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RETIS – Real-Time Sensitive Wireless Communication Solution for Industrial Control Applications
(2020)
Ultra-Reliable Low Latency Communications (URLLC) has been always a vital component of many industrial applications. The paper proposes a new wireless URLLC solution called RETIS, which is suitable for factory automation and fast process control applications, where low latency, low jitter, and high data exchange rates are mandatory. In the paper, we describe the communication protocol as well as the hardware structure of the network nodes for implementing the required functionality. Many techniques enabling fast, reliable wireless transmissions are used – short Transmission Time Interval (TTI), Time-Division Multiple Access (TDMA), MIMO, optional duplicated data transfer, Forward Error Correction (FEC), ACK mechanism. Preliminary tests show that reliable end-to-end latency down to 350 μs and packet exchange rate up to 4 kHz can be reached (using quadruple MIMO and standard IEEE 802.15.4 PHY at 250 kbit/s).
Industrie 4.0 bedeutet nicht nur einen Wandel der technischen Möglichkeiten und Arbeitsbedingungen, sondern auch einen Bedarf an neuen, sich kontinuierlich weiterentwickelnden Kompetenzen und die Bereitschaft der Beschäftigten, Veränderungen mitzugestalten. Spielerische Ansätze der Kompetenzentwicklung können v.a. bei weiterbildungsfernen Mitarbeitern hilfreich sein, um das komplexe Thema verständlich zu vermitteln. Der Beitrag beschreibt ein Seminarkonzept mit integriertem Brettspiel, mit dem Teilnehmer anhand eines fiktiven Unternehmens (Müller GmbH) die Transformation eines Unternehmens in die Industrie 4.0 spielerisch nachvollziehen. Dieses Konzept erweist sich in einer ersten Evaluation als durchaus vielversprechend.
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.
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.
Die drei großen Hersteller von Cochlea-Implantat (CI)-Systemen ermöglichen es klinischen Audiologen, die Mikrofoneigenschaften der meisten CI-Sprachprozessoren zu prüfen. Dazu können bei diesen Sprachprozessoren Monitorkopfhörer angeschlossen und das/die Mikrofon(e) inklusive eines Teils der Signalvorverarbeitung abgehört werden. Präzise Angaben dazu, mit welchen Stimuli, bei welchem Pegel und nach welchem Kriterium diese Prüfung stattfinden soll, machen die CI-Hersteller nicht. Auf Basis dieser Prüfung soll der Audiologe dann über die Funktion der Mikrofone und damit darüber entscheiden, ob der betreffende Sprachprozessor an den Hersteller eingeschickt wird oder nicht.
Zur Objektivierung der CI-Sprachprozessor-Mikrofon-Prüfung haben wir eine Testbox entwickelt, mit der alle abhörbaren aktuellen CI-Sprachprozessoren der drei großen Hersteller geprüft werden können. Die Box wurde im 3D-Druck-Verfahren hergestellt. Der zu prüfende Sprachprozessor wird in die Messbox eingehängt und über einen darin verbauten Lautsprecher mit definierten Prüfsignalen (Sinustöne unterschiedlicher Frequenz) beschallt. Das Mikrofonsignal wird über das Kabel der Monitorkopfhörer herausgeführt und mit einer Shifting- and Scaling-Schaltung in einen Spannungsbereich transformiert, der für die AD-Wandlung mit einem Mikrokontroller (ATmega1280 verbaut auf einem Arduino Mega) geeignet ist. Derselbe Mikrokontroller übernimmt über einen eigens gebauten DA-Wandler die Ausgabe der Sinustöne über den Lautsprecher. Signalaufnahme und –wiedergabe erfolgen mit jeweils 38,5 kHz Samplingrate. Der für jede Frequenz über mehrere Perioden des Prüfsignals ermittelte Effektivwert wird mit dem Effektivwert, der mit einem neuwertigen Referenzprozessor für diese Frequenz gemessen wurde, verglichen. Die Messergebnisse werden graphisch auf einem Display ausgegeben.
Derzeit läuft eine erste Datenerhebung mit in der Klinik subjektiv auffällig gewordenen CI-Sprachprozessoren, die anschließend in der Messbox untersucht werden. So sollen realistische Schwellen für kritische Abweichungen von den Referenz-Effektivwerten ermittelt werden. Im weiteren Verlauf sollen dann Hit und False Alarm-Raten der subjektiven Prüfung bestimmt werden.
In bimodal cochlear implant (CI) / hearing aid (HA) users a constant interaural time delay in the order of several milliseconds occurs due to differences in signal processing of the devices. For MED-EL CI systems in combination with different HA types, we have quantified the respective device delay mismatch (Zirn et al. 2015). In the current study, we investigate the effect of the device delay mismatch in simulated and actual bimodal listeners on sound localization accuracy.
To deal with the device delay mismatch in actual bimodal listeners we delayed the CI stimulation according to the measured HA processing delay and two other values. With all delay values highly significant improvements of the rms error in the localization task were observed compared to the test without the delay. The results help to narrow down the optimal patient-specific delay value.
Zeitliche Anpassung führt zu verbesserter Schalllokalisation bei bimodal versorgten CI-/HG-Trägern
(2021)
Bei bimodal versorgten Cochlea-Implantaten (CI) / Hörgerät (HG)-Trägern entsteht durch die unterschiedliche Signalverarbeitung der Geräte eine konstante interaurale Zeitverzögerung in der Größenordnung von mehreren Millisekunden. Für MED-EL CI-Systeme in Kombination mit verschiedenen HG-Typen haben wir den jeweiligen Device-Delay-Mismatch quantifiziert. In der aktuellen Studie untersuchen wir den Einfluss der Device-Delay-Mismatch bei simulierten und tatsächlichen bimodalen Hörern auf die Genauigkeit der Schalllokalisation.
Um den Device-Delay-Mismatch bei bimodal versorgten Patienten zu verringern, haben wir die CI-Stimulation um die gemessene HG-Signallaufzeit und zwei weitere Werte verzögert. Nach einer Angewöhnungsphase war der effektive Winkelfehler bei Verzögerung um die HG-Signallaufzeit hochsignifikant reduziert im Vergleich zu der Testkondition ohne CI-Verzögerung (mittlere Verbesserung: 11 % ; p < .01, Wilcoxon Signed Rank Test). Aber auch mit den beiden weiteren Verzögerungswerten wurden Verbesserungen erreicht. Anhand der Ergebnisse lässt sich der optimale patientenspezifische Verzögerungswert näher eingrenzen.
The ability to detect a target signal masked by noise is improved in normal-hearing listeners when interaural phase differences (IPDs) between the ear signals exist either in the masker or in the signal. To improve binaural hearing in bilaterally implanted cochlear implant (BiCI) users, a coding strategy providing the best possible access to IPDs is highly desirable. Outcomes of a previous study (Zirn, Arndt et al. 2016) revealed that a subset of BiCI users showed improved IPD detection thresholds with the fine structure processing strategy FS4 compared to the constant rate strategy HDCIS using narrowband stimuli. In contrast, little differences between the coding strategies were found for broadband stimuli with regard to binaural speech intelligibility level differences (BILD) as an estimate of binaural unmasking. Compared to normalhearing listeners (7.5 ± 1.2 dB) BILD were small in BiCI users (around 0.5 dB with both coding strategies).
In the present work, we investigated the influence of binaural fitting parameters on BILD. In our cohort of BiCI users many were implanted with electrode arrays differing in length left versus right. Because this length difference typically corresponded to the distance of two electrode contacts the first modification of bilateral fitting was a tonotopic adjustment by deactivation of the most apical electrode contact on the side with the deeper inserted array (tonotopic approach).
The second modification was the isolation of the residual, most apical electrode contacts by deactivation of the basally adjacent electrode contact on each side (tonotopic sparse approach). Applying these modifications, BILD improved by up to 1.5 dB.
The ability to detect a signal masked by noise is improved in normal-hearing (NH) listeners when interaural phase differences (IPD) between the ear signals exist either in the masker or the signal. We determined the impact of different coding strategies in bilaterally implanted cochlear implant (BiCI) users with and without fine-structure coding (FSC) on masking level differences. First, binaural intelligibility level differences (BILD) were determined in NH listeners and BiCI users using their clinical speech processors. NH subjects (n=8) showed a significant mean BILD of 7.5 dB. In contrast, BiCI users (n=9) without FSC as well as with FSC revealed a barely significant mean BILD (0.4 dB respectively 0.6 dB). Second, IPD thresholds were measured in BiCI users using either their speech processors with FS4 or direct stimulation with FSC. With the latter approach, synchronized stimulation providing an interaural accuracy of stimulation timing of 1.67 µs was realized on pitch matched electrode pairs. The resulting individual IPD threshold was lower in most of the subjects with direct stimulation than with their speech processors. These outcomes indicate that some BiCI users can benefit from increased temporal precision of interaural FSC and adjusted interaural frequency-place mapping presumably resulting in improved BILD.
Das normalhörende auditorische System ist in der Lage, interaurale Zeit- bzw. Phasendifferenzen zur verbesserten Signaldetektion im Störgeräusch zu nutzen. Dieses Phänomen wird häufig als binaurale Entmaskierung bezeichnet und ist sowohl bei einfachen Signalen wie Sinustönen, als auch bei Sprachsignalen im Störgeräusch wirksam. Vorangegangene Studien haben gezeigt, dass binaurale Entmaskierung eingeschränkt auch bei bilateralen CI-Trägern beobachtbar ist (Zirn et al., 2016).
Aktuelle Ergebnisse zeigen, dass die binaurale Entmaskierung sensitiv gegenüber der bilateralen CI-Anpassung ist. So lässt sich der Effekt durch tonotopen Abgleich und Herausstellen eines apikalen Feinstrukturkanals modulieren. Steigerungen der binauralen Entmaskierung um bis zu 1,5 dB sind auf diese Weise gegenüber der konventionellen CI-Anpassung möglich. Allerdings variiert der Einfluss der CI-Anpassung interindividuell erheblich.
BiCI users’ sensitivity to interaural phase differences for single- and multi-channel stimulation
(2016)
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.
Learning programming fundamentals is considered as one of the most challenging and complex learning activities. Some authors have proposed visual programming language (VPL) approaches to address part of the inherent complexity [1]. A visual programming language lets users develop programs by combining program elements, like loops graphically rather than by specifying them textually. Visual expressions, spatial arrangements of text and graphic symbols are used either as syntax elements or secondary notation. VPLs are normally used for educational multimedia, video games, system development, and data warehousing/business analytics purposes. For example, Scratch, a platform of Massachusetts Institute of Technology, is designed for kids and after school programs.
Design of mobile software applications is considered as one of the most challenging application domains due to the build in sensors as part of a mobile device, like GPS, camera or Near Field Communication (NFC). Sensors enable creation of context-aware mobile applications in which applications can discover and take advantage of contextual information, such as user location, nearby people and objects, and the current user activity. As a consequence, context-aware mobile applications can sense clues about the situational environment making mobile devices more intelligent, adaptive, and personalized. Such context aware mobile applications seem to be motivating and attractive case studies, especially for programming beginners (“my own first app”).
In this work, we introduce a use-case centered approach as well as clear separation of user interface design and sensor-based program development. We provide an in-depth discussion of a new VPL based teaching method, a step by step development process to enable programming beginners the creation of context aware mobile applications. Finally, we argue that addressing challenges for programming beginners by our teaching approach could make programming teaching more motivating, with an additional impact on the final software quality and scalability.
The key contributions of our study are the following:
- An overview of existing attempts to use VPL approaches for mobile applications
- A use case centered teaching approach based on a clear separation of user interface design and sensor-based program development
- A teaching case study enabling beginners a step by step creation of context-aware mobile applications based on the MIT App Inventor (a platform of Massachusetts Institute of Technology)
- Open research challenges and perspectives for further development of our teaching approach
References:
[1] Idrees, M., Aslam, F. (2022). A Comprehensive Survey and Analysis of Diverse Visual Programming Languages, VFAST Transactions on Software Engineering, 2022, Volume 10, Number 2, pp 47-60.
In this paper we suggest to combine the areas of media streaming services, mobile devices, and manufacturing processes to support monitoring, controlling and supervising production processes in order to achieve high levels of efficiency and environmentally friendly production. It contains a comprehensive and detailed explanation of the proposed E-Learning streaming framework, especially the adaption of streaming services to mobile environments. The key components of our approach are 1) an XML-based streaming service specification language, 2) adaption of multimedia E-Learning services to mobile environments, and 3) a media delivery platform for searching, registration, and creation of streaming services for mobile devices.
Integrating voice / video communication into business processes can accelerate resolution time, reduce mistakes, and establish a full audit-trail of the interactions. Some VoIP service providers offer website based or plugin based solutions, which are, however, difficult to integrate with other applications. A promising approach to overcome these disadvantages is the development of appropriate Web Services to allow applications interacting with a VoIP system. We propose a generic framework for VoIP applications consisting of an XML-based service specification language and a set of reusable Web Service components. Service providers using the proposed service-oriented architecture can offer to their customers a protocol-neutral Web Service interface, thus enabling the deployment of a general and integrated VoIP solution.
The goal of eLearning services integration in manufacturing is, through the development of new multimedia solutions, to accelerate and enhance the ability of the manufacturing industry to capitalise on the emergence of a powerful global information infrastructure. The key components of our approach are: (1) an XML based streaming service specification language; (2) automatic configuration of distributed eLearning streaming service implementations; (3) a set of Web services for searching, registration, and creation of streaming services; (4) caching and replication policies based on timing information derived from the service specifications. We also introduce a new concept for cache management during runtime, e.g., content is distributed to cache servers located at the edge of a network close to the client.
This paper presents an approach where closer integration between learning and work is achieved by integrating multimedia services into manufacturing processes. The goal of E-Learning services integration in manufacturing processes is, through the development of new multimedia services, to accelerate and enhance the ability of manufacturing industry to capitalise on the emergence of a powerful global information infrastructure. In this paper we suggest to combine the areas of media streaming services and manufacturing processes, by providing electronic learning offerings as collections of media streaming services. The key components of our approach are 1) an xml based streaming service specification language, 2) automated configuration of distributed E-Learning streaming applications, 3) Web Services for searching, registration, and creation of E-Learning streaming services.