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Implementierung von Softcore-Prozessoren und/oder weiteren IPs (Intellectual Property) in FPGAs
(2018)
Die zunehmende Integration von kompletten Systemen auf einem Chip (System-on-Chip, SoC) erfordert auch immer die Integration einer Recheneinheit bzw. eines Prozessorkerns. Möchte man insbesondere Low-Power-SoC-Systeme entwickeln, z.B. drahtlose Sensor-SoC-Systeme für Anwendungen im Rahmen von Industrie 4.0, ist die Implementierung eines solchen Prozessorkerns mit hohen Herausforderungen verbunden. Prinzipiell können hierfür verschiedene Ansätze verfolgt werden, nämlich die Implementierung einer Hardcore Prozessor-IP (IP = Intellectual Property) oder einer Softcore-Prozessor-IP. Im vorliegenden Beitrag wird zunächst auf den derzeitigen Stand der Technik verfügbarer Hardcore- oder Softcore-Prozessoren unter den Randbedingungen der Low-Power-Anforderungen und der weiten Verbreitung des Cores in industriellen Anwendungen eingegangen. Schließlich werden die Ergebnisse der Implementierung und Evaluierung eines derzeit frei verfügbaren 16-bit MSP430-kompatiblen Softcore Prozessors auf einem Altera-Cyclon-FPGA vorgestellt. Aus den Ergebnissen wird ein entsprechendes Fazit für die Implementierung von Low-Power-SoC-Systeme gegeben.
Der Entwurf und die Realisierung gedruckter Schaltungen oder Elektronikkomponenten stellt ein intensives Thema der Forschung dar. Forschungsgruppen beschäftigen sich zunehmend mit der Entwicklung von gedruckten Energy Harvestern, weil diese kostengünstig und einfach herstellbar sind. Das Energy Harvesting (EH) oder auch das ”Mikro Energy Harvesting“ (MEH) bezeichnet die Gewinnung von elektrischer Energie aus der Umgebung, um elektronische Verbraucher zu versorgen, kontinuierliche Leistungen zu erzeugen, das System energieeffizienter zu machen, sowie die Energiespeicherung im Mikrowattbereich zu gewährleisten. Energy Harvesting-Systeme stellen eine Alternative gegenüber der Energieversorgung autarker Low-Power-Elektronik mit Batterien dar. Das Energiemanagement solcher EH-Systeme ist jedoch eine Herausforderung aufgrund der Energieverfügbarkeit und der im Zeitablauf nicht konstanten Verlustleistung. Dieser Beitrag gibt einen Überblick über die derzeit existierenden ultra low-power Energiemanagement Schaltungen für Energy Harvester. Dabei wird insbesondere der Fokus auf gedruckte Energy Harvester gelegt. Es soll aufgezeigt werden, welche Aspekte der vorgestellten Energieversorgungsschaltungen bei der Entwicklung eines Energieversorgungschips für gedruckte Energy Harvester berüucksichtigt werden sollen.
MPC-Workshop Juli 2018
(2018)
A simple measuring method for acquiring the radiation pattern of an ultrawide band Vivaldi antenna is presented. The measuring is performed by combining two identical Vivaldi antennas and some of the intrinsic properties of a stepped-frequency continue wave radar (SFCW radar) in the
range from 1.0 GHz to 6.0 GHz. A stepper-motor provided the azimuthal rotation for one of the antennas from 0 ◦ to 360 ◦. The tests have been performed within the conventional environment (laboratory / office) without using an anechoic chamber or absorbing materials. Special measuring devices have not been used either. This method has been tested with different pairs of Vivaldi antennas and it can be also used for different ones (with little or no change in the system), as long as their operational
bandwidth is within the frequency range of the SFCW radar.
Keywords — SFCW Radar, Antenna Gain Characterization,
Azimuthal Radiation Pattern
OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) is already a well-known concept used widely in the automation industry. In the area of factory automation, OPC UA models the underlying field devices such as sensors and actuators in an OPC UA server to allow connecting OPC UA clients to access device-specific information via a standardized information model. One of the requirements of the OPC UA server to represent field device data using its information model is to have advanced knowledge about the properties of the field devices in the form of device descriptions. The international standard IEC 61804 specifies EDDL (Electronic Device Description Language) as a generic language for describing the properties of field devices. In this paper, the authors describe a possibility to dynamically map and integrate field device descriptions based on EDDL into OPCUA.
The Thread protocol is a recent development based on 6LoWPAN (IPv6 over IEEE 802.15.4), but with extensions regarding a more media independent approach, which – additionally – also promises true interoperability. To evaluate and analyse the operation of a Thread network a given open source 6LoWPAN stack for embedded devices (emb::6) has been extended in order to comply with the Thread specification. The implementation covers Mesh Link Establishment (MLE) and network layer functionality as well as 6LoWPAN mesh under routing mechanism based on MAC short addresses. The development has been verified on a virtualization platform and allows dynamical establishment of network topologies based on Thread's partitioning algorithm.
Legacy industrial communication protocols are proved robust and functional. During the last decades, the industry has invented completely new or advanced versions of the legacy communication solutions. However, even with the high adoption rate of these new solutions, still the majority industry applications run on legacy, mostly fieldbus related technologies. Profibus is one of those technologies that still keep on growing in the market, albeit a slow in market growth in recent years. A retrofit technology that would enable these technologies to connect to the Internet of Things, utilize the ever growing potential of data analysis, predictive maintenance or cloud-based application, while at the same time not changing a running system is fundamental.
High mobility, electrolyte-gated transistors (EGTs) show high DC performance at low voltages (< 2 V). To model those EGTs, we have used different models for the below and the above threshold regime with appropriate interpolation to ensure continuity and smoothness over all regimes. This empirical model matches very well with our measured results obtained by the electrical characterization of EGTs.
MPC-Workshop Februar 2016
(2016)
Die neueste Generation von programmierbaren Logikbausteinen verfügt neben den konfigurierbaren Logikzellen über einen oder mehrere leistungsfähige Mikroprozessoren. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie ein bestehendes Zwei-Chip-System auf einen Xilinx Zynq 7000 mit zwei ARM A9-Cores migriert wird. Bei dem System handelt es sich um das „GPS-gestützte Kreisel-system ADMA“ des Unternehmens GeneSys. Die neue Lösung verbessert den Datenaustausch zwischen dem ersten Mikroprozessor zur digitalen Signalverarbeitung und dem zweiten Prozessor zur Ablaufsteuerung durch ein Shared Memory. Für die schnelle und echtzeitfähige Datenübertragung werden zahlreiche hochbitratige Schnittstellengenutzt.
The Metering Bus, also known as M-Bus, is a European standard EN13757-3 for reading out metering devices, like electricity, water, gas, or heat meters. Although real-life M-Bus networks can reach a significant size and complexity, only very simple protocol analyzers are available to observe and maintain such networks. In order to provide developers and installers with the ability to analyze the real bus signals easily, a web-based monitoring tool for the M-Bus has been designed and implemented. Combined with a physical bus interface it allows for measuring and recording the bus signals. For this at first a circuit has been developed, which transforms the voltage and current-modulated M-Bus signals to a voltage signal that can be read by a standard ADC and processed by an MCU. The bus signals and packets are displayed using a web server, which analyzes and classifies the frame fragments. As an additional feature an oscilloscope functionality is included in order to visualize the physical signal on the bus. This paper describes the development of the read-out circuit for the Wired M-Bus and the data recovery.
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.
MPC-Workshop Februar 2015
(2015)
MPC-Workshop Juli 2015
(2015)
Die zunehmende Anzahl von Transistoren mit immer kleineren Strukturgrößen führt zu einer zunehmenden Leistungsaufnahme in modernen Prozessoren. Das gilt insbesondere für High-End Prozessoren, die mit einer hohen Taktfrequenz betrieben werden. Die aufgenommene Leistung wird in Wärme umgewandelt, die in einer Temperaturerhöhung der Prozessoren resultiert. Hohe Betriebstemperaturen verursachen u.a. eine verringerte Rechenleistung, eine kürzere Lebensdauer des Prozessors und höhere Leckströme. Aus diesen Gründen wird aktives, dynamisches thermisches Management immer wichtiger. Dieser Beitrag stellt eine Erweiterung zu dem Standard- Linux-Scheduler in der Kernel-Version 3.0 für eingebettete Systeme vor: einen PID-Regler, der unter Angabe einer Solltemperatur eine dynamische Frequenz- und Spannungsskalierung durchführt. Die Experimente auf dem Freescale LMX6 Quadcore-Prozessor zeigen, dass der PID-Regler die Betriebstemperatur des Prozessors an die Solltemperatur regeln kann. Er ist die Grundlage für eine in Zukunft zu entwickelnde prädiktive Regelung.
MPC-Workshop Februar 2014
(2014)
MPC-Workshop Juli 2014
(2014)
Android is an operating system which was developed for use in smart mobile phones and is the current leader in this market. A lot of efforts are being spent to make Android available to the embedded world, as well. Many embedded systems do not have a local GUI and are therefore called headless devices. This paper presents the results of an analysis of the general suitability of Anroid in headless embedded systems and ponders the advantages and disadvantages. It focuses on the hardware related issues, i.e. to what extent Android supports hardware peripherals normally used in embedded systems.
MPC-Workshop Februar 2013
(2013)
MPC-Workshop Juli 2013
(2013)
Machine-to-machine communication is continuously extending to new application fields. Especially smart metering has the potential to become the first really large-scale M2M application. Although in the future distributed meter devices will be mainly connected via dedicated primary communication protocols, like ZigBee, Wireless
M-Bus or alike, a major percentage of all meters will be connected via point to point communication using GPRS or UMTS platforms. Thus, such meter devices have to be extremely cost and energy efficient, especially if the devices are battery based and powered several years by a single battery. This paper presents the development of an automated measurement unit for power and time, thus energy characteristics can be recorded. The measurement unit includes a hardware platform for the device
under test (DUT) and a database based software environment for a smooth execution and analysis of the measurements.
The research project Ko-TAG [2], as part of the research initiative Ko-FAS [1], funded by the German Ministry of Economics and Technologies (BMWi), deals with the development of a wireless cooperative sensor system that shall pro-vide a benefit to current driver assistance systems (DAS) and traffic safety applications (TSA). The system’s primary function is the localization of vulnerable road users (VRU) e.g. pedestrians and powered two-wheelers, using communication signals, but can also serve as pre-crash (surround) safety system among vehicles. The main difference of this project, compared to previous ones that dealt with this topic, e.g. the AMULETT project, is an underlying FPGA based Hardware-Software co-design. The platform drives a real-time capable communication protocol that enables highly scalable network topologies fulfilling the hard real-time requirements of the single localization processes. Additionally it allows the exchange of further data (e.g. sensor data) to support the accident pre-diction process and the channel arbitration, and thus supports true cooperative sensing. This paper gives an overview of the project’s current system design as well as of the implementations of the key HDL entities supporting the software parts of the communication protocol. Furthermore, an approach for the dynamic reconfiguration of the devices is described, which provides several topology setups using a single PCB design.
MPC-Workshop Februar 2012
(2012)
MPC-Workshop Juli 2012
(2012)
The efficient support of Hardwae-In-theLoop (HIL) in the design process of hardwaresoftware-co-designed systems is an ongoing challenge. This paper presents a network-based integration of hardware elements into the softwarebased image processing tool „ADTF“, based on a high-performance Gigabit Ethernet MAC and a highly-efficient TCP/IP-stack. The MAC has been designed in VHDL. It was verified in a SystemCsimulation environment and tested on several Altera FPGAs.
MPC-Workshop Februar 2011
(2011)
MPC-Workshop Juli 2011
(2011)
Mit dem Übergang zu immer komplexeren Designs an der Hochschule Offenburg werden DFT-Strukturen wie „Boundary Scan“ und „Scan“ in ASIC-Designs notwendig. Die DFT-Struktur Scan wird hierbei zukünftig bei Implementierung eines speziellen Scan Chain der Core Logic des ASIC-Designs verwendet und danach in der Boundary Scan Architektur integriert.
Zunächst werden die Strukturen im recht einfachen ASIC-Design „Rolling Dice“, entwickelt am IAF der Hochschule Offenburg, implementiert. Nach Verifizierung der Funktionalität der Strukturen durch Emulation erfolgt die Einführung in komplexere ASIC-Design wie Front-End ASIC DQPSK sowie Prozessor-ASIC PDA V.2 (beide ebenfalls entwickelt am IAF der Hochschule Offenburg).
Eine Verifizierung der mit DFT-Strukturen ausgestatteten komplexeren ASIC-Design erfolgt im Rahmen dieser Ausarbeitung nicht, Bezug genommen wird hauptsächlich auf die Einführung der DFT-Strukturen in das ASIC-Design des „Rolling Dice“.
Ein Vergleich von Aufwand gegenüber Nutzen bei Implementierung von DFT-Strukturen in „kleine“ gegenüber „große“ ASIC-Design bildet ein wichtiges Fazit.
Mobile learning (m-learning) can be considered as a new paradigm of e-learning. The developed solution enables the presentation of animations and 3D virtual reality (VR) on mobile devices and is well suited for mobile learning. Difficult relations in physics as well as intricate experiments in optics can be visualised on mobile devices without need for a personal computer. By outsourcing the computational power to a server, the coverage is worldwide.
Tagungsband zum Workshop der Multiprojekt-Chip-Gruppe Baden-Württemberg, Göppingen, 5. Februar 2010
(2010)
Tagungsband zum Workshop der Multiprojekt-Chip-Gruppe Baden-Württemberg, Reutlingen, 9. Juli 2010
(2010)
Der Cache-Speicher für den Softprozessor SIRIUS ist ein 4-fach assoziativer Cache-Speicher, der mit einem DDR-Interface auf einen externen Speicher zugreifen kann. Er verwaltet und beschleunigt Zugriffe vom Prozessor auf diesen Speicher. Der Cache-Speicher arbeitet intern mit 32 Bit und der doppelten Prozessortaktfrequenz und ermöglicht Systeme mit größeren Speicheranforderungen ohne signifikante Performanceverluste. Der Cache-Speicher wurde mit der Hardwarebeschreibungssprache VHDL erstellt und mit dem bestehenden Mikrocontrollersystem verbunden.
Das Gesamtsystem wurde zunächst simuliert und anschließend mit dem Cyclone III FPGA Starter Kit von Altera, welches ein 32 MB DDR-RAM-Modul zur Verfügung stellt, durch Ausführen eines Testprogramms erfolgreich verifiziert. Für den kompletten Cache-Speicher werden inklusive der Pins für den externen Oszillator und des Reset-Tasters 3805 Logik-Zellen, 27 M9K-Blöcke, 44 Pins und eine PLL benötigt.
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.
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.
Tagungsband zum Workshop der Multiprojekt-Chip-Gruppe Baden-Württemberg, Künzelsau, 6. Februar 2009
(2009)
Tagungsband zum Workshop der Multiprojekt-Chip-Gruppe Baden-Württemberg, Karlsruhe, 10. Juli 2009
(2009)
Den Hauptbestandteil des Operationssystems stellt der Zugriff auf SD-Karten mit dem Dateisystem FAT16 von Microsoft dar. Für die Bedienung wurde ein Kommandozeileninterpreter implementiert. Als Ein- und Ausgabegerät dient ein PC mit einem speziellen Terminalprogramm, welcher über USB mit dem Emulationsboard des SIRIUS Softcores verbunden ist. Das System wird über die Eingabe von Befehlen am Terminal gesteuert.
Der SIRIUS Softcore kann nur vom Flash des Emulationsboards booten. Da das Betriebssystem selbst jedoch auf der SD-Karte gespeichert werden soll, ist ein Basis-Betriebssystem erforderlich, welches im Flash abgelegt ist. Das Basis-Betriebssystem lädt gleich nach dem Start das eigentliche Betriebssystem von der SD-Karte. Falls jedoch keine SD-Karte gesteckt ist, ermöglicht das Basis-Betriebssystem mit einem Kommandozeileninterpreter einige Grundfunktionen.
RFID- Frontend ISO 15693
(2008)
Tagungsband zum Workshop der Multiprojekt-Chip-Gruppe Baden-Württemberg, Konstanz, 4. Juli 2008
(2008)
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.
MPC-Workshop Februar 2007
(2007)
MPC-Workshop Juli 2007
(2007)
MPC-Workshop Februar 2006
(2006)
MPC-Workshop Juli 2006
(2006)
MPC-Workshop Februar 2005
(2005)
MPC-Workshop Juli 2005
(2005)
This paper explores the potential of an m-learning environment by introducing the concept of mLab, a remote laboratory environment accessible through the use of handheld devices.
We are aiming to enhance the existing e-learning platform and internet-assisted laboratory settings, where students are offered in-depth tutoring, by providing compact tuition and tools for controlling simulations that are made available to learners via handheld devices. In this way, students are empowered by having access totheir simulations from any place and at any time.
MPC-Workshop Februar 2004
(2004)
MPC-Workshop Juli 2004
(2004)
MPC-Workshop Juli 2003
(2003)
MPC-Workshop Januar 2003
(2003)
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.
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.
MPC-Workshop Januar 2002
(2002)
MPC-Workshop Juni 2002
(2002)
MPC-Workshop Februar 2001
(2001)
MPC-Workshop Juli 2001
(2001)
iSign - internet based simulation of guided wave propagation - ist eine Lernumgebung für Online-Laborversuche. Die Client-Serverarchitektur nutzt server-seitig das Tool F3D, das elektromagnetische Felder in 3D-Strukturen berechnet. Ein Apache-Webserver (unter Linux) bedient den Theorie-/Aufgaben-Teil und die Lernsystemadministration. Ein HPUX Simulationsserver steuert und kontrolliert den mehrstufigen Simulationsvorgang. Eine MySQL-Datenbank erlaubt dynmaische Webseiten-Generierung und Simulations-, Projekt- und Userdatenhaltung. Java-Applets, JavaServer Pages und JavaBeans erzeugen die interaktive Client-Oberfläche zur Eingabe, Ergebnisdarstellung und für Online-Virtual Reality. Die einheitlich gestaltete Benutzeroberfläche verbirgt die Systemkomplexität.
Virtual-Reality-Darstellung elektromagnetischer Felder in dreidimensionalen Mikrowellenstrukturen
(2000)
Untersuchungen haben gezeigt, daß der Mensch ein Vielfaches an Informationen in Form von visuellen Eindrücken, im Gegensatz zur textuellen Darstellung, verarbeiten kann. Mit Hilfe des numerischen Feld-Simulationsprogramms F3D können Mikrowellenstrukturen auf die Wechselwirkung mit elektromagnetischen Feldern untersucht werden. Das Programm F3D2VRML stellt die Ergebnisse in einer dreidimensionalen Virtual-Reality-Darstellung (VR) dar.
Damit ist es dem Betrachter möglich, mehr Informationen aufzunehmen, da die Informationen mit Formen und Farben im dreidimensionalen Raum visualisiert werden.
Die hochfrequente, feldnumerische Analyse mit der Finite-Differenzen Methode erfordert die Diskretisierung der zu untersuchenden Struktur in einem nichtäquidistanten Gitter. Vorschriften zur Diskretisierung kreiszylindrischer Strukturen wie sie z.B. bei Durchkontaktierungen auftreten, werden untersucht und eine optimierte Lösung vorgestellt.
Als Fortsetzung des FHOP-Projektes wurde an der Fachhochschule Offenburg auf Basis des bestehenden Mikroprozessorkerns im Rahmen einer Diplomarbeit ein Mikrocontroller in ES2-0.7 μm-Technologie entworfen. Der Controller wurde modular aufgebaut mit den Komponenten: FHOP-Mikroprozessor, Buscontroller, Waitstate-Chipselect-Einheit, 16x16 Bit Multiplizierer, 2KB ROM, 256 Byte RAM, Watchdog, PIO mit 16 konfigurierbaren Ports, SIO, 2 Timer und ein Interruptcontroller für 8 Interrputquellen.
Der Chip benötigt bei einer Komplexität von ca. 65400 Transistoren eine Siliziumfläche von etwa 27 mm². Er wurde im September 1996 zur Fertigung gegeben und mittlerweile erfolgreich getestet. Das interne ROM des Mikrocontrollers enthält das BIOS sowie ein Testprogramm. Zur Erstellung der Software steht eine komplette Entwicklungsumgebung zur Verfügung. Sämtliche Komponenten stehen im FHOP-Design-Kit in Kürze zur Verfügung.
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.
Mit zunehmend komplexer werdenden Schaltungen wachsen auch die Anforderungen an die Entwicklung einer entsprechenden Leiterplatte. Mit der BOARD-Station von MENTOR-Graphics können professionelle Leiterplatten entwickelt werden.
Im Rahmen dreier Entwicklungsprojekte an der Fachhochschule Offenburg wurden mehrere aufwendige Layoutentwürfe mit der BOARD-Station in verschiedenen Diplomarbeiten durchgeführt. Im Folgenden wird über die dabei gewonnenen Erfahrungen berichtet.
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.
An der FH Offenburg arbeiten seit Ende 1989 in einem Team die Professoren Dr. Jansen, Dr. Schüssele, die wissenschaftlichen Mitarbeiter Bernd Reinke, Martin Jörger und die Diplomanden Hans Fiesel, Otmar Feißt an dem Entwurf eines Nachrichtenempfängers. Im Rahmen dieses Projekts, genannt GPS-Projekt (GPS = Global Positioning System), wurde im Herbst 1990 ein experimenteller Empfänger in Betrieb genommen. Nachdem die Testergebnisse gezeigt hatten,daß das Konzept der Anlage stimmte, ging es nun um die Miniaturisieriung, Integration und Optimierung der Schaltung. Außerdem sollte der bisher verwendete PC durch einen auf der Platine befindlichen Mikroprozessor ersetzt werden. Im Zusammenhang mit dem GPS-Projekt wurden bisher im Offenburger ASIC-Labor eine Analogschaltung auf einem B500, drei LCA Designs und diverse GAL's entwickelt.
Zur Zeit arbeiten mehrere Diplomanden an der zweiten Generation des Empfängers. Meine Aufgabe besteht darin, die dort noch in drei LCA's untergebrachte digitale Logik sowie einen Teil des bisherigen PC-Interface in einem IMS Gate Forrest zu integrieren. Außerdem muß die Logik von 8 Bit auf einen 16 Bit breiten Datenbus umgestellt und an die neue Peripherie des Mikroprozessors angepasst werden. Damit soll die jetzige Digital-Platine noch weiter verkleinert werden. Wesentlich ist dabei die Umsetzung der zahlreichen Zähler- und Registerstrukturen in einem Gate Forrest. Als Arbeitsmittel stehen Apollo Workstations mit Mentor Software zur Verfügung.
Seit einiger Zeit wird an der Fachhochschule in Offenburg ein Entwicklungsprojekt verfolgt, an dessen Ende ein GPS Empfänger stehen soll. Dabei handelt es sich um einen Satellitenempfänger, mit dem weltweit eine genaue dreidimensionale Standortbestimmung durchgeführt werden kann. Für diesen Empfänger sollte ein Großteil der Analogschaltung, bestehend aus ZF Verstärker, Costas Loop Synchrondemodulator und Pegeldetektor, in das Transistorarray B500a von AEG intgriert werden. Das Chipdesign wurde im Labor für ASIC Design an der FH Offenburg während des Wintersemesters 1990/91 erstellt. Gefertigt wurde der Chip von der Firma AEG in Ulm, wobei die Fertigungszeit des ASIC 6 Wochen betragen hat.
Die Fachhochschule Offenburg bietet seit dem Wintersemester 1990/91 den Studenten des Fachbereichs Nachrichtentechnik das Wahlpflichtfach ASIC-Design an. Schon kurz nach der Errichtung des ASIC-Design-Centers im Frühjahr 1990 ermöglicht sie damit künftigen Ingenieuren eine Ausbildung in einem Bereich, der in der modernen Schaltungsentwicklung nicht mehr wegzudenken ist.