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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.
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.
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.
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.
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.
Im Rahmen eines GPS-Projektes ist an der Fachhochschule Offenburg ein Konzept für einen experimentellen Navigationsempfänger entstanden. Hierfür wurde der digitale Teil entwickelt und aufgebaut. Für die Realisierung der Schaltung sollten benutzerprogrammierbare Gate Arrays von Xilinx (LCAs) verwendet werden, die sich schon bei einer anderen Arbeit an der Fachhochschule bewährt hatten.
Nachfolgend möchte ich dem Leser einen Überblick über das GPS-System und die Entwicklung der LCAs geben.
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.
Die Elektronikindustrie bietet für die Realisierung digitaler Logik eine Vielzahl integrierter Bausteine an, die ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit als auch Integrationsdichte ermöglichen.
Je nach Integrationsdichte unterscheidet man hierbei zwischen Standardlogik (TTL,CMOS,DTL...), programmierbarer Logik (PLA, GAL...), Gate Arrays und ASIC-Bausteinen. Mit steigender Integrationsdichte werden Systemeigenschaften verbessert, wie Leistungsverbrauch, Platzbedarf, und Zuverlässigkeit.
Jedoch steht ihr auch ein stark erhöhter Kosten- und Entwicklungsaufwand gegenüber, der den Einsatz hochintegrierter Bausteine in Einzelfertigung bzw. Kleinserien verhindert.
Xilinx bietet nun mit seiner LCA-Produktreihe (logic cell array) eine Alternative zu bestehender hochintegrierbarer Logik an, mit der es möglich sein soll, Vorteile der genannten Einzelproduktgruppen zu übernehmen, und deren Nachteile zu beseitigen.
Im Rahmen einer Diplomarbeit wurde ein solcher LCA-Baustein (XC3020) eingesetzt. Anhand der gegebenen konkreten Anwendung konnte hierbei untersuch twerden, wie schnell sich ein solcher Baustein in bestehende Hardware eingliedern läßt, und welche Integrationsdichte er ermöglicht.
Im Folgenden sollen nun als Schwerpunkte das Einsatzgebiet, die Entwicklung und die Simulation des LCA bei vorliegender Aufgabenstellung aufgezeigt werden.
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.
Im Institut für angewandte Forschung (IAF) der FH Offenburg wird derzeit eine Chipkarte entwickelt, mit der Temperaturzeitreihen über längere Zeiträume aufgezeichnet werden können. Die zur Datenerfassung erforderlichen Systemkomponenten sind auf nur einem Halbleiterchip zusammengefaßt, wodurch sich bei großen Produktionsstückzahlen ein sehr niedriger Herstellpreis erzielen läßt. Die 'Thermologger' genannte Chipkarte kann zudem mit Standard-Chipkartenlesern und einer dedizierten Software auf jedem PC konfiguriert, gelesen und ausgewertet werden.
Bei modernen Lokomotiven mit Drehstrom-Asynchronmotoren und mit bis zu 7 Megawatt Leistung, neigt das Antriebssystem bei nicht ausreichendem Kraftschluß zwischen Treibradsatz und Schiene zum 'Durchdrehen'. Bei diesem Vorgang wird nahezu die gesamte Energie zur Beschleunigung des Radsatzes eingesetzt, was zu mechanischen Schäden an den Rädern und Schienen führen kann. Beim Bremsen ist dies ähnlich, die Räder gleiten auf den Schienen, wenn zuviel Bremskraft gefordert wird. Die übertragbaren Zug- und Bremskräfte werden primär durch die Radsatzlast und den Kraftschlußbeiwert bestimmt, wobei der Verlauf der Kraftschlußkennlinie als Funktion des Schlupfs oder der Schlupfgeschwindigkeit im wesentlichen durch den Schienenzustand (naß oder trocken) bestimmt wird. Eine hohe Kraftschlußnutzung wird dann erreicht, wenn man laufend denjenigen Schlupfwert einstellt, der zum jeweiligen Kraftschlußmaximum führt. Hierzu werden in der Praxis verschiedene Konzepte und Methoden eingesetzt, es ist bis heute jedoch keine Methode bekannt, den Verlauf der Kraftschlußkennlinie meßtechnisch laufend zu erfassen oder rechentechnisch zu bestimmen. Bei der hier vorgestellten Vorgehensweise wurde der mechanische Antrieb zusammen mit dem Rad-Schiene-Kontakt als Zustandsraumodell beschrieben. Die Betrachtungen beruhen dann auf einer Frequenzganguntersuchung des eingeführten linearen Zustandsraummodells. Aufgrund der Linearisierung gelten die Ergebnisse der Frequenzgangsberechnung nur für den jeweiligen Betriebspunkt der Kraftschlußkennlinie, also für eine bestimmte Steigung. Variiert man nun die Steigung, so läßt sich der Einfluß der nichtlinearen Kraftschlußkennlinien ermitteln. Zur Messung von Frequenzgängen eignen sich insbesondere Verfahren der Orthogonalen Korrelation. Die technische Realisierung wird skizziert. Die Meßinformation ist dann die Basis für eine Regelung, die ein permanentes optimales Fahren im Kraftschlußmaximum zuläßt und zwar beim Beschleunigen und beim Bremsen. Das beschriebene Meß- und Regelungsverfahren ist derzeit in der Schweiz in der Betriebserprobung.
Ein neuer Ansatz wurde für mobile Roboter zur gleichzeitigen 3D (Drei-Dimensionaler) Kartierung und Lokalisierung vorgestellt. Die Grundlage bilden attributierte Flächenmodelle, die z.B. von segmentierten Laserscanner-Tiefenbildern stammen. Zur Optimierung der Gesamtähnlichkeit zwischen Flächenmodellen unter Zeitbedingungen werden mehrere Verfahren (Beschränkte Baumsuche, Iterative Verfeinerung, Evolutionäralgorithmus) kombiniert. Es wird speziell anhand der Ähnlichkeitsmaße gezeigt, wie das Wissen über die Lage stufenweise generiert und verwendet wird. Erste Messungen an realen segmentierten Tiefenbildfolgen zeigen, dass das Verfahren unbekannte übelappung, Verdeckung und Segmentierungsfehler toleriert sowie Echtzeitpotenzial besitzt.
Die Verarbeitung analoger Signale durch digitale Techniken ist durch die enorme Leistungsfähigkeit der Prozessoren zwischenzeitlich zum Standard geworden. Eine hinreichende Genauigkeit der digitalen Verarbeitung kann durch Wahl der notwendigen Wortbreite relativ einfach bewerkstelligt werden, wobei der Aufwand mit zunehmender Wortbreite linear, teilweise auch quadratisch steigt. Zum Flaschenhals in der Verarbeitung wird aber häufig die Wandlung der analog vorliegenden Signale in digitale Signale, ebenso die Rückwandlung der digitalen Signale in analoge Spannungs- oder Stromverläufe. Der Aufwand für diese teils analogen, teils digitalen Systeme steigt oft exponentiell mit der geforderten Genauigkeit bzw. Auflösung der Systeme und erfordert in konventioneller Technik bei hoher Auflösung aufwendige Maßnahmen auf dem Chip. Oversampling- und Rauschfärbungs-Methoden sind in der Verarbeitung von Audio-Signalen schon seit langem probate Mittel, um die Auflösung mit moderatem Aufwand zu erhöhen. Derartige Techniken werden zwischenzeitlich auch gerne im Bereich der Antriebstechnik, wo die Anforderungen an die erforderliche Positioniergenauigkeit zunehmen, eingesetzt. Ziel des Vortrags ist eine leicht verständliche Einführung in die Themengebiete der Überabtastung und der Rauschfärbung und ihre Anwendung im Hinblick auf Rundungsvorgänge im digitalen Bereich, in D/A-Wandlern und A/D-Wandlern vom Delta-Sigma-Typ.
Die Einhaltung der innerhalb der Designphase festgelegten Architektur eines Softwareprojektes muss w ̈ahrend der Entwicklungsphase sichergestellt werden. Dieses Papier beschreibt eine Erweiterung des Eclipse-Plugins JDepend4Eclipse, die die Verwaltung von Regels ̈atzen erlaubt und die Pr ̈ufung auf in einem Projekt vorhandene, unerlaubte Abh ̈angigkeiten auf Knopfdruck innerhalb der Entwicklungsumgebung vornimmt. Die Erweiterung des Plugins wird bereits erfolgreich in internen Projekten der Hochschule Offenburg eingesetzt und soll demn ̈achst ̈offentlich verf ̈ugbar sein.
Die direkte Vermarktung von Strom aus Wind und Sonne stellt einen wichtigen Schritt der Energiewende dar. Einerseits kann durch die Marktintegration die Unabhängigkeit von EEG-Subventionen gelingen. Andererseits wird über diese Mechanismen die Stromerzeugung an der Nachfrage orientiert, wodurch zur Stabilität des Stromnetzes beigetragen wird. Ein Beispiel dafür ist die lokale Vermarktung von PV-Strom in einem Mietshaus. Für deren Umsetzung benötigen die Akteure ein Mess- und Steuerungssystem, dass vor Ort Zähler- und Anlagendaten erfasst und die Abrechnung der Mieter vereinfacht. Außerdem sollte es Kennwerte wie beispielsweise den PV-Anteil berechnen und gegebenenfalls ein Blockheizkraftwerk steuern. Weder die Zählersysteme der Messstellenbetreiber noch die Steuerungssysteme von PV- oder Blockheizkraftwerken erfüllen diese Anforderungen ausreichend. In der Forschung ist man währenddessen bereits einen Schritt weiter und arbeitet an technischen Systemen, die für wesentlich komplexere Energiesystem- und Markttopologien ausgelegt werden. In dieser Arbeit werden die neuen technischen Anforderungen der Direktvermarktung in einem Mietshaus identifiziert und mit dem Stand aktueller Marktprodukte sowie dem System »OpenMUC« aus der Forschung verglichen.
Die immer weitreichenderen Anwendungen des Smart Metering und des Smart Grid stellen immer höhere Anforderungen an Kommunikationstechnologien, die die Zielkonflikte aus Echtzeitfähige, Stabilität, Kosten und Energieeffizienz möglichst anwendungsoptimiert und auf einem immer höheren Niveau lösen. Insbesondere im Bereich der so genannten Primärkommunikation zwischen einem Sensor- oder Aktorknoten und einem Datensammler mit Gatewayfunktionalität konnten in den vergangenen Jahren wesentliche Fortschritte erzielt werden. Zu nennen sind hierbei insbesondere die Aktivitäten der ZigBee Alliance rund um den offenen Spezifikationsprozess des ZigBee Smart Energy Profiles (SEP) und der OMS-Gruppe beim ZVEI, die auf dem Wireless M-Bus nach EN13757-4 aufbauen, der sich seinerseits lebhaft und zielgerichtet weiter entwickelt. Der Beitrag diskutiert die vorhandenen Einschränkungen und die verfügbaren Lösungsansätze. Er illustriert diese anhand einiger öffentlich geförderter Projekte, an denen das Team des Autors beteiligt ist.
Immer mehr Anwendungen der Heim- und der Gebäudeautomatisierung werden vernetzt, weil damit erweiterte Funktionen ermöglicht oder Kosten gespart werden können. Dabei führt eine Reihe von Aspekten zu einem erhöhten Risiko für diese vernetzten Systeme. Gegenwärtig arbeiten verschiedene Gruppen an Sicherheitslösungen für die vernetzte Heim- und Gebäudeautomatisierung. Der Beitrag gibt einen Überblick über diese Aktivitäten und zeigt die wesentlichen Entwicklungsrichtungen auf.
E-Tutoren-Ausbildung: Lernerfahrungen reflektieren – Lehrhandlungskompetenzen dialogisch aufbauen
(2014)
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.
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.
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.
MPC-Workshop Juli 2018
(2018)
MPC-Workshop Februar 2016
(2016)
MPC-Workshop Juli 2015
(2015)
MPC-Workshop Februar 2015
(2015)
MPC-Workshop Juli 2014
(2014)
MPC-Workshop Februar 2014
(2014)
MPC-Workshop Juli 2013
(2013)
MPC-Workshop Februar 2013
(2013)
MPC-Workshop Juli 2012
(2012)
MPC-Workshop Februar 2012
(2012)
MPC-Workshop Juli 2011
(2011)
MPC-Workshop Februar 2011
(2011)
Tagungsband zum Workshop der Multiprojekt-Chip-Gruppe Baden-Württemberg, Reutlingen, 9. Juli 2010
(2010)
Tagungsband zum Workshop der Multiprojekt-Chip-Gruppe Baden-Württemberg, Göppingen, 5. Februar 2010
(2010)
Tagungsband zum Workshop der Multiprojekt-Chip-Gruppe Baden-Württemberg, Karlsruhe, 10. Juli 2009
(2009)
Tagungsband zum Workshop der Multiprojekt-Chip-Gruppe Baden-Württemberg, Künzelsau, 6. Februar 2009
(2009)
Tagungsband zum Workshop der Multiprojekt-Chip-Gruppe Baden-Württemberg, Konstanz, 4. Juli 2008
(2008)
MPC-Workshop Juli 2007
(2007)