SACOMP2014_EMBINST_v5

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SACOMP2014_EMBINST_v5

  1. 1. SISTEMAS EMBARCADOS PARA INSTRUMENTAÇÃO INTELIGENTE Adão Antonio de Souza Junior GET - Grupo de Eletrônica e Telecomunicações Engenharia Elétrica – IF Sul, Campus Pelotas 1
  2. 2. BACKGROUND... Formação Engenheiro Eletricista Mestrado em Engenharia: Instrumentação Doutorado em Computação Professor na E.E/IFSul Atuação Hardware:  Interfaces de aquisição  Processamento de Sinais  FPGA/DSP
  3. 3. GRUPO DE PESQUISA E O APL CIS  O GET, pelo lado do IF Sul, foi um dos primeiros grupos de pesquisa a se agregar ao Arranjo Produtivo Local Complexo Industrial da Saúde de Pelotas (Convênio Lifemed/IFSul – 2012).
  4. 4. CAVEAT EMPTOR  A partir da margem acadêmica do debate  Foco na questão: “Como estabelecer um grupo de pesquisa bem sucedido em incentivar o desenvolvimento tecnológico na área?”  É um dialogo e não uma tese estabelecida  Tenho meus vieses:
  5. 5. Sistemas Embarcados Aspectos Institucionais da pesquisa Aspectos Econômicos da área Interface com empresas ORGANIZAÇÃO DA APRESENTAÇÃO
  6. 6. SISTEMAS EMBARCADOS Automação (Ind./Com./Res.) Transportes Eletrônica de consumo Áudio e Vídeo Informática e mobilidade Telecomunicações Biomédica
  7. 7. O QUE SÃO SISTEMAS EMBARCADOS Sistemas aerosespaciais, telecomunicações (satélites )e defesa Primeiras menções a “Eletrônica Embarcada” (~95)  Eletrônica automotiva: ... adquirida pela Continental  Introdução dos carros com injeção eletrônica  Primeiros microcontroladores ultra compactos com flash (famílias ATMEL e PIC)
  8. 8. O QUE SÃO SISTEMAS EMBARCADOS Outras aplicações já eram comuns no parque industrial da RMPA:  Transportes:  Elevadores Sur, Aeromot Aeroeletrônica  Automação industrial:  Altus, BCM, Novus  Automação Comercial/Bancária:  Digicon/Perto, Shelter  Telecomunicações:  Digitel Parks  Instrumentação:  Elo, Embrasul  Biomédica:  Instramed
  9. 9. CARACTERISTICAS Computação não é o objetivo final do dispositivo (firmware/IP-core) Desempenho crítico de interfaces  Interfaces analógico-digitais (aquisição, acionamento, controle)  Interfaces de comunicação (barramentos, redes e sem fio) Alto grau de fragmentação de tecnologias de implementação  Elevado volume de NRE (Non Recurrent Engineering)  Forte dependência de soluções sob medida e proprietárias  No Brasil, por questões de escala, ASICs sempre estiverem fora do espaço de projeto.
  10. 10. SISTEMA EMBARCADO HÍBRIDO Instrumentação Controle Biomédica Automação
  11. 11. SISTEMAS EMBARCADOS DIGITAIS Telecomunicações Audio e vídeo Sistemas de defesa
  12. 12. UMA NOTA HISTÓRICA  No início da década de noventa  Sistemas mínimos, arquitetura Z80, x85 e 8051  Implementação em assembly  Hardware digital discreto e módulos analógicos ídem  IHM muito simples Ao final da década (e do milênio)  Microcontroladores compactos (PIC, ATMEL)  Implementação predominantemente em C  Implementação de hardware digital em FPGA  1992 Duas licenças Altera Maxplus I no estado (UFRGS)  Uso de PC para IHM (PC+VB ou Pascal  PowerPC+Linux)  Módulos de interface
  13. 13. A PESQUISA EM SISTEMAS EMBARCADOS Inicialmente pesquisa em microeletrônica  Muitos Sistemas Embarcados eram efetivamente ASICs  Problema econômico (escala)  Desenvolvimento de ferramentas e tecnologias de substrato. Pesquisa em prototipação rápida: chegar o mais rápido possível ao primeiro protótipo funcional  Ex.: Lockhead RASSP – Rapid Prototyping of Application Specific Signal Processors (~1995)  Grupo Silex (prof. Luigi Carro e Altamiro Susin, em 1995 )  “E se no futuro o hardware digital for uma commoditie, para onde se desloca o valor agregado?”
  14. 14. QUESTÃO DA PLATAFORMA  Em Sistemas Embarcados o firmware legado é fundamental.  A plataforma ajuda e ao mesmo tempo limita os desenvolvimentos.  Diversos esforços em colocar uma camada flexibilizando a interface software-hardware  Inicialmente na interface de arquitetura:  RISCO e 8051 configuráveis, SASHIMI. Microtradução, etc.  Mais recentemente no sistema:  Model-based development, etc. Legado •Aplicações pré- existentes Sistema •Compatibilidade de mapeamento e periféricos Arquitetura •Compatibilidade de código Hardware •Ligação física flexível P/Ex: Ito, S.A. ; CARRO, L. ; Jacobi, R.P. . Making Java work for microcontroller applications. IEEE Design and Test of Computers, Estados Unidos, v. 18, p. 100-110, 2001.
  15. 15. CASOS SOBRE PLATAFORMAS Caso 1: Empresa de automação de equipamentos pneumáticos usava PC e Visual Basic no desenvolvimento. Encomendou projeto compacto usando DSP C25 TI a UFRGS. Projeto foi bem sucedido mas tiveram de subcontratar a manutenção do software. Caso 2: Pequena empresa de equipamentos de telecomunicação realizava todos os projetos em esquemático (projetos legados). Entendeu o potencial de síntese lógica sobre FPGA, contratou equipe e substituiu chips israelenses. Em poucos anos chegou a +200 engenheiros e linha de produção.
  16. 16. QUESTÃO DAS INTERFACES EXTERNAS  Alguns elementos de um Sistema Embarcado tem de ser analógicos:  Conversores AD e DA;  Filtros anti-alias  Tranceivers de corrente  Interfaces de RF  Lei de Moore não se aplica a interfaces AD  ADC ganho linear  Processamento exponencial  O que fazer com o processamento sobrando? Murmann, Boris. "Digitally assisted analog circuits." IEEE Micro 26.2 (2006): 38-47.
  17. 17. COMPENSAÇÃO DIGITAL DE NÃO IDEALIDADES ANALÓGICAS Usar a capacidade digital ociosa para aumentar a flexibilidade dos blocos externos de interface. CARRO ; NEGREIROS ; JAHN ; SOUZA JUNIOR, A. A. ; FRANCO . Circuit-Level Considerations for Mixed-Signals Programmable Components. IEEE Design & Test of Computers (Print), v. 20, p. 76-84, 2003.
  18. 18. EXEMPLO DE APLICAÇÃO: GERAÇÃO DIGITAL DE TOM DE RF Possível gerar tons na faixa de GHz para testar transceivers de RF usando saídas digitais diretas. Negreiros, M.; Souza, A.; Carro, L.; Susin, A.A., "RF Digital Signal Generation Beyond Nyquist," VLSI Test Symposium, 2007. 25th IEEE , vol., no., pp.15,22, 6-10 May 2007
  19. 19. NOVO GRUPO DE PESQUISA: VISÃO  Projetos devem ser realizados top-down, para garantir o máximo de espaço para se flexibilizar o hardware.  Projeto baseado em modelagem.  Processamento digital ultrapassa a capacidade das interfaces  Sempre que possível usar modelagem para simplificar blocos analógicos.  Projeto de sistema híbrido começa no modelo do canal com o mundo físico.  Uso de sistemas adaptativos e inteligentes (Instrumentação Inteligente)  Aplicações padrão na época do ingresso no IF (2005)
  20. 20. CONTEXTO INSTITUCIONAL DA PESQUISA NO GRUPO Origem do grupo de pesquisa e razões para o envolvimento com o Arranjo Produtivo Local
  21. 21. VERTICALIZAÇÃO DA ETFPEL Em 2000 é transforma-se em CEFET-RS e passa a ofertar graduações tecnológicas em Pelotas e Sapucaia do Sul. Grande esforço é feito na qualificação do quadro docente com mestres e doutores. Em 2005 se fazem os primeiros concursos para mestres e doutores. Também em 2005 é lançado o Núcleo de Pesquisas (NUPES) Em 2006 são registrados os Grupos de Pesquisa  Surge o Grupo de Eletrônica e Telecomunicações Em 2007 dois cursos de tecnologia originam a Engenharia Elétrica.
  22. 22. QUALIFICAÇÃO DOCENTE A maioria dos docentes, mesmo no campus Pelotas já é composta por mestres e doutores.
  23. 23. DESAFIOS DA FRAGMENTAÇÃO  De uma dúzia de campus para mais de quarenta no estado.  De quatro campus industriais para mais de vinte.  De único e maior CEFET do estado para segundo maior entre três (IFRS com sede em Bento Gonçalves é o maior).  Importante focar nos pontos fortes:  Segunda mais alta avaliação de graduações (IGC 3.5829) entre  25a posição entre todas as instituições federais, incluindo uni  4ª posição entre as federais no estado.  Grande rede de contatos técnicos e de chão de fábrica.
  24. 24. TRANSIÇÃO DEMOGRÁFICA A transição demográfica significa que precisamos repensar a formação como processo contínuo. 14 a 24 anos16ª 30 anos
  25. 25. MATRÍCULAS (E ORÇAMENTO) SÃO AFETADAS PELAS MUDANÇAS É importante ter clareza do papel dos institutos na formação tecnológica.
  26. 26. INSTITUTOS FEDERAIS: PRINCÍPIOS E OBJETIVOS Compromisso com a Educação Profissional  50% Cursos técnicos Verticalização do ensino  Engenharias  Graduações Tecnológicas Déficit de qualificação  Entrosamento com a rede de ensino  Entrosamento com o mundo do trabalho Pesquisa aplicada e inovação  Ligação aos arranjos locais de produção
  27. 27. PROBLEMAS ... No Brasil, apesar de os CEFETs existirem desde a década de setenta, o modelo é pouco assimilado.  Todos somos oriundos de universidades. Pesquisas são ligadas genealogicamente:  Instituições novas tem muitos pesquisadores sem ligações comuns  No nosso caso temos o mesmo perfil de pesquisa de nossos orientadores. Não conhecemos a realidade das empresas. O marco legal é ruim.
  28. 28. O GRUPO DE PESQUISA O inicio da formação de grupos de pesquisa se dá na época da transição entre CEFET e IF Inicio dos grupos Formaturas
  29. 29. A PRIMEIRA VERSÃO DO GRUPO  Grupo com professores ligados a três cursos:  Automação Industrial  Telecomunicações  Especialização em Microeletrônica  Linhas de pesquisa ligadas as áreas de cada um:  Sistemas para TV Digital  Prototipação e Teste de Circuitos Analógicos e Digitais  Processamento de Sinais e Imagem  Métodos Matemáticos para Eletromagnetismo  Projeto Transpetro  Primeiras bolsas de IC
  30. 30. LINHAS DE PESQUISA, PROJETOS E CONVÊNIOS (GET) Inicialmente seguiu- se a tradição de manter linhas de pesquisa ligadas a alma mater.
  31. 31. ALGUNS RESULTADOS  Indicadores começaram positivos  Dezenove artigos em eventos de níveis variados.  Sete orientações de TCC e uma de especialização.  Nove orientações de IC concluídas.  1 Projeto com Empresa  Porém:  Artigos ligados as instituições de origem de cada um  Nenhuma colaboração entre membros  Temas locais não se aprofundaram  Produção caiu rapidamente  Hiato de alunos encerrou essa fase  Uma boa experiência (Transpetro)
  32. 32. O CASO DO PROJETO TRANSPETRO Prova de conceito de tecnologias de baixo custo para berthing system
  33. 33. PORQUE FUNCIONOU  Monitoramento de atracação  Sistemas usando radar  Sistemas usando laser  Acionado manualmente a 20m Problema compartilhado  Uso de plataforma comum de desenvolvimento  Análise dos sistemas in loco  Garantias de proteção intelectual e baixo compromisso financeiro inicial Resultados:  Prova de conceito inovadora a baixo custo  Bolsas de IC, diárias e transporte.  Aprovação para fase 2
  34. 34. O QUE FAZ UM GRUPO DE PESQUISA  Bons problemas comuns  Inovação: Conhecimento tanto do estado da arte quanto da realidade produtiva  Ferramentas compartilhadas:  Modelagem e linguagem matemática de representação  Plataformas de desenvolvimento  Fluxo contínuo de bolsistas  Transmissão de know-how tem de ser entre bolsistas O que é e como trabalhar a questão da inovação e do desenvolvimento tec
  35. 35. ASPECTOS ECONÔMICOS DA ÁREA DE PESQUISA Conhecer a realidade industrial é importante para se saber onde e como é possível inovar. Hausmann, Ricardo, and César A. Hidalgo. The atlas of economic complexity: Mapping paths to prosperity. MIT Press,
  36. 36. DESENVOLVIMENTO TECNOLÓGICO  Pesquisa é uma forma de poupança de risco.  A opção pela pesquisa será feita se for a melhor estratégia de sobrevivência para a empresa. O que leva ao desenvolvimento econômico?  Governança e boas instituições  Educação e capacitação tecnológica  Capacidade competitiva Hidalgo, C. A.; Hausmann, R.. “The building blocks of economic complexity”. PNAS 2009. 106 (26) 10570- 10575; published ahead of print June 22, 2009.
  37. 37. CADEIAS DE RELAÇÃO ENTRE PRODUTOS E TECNOLOGIAS Desenvolve-se tecnologia de forma bem sucedida pela incorporação de nós adjacentes.
  38. 38. COMO SE AGREGA NOVAS CAPACIDADES?  Combinando capacidades previamente existentes na solução de novos problemas.
  39. 39. COMO SE AGREGA NOVAS CAPACIDADES? Agregando novas tecnologias chave que se combinam com as pré-existentes na solução de novos problemas.
  40. 40. COMO SE AGREGA NOVAS CAPACIDADES?  A tecnologia chave muitas vezes envolve o domínio de uma nova plataforma de desenvolvimento.
  41. 41. SISTEMAS EMBARCADOS NO ESTADO  Ranking 500 Maiores + 500 Emergentes, Revista Amanhã  Informática e Automação  Eletroeletrônicos  Máquinas e Equipamentos  No Rio Grande do Sul  165º Grupo Digicon (Gravataí) – Automação Comercial  191º Stara (Não-me-toque) – Agricultura de Precisão *  412º AEL Sistemas (Porto Alegre) – Aeroeletrônica e Defesa  477º Lifemed Ind. Eq. Médicos (Pelotas) – Equipamentos Médicos  526ª Altus Sistemas de Automação (São Leopoldo) – Automação Industrial  634º Parks S/A (Cachoeirinha) – Equipamentos de Telecomunicações.  636º Digitel S/A Industria Eletrônica (Alvorada) – Equipamentos de Telecomunicações.
  42. 42. DIVERSAS EMPRESAS DE TECNOLOGIA DE MENOR PORTE Apesar de menor porte muitas empresas são importante exportadoras.
  43. 43. IFES • Alunos e docentes • Ensino • Pesquisa • Temas inovadores • Indicadores de impacto acadêmico • Reconhecimento Empresas • Funcionários e associados • Produção • Desenvolvimento • Inovação • Indicadores econômicos • Relevância produtiva Como equacionar essa relação de forma produ ≠
  44. 44. IFES • Alunos e docentes • Ensino • Pesquisa • Temas inovadores • Indicadores de impacto acadêmico • Reconhecimento Empresas • Funcionários e associados • Produção • Desenvolvimento • Inovação • Indicadores econômicos • Relevância produtiva Muitos alunos irão trabalhar em ou criar emprO que ensinamos irá afetar o que será produzCurrículo não é nem pode ser treinamento tec (10/20 anos de formação x mudança tecnológica a cada 3/5)
  45. 45. IFES • Alunos e docentes • Ensino • Pesquisa • Temas inovadores • Indicadores de impacto acadêmico • Reconhecimento Empresas • Funcionários e associados • Produção • Desenvolvimento • Inovação • Indicadores econômicos • Relevância produtiva O que é inovador para uma empresa pode não gerar pesquisa original ≠
  46. 46. IFES • Alunos e docentes • Ensino • Pesquisa • Temas inovadores • Indicadores de impacto acadêmico • Reconhecimento Empresas • Funcionários e associados • Produção • Desenvolvimento • Inovação • Indicadores econômicos • Relevância produtiva Uma instituição de ensino não deve desenvolv produto (nem se presta bem a tarefa). ≠
  47. 47. ETAPAS DE PESQUISA E DESENVOLVIMENTO Modelo de P&D com seis etapas e três ciclos:  Ciclo conceitual: Desenvolve módulos ou elementos chave a partir do estado da arte (Pesquisa).  Ciclo de protótipo: Desenvolve, valida e testa protótipo de prova de conceito.  Ciclo de produto: Desenvolve, valida e testa protótipo de linha de produção.
  48. 48. Projeto Informacio nal Projeto e validação conceitual Validação de Protótipo Projeto de Protótipo Projeto de Produto Teste e Validação de produto • Maiores oportunidades de pesquisa original • Vários experimentos, testes de alternativas e análises de re • Projetos em linhas principais dos grupos de pesquisa • Proximidade com aplicações locais pode ou não ser um fator IFES
  49. 49. Projeto Informacio nal Projeto e validação conceitual Validação de Protótipo Projeto de Protótipo Projeto de Produto Teste e Validação de produto • Alguma possibilidade de produção de PI • Proteção de confidencialidade para isso é fundamental • Foco no desenvolvimento de know-how dentro do grupo • Desenvolvimento de plataformas • Bolsas de desenvolvimento tecnológico (pesquisadores associados) IFES
  50. 50. Projeto Informacio nal Projeto e validação conceitual Validação de Protótipo Projeto de Protótipo Projeto de Produto Teste e Validação de produto • Oportunidades de mercado • Protótipo de produção (cadeias de suprimento) • Teste e qualidade de produção • Normas e regulação. Empresas*
  51. 51. Projeto Informacio nal Projeto e validação conceitual Validação de Protótipo Projeto de Protótipo Projeto de Produto Teste e Validação de produto • Novas tecnologias chave • Proteção de confidencialidade é crucial • Novas plataformas e desenvolvimento de know-how • P&D é poupança de risco • Projetos de desenvolvimento via editais • Associação com empresas de P&D e startups Empresas*
  52. 52. SITUAÇÃO IDEAL  IFES mantém linha constante de pesquisa conceitual  Aprofunda qualificação de corpo docente e dos cursos.  Foco é sincronizar a pesquisa com temas de relevância para a realidade local.  Utilizam-se editais de pesquisa pura e IC.  Projetos com empresas expandem know-how do grupo  Foco em desenvolver RH e manter novas plataformas  Ecossistema de inovação (incubadoras, empresas de P&D, startups, pesquisadores associados)  Produto é a propriedade intelectual (projetos ‘blue sky’).  Projetos de transferência  Editais de pesquisador na empresa  Projetos de desenvolvimento de produto
  53. 53. RETOMADA DO GRUPO DE PESQUISA 1. Convênio para temas conjuntos e PI. 2. Editais IF/Empresa 3. Empresa/IF (RHAE)
  54. 54. AÇÕES DE RETOMADA Onde está nosso valor agregado? Resolução de problemas de instrumentação aplicando técnicas de modelagem, controle e compensação adaptativas a plataformas embarcadas. Duas linhas de pesquisa permanentes Prototipação de Sistemas Embarcados Aplicação de Sistemas Adaptativos  Linhas de pesquisa específicas por convênio Acréscimo de colaboradores eventuais Marco legal para propriedade intelectual Convênio GMC Fluído
  55. 55. AÇÕES DE RETOMADA Qualificação dos membros orientadores do grupo  Dois mestrados concluídos, um doutorado em andamento  Novos membros em modelagem, controle e processamento de sinais  Desenvolvimento de ferramentas comuns  Plataformas ARM/FPGA  Sistemas de aquisição e prototipação  Processamento de imagem e de sinal  Parcerias para prototipação de sistemas  Projetos de IC conjuntos com LAB14TRO
  56. 56. ALGUNS RESULTADOS  Dois projetos de inovação e transferência no convênio em andamento com empresa (Lifemed/GMC Fluído). Final em 2016.  Nove projetos de IC e IT concluídos.  Três projetos de IC em andamento.  Nove bolsistas atuais (SET, ITI, IC).  Seis orientadores (1 afastado).  4 PFC´s concluídos (3 convênio), 5 PFC´s em andamento (2 convênio)  Novo convênio firmado e projeto submetido (Contronic).
  57. 57. ALGUNS BONS PROBLEMAS DE MODELAGEM APLICADA Compensação de reverberação em aparelhos auditivos E outros...  Fusão de dados de múltiplos sensores para estimativa de pressão e pulsação.  Novas técnicas de detecção e separação de sinais biomédicos (HHT, CWT, ...)
  58. 58. BONS PROBLEMAS DE INTERFACE EM QUE SE PODE DIGITALIZAR O CONDICIONAMENTO Correlação de imagem e deformação E outros...  Aquisição compressiva para redução de throughput em arranjos conversores  Digitalização de sensores baseados em impedância  Aplicação de DDS e  Processamento estocástico.
  59. 59. MOMENTO IMPORTANTE DE TRANSIÇÃO DE PLATAFORMAS DE DESENVOLVIMENTOMigração para plataformas móveis  Processamento  Conectividade  Interfaces acessíveis:  Câmeras  Transceivers de RF  Gargalos...  Como contornar?
  60. 60. FERRAMENTAS DE PROTOTIPAÇÃO ACESSÍVEIS
  61. 61. PROTÓTIPOS MELHORES: MAIS CAPACIDADE DE MODELAGEM FAZER A DIFERENÇA Projeto Open Source de ECG 12- leads. Dextrus hand.
  62. 62. DESAFIOS E MUDANÇAS RELEVANTES RECENTES  O envelhecimento da população mundial representa grandes desafios
  63. 63. DESAFIOS E MUDANÇAS RELEVANTES RECENTES  Um dos maiores sistemas públicos de saúde e problemas de financiamento a vista (horizonte de vinte a trinta anos)
  64. 64. CONTATO Contato: adaojr@gmail.com Site: https://sites.google.com/site/professoradaojr/ Blog: http://fxdfronteira.blogspot.com.br/
  65. 65. 2006 2007 2008 2009 2011 2012 2013 2014 2015 RFT TVD TRANSPETR O FRI EMBLES PIC GMC 2016

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