FPGAs an der Hochschule München in Lehre und Forschung. Christian Münker, Hochschule München

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1 FPGAs an der Hochschule München in Lehre und Forschung Christian Münker, Hochschule München

2 Überblick Hochschule München 2 Gegründet 1971 Eine der größten Hochschulen für angewandte Wissenschaften Deutschlands Ca Studenten [ET: ~ 1000] 470 Professoren [ET: ~45] 14 Fakultäten mit 60 Studiengängen, 29 Bachelor, 2 Diplom, 29 Master ET: Bachelor für ET und IT, für Regenerative Energien und für Geotelematik Master für Electrical Engineering und für Systems Engineering

3 Bachelor Elektrotechnik und IT 3 Wahlpflichtfächer 1 Wahlpflichtfächer 2 Allgemeine ET (AE) Autom.-technik (AT) Schwerpunkte Komm.-technik (KT) Tech.Informatik (TI) Bachelorarbeit Praxissemester (ca. 26 Wochen FPGA Stunden (45min) pro Woche Weiche Fächer Schaltungen, Felder, Nachrichtentechnik Physik, Regelungstechnik Mechanik, Werkstoffe Digitaltechnik, IT

4 Agenda 4 Was ist ein FPGA? FPGAs in der Forschung FPGAs in der Lehre Wie geht s weiter?

5 FPGA = Field Programmable Gate Array 5 NI Programmable Interconnects Logic Blocks I/O Blocks

6 FPGA Logik-Implementierung aus Labview 6 NI Implementing Logic on FPGA: F = {(A+B)CD} E E LabVIEW FPGA Code F A B C D

7 Motivation für den Einsatz von FPGAs 7 Hohe Zuverlässigkeit Im System rekonfigurierbar Lange Lebenszyklen Performance: Parallelisierung Hohe Taktraten Geringe, reproduzierbare Latenz

8 Typische Anwendungsgebiete für FPGAs Bildverarbeitung (Driver Assistance Systeme, medizinische Bildgebung Rechenleistung, Parallelisierung) Schnelle Regelungen (Vektor- und observerbasierte Motorsteuerungen geringe, definierte Latenzzeit ) Kommunikationssysteme (Pay-TV, 3D-TV, Smartphones und Basisstationen Rechenleistung, Rekonfigurierbarkeit) Messsysteme ( komplexe Real-Time Signalverarbeitung, geringe Stückzahlen) High-Speed Datenübertragung ( Gb/s Serializer / Deserializer) Sind FPGAs die Kakerlaken nach Moore s Apolypse? 8

9 Agenda 9 Was ist ein FPGA? FPGAs in der Forschung FPGAs in der Lehre Wie geht s weiter?

10 Labor Leistungselektronik 10 Projekt Drahtlose Energieübertragung mit hoher Effizienz Hardware Full-Custom PCB mit Low-Cost FPGA- Evalboard Software Mathworks Simulink HDL Coder

11 Labor für Mustererkennung und KI 11 Projekte Verschiedene Robotersteuerungen und Projekte zur Bildverarbeitung Hardware NI crio, eigene Hardware Software Labview FPGA, proprietäre Software

12 Labor Schaltungstechnik 12 Projekt: Energieeffizienter ELA-Verstärker mit Impedanz-Überwachung

13 Labor Schaltungstechnik 13 Digitaler Class-D Verstärker, Kühlung nur über rückseitigen Heatspreader Hardware Full-Custom PCB mit Actel und Xilinx FPGAs Software Simulink System Generator, Actel Libero, Mentor Expedition

14 Labor Schaltungstechnik 14 Digitaler Class-D Verstärker FPGA: Real-Time Signalverarbeitung Anpassung an verschiedene Anforderungen und Systeme IP-Schutz

15 Agenda 15 Was ist ein FPGA? FPGAs in der Forschung FPGAs in der Lehre Weitere Entwicklungen

16 FPGAs in der Lehre 16 Einsatz von FPGA-Boards u.a. in den folgenden Lehrveranstaltungen / Praktika Mikroelektronik (Synthese einfacher Logikschaltungen aus VHDL-Code) Entwurf komplexer Digitalschaltungen (VHDL-Synthese) Digitale Signalverarbeitung auf FPGAs (Entwurf einer Multiraten-Frequenzweiche für Audioanwendungen mit Simulink / System Generator) Projekt Schaltungstechnik

17 Projekt Schaltungstechnik (1) Entwurf und Aufbau von Mixed-Signal Schaltungen in Teams von 5 10 Studierenden Beispiel: Energy Scavenging Audio-Leistungsmesser Verstärker aktueller Wert (55 W) Maximalwert (100 W) Lautsprecher

18 Projekt Schaltungstechnik (2) 18 Herausforderungen / Lernziele: Layout und Bestückung vorgefertigte FPGA-Tochterplatine Schaltungsentwurf Projektmanagement Teamwork VHDL-Erstellung und Synthese Komplexität der EDA- Tools (Mentor Graphics) Actel-FPGA Tochterplatine

19 Agenda 19 Was ist ein FPGA? FPGAs in der Forschung FPGAs in der Lehre Wie geht s weiter?

20 Herausforderung Komplexität 20 Xilinx ZYNQ-7000 System-On-Chip, 2x ARM Cortex A9 Processor Vergleichbar: - Actel Fusion, - Cypress PSoC, - Altera SoC

21 Herausforderung Entwicklungssoftware 21 Lernziel: DSP-Konzepte statt Beherrschung proprietärer Entwicklungsumgebungen Textbasierte Programmierung (VHDL) ist für die meisten Studierenden zu frustrierend Graphische Programmiersprache für besseres Systemverständnis und schnelle Einarbeitung

22 Beispiel: DSV auf FPGAs 22 Erarbeite Kernkonzepte der Digitalen Signalverarbeitung (DSV) auf FPGAs mit praktischen Beispielen aus der Audiotechnik: Basics: (Re-)Quantisierung / (Re-)Sampling / Fixpoint-Arithmetik / SNR Filter: Equalizer, Brummfilter, Wah-Wah, Flanger, Hall Multiplizierer: Ringmodulator, RMS-Berechnung Frequenzschätzung: Stimmgerät, Octaver etc. FFT: Vocoder, Real-Time Spektrum-Analyzer Nicht-lineare Signalverarbeitung: Kompressor, Limiter Status: Zwei Praktikumsversuche mit Simulink / System Generator, aber: Studierende müssen zu Hause selbst aktiv werden!

23 Ziele für Aktivierung der Studierenden 23 Software für Praktikum und Laptop Graphische Programmierumgebung, möglichst nicht FPGA-spezifisch Campuslizenz und Studierendenlizenzen verfügbar Simulink mit Fixpoint Toolbox und System Generator? Labview mit FPGA Modul? Hardware für jeden Studierenden Kostengünstig und robust FPGA-Evalboards? Eigene Entwicklung? Proprietäre Hardware (z.b. NI FPGA-Karten)?

24 Fragen? 24

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