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Nach dem Nachweis der Funktionalität des an der Fachhochschule Offenburg entwickelten Mikroprozessorkernels FHOP (First Homemade Operational Processor), wird eine Anwendung des Kernels in einem Applikationschip beschrieben.
Der Thermologger-ASIC soll mit Hilfe eines Temperatursensors die Umgebungstemperatur bei technischen Prozessen in regelmäßigen Zeitabständen erfassen und abspeichern. Die Meßwerte werden bei Bedarf ber eine serielle Schnittstelle des Thermologger-ASICs an einen PC übertragen und ausgewertet. Zur Verringerung der Leistungsaufnahme wird zwischen zwei Temperaturmessungen in einen Power-Down-Mode geschaltet.
Der ASIC soll später in einer Chipkarte integriert werden.
Im Frühjahr 1995 entstand die Idee, einen Lottozahlengenerator als Demonstrations- und Studienobjekt, für die Anwendung komplexer digitaler Entwurfsmethoden, zu entwerfen. Mit Hilfe der Schaltung ist es möglich, 6 verschiedene Zahlen zufällig aus 49 Zahlen zu ermitteln. Bei der Ziehung der einzelnen Zahlen werden verschiedene Töne und Melodien erzeugt. Die Schaltung ist so konzipiert, daß eine einfache Bedienung möglich ist. Der Chip wurde als Standardzellen-Entwurf mit einer Fläche von ca. 7 um² geroutet.
An der Fachhochschule Offenburg wurde im Sept. 93 das Projekt eines implantierbaren 16 Bit Mikroprozessor-Kernels FHOP ins Leben gerufen. Ausgehend von dem in einem Testchip erfolgreich erprobten umstrukturierten Entwurf wurde durch gezielten Einsatz von strukturiertem Routen unter Nutzung der Fähigkeiten zum hierarchischen Arbeiten in der MENTOR-IC-Station eine erheblich verkleinerte und flächenmäßig optimierte Struktur abgeleitet, die sich mit 4 Quadratmilimetern Fläche durchaus mit kommerziellen Mikroprozessor-Kerneln vergleichen läßt.
FHOP-Mikroprozessor-Kernel
(1995)
Für die Implementation in ASIC's wurde ein kompakter Mikroprozessor-Kernel als Standardzellen-Makro entworfen. Durch konsequenten Einsatz von Hochsprachen und CAE-Werkzeugen (VHDL, Synthese) konnte ein vollständiges Design in nur vier Monaten durchgeführt werden. Der Prozessor wird in einem Testchip erprobt.
Erstellen von Hardmakros und Aufbau einer Zellbibliothek unter Verwendung des ES2-Library-Kits
(1993)
Es wird eine Anleitung zur Erstellung von Hardmakros mit der Mentor-Graphics-Software gegeben. Die Hardmakros werden mit Standardzellen aus der ES2-Bibliothek der Firma EUROCHIP aufgebaut. Die Hardmakros werden in eine eigenständige Bibliothek abgelegt und können in neuen Chip-Designs verwendet werden.
Digitaler Phasenreglerkreis mit numerisch gesteuertem Oszillator als LCA-Microcontroller Kombination
(1992)
Am Beispiel einer Schrittmotor-Indexerschaltung wird der effektive Einsatz von konfigurierbaren Logic Cell Arrays in Zusammenwirkung mit einem Mikrokontroller demonstriert, wobei die hohe Arbeitsgeschwindigkeit des LCAs den Bereich der Schaltung übernimmt und im Regelkreis die arithmetrische Berechnung durchführt. Die Konfiguration des LCA aus dem EPROM des Controllers führt zu einer ungewöhnlichen Flexibilität des Entwurfs und ermöglicht zahlreiche andere Anwendungen mit dieser Architektur.
Die Fachhochschule Offenburg bietet den Studenten des Fachbereichs Nachrichtentechnik seit Ende 1990 das Wahlfach "Entwicklung integrierter Anwenderschaltkreise (ASIC)" an. Ziel des Wahlfachs ist es, den Studenten Grundkenntnisse im Entwurf eines ASIC's zu vermitteln, und wie im folgenden Beitrag aufgezeigt, die Möglichkeit zu bieten, den gesamten Entwurfszyklus von der Schaltungsentwicklung bis hin zur Fertigungsmaske zu durchlaufen.
The growing demand for active medical implantable devices requires data and or power links between the implant and the outside world. Every implant has to be encapsulated from the body by a specific housing and one of the most common materials used is titanium or titanium alloy. Titanium thas the necessary properties in terms of mechanical and chemical stability and biocompatibility. However, its electrical conductivity presents a challenge for the electromagnetic transmission of data and power. The proposed paper presents a fast and practical method to determine the necessary transmission parameters for titanium encapsulated implants. Therefore, the basic transformer-transmission-model is used with measured or calculated key values for the inductances. Those are then expanded with correction factors to determine the behavior with the encapsulation. The correction factors are extracted from finite element method simulations. These also enable the analysis of the magnetic field distribution inside of the housing. The simulated transmission properties are very close to the measured values. Additionally, based on lumped elements and magnetic field distribution, the influential parameters are discussed in the paper. The parameter discussion describes how to enhance the transmitted power, data-rate or distance, or to reduce the size of the necessary coils. Finally, an example application demonstrates the usage of the methods.
Design of a Programmable Passive SoC for Biomedical Applications Using RFID ISO 15693/NFC5 Interface
(2018)
Low power, low cost inductively powered passive biotelemetry system involving fully customized RFID/NFC interface base SoC has gained popularity in the last decades. However, most of the SoCs developed are application specific and lacks either on-chip computational or sensor readout capability. In this paper, we present design details of a programmable passive SoC in compliance with ISO 15693/NFC5 standard for biomedical applications. The integrated system consists of a 32-bit microcontroller, a sensor readout circuit, a 12-bit SAR type ADC, 16 kB RAM, 16 kB ROM and other digital peripherals. The design is implemented in a 0.18 µm CMOS technology and used a die area of 1.52 mm × 3.24 mm. The simulated maximum power consumption of the analog block is 592 µW. The number of external components required by the SoC is limited to an external memory device, sensors, antenna and some passive components. The external memory device contains the application specific firmware. Based on the application, the firmware can be modified accordingly. The SoC design is suitable for medical implants to measure physiological parameters like temperature, pressure or ECG. As an application example, the authors have proposed a bioimplant to measure arterial blood pressure for patients suffering from Peripheral Artery Disease (PAD).
An Ultra-Low-Power RFID/NFC Frontend IC Using 0.18 μm CMOS Technology for Passive Tag Applications
(2018)
Battery-less passive sensor tags based on RFID or NFC technology have achieved much popularity in recent times. Passive tags are widely used for various applications like inventory control or in biotelemetry. In this paper, we present a new RFID/NFC frontend IC (integrated circuit) for 13.56 MHz passive tag applications. The design of the frontend IC is compatible with the standard ISO 15693/NFC 5. The paper discusses the analog design part in details with a brief overview of the digital interface and some of the critical measured parameters. A novel approach is adopted for the demodulator design, to demodulate the 10% ASK (amplitude shift keying) signal. The demodulator circuit consists of a comparator designed with a preset offset voltage. The comparator circuit design is discussed in detail. The power consumption of the bandgap reference circuit is used as the load for the envelope detection of the ASK modulated signal. The sub-threshold operation and low-supply-voltage are used extensively in the analog design—to keep the power consumption low. The IC was fabricated using 0.18 μm CMOS technology in a die area of 1.5 mm × 1.5 mm and an effective area of 0.7 mm2. The minimum supply voltage desired is 1.2 V, for which the total power consumption is 107 μW. The analog part of the design consumes only 36 μW, which is low in comparison to other contemporary passive tags ICs. Eventually, a passive tag is developed using the frontend IC, a microcontroller, a temperature and a pressure sensor. A smart NFC device is used to readout the sensor data from the tag employing an Android-based application software. The measurement results demonstrate the full passive operational capability. The IC is suitable for low-power and low-cost industrial or biomedical battery-less sensor applications. A figure-of-merit (FOM) is proposed in this paper which is taken as a reference for comparison with other related state-of-the-art researches.
An der Fachhochschule Offenburg wird der Design-Kit FHO_MTC_CMOS_035_v1.0 erstellt. Mit Hilfe dieses Kits lassen sich Designs in der AMI O.35 Mikrometer Technologie entwerfen. Alle durchgeführten Arbeiten werden durch den Entwurf eines Lottozahlengenerator-Chips verifiziert, der gefertigt wird. Damit sind alle wesentlichen Schritte bekannt, die für die Aufbereitung eines Design-Kits für beliebige Technologien für die Mentor-Tools erforderlich sind. Der Design-Kit wird für alle MPC-Mitglieder freigegen, die eine NDA für AMI bei Europractice unterzeichnet haben.
In dieser Arbeit wurde eine USB-Schnittstelle für ein bestehendes Mikrocontroller System FHOP realisiert. Im aktuellen Stand funktioniert das Design zuverlässig in Low Speed Konfiguration. Im Full Speed gibt es noch einige Schwierigkeiten, denn die Kommunikation bricht nach einigen Paket-Transfers zusammen. Durch das Emulieren des Designs auf FPGA wurde die Funktion nachgewiesen. Die nächste Aufgabe wird sein, die Hardware zu optimieren, damit das USB-Modul auch im Full Speed zuverlässig funktioniert. Zusätzlich wird die Software auf der PC Seite optimiert, um höhere Übertragungsraten zu erzielen.
In this paper an RFID/NFC (ISO 15693 standard) based inductively powered passive SoC (system on chip) for biomedical applications is presented. A brief overview of the system design, layout techniques and verification method is dis-cussed here. The SoC includes an integrated 32 bit microcontroller, sensor interface circuit, analog to digital converter, integrated RAM, ROM and some other peripherals required for the complete passive operation. The entire chip is realized in CMOS 0.18 μm technology with a chip area of 1.52mm x 3.24 mm.
Electronic pills, smart capsules or miniaturized microsystems swallowed by human beings or animals for various biomedical and diagnostic applications are growing rapidly in the last years. This paper searched out the important existing electronic pills in the market and prototypes in research centers. Further objective of this research is to develop a technology platform with enhanced feature to cover the drawback of most
capsules. The designed telemetry unit is a synchronous bidirectional communication block using continuous phase DQPSK of 115 kHz low carrier frequency for inductive data transmission suited for human body energy transfer. The communication system can assist the electronic pill to trigger an actuator for drug delivery, to record temperature, or to measure pH of the body. It consists additionally to a 32bit processor, memory, external peripheries, and detection facility. The complete system is designed to fit small-size mass medical application with low power consumption, size of 7x25mm. The system is designed, simulated and emulated on FPGA.
Auf dem Markt existiert eine Vielzahl an PDAs. Alle haben einen sehr hohen Funktionsumfang und übertreffen sich von Generation zu Generation und erfordern einen hohen Entwicklungsaufwand von ganzen Entwicklerteams.
Der in dieser Arbeit entwickelte PDA mit seiner Hard- und Software soll kein Konkurrenzprodukt darstellen, sondern aufzeigen, was mit hausinternen Mitteln der Hochschule Offenburg möglich ist und gegebenenfalls eine Benutzeroberfläche für bestehende oder noch kommende Projekte bilden.
Das hier entstandene Gerät ist im Akkumulator-Betrieb autonom und kann als eigenständiges System betrieben werden. Als Herzstück dient das Softcore SIRIUS Mikroprozessorsystem, das als VHDL-Modell in einem FPGA emuliert wird.
Zum Darstellen des grafischen Betriebsystems, welches speziell für dieses PDA entwickelt wurde, wird ein AMOLED-Display verwendet. Dieses besitzt ein Touchpanel, welches zur Steuerung des Systems genutzt wird. Softwareseitig sind Grundfunktionen zur Darstellung von Bildern und Texten entstanden, sowie Beispielanwendungen, die diese benutzen. Das grafische Betriebssystem ist modular und ermöglicht die direkte Weiterentwicklung von Anwendungen für das System.
Im ASIC Design Center der Hochschule Offenburg wird ein Design Kit für die UMC 0.18μm Faraday Technologie aufbereitet. Dabei werden alle benötigten Dateien, welche für einen zunächst rein digitalen Chipentwurf unter Verwendung der Synopsys, Cadence und Mentor Tools benötigt werden, für den UMC 0.18μm Prozess zusammengestellt.
Zum ersten Mal gibt es mit dem kooperativen Promotionskolleg über „Kleinskalige erneuerbare Energiesysteme – KleE“ für hochqualifizierte Absolventen der Hochschule Offenburg die Möglichkeit zur Promotion innerhalb des engen wissenschaftlichen Austauschs eines Doktorandenkollegs. Betreut werden sie gemeinsam von je einem Universitätsprofessor und einem Hochschulprofessor. In Zusammenarbeit mit der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, dem Zentrum für Erneuerbare Energien (ZEE), und den Fraunhofer-Instituten für Solare Energiesysteme (ISE) sowie für Physikalische Messtechnik (IPM) forschen 15 Doktorandinnen und Doktoranden im Promotionskolleg KleE an interdisziplinären Forschungsthemen.
Das Institut für Angewandte Forschung arbeitet seit Jahren an RFID-Applikationen unter Verwendung des Protokolls nach ISO15693-Standard. Wir entwickeln in dem Zusammenhang sowohl Frontendelektronik als auch Reader, die es ermöglichen, diese Tags auszulesen. Projekte der vergangenen Jahre waren sowohl SEAGsens als auch medizintechnische Anwendungen unterschiedlichster Art.
Am Institut für Angewandte Forschung wird seit Jahren eine Mikroprozessorfamilie unter dem Kurznamen SIRIUS entwickelt, die inzwischen in verschiedenen Applikationen eingesetzt wird und in hohem Maß nun auch kommerziell interessant wird. Im Mittelpunkt der Arbeiten des letzten Jahrs stand die Ausreifung der Strukturen, wobei zum erstenMal auf Benchmarks zurückgegriffen werden konnte, die einen direkten Vergleich der Leistungsfähigkeit von Prozessoren ermöglicht. Als Benchmark wurde in einer Master-Arbeit von Herrn Roth der Core-Mark Benchmark für unsere SIRIUS-Architektur übersetzt, der einen direkten Vergleich mit sehr leistungsfähigen Boliden wie der ARM-Cortex-Architektur aber auch klassischen kommerziellen Produkten von Renesas wie auch von ATMEL ermöglicht.
In Zusammenarbeit mit der Firma Schweizer Electronic AG, Schramberg, wurde seit 2007 ein aktives Sensorsystem mit Datenloggerfunktion entwickelt. Das System verfügt über eine RFID-Systemschnittstelle nach dem ISO15693-Standard und kann bis zu 30.000 Messwerte speichern. Im Jahr 2009 wurde im Auftrag der SIEMENS AG, Österreich, die Firmware des Systems nach neuen Spezifikationen und Ideen in wesentlichen Teilen neu entwickelt.
Im Institut für Angewandte Forschung (IAF) der Hochschule Offenburg, im ASIC-Design-Center wird seit Jahren an einem Softcore, genannt SIRIUS (Small Imprint Risc for ubi quitions System), entwickelt, der sich inzwischen in drei Familienmitglieder aufteilt: SIRIUS-TINY mit einer internen 16-bit-Struktur und einem 16-bit-Adressraum als kleinen Bruder, dem SIRIUS-JANUS mit einer internen 32-bit-Struktur, aber einem 16-bit-Bus-System, das es erlaubt den 32-bit-Adressraum zu nutzen, und dem großen Bruder, dem SIRIUS-HULK der sowohl intern als auch extern über eine 32-bit-Struktur verfügt, zusätzlich einen 32-bit-Divider enthält und auf den Speicher über einen dualen Cache zugreift.
Das Institut für Angewandte Forschung (IAF) der Hochschule Offenburg arbeitet seit mehreren Jahren an der Entwicklung der elektronischen Pille, mit der Medikamente im Darm telemetrisch gesteuert auf Kommando freigesetzt werden können. Das System benötigt dazu eine hochminiaturisierte Elektronik, die in Form eines integrierten Schaltkreises (ASIC) entwickelt wurde.
Im Rahmen einer Zusammenarbeit mit der Schweizer Elektronik AG wurde seit 2007 ein aktives Sensorsystem mit Datenloggerfunktion (Abbildung 1.4-1) entwickelt, das über eine nach ISOStandard ISO 15693 ausgelegte Funkschnittstelle verfügt. Über das System wurde bereits im Forschungsbericht 2008 berichtet.
ASIC-Bausteine enthalten heute für die Umsetzung von programmierbaren Funktionen sogenannte Prozessorkerne, die in einer Entwurfssprache wie VHDL oder Verilog beschrieben und mit Synthesetools auf eine gewünschte Zieltechnologie abgebildet werden können. An der Hochschule Offenburg wurde in den letzten Jahren der Prozessorkern SIRIUS entworfen [1] und inzwischen so weit ausgereift, dass er in unterschiedlichen Projekten erfolgreich implementiert werden kann. In der Zieltechnologie AMI 0,35 ist er z.B. in dem ePillen-Chip enthalten. Als Softcore kann er auch mit gleicher Funktionalität in einem FPGA implementiert werden.
Das Institut für Angewandte Forschung (IAF) der Hochschule Offenburg ist seit mehr als 3 Jahren an der Entwicklung einer elektronischen Pille engagiert, die die bisher übliche chemische Freisetzung von Medikamenten im Darm durch eine gesteuerte, über Telemetrie ausgelöste Freisetzung ersetzen soll Damit lassen sich Therapien durchführen und Medikamente verwenden, die in der klassischen Form nicht möglich sind.
BioPower
(2009)
Das Projekt BioPower ist eine Kooperation des Instituts für Angewandte Forschung (IAF) der Hochschule Offenburg mit dem Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg. Es handelt sich um den Versuch, die im Körper vorhandenen Energiequellen sozusagen direkt anzuzapfen, um sie für technische Zwecke zu nutzen. Von den vielen bestehenden Möglichkeiten konzentriert sich die Forschung hier auf die Nutzung der Glukose im Blut, die auch sonst als Energieträger zur Versorgung der Zellen im Körper dient.