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Zynq SoC를 이용한 초음파 신호처리 시스템 HW/SW co-design
HW/SW Co-design For an Ultrasonic Signal Processing System Using Zynq SoC 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.51 no.8, 2014년, pp.148 - 155  

임병규 (선문대학교 정보통신공학과) ,  강문호 (선문대학교 정보통신공학과)

초록
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본 연구에서는 Xilinx의 Zynq SoC(system on chip)를 이용하여 초음파신호의 포락선을 검출하기 위한 신호처리 시스템을 설계하였다. 설계 툴로 Vivado IDE(integrated design environment)를 이용하여, 초음파 신호처리를 위한 전체 과정을 계층적 블록의 형태로 설계하였다. 제안된 시스템은 Zynq-7010의 내장 ADC, FIR(finite impulse response) 밴드패스 필터, 절대값 계산모듈, FIR 로우패스 필터 및 Kalman 필터 등으로 구성되며, 최종 단으로서 FIR 로우패스 필터를 사용하는 HW design 방식과 Kalman 필터를 사용하는 HW/SW co-design 방식에 대해 성능과 유효성을 비교하였다. 비교결과, 포락선 검출 성능에 있어서는 두 방식이 서로 유사한 특성을 갖지만, 시스템 개발에 소요되는 시간 측면에서는 HW/SW co-design 방식이 HW design 방식에 비해 훨씬 더 효율적임이 확인되었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this research a signal processing system is designed for detecting the ultrasonic signal envelope using Xilinx's Zynq SoC(system on chip). As a design tool, Vivado IDE(integrated design environment) is used to hierarchically design the whole signal processing system. The proposed system consists ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 Xilinx의 Zynq-7010 SoC를 이용하여 초음파신호의 포락선을 검출하기 위한 신호처리 시스템을 제작하였다. 설계 툴로 Vivado IDE를 이용하여 초음파 신호처리 전체 과정을 IP들을 기반으로 한 계층적 블록의 형태로 설계하였다.
  • 본 연구의 유효성을 보이기 위하여 실험을 수행하고 결과를 분석하였다. 실험에 사용되는 각 요소의 설계사양을 보이면 Ⅲ장의 표 1과 같다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
Zynq-7000 SoC 시리즈란? 이들 중에서 Zynq-7000 SoC 시리즈는[1] Xilinx의 7Series FPGA 패브릭과 듀얼코어 Cortex-9 ARM 프로세서를 통합한 것으로서 고성능 디지털 신호처리가 요구되는 분야에서 다양하게 적용되고 있다. 논문 [2]와[3]은 각각 실시간 시스템과 내장 시스템에 Zynq SoC(system on chip)를 적용하여 얻어지는 장점들을 보이고, [4]는 도로상의 신호판 인식에, [5]는 크루즈 제어를 위한 프로토타이핑 장치에 Zynq를 적용한 결과를 보인다.
디지털 신호처리 알고리즘을 FPGA로 구현할 경우 어떤 장단점이 존재하는가? DSP를 사용하는 종래의 알고리즘 구현방식은 이러한 고성능 신호처리 요구조건을 충족시키지 못하여 최근에 FPGA(Field Programmable Gate Array)를 사용하는 사례가 증가하고 있다. 이 경우 고속처리 성능뿐만이 아니라 필드의 요구에 따라 FPGA 패브릭을 재구성하여 유연하게 적용할 수 있는 장점이 있지만, 하드웨어 기술 언어인 HDL(Hardware Description Language)를 사용해야하기 때문에 프로그래밍이 쉽지 않다. 한편, FPGA와 DSP 또는 마이크로프로세서를 하나의 칩내에 통합하여 HW/SW co-design이 가능한 장치들이 개발되고 있는데, 하드웨어와 밀접한 부분은 FPGA에 구현하고 프로세서에는 종래의 c-프로그래밍에 의한 소프트웨어 어플리케이션을 구현하여 최적의 성능을 얻을 수 있다.
디지털 신호처리 알고리즘이 발전함에 따라 무엇이 요구되는가? 디지털 신호처리 알고리즘의 발전에 따라 더욱 고성능의 고속 연산이 가능한 장치가 요구된다. DSP를 사용하는 종래의 알고리즘 구현방식은 이러한 고성능 신호처리 요구조건을 충족시키지 못하여 최근에 FPGA(Field Programmable Gate Array)를 사용하는 사례가 증가하고 있다.
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참고문헌 (16)

  1. "Zynq-7000 All Programmable SoC Overview," DS190 (v1.6) Xilinx, December 2, 2013. 

  2. Fleming, S. T. and Thomas, D. B., "FPGA based control for real time systems," 23rd International Conference on Field Programmable Logic and Applications(FPL), pp. 1-2, 2013, 

  3. Eberli, F., "Next Generation FPGAs and SOCs-How Embedded Systems Can Profit," IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition Workshops(CVPRW), pp. 610-613, 2013. 

  4. Russell, M. and Fischaber, S., "OpenCV based road sign recognition on Zynq," 11th IEEE International Conference on Industrial Informatics (INDIN), pp. 596-601, 2013. 

  5. Wehner, P., Ferger, M., Gohringer, D., and Hubner, M., "Rapid prototyping of a portable HW/SW co-design on the virtual zynq platform using SystemC," IEEE 26th International Conference on SOC(SOCC), pp. 296-300, 2013. 

  6. Gilliland, S., Govindan, P., Gonnot, T., and Saniie, J., "Performance evaluation of FPGA based embedded ARM processor for ultrasonic imaging," IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), pp. 519-522, 2013. 

  7. Bruckner, H. P., Spindeldreier, C., and Blume, H., "Energy-efficient inertial sensor fusion on heterogeneous FPGA-fabric/RISC System on Chip," Seventh International Conference on Sensing Technology (ICST), pp. 506-511, 2013. 

  8. Astarloa, A., Lazaro, J., Bidarte, U., Zuloaga, A., and Idirin, M., "System-on-Chip implementation of Reliable Ethernet Networks nodes," 39th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, IECON, pp. 2329-2334, 2013. 

  9. J. Y., Cho and M. H., Kang, "Design of a Ultrasonic Oil Level Meter Using a FPGA," Journal of The Institute of Electronics Engineers of Korea, Vol. 49, no. 11, pp. 169-174, November 2012. 

  10. Ramsey, F., "Understanding the Basis of the Kalman Filter Via a Simple and Intuitive Derivation," IEEE SIGNAL PROCESSING MAGAZINE, pp. 128-132, SEPTEMBER 2012. 

  11. Vivado Design Suite User Guide, Using the Vivado IDE, Xilinx, Dec. 18, 2013. 

  12. Vivado Design Suite User Guide, Designing with IP, Xilinx, May 1, 2014. 

  13. Vivado Design Suite User Guide, Programming and Debugging, Xilinx, Apr. 2014. 

  14. LogiCORE IP XADC Wizard v3.0 Product Guide for Vivado Design Suite, Oct. 2, 2013 

  15. LogiCORE IP FIR Compiler v7.1 Product Guide for Vivado Design Suite, Dec. 18, 2013 

  16. Signal Processing Toolbox For Use with MATLAB version 6, the MathWorks, 2013. 

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