereitung eine Effizienz von über 85 % erreicht. Drei Wandler-Module verbrauchen zusammen lediglich eine Leistung von P = 3, 459 µW. Der Maximum Power Point jedes einzelnen Harvesters kann separat eingestellt werden. Auch alle anderen Komponenten werden stromsparend gewählt. Die Energie wird in einem 1, 5 F Doppelschichtkondensator gespeichert. Zusätzlich wird als Backup-Energieversorgung eine Lithium Knopfzelle eingesetzt.
Dadurch können auch sicherheitskritische Anwendungen realisiert werden. Konnte durch die Energy Harvester nicht genügend Energie gesammelt werden, wird die Batterie dem Funksensorknoten zugeschaltet. Das miniaturisierte Modul hat die Maße 20 mm x 40 mm. Nach abschließenden Messungen mit einem neu implementierten Funksensorknoten, der in einer anderen Bachelorthesis entstanden ist [1], wurde eine Sendewiederholrate von 1, 1 s nachgewiesen. Dies stellt einen sehr guten Wert dar und reicht für die meisten Anwendungen aus.
Zuletzt wird aus allen Komponenten inklusive des Funksensorknotens ein Demonstrationsmuster zusammengebaut. Dieses hat die Maße von 5 cm x 5 cm x 5 cm und kann zur weiterführenden Forschung oder als Anschauungsmaterial genutzt werden.