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La realizzazione rapida di prototipi elettronici: ENova e Università lavorano alla messa a punto di metodologie per lo sviluppo rapido

Nell’ambito della realizzazione di sistemi per il prototipaggio rapido sono state sviluppate tecniche per la messa a punto di architetture di sottosistemi elettronici altamente programmabili da sfruttare come piattaforma hardware per classi di applicazioni

Chi è eNova

eNova riassume nel suo nome due elementi chiave per la nostra società: Elettronica e Innovazione. Infatti la missione di eNova è di supportare l’innovazione di prodotto e di processo attraverso lo studio, la progettazione e la realizzazione di sistemi elettronici avanzati.

Tale obiettivo può essere raggiunto solo mediante la sinergia di diverse competenze che vanno dallo studio degli algoritmi, alla definizione del sistema di acquisizione, trattamento e restituzione delle informazioni, alla realizzazione fisica del sistema progettato. Infatti, per sviluppare sistemi veramente innovativi è necessario che tali competenze siano presenti all’interno del gruppo di progetto e con un notevole livello di approfondimento. Inoltre è anche richiesto un continuo aggiornamento di esse per seguire le evoluzioni di settori strategici per la società moderna.

eNova è organizzata per rispondere alle esigenze indicate in precedenza attraverso soluzioni flessibili. In particolare, l’esperienza eterogenea dei diversi componenti il gruppo di progettazione (con esperti in algoritmi di processamento, in progetto di sistema, in sviluppo hardware, in sviluppo software e nella realizzazione fisica di sistemi elettronici) ha consentito di coprire in modo efficace tutti gli aspetti coinvolti nella realizzazione di un sistema elettronico.

eNova ha impostato una politica di stretta collaborazione con l’Università, mediante la quale è possibile introdurre direttamente nel ciclo di progetto e sviluppo i risultati della ricerca più avanzata. Ciò è vero per tutti gli aspetti coinvolti nel ciclo di progettazione; in eNova, ad esempio, è possibile sviluppare applicazioni che usino i più recenti algoritmi per il processamento delle informazioni (immagini e audio), per le telecomunicazioni e per il controllo, nonché le più recenti tecnologie sia relative ai sistemi programmabili che ai dispositivi per le comunicazioni elettriche ad elevata velocità (centinaia di MHz).

L’obiettivo finale di eNova è quello di applicare tali competenze innovative in un contesto di qualità industriale, obiettivo che è stato raggiunto attraverso un mix tecnico basato su una forte integrazione di progettisti provenienti sia dall’industria sia dall’università. Proprio questa disponibilità di diverse competenze ed estrazioni in un’azienda di piccole dimensioni fa di eNova un attore particolare nel settore della progettazione di sistemi elettronici per l’innovazione di prodotto e di processo. Le piccole dimensioni, infatti, consentono una stretta interazione fra le diverse figure tecniche e, grazie anche ad una rilevante rete di collaborazioni con specialisti dei vari settori d’interesse, una forte flessibilità della struttura.

 

Descrizione sistema di prototipazione rapida

 

Le attuali esigenze industriali di innovazione di processo e di prodotto richiedono lo sviluppo in tempi sempre più ridotti di sistemi elettronici caratterizzati da una crescente complessità. Un ulteriore elemento di criticità nello sviluppo di sistemi complessi è l’interazione sempre più forte che il sottosistema elettronico deve avere con altri sottosistemi di differente natura (ad esempio di tipo meccanico o termico). Spesso l’interazione fra questi diversi elementi è molto difficile da modellare e quindi una caratterizzazione e validazione del sistema risultante è complessa sia da un punto di vista teorico che da un punto di vista simulativo.

Per questi motivi la validazione rapida di un sottosistema elettronico e la sua integrazione in un sistema eterogeneo (anche con parti non elettroniche) richiede un’evoluzione delle tecniche di progettazione utilizzate nel passato al fine di seguire lo sviluppo della tecnologia elettronica.

Questo articolo descrive la metodologia sviluppata da eNova che opera su due diversi livelli:

1)    A livello di componente elementare (circuito integrato) mediante l’utilizzo di dispositivi altamente riprogrammabili sia per la parte software che per la parte hardware;

2)    A livello di architettura (scheda) elettronica mediante lo sviluppo di piattaforme riconfigurabili adatte ad una classe di applicazioni.

Il primo elemento sfrutta i nuovi trend delle tecnologie elettroniche che da un lato permettono livelli d’integrazione elevati ma che, nel contempo, richiedono investimenti non ricorrenti estremamente elevati. Per tali motivi un certo numero di aziende presenti nel settore della componentistica elettronica hanno sviluppato e stanno producendo dispositivi riprogrammabili per la realizzazione hardware di sistemi elettronici chiamati Field Programmable Gate Array (Matrice di funzioni logiche riconfigurabili in campo) o brevemente FPGA. Con tali dispositivi la realizzazione di un sistema hardware è, da un punto di vista dei costi non ricorrenti, simile a quella di un sistema software. Infatti la funzione da realizzare viene impostata chiudendo ed aprendo una serie di interruttori (anche alcuni milioni) presenti nel dispositivo. La configurazione degli interruttori suddetti può essere memorizzata in una memoria esterna, può essere modificata e rinviata all’FPGA più volte. Ciò significa che una FPGA può svolgere diversi compiti ed quindi possibile realizzare diverse funzionalità semplicemente modificando la sua configurazione sulla memoria esterna e inviandola alla FPGA stessa. Ovviamente l’alta complessità delle FPGA attuali richiede una notevole competenza dei progettisti digitali che, a differenza di chi sviluppa il software ad alto livello, devono conoscere e capire la struttura interna del dispositivo al fine di sfruttarne al meglio le caratteristiche.

L’altro aspetto fondamentale per ridurre i tempi di sviluppo è costituito dall’utilizzo di un approccio di progettazione basato su piattaforme riconfigurabili. In questo caso si analizza una classe di applicazioni che appaiono omogenee in termini di funzionalità da realizzare e si cerca di mettere a punto un’architettura che, partendo da componenti riconfigurabili, sia in grado di soddisfare le richieste del maggior numero possibile di applicazioni appartenenti alla classe individuata. L’adattamento ad una specifica applicazione dovrebbe avvenire esclusivamente attraverso un processo di programmazione.

Da parecchio tempo eNova, in collaborazione con l’Università, sta lavorando alla messa a punto di metodologie per lo sviluppo rapido di prototipi elettronici. Tali attività hanno portato a mettere a punto delle librerie di IP (Intellectual Properties) sia di tipo hardware che di tipo software. Si tratta in sostanza di funzioni specifiche, altamente parametrizzate e descritte in opportuni linguaggi di programmazione. A partire da tali funzioni è possibile definire l’elemento elettronico relativo alla particolare applicazione scegliendo i valori opportuni per i parametri introdotti. Ad esempio nella libreria hardware è disponibile una funzione per la compressione automatica delle immagini. Per tale funzione è possibile definire il numero di pixel ed il livello di compressione. Una volta richiamata dalla libreria tale funzione, e dopo aver impostato il valore dei due parametri indicati in precedenza, si può attivare un processo di sintesi che genera automaticamente la configurazione della FPGA sulla quale quindi sarà realizzato un compressore d’immagini hardware. Tale compressore avrà delle prestazioni in termini di velocità estremamente superiori rispetto a qualunque realizzazione software.

Nell’ambito della realizzazione di sistemi per il prototipaggio rapido sono state sviluppate tecniche per la messa a punto di architetture di sottosistemi elettronici altamente programmabili da sfruttare come piattaforma hardware per classi di applicazioni. Un esempio di architettura di questo tipo è mostrata nella figura 1. Si tratta di una scheda di acquisizione, trattamento e trasferimento di immagini provenienti da sensori ottici per la realizzazione rapida di scanner ad elevate prestazioni. La scheda è in grado inoltre di gestire tutta la meccanica necessaria per realizzare un sistema di scansione di immagini, anche con acquisizione contemporanea fronte retro, con capacità di stampa. La comunicazione verso il mondo esterno avviene mediante USB2.0 HS ma si sta lavorando ad una versione successiva che integri anche Gigabit Ethernet.

Come mostrato in figura, l’architettura pone al centro una FPGA che opera sia come elemento di processamento riconfigurabile ma anche in termini di interconnessione riprogrammabile. C’è inoltre un microcontrollore che gestisce le funzionalità ad alto livello (ad esempio gestisce la partenza della calibrazione del sensore ottico). La parte analogica è stata progettata in modo da consentire il riutilizzo con diversi tipi di sensori (CIS, CMOS, CCD, …) e con diversi livelli di segnale.

La riprogrammabilità dell’FPGA consente di utilizzare diversi algoritmi di correzione delle informazioni ricevute dal sensore, in funzione delle caratteristiche dello specifico sensore utilizzato. In essa possono oltre essere aggiunti altri moduli di elaborazione delle immagini, come, ad esempio, quelli necessari per la compressione del segnale.

L’architettura realizzata permette, da un punto di vista elettronico, di arrivare ad una velocità di scansione superiore alle 120 pagine al minuto. Tale limite è in realtà legato alla massima velocità di comunicazione del sistema verso il mondo esterno che è effettuata mediante interfaccia USB2.0. Tale interfaccia garantisce un velocità massima di 480 milioni di bit al secondo (480 Mbit/s).

Nella figura 2 è mostrata la foto della scheda che realizza l’architettura descritta. Come è possibile osservare, tale scheda risulta essere estremamente compatta e compatibile con i vincoli meccanici imposti tipicamente nella realizzazione di prototipi. La figura 3 mostra l’intero sistema comprensivo della parte meccanica.

 

 

Fig. 1 Architettura della piattaforma hardware per scanner.

 

 

Fig. 2 Scheda che realizza la piattaforma hardware per scanner.

 

 

Fig. 3 Sistema comprensivo della parte meccanica.

 

 

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