Proposal to an architecture for signal processing using FPGA

Orientador: Eurípedes Guilherme de Oliveira NóbregaDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: Esta dissertação apresenta um sistema para processamento digital de sinais através de dispositivos de hardware reconfigurável. Uma implementação do algoritmo FFT foi adotada como meio para avaliar o desempenho da arquitetura proposta para o sistema. O processamento digital de sinais tradicionalmente tem um alto custo computacional, pois os algoritmos são implementados em software, o que pode não atender as restrições de tempo de aplicações reais. O objetivo principal deste trabalho é desenvolver uma arquitetura para adquirir os sinais através de módulos de aquisição de dados distribuídos em uma rede e processá-los usando um FPGA. Um microcontrolador da FreeScale Semiconductors'MARCA REGISTRADA' foi adotado como módulo de aquisição de dados, executando um sistema operacional de tempo real (RTOS) para garantir os requisitos temporais. Foi implementado o processador soft-core NIOS 2 da Altera'MARCA REGISTRADA' executando também um RTOS com recursos de comunicação em rede, incluindo um periférico escrito em VHDL para o processamento da FFT usando uma estrutura de pipeline baseada em estágios e comunicação direta ao barramento do processador. A versão em hardware do algoritmo obteve uma redução de até 2000 vezes no tempo de processamento da FFT comparado com a mesma versão implementada em software, alcançando um tempo de processamento de 3.9 microssegundos para sinais discretizados em 256 pontos, quando usado 100MHz de clock. A quantidade de pontos pode ser facilmente aumentada alterando-se apenas o núcleo do periférico desenvolvido, e os resultados permitem adotar a arquitetura proposta para aplicações em tempo real de processamento digital de sinaisAbstract: This work presents a digital signal processing system based on reconfigurable hardware. Implementation of the FFT algorithm is used as a mean to assess the adopted configuration performance. Digital signal processing algorithms are in general software implemented, incurring high computational cost, which may not attend the real-time constraints of real applications. The main objective of this work is to develop an FPGA based architecture to process signals acquired through a distributed network of data acquisition modules. A microcontroller from FreeScale Semiconductors'TRADE MARK' was adopted as data acquisition module, running a real-time operating system (RTOS) to guarantee timing requirements. The soft-core processor NIOS 2 from Altera'TRADE MARK' , also running an RTOS with network communication capabilities, was implemented including a peripheral module written in VHDL for the computation of the FFT, which uses a pipeline-based stage structure and directly communicates with the processor bus. The hardware version of the algorithm achieved a reduction up to 2000 times in the FFT processing time compared to the same version implemented in software, reaching a processing time of 3.9 microseconds for 256 points sampled signals when using 100MHz of clock. The number of points can be easily increased just changing the core of the developed peripheral module, and the results permit to expect adequate real-time application of digital signal processing adopting the proposed configurationMestradoMecanica dos Sólidos e Projeto MecanicoMestre em Engenharia Mecânic