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Amplificadores de instrumentação integrados de baixo consumo e baixo ruído para aplicações portáteis voltadas ao tratamento de biosinais
(2019-07-29) Viana, Nayana Letícia de Morais; Belfort, Diomadson Rodrigues; ; ; Catunda, Sebastian Yuri Cavalcanti; ; Soares, Antonio Wallace Antunes; ; Brito Filho, Francisco de Assis;
Este trabalho apresenta algumas propostas de amplificadores de instrumentação de baixo consumo e baixo ruído, voltados para o condicionamento de biopotenciais, utilizando a tecnologia CMOS 0,5 µm. Inicialmente é apresentado um referencial teórico acerca do tratamento de biopotenciais voltados a aplicações vestíveis e/ou portáteis. Em seguida, é feita uma revisão do estado da arte para as arquiteturas de amplificadores de instrumentação voltados para baixo consumo e baixo ruído, bem como, realizado um estudo acerca dos tipos de pseudo-resistores presentes na literatura. Feito isso, é apresentada a metodologia empregada para a realização desse trabalho. Foram selecionadas duas arquiteturas de OTA (Amplificador Operacional de Transcondutância) para se realizar um comparativo em relação ao ruído e ao consumo, são elas: Folded-Cascode e Current-Mirror. A arquitetura Current-Mirror mostrou um melhor comportamento em relação ao consumo e ganho, enquanto que a Folded-Cascode se comportou melhor em relação ao ruído. É também proposta uma metodologia para análise comparativa de pseudo-resistores, de modo a se escolher um que atenda de forma ótima os requisitos de alta resistência e baixa variabilidade com a tensão. Foram implementados três amplificadores de instrumentação: dois amplificadores com um estágio (single-ended e fully-differential), e um com dois estágios, de modo a atender requisitos de ganho e frequência para toda a faixa de tratamento de biopotencias. Os resultados obtidos mostram que as três configurações atendem as especificações para utilização em sistemas de aquisição de baixo consumo e baixo ruído para aplicações portáteis voltadas ao tratamento de biosinais.
Análise da Implementação de Redes Neurais em Hardware Utilizando hls4ml no Contexto do LHC L1 Trigger
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2025-01-28) Nunes, Marcus Vinicius Silva; Ferraz, Victor Araujo; Martins, Allan de Medeiros; Soares, Antonio Wallace Antunes
Com o aumento previsto da taxa de dados e complexidade no LHC após o aprimoramento para o HL-LHC, técnicas avançadas de aprendizado de máquina estão sendo pesquisadas para garantir latência e performance adequadas, principalmente na seleção de eventos re- levantes (triggers) nos experimentos CMS e ATLAS. A implementação de redes neurais em field-programmable gate arrays possibilita a análise em tempo real com latências na ordem de nanossegundos, superando as limitações de latência de GPU. No entanto, essa abordagem apresenta desafios significativos em termos de consumo de recursos e espaço físico, uma vez que os sistemas de detecção em cavernas subterrâneas têm capacidade limitada de FP- GAs e precisam executar milhares de tarefas simultaneamente. Para atender às restrições de recursos, técnicas como quantização e compressão de modelos são aplicadas para redu- zir o tamanho das redes neurais sem comprometer a latência. Além disso, devido ao longo tempo de desenvolvimento exigido para implementação em HDL, ferramentas de high-level synthesis (HLS) têm sido adotadas para automatizar o processo de descrição de hardware. Nesse contexto, a biblioteca hls4ml utiliza HLS para converter modelos de redes neurais de- senvolvidos em Python para HDL, facilitando e agilizando o desenvolvimento. Neste trabalho é apresentado uma avaliação das características da biblioteca hls4ml, examinando como ela pode ser utilizada para otimizar redes neurais em hardware para atender aos requisitos do LHC L1 trigger, reduzindo latência e uso de recursos sem perda significativa de desempenho.
Análise e projeto de um Conversor A/D Sigma Delta Incremental Multicanal de 4º Ordem
(2018-11-23) Soares, Antonio Wallace Antunes; Catunda, Sebastian Yuri Cavalcanti; ; ; Petraglia, Antonio; ; Souza, Cleonilson Protasio de; ; Belfort, Diomadson Rodrigues; ; Silveira, Luiz Felipe de Queiroz;
Diversas aplicações na área de instrumentação requerem sistemas de aquisição de sinais com média taxa de conversão e média para alta resolução, entre elas, estão as Matrizes Multieletrodos (MEA). As MEA fabricadas sobre circuitos integrados de tecnologia CMOS padrão têm propiciado o estudo de diversos tipos de culturas de células, permitindo o estímulo e registro das atividades elétricas das células in vitro. Com o avanço da tecnologia CMOS, o processamento dos sinais biomédicos que, em sua maioria, é complexo, torna a realização do mesmo no domínio digital cada vez mais adequado. Portanto, blocos básicos como os Conversores Analógico Digital (ADC) são essenciais para realizar a interface em sistemas de sinais mistos. Desta forma, este trabalho propõe o projeto de um ADC a ser empregado no sistema de aquisição de sinais biomédicos multicanais, seguindo a metodologia de projeto top-down para concepção de Circuitos Integrados (CI). A arquitetura do ADC consiste em conversor Sigma Delta Incremental (Σ∆I), o qual alia a característica de alta precisão dos moduladores Σ∆ tradicionais, com a vantagem da conversão amostra por amostra dos conversores de Nyquist, se tornando adequado para aplicações multicanais com sinais multiplexados no tempo. O modulador e o filtro digital que compõem o ADC Σ∆I consistem das topologias single-loop Cascaded-Integrator FeedForward (CIFF) e Cascade-of-Integrator (CoI), respectivamente, ambas de quarta ordem. O modulador foi implementado em Tempo Discreto (DT), utilizando a técnica a Capacitores Chaveados (SC). Os circuitos foram projetados utilizando a tecnologia CMOS padrão de 0.18 µm da TSMC e os resultados apresentados foram obtidos a partir de simulações pós layout, PVT e Monte Carlo.
Desenvolvimento de um medidor e analisador de energia trifásico portátil com interface via aplicativo móvel
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2021-11-24) Marques, Leonardo Augusto de Aquino; Oliveira, José Alberto Nicolau de; http://lattes.cnpq.br/2871134011057075; http://lattes.cnpq.br/2073761005641994; Soares, Antonio Wallace Antunes; http://lattes.cnpq.br/3905527295400010; Cândido, Crisluci Karina Souza Santos; http://lattes.cnpq.br/4918786470731375; Cunha, Eduardo Nogueira; http://lattes.cnpq.br/7628513373242513; Braz, Erico Cadineli; http://lattes.cnpq.br/9382571991103772
Este trabalho apresenta o projeto, desenvolvimento, calibração e validação de um medidor e analisador de energia trifásico portátil, baseado em duas versões de medidores desenvolvidos, um com o chip da Analog Devices ADE9000, associado e sob a supervisão programável do microcontrolador ESP32, e outro apenas com o microcontrolador ESP32. Medidor este, utilizado no projeto Smart metropolis na Universidade Federal do Rio Grande do Norte. A escolha pelo ESP32 permite incrementar ao projeto as interfaces Wi-Fi e Bluetooth Low Energy (BLE), criando assim uma comunicação direta com aplicativo móvel. Apresenta-se todo o embasamento técnico presente no desenvolvimento, tecnologia utilizada e soluções propostas, bem como, todo o processo e metodologia utilizada para realizar a calibração do medidor, ao se realizar experimentos com uma grande variação de corrente e mantendo o erro medido abaixo de 1%. Além de experimentos de medição de parâmetros como tensão, corrente e potências, os medidores desenvolvidos também apresentam dados de qualidade de energia elétrica, bem como um experimento pratico em campo de comparação entre dois medidores desenvolvidos e um medidor comercial. Apresenta-se também a modelagem e o processo de impressão 3D da case do medidor, conectores utilizados, processo de montagem e medição, bem como o desenvolvimento e comunicação do aplicativo móvel desenvolvido exclusivamente para esta aplicabilidade. O medidor e analisador desenvolvido foi testado em bancada a fim de validar todas as funcionalidades desejadas, culminando em um protótipo de hardware e um aplicativo móvel de configuração e leitura dos dados.
Plataforma de prototipagem rápida de hardware e software aplicada a projetos de conversores eletrônicos de potência
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2024-10-11) Martins, Matheus Prado Galli; Rocha, Thiago de Oliveira Alves; https://orcid.org/0000-0001-9751-8321; http://lattes.cnpq.br/0526030044370008; http://lattes.cnpq.br/2704588987315636; Soares, Antonio Wallace Antunes; Costa, Flávio Bezerra; Oliveira, José Alberto Nicolau de
Os Conversores Eletrônicos de Potência CEPs oferecem alta capacidade de controle eficiente do fluxo de energia elétrica. Até a década de 1990, a principal aplicação dessa tecnologia era acionar motores industriais e fontes de alimentação convencionais, como retificadores, choppers ou mesmo inversores. Hoje em dia, além do uso convencional, os conversores são empregados em uma ampla gama de aplicações de baixa, média e alta potência, incluindo aplicações residenciais, geração centralizada de energia renovável, geração distribuída e veículos elétricos. A complexidade e a grande variabilidade das novas topologias dos CEPs tornam obrigatório o uso de Processadores de Sinais Digitais (DSPs), microcontroladores ou FPGAs (do inglês, Field Programmable Gate Array) para implementar o controle digital. Nas universidades e nas indústrias, essas novas estratégias de controle para CEPs são desenvolvidas e podem ser testadas por meio do uso de plataformas HIL (do inglês, Hardware-in-the-Loop) com um ambiente de software RCP (do inglês, Rapid Control Prototyping). São necessários altos investimentos para essas soluções comerciais, que geralmente utilizam tecnologia de marca registrada. Além disso, e também um aspecto muito relevante, é a metodologia de ensino orientada a projetos utilizada nas universidades para desenvolver as competências necessárias para engenheiros, técnicos e entusiastas que desenvolvem novas soluções e estratégias de Pesquisa e Desenvolvimento P&D. Neste sentido, nesse trabalho é proposta a implementação de uma Plataforma de Prototipagem Rápida PPR para implementação de protótipos de CEPs, que consiste em um Gabinete Principal, equipado com Módulos de Prototipagem Rápida MPR que são uma melhoria funcional das soluções existentes que focam na prototipagem rápida de software e não permite alterações e desenvolvimento de hardware. Esta é uma solução acessível em termos de custo para que estudantes e profissionais que utilizam e operam CEPs possam construir seus projetos utilizando técnicas de design de hardware e software, bem como ferramentas de implementação utilizando o conceito DIY (do inglês, Do It Yourself). O projeto de um conversor boost é apresentado para validar a PPR, assim como a sua implementação em ambiente de simulação e experimental.
Projeto de uma Referência Bandgap em Tecnologia CMOS 180nm
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2025-07-08) Silva, Flávio Rubens Tomaz da; Bourguet, Vincent Patrick Marie; http://lattes.cnpq.br/7331200835732053; https://lattes.cnpq.br/0236904600333823; Soares, Antonio Wallace Antunes; http://lattes.cnpq.br/3905527295400010; Catunda, Sebastian Yuri Cavalcanti; http://lattes.cnpq.br/0873496251879638
Este trabalho apresenta o projeto de uma referência de tensão Bandgap (BGR) em tecnologia CMOS 180nm, com o objetivo de gerar uma tensão de saída estável e independente de variações de processo, tensão de alimentação e temperatura (PVT). A topologia escolhida combina tensões PTAT (Proportional To Absolute Temperature) e CTAT (Complementary To Absolute Temperature) para alcançar uma referência próxima à energia de bandgap do silício (1.12 eV). O circuito foi validado através de simulações que demonstraram um coeficiente de temperatura (TC) de 8.34 ppm/°C, uma corrente de consumo de 56.86 uA e uma relação de rejeição de fonte de alimentação (PSRR) de 19 dB. Técnicas de \textit{layout}, como \textit{common-centroid}, foram empregadas para minimizar desvios de fabricação. Os resultados confirmaram a robustez do projeto frente a variações extremas de temperatura (-40°C a 125°C) e tensão de alimentação (+-10% de 1.8 V).
Projeto e Implementação de um Field-Programmable Gate Array (FPGA)
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2018) Tavares, Yang Azevedo; Belfort, Diomadson Rodrigues; Sebastian Yuri Cavalcanti Catunda; Pena, Danilo de Santana; Soares, Antonio Wallace Antunes
Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um FPGA do tipo ilha com memória SRAM, envolvendo todas as informações necessárias e os passos requeridos na implementação em hardware, configuração por bitstream e alternativas de projeto para facilitar o esforço da realização do circuito como um todo, de um ponto de vista acadêmico. Para alcançar produtos no estado da arte, FPGAs comerciais podem demandar uma grande equipe, grande tempo de implementação e alto custo de mão de obra. Em contraste, ao se tomar o desafio de construir um FPGA com um número reduzido de pesquisadores, o desenvolvimento da arquitetura e tamanho são focados na prova de conceito. Resultados obtidos a partir desta metodologia podem ser usados como referência para a implementa- ção de outras arquiteturas comumente utilizadas, assim também para novas configurações de FPGA ou aprimoramentos de circuito.
Projeto em FPGA de um controlador unificado para correção de fator de potência em retificadores boost bidirecionais monofásicos
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2013-12-18) Soares, Antonio Wallace Antunes; Bento, Aluizio Alves de Melo; ; http://lattes.cnpq.br/2695103433954752; ; http://lattes.cnpq.br/3905527295400010; Roda, Valentin Obac; ; http://lattes.cnpq.br/4823406157799513; Praça, Paulo Peixoto; ; http://lattes.cnpq.br/9209433351163629
A utilização de Field Programmable Gate Array (FPGA) para o desenvolvimento de estratégias de controle digital para aplicações em eletrônica de potência tem despertado um crescente interesse entre muitos pesquisadores. Tal interesse se deve as grandes vantagens apresentadas pelo FPGA, que incluem: menor esforço de projeto, alto desempenho e grande flexibilidade de prototipagem. Este trabalho propõe o desenvolvimento e implementação de um controlador unificado, mediante o uso de FPGA, utilizando a técnica de controle de um ciclo (One-Cycle Control Technique) para correção de fator de potência com retificadores boost. Este controlador pode ser aplicado a um total de doze conversores, sendo seis inversores e seis retificadores, definidos pela topologia e pelo tipo de modulação de tensão. As topologias consideradas neste trabalho são: ponte completa, ponte completa intercalada, meia ponte e meia ponte intercalada. Enquanto que as modulações são classificadas em modulação bipolar de tensão (MBT), modulação unipolar de tensão (MUT) e modulação com grampeamento de tensão (MGT). O projeto é desenvolvido e prototipado utilizando as ferramentas Matlab®/Simulink em conjunto com a biblioteca DSP Builder, disponibilizada pela Altera®. O controlador proposto é com resultados de simulação e experimentais
Proposta de sistema de eletrólise para produção de gás HHO com controle simplificado no contexto da hibridização veicular
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2024-10-07) Silva, Matheus Leal; Soares, Antonio Wallace Antunes; Cândido, Crisluci Karina Souza Santos; https://orcid.org/0000-0002-8877-2464; http://lattes.cnpq.br/4918786470731375; http://lattes.cnpq.br/3905527295400010; http://lattes.cnpq.br/4096951389878320; Pimentel Filho, Max Chianca; Deus, Michel Santana de; Rocha, Thiago de Oliveira Alves
A economia do hidrogênio tem ganhado notoriedade nos últimos anos, sendo parte integrante das propostas de eletrificação dos vetores energéticos da economia de forma global e da descarbonização da indústria (transição energética). Dessa forma, ao invés de focar na produção do Hidrogênio através de fontes emissoras de gases do efeito estufa, como ocorre atualmente (o chamado Hidrogênio cinza), observa-se a tendência desta produção ocorrer, futuramente, através da captura de poluentes no processo de reforma a vapor (hidrogênio azul) e também através da eletrólise utilizando energia elétrica proveniente de matriz renovável (hidrogênio verde). Ainda no contexto dessa economia proposta, diversas aplicações podem ser implementadas, tanto de forma estacionária (produção de calor por exemplo), como para fins de mobilidade, utilizando o hidrogênio para a locomoção de veículos. Em se tratando deste último, há duas vertentes de pesquisa que tem ganhado destaque: a primeira é a aplicação do hidrogênio em células à combustível para a alimentação de uma motor elétrico (eletromobilidade); ou efetivamente como combustível em motores à combustão internada projetados para este fim. Apesar da existência de modelos comerciais com estas tecnologias, ambos os tipos ainda não possuem efetiva escalabilidade industrial. Uma alternativa intermediária no curto e médio prazo, é a utilização do hidrogênio, mais precisamente, a combinação gasosa do Hidrogênio (H2) com oxigênio (O2) na forma do gás hidroxi ou gás HHO, em conjunto com os combustíveis convencionais: a chamada Hibridização Veicular. Este campo da hibridização à HHO requer estudos aprofundados de relacionados à viabilidade técnica, econômica e ambiental, com necessidade de construção de modelos, simulações e protótipos embarcados. Em vista disso, o presente trabalho propõe a montagem de uma planta de eletrólise à nível de protótipo com um sistema de controle simplificado em malha fechada para a produção do gás HHO, de forma que possa contribuir com pesquisas e concepções futuras de novos sistemas híbridos de HHO para veículo convencionais. A planta de eletrólise é baseada na alimentação elétrica da entrada dos eletrolisador (dispositivo responsável por separar a molécula da água em hidrogênio e oxigênio) e captação do gás produzido na saída do sistema. O controle do processo, por sua vez, é baseado no microcontrolador ESP-32, ocorrendo as ações Proporcional-Integral com a leitura da variável controlada (taxa de produção do gás HHO) através de sensor específico, com valores de vazão sendo ajustados a partir de uma ponte H controlada por Modulação por Largura de Pulso (variável manipulada), que terá a função de aumentar ou abaixar a corrente e tensão contínua de entrada do sistema.
Sistema de automação residencial com dispositivos modulares
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2018-12-12) Marques, Leonardo Augusto de Aquino; Melo, Julio Cesar Paulino de; Oliveira, Jose Alberto Nicolau De; Soares, Antonio Wallace Antunes; Santana Junior, Orivaldo Vieira De
Este trabalho irá apresentar o projeto, implementação e validação de um sistema de automação residencial, baseado em componentes de hardware modulares com a central de controle implementada por meio de um aplicativo móvel e integração em nuvem dos dispositivos. O documento apresentará algumas soluções comerciais do mercado de automação residencial, variações dos sistemas mais comercializados, bem como um levantamento das tecnologias empregadas. Após isso o trabalho apresenta todas as etapas de desenvolvimento da solução modular de automação residencial, iniciando pelo projeto de hardware para dois componentes, switch e sensor de gás, projeto de aplicativo móvel de controle e gerenciamento de dispositivos e projeto de um banco de dados e infraestrutura de nuvem que dá suporte à solução. O sistema implementado foi testado em bancada a fim de validar todas as funcionalidades desejadas, culminando em dois protótipos de hardware e um aplicativo móvel de gerenciamento dos módulos.

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