Hardware-kompatible Messdatenkomprimierung. Benjamin Steinwender, MSc KAI Kompetenzzentrum Automobilund Industrie-Elektronik GmbH, 9500 Villach

Transkript

1 Hardware-kompatible Messdatenkomprimierung für LabVIEW FPGA Benjamin Steinwender, MSc KAI Kompetenzzentrum Automobilund Industrie-Elektronik GmbH, 9500 Villach

2 Agenda Leistungshalbleiter & Stresstest KAI Herausforderungen bei der Datenaufzeichnung Lösungsmethode & Implementierung Ergebnisse

3 Leistungshalbleiter in Automotive Halbleiter anstelle von Relais, Sicherungen Gewicht / Platzbedarf Wachsende Leistungsdichte durch Miniaturisierung Steigende Verlustleistung im Fehlerfall (Kurzschluss) Zuverlässigkeit & Robustheit in Automobilumgebung gefordert (-40 C C) BMW light modules

4 Stresstest KAI ACUTE - Kurzschlusstestsystem Entwickelt IFX KAI parallele Test Kanäle 60V / 500A (geschützt) 4x NI PXI-7813R (160 DIOs) Test Standard AEC Q (2006) Redesign KAI IFX (VIH & MUC) & KAI SMART device on test circuit board Climate chamber with Devices set up for testing ACUTE short circuit control & driver unit

5 Messdaten Regulärer Testpuls (nach AEC) Kurzschlussdauer ms Wiederholrate ~ 10 s Ausfallereignis DMOS fällt mit Kurzschluss aus Treiberschalter erkennt Kurzschluss und schaltet ab Datenerfassung 32x SPI AD-Wandler (V & I) ks/s Overtemperature Shutdown - Restart Drain Current Drain-Source Voltage (Load is shorted!)

6 occurences in a typical waveform Datenaufzeichnung Limitierte Ressourcen am FPGA Messwerte via SPI Block RAM 4 x x 2 (V & I) x 16 bit Wortbreite (14 bit Daten) 12,5% unbenutzter Speicherplatz Sukzessive Abtastwerte typisch geringe Differenz abs(difference)

7 Kompressionsverfahren verlustfreie Kompression Wörterbuchkompression Entropiekodierung Huffman / Arithmetische Kodierung Universelle Kodierung

8 Kompressionsverfahren verlustfreie Kompression Ersetzen wiederkehrender Muster durch kürzere Symbole (Index) Wörterbuch am FPGA Wörterbuchkompression Entropiekodierung Unterschiedlich lange Bitfolgen für jedes Symbol Verringerung der Gesamtanzahl an Bits Huffman / Arithmetische Kodierung Universelle Kodierung

9 Kompressionsverfahren verlustfreie Kompression Wörterbuchkompression Entropiekodierung Monotone Wahrscheinlichkeitsverteilung der Eingabewerte wird angenommen kleine Zahlen werden mit weniger Bits kodiert benötigen bekannte Wahrscheinlichkeitsverteilung der Eingabe Huffman / Arithmetische Kodierung Universelle Kodierung

10 Lösungsmethode Fibonacci-Kodierung Universeller Zahlencode Effiziente & einfache Hardware-implementierung (FPGA) Zeckendorf-Theorem Jede natürliche Zahl kann in eine Summe von nicht aufeinanderfolgenden Fibonacci- Zahlen zerlegt werden. Kein Datenwort hat eine 11 Sequenz Anfügen des Stopp-bits für variable Wortlänge Fibonacci-Reihe

11 Lösungsmethode Implementierung im LV FPGA 1. Differenzbildung & Wandeln in positive Integer 2. Kodierung nach Fibonacci 3. Packen in den 32 bit Speicher

12 Implementierung (1) Differenzen (signed Integer) Abbildung auf positive Integer Differenz (+1 bit) Abbilden von (0, 1, -1, 2, -2, ) (1, 2, 3, 4, 5, ) Wertebereich:

13 Implementierung (2) Fibonacci-Kodierung Zerlegung des Datenwortes in Fibonacci-Zahlen 1 bei Verwendung der Zahl 0 Fibonacci Zahl wird nicht verwendet + 1 Stoppbit F(0) F(1) F(2) F(3) F(4) F(5) F(6) F(7) F(8) F(9) F(10) F(11) additional (dec) = (fibonacci) Größtes vorkommendes Datenwort: Fibonacci-Zahlen max. 23 bit

14 Implementierung (2) Länge: 11 Register Endwert Stoppbit

15 Implementierung (3) Einfügen in den 32 bit Speicher Vergleichen des neuen Datenwortes mit dem verfügbaren Platz Aufteilen, falls nicht ausreichend Platz im Register Ausgabe des vollen 32 bit Wortes

16 Dekodieren Suchen nach den Stoppbits Aufteilen des Datenstroms Umkehren des Kompressionsvorganges Dekodieren der Fibonacci Datenwörter Zuweisung der positiven Integer in Differenzen Berechnen der Absolutwerte

17 Ergebnisse Strom- & Spannungskurvenformen werden kodiert 4 12 Bit Wörter überwiegen (7.82 Bit Durchschnitt) erreichte Kompression 24.5%

18 Zusammenfassung Lebensdauertests erzeugen rasch sehr viele Messdaten Kodierungsverfahren für den Einsatz am FPGA vorgestellt Echtzeitfähig Effizienteres Speichern von Messdaten Schnelleres Übertragen der Messdaten Erzielte Kompression 24,5%

19 Danke für die Aufmerksamkeit