ΣΧΟΛΗ ΝΑΥΤΙΚΩΝ ΔΟΚΙΜΩΝ Τομέας Συστημάτων Μάχης, Ναυτικών Επιχειρήσεων, Θαλασσίων Επιστημών, Ναυτιλίας, Ηλεκτρονικών & Τηλεπικοινωνιών Επίκ. Καθηγητής Ανδρέας Τσιγκόπουλος Εργαστήριο Ηλεκτρονικής Τέρμα Λεωφ. Χατζηκυριακού, 185 39, Πειραιάς Τηλ/FAX: 210-45.81.606 Κιν.: 6948304837 Εmail: atsigo@snd.edu.gr ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΑ ΘΕΜΑΤΑ ΓΙΑ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΕΣ ΕΡΓΑΣΙΕΣ Ακαδημαϊκό Έτος 2014-2015 28 Απριλίου 2014 Τα ακόλουθα θέματα είναι ενδεικτικά. Κάθε θέμα ενδέχεται να περιοριστεί, επεκταθεί ή τροποποιηθεί ανάλογα με τα ακαδημαϊκά και ερευνητικά ενδιαφέροντα των Ν. Δοκίμων. Α1. Προγραμματισμός Συστοιχίας Επιτόπια Προγραμματιζόμενων Πυλών - Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ: Το θέμα είναι κυρίως προγραμματιστικό. Οι προγραμματιζόμενες λογικές διατάξεις (PLDs Programmable Logic Devices) είναι ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα (ICs) που μπορούν να διαμορφωθούν από τον χρήστη και χρησιμοποιούνται για την υλοποίηση λογικών συναρτήσεων. Τα PLDs μπορούν να πραγματοποιήσουν οποιαδήποτε Boolean έκφραση ή συνάρτηση χρησιμοποιώντας τις λογικές δομές που είναι ήδη υλοποιημένες. Σε αντίθεση, τα συνήθη ολοκληρωμένα κυκλώματα, παρέχουν μια συγκεκριμένη λογική συνάρτηση που δεν μπορεί να τροποποιηθεί έτσι ώστε να ικανοποιήσει συγκεκριμένη απαίτηση σε κάποιο σχεδιασμό. Μία από τις σημαντικότερες κατηγορίες PLDs είναι τα FPGAs (Field Programmable Gate Arrays). Τα FPGAs είναι ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα τα οποία περιέχουν προγραμματιζόμενα μπλοκ ψηφιακής λογικής. Αυτά τα μπλοκ συνδέονται μεταξύ τους με την βοήθεια προγραμματιζόμενων διασυνδέσεων. Η διάταξη των προγραμματιζόμενων λογικών μπλοκ έχει κανονική μορφή, όμοια με αυτήν ενός διδιάστατου πίνακα. Σε ένα κανάλι διασύνδεσης υπάρχει ένας αριθμός αγωγών διασύνδεσης. Οι αγωγοί διασύνδεσης διατρέχουν οριζόντια και κάθετα το ολοκληρωμένο, διασυνδέοντας μέσω των προγραμματιζόμενων διασυνδέσεων, τα προγραμματιζόμενα λογικά μπλοκ. Με αυτόν τον τρόπο γίνεται δυνατή η υλοποίηση πολυεπίπεδων λογικών συναρτήσεων. Τα μπλοκ εισόδων/εξόδων, τα οποία σχετίζονται με τους ακροδέκτες εισόδου/εξόδου του ολοκληρωμένου, συνδέονται με τα προγραμματιζόμενα λογικά μπλοκ με αγωγούς διασύνδεσης, μέσω προγραμματιζόμενων διασυνδέσεων. Το Εργαστήριο Ηλεκτρονικής της ΣΝΔ διαθέτει ένα FPGA Spartan 3A της εταιρείας Xilinx. Προτείνεται ως διπλωματική εργασία ο προγραμματισμός του για την υλοποίηση απλών ψηφιακών πυλών ή ψηφιακών κυκλωμάτων (λ.χ. καταχωρητών, πολυπλεκτών, αποκωδικοποιητών, κλπ). Στο παρακάτω σχήμα δίνεται η βασική του δομή. - 1/8 -
ΕΠΙΘΥΜΗΤΕΣ ΓΝΩΣΕΙΣ: Ψηφιακά ηλεκτρονικά, γλώσσα προγραμματισμού C. Α2. Προσαρμογή συστήματος αισθητήρων (φωτεινότητας, πίεσης, θερμοκρασίας) σε τηλεκατευθυνόμενο υποβρύχιο ρομποτικό όχημα (Hydrobot). ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ: Το θέμα είναι κατασκευαστικό. Το Ίδρυμα Ευγενίδου, σε συνεργασία με το εργαστήριο Sea Grant του Τεχνολογικού Ινστιτούτου Μασαχουσέτης (MIT), παραχώρησε ως δωρεά στη ΣΝΔ το Hydrobot, ένα συναρμολογούμενο τηλεκατευθυνόμενο όχημα. Ο Ν. Δόκιμος Ν. Θάνος έχει ήδη κατασκευάσει το υποβρύχιο ROV (remotely operated vehicle τηλεκατευθυνόμενο όχημα) το οποίο έχει αυτονομία μέσω καλωδίου και έχει προσαρμόσει μια κάμερα και σύστημα φωτισμού από υπερφωτεινές LED στο υποβρύχιο ρομπότ, για να μπορεί να καταδύεται και να κάνει βιντεοσκόπηση υφάλων πλοίου με άμεση μεταφορά του βίντεο σήματος στην επιφάνεια. Το Εργαστήριο Ηλεκτρονικής έχει κάνει αίτηση και σύντομα θα παραλάβει από το Ίδρυμα Ευγενίδου ένα σετ 3 αισθητήρων (φωτεινότητας, πίεσης και θερμοκρασίας), ένα RTC (Real Time Clock) για να καταγράφεται η ώρα και η ημερομηνία των μετρήσεων καθώς και μία SD κάρτα στην οποία θα αποθηκεύονται τα δεδομένα των μετρήσεων. Ο Ν. Δόκιμος ο οποίος θα επιλέξει το συγκεκριμένο θέμα, θα κατασκευάσει την πλακέτα μετρήσεων, θα προσαρμόσει τους αισθητήρες και την SD κάρτα και θα φορτώσει το κατάλληλο - 2/8 -
πρόγραμμα λήψης μετρήσεων στο μικροελεγκτή της πλακέτας. Όταν η κατασκευή ολοκληρωθεί και ελεγχθεί, ο Ν. Δόκιμος θα πραγματοποιήσει μετρήσεις από το υδάτινο περιβάλλον της ΣΝΔ τις οποίες θα αποτυπώσει σε κατάλληλη φόρμα. ΕΠΙΘΥΜΗΤΕΣ ΓΝΩΣΕΙΣ: Αναλογικά ηλεκτρονικά, κατασκευαστική εμπειρία. Α3. Προγραμματισμός μικροελεγκτών Arduino και κατασκευή πρωτότυπων κυκλωμάτων. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ: Το θέμα είναι κατασκευαστικό και προγραμματιστικό. O μικροελεγκτής της Arduino (http://www.arduino.cc) είναι ένας μικροϋπολογιστής, που μπορεί να προγραμματιστεί για να επεξεργάζεται εισόδους από διάφορες διατάξεις και να παράγει εξόδους για να ελέγχει διάφορες διατάξεις (ηλεκτρονικούς αισθητήρες, βηματικούς κινητήρες, διακόπτες, LED, δικτυακές κάμερες, GPS δέκτες, κλπ). Οι μικροελεγκτές της Arduino περιλαμβάνουν ένα μικροεπεξεργαστή της Αtmel, ένα κρύσταλλικό ταλαντωτή, τροφοδοσία 3,5 και 5 Volt, USB σύνδεση με PC, και ακροδέκτες (pins) αναλογικών και ψηφιακών εισόδων - εξόδων για να μπορούν να διασυνδέονται με άλλα κυκλώματα, αισθητήρες, κλπ. Aς σημειωθεί, ότι οι μικροελεγκτές της Arduino είναι οι πλέον δημοφιλείς και εύχρηστοι παγκοσμίως και δίνουν λύσεις, όχι μόνο σε εργαστηριακό επίπεδο, αλλά σε πραγματικές εφαρμογές πεδίου (π.χ. έλεγχος ρομποτικών διατάξεων, ηλεκτρομηχανικών αυτοματισμών, κλπ). - 3/8 -
Το Εργαστήριο Ηλεκτρονικής της ΣΝΔ, διαθέτει μικροελεγκτές Arduino καθώς και μια πλήρη σειρά αισθητήρων και παρελκομένων ηλεκτρονικών διατάξεων, με τις οποίες μπορούν εύκολα να κατασκευαστούν ενδιαφέρουσες εφαρμογές, στα πλαίσια των διπλωματικών εργασιών του Δ' Έτους. Ενδεικτικά αναφέρονται: (α) Mετατροπή αναλογικού σήματος σε ψηφιακό, λήψη σήματος από GPS και μετεωρολογικό σταθμό φρεγατών τύπου S, και εκπομπή των σημάτων σε πρωτόκολλο Ethernet-UDP/IP. (β) Κατασκευή κυκλώματος μέτρησης θερμοκρασίας με 7-segment display. (γ) Κατασκευή κυκλώματος μέτρησης θερμοκρασίας και συναγερμού με LCD display. (δ) Σύνδεση και λήψη δεδομένων κεραίας GPS. (ε) Έλεγχος βηματικού κινητήρα με μικροελεγκτή. (στ) Κατασκευή κυκλώματος χρονισμού (timer) για ενυδρείο. (ζ) Εγγραφή μνήμης EEPROM. (η) Κατασκευή κυκλώματος ασύρματης επικοινωνίας. ΕΠΙΘΥΜΗΤΕΣ ΓΝΩΣΕΙΣ: Αναλογικά και ψηφιακά ηλεκτρονικά. Α4. Προγραμματισμός μικροϋπολογιστή Raspberry Pi και κατασκευή πρωτότυπων εφαρμογών και κυκλωμάτων. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ: Το θέμα είναι κατασκευαστικό και προγραμματιστικό. O μικροϋπολογιστής Raspberry Pi έχει διαστάσεις πιστωτικής κάρτας και μπορεί να προγραμματιστεί για να εκτελεί διάφορες εφαρμογές, από το να επεξεργάζεται εισόδους από διάφορες διατάξεις και να παράγει εξόδους για να ελέγχει διάφορες διατάξεις (ηλεκτρονικούς αισθητήρες, βηματικούς κινητήρες, διακόπτες, LED, δικτυακές κάμερες, κλπ), έως να σχεδιάσει παιχνίδια (games), να δημιουργήσει γραφικά και εφαρμογές multimedia (δηλ. να προγραμματιστεί για να παίξει ήχο και εικόνα), να συνεργαστεί με μικροελεγκτές Arduino για να αυξήσει την επεξεργαστική τους ισχύ, κλπ. Λειτουργεί σε περιβάλλον Linux το οποίο φορτώνεται μέσω κάρτας μνήμης. - 4/8 -
Το Εργαστήριο Ηλεκτρονικής της ΣΝΔ, διαθέτει μικροϋπολογιστές Raspberry Pi καθώς και μια πλήρη σειρά αισθητήρων και παρελκομένων ηλεκτρονικών διατάξεων, με τις οποίες μπορούν εύκολα να κατασκευαστούν ενδιαφέρουσες εφαρμογές, στα πλαίσια των διπλωματικών εργασιών του Δ' Έτους. Ενδεικτικά αναφέρονται: (α) Εγκατάσταση και έλεγχος web κάμερας. (β) Λήψη δεδομένων από web server. (γ) Δημιουργία web server. (δ) Δημιουργία παιχνιδιών (games). (ε) Κατασκευή κυκλώματος συναγερμού. ΕΠΙΘΥΜΗΤΕΣ ΓΝΩΣΕΙΣ: Αναλογικά και ψηφιακά ηλεκτρονικά. Α5. Οπτικές Επικοινωνίες Ελεύθερου Χώρου για πλοία του Πολεμικού Ναυτικού. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ: Το θέμα είναι θεωρητικό. Τα συστήματα ασύρματων οπτικών επικοινωνιών (στη διεθνή βιβλιογραφία αναφέρονται ως Free Space Optical Systems - FSO ενώ χρησιμοποιείται και ο όρος Optical Wireless Communication Systems - OWC ) παρουσιάζουν, την τελευταία δεκαετία τεράστιο ερευνητικό και τεχνολογικό ενδιαφέρον. Η τεχνολογία των συστημάτων αυτών προσφέρει πολύ μεγάλες ταχύτητες αποστολής και λήψης δεδομένων, εξασφαλίζοντας μεγάλη ασφάλεια στη μετάδοση δεδομένων. Η χαμηλή ισχύς εκπομπής και η μικρή γωνία εκπομπής των πηγών laser που χρησιμοποιούν, τα κάνει πιο ασφαλή από τα αντίστοιχα RF συστήματα, καθιστώντας πρακτικά αδύνατον να ανιχνευθεί και να υποκλαπεί μια οπτική δέσμη laser. Στην παρούσα προτεινόμενη εργασία θα αναλυθεί η δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν συστήματα ασύρματης οπτικής επικοινωνίας πάνω σε πλοία του ΠΝ. Θα μελετηθούν οι υπάρχουσες τεχνολογίες, τα προβλήματα και οι δυνατότητες καθώς και η χρήση τους από πολεμικά ναυτικά άλλων χωρών. ΕΠΙΘΥΜΗΤΕΣ ΓΝΩΣΕΙΣ: Αναλογικά και ψηφιακά ηλεκτρονικά, έννοιες θεωρίας τηλεπικοινωνιών. Α6. Σύστημα Οπτικής Επικοινωνίας Ελεύθερου Χώρου Υπολογισμός και Μετρήσεις Επιδόσεων Εγκατεστημένης Ζεύξης. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ: Το θέμα είναι θεωρητικό, υπολογιστικό, μετρητικό και ερευνητικό. Τα συστήματα ασύρματων οπτικών επικοινωνιών (στη διεθνή βιβλιογραφία αναφέρονται ως Free Space Optical Systems - FSO ενώ χρησιμοποιείται και ο όρος Optical Wireless Communication Systems - OWC ) παρουσιάζουν, την τελευταία δεκαετία τεράστιο ερευνητικό και τεχνολογικό ενδιαφέρον. Αυτό συμβαίνει διότι οι δυνατότητες τους είναι πολύ μεγάλες ενώ έχουν σχετικά μικρό κόστος λειτουργίας. Η τεχνολογία των συστημάτων αυτών προσφέρει πολύ μεγάλες ταχύτητες αποστολής και λήψης δεδομένων, με μεγάλη ασφάλεια και σχετικά χαμηλό κόστος ενώ, δεν απαιτείται - 5/8 -
δέσμευση συγκεκριμένων συχνοτήτων του φάσματος, για τη λειτουργία τους, όπως συμβαίνει στις συνηθισμένες ασύρματες τηλεπικοινωνιακές ζεύξεις, δηλαδή δεν απαιτείται αδειοδότηση από επίσημο φορέα για τη λειτουργία τους. Λόγω του χαμηλού σχετικά κόστους εγκατάστασης και λειτουργίας, της υψηλότατης απόδοσης τους και της πολύ μεγάλης ασφάλειας που προσφέρουν στις τηλεπικοινωνιακές ζεύξεις, τα συστήματα ασύρματων οπτικών επικοινωνιών παρουσιάζουν τεράστιο ενδιαφέρον και παρέχουν πολύ μεγάλες δυνατότητες για χρήση στις στρατιωτικές επικοινωνίες. Η λειτουργία των ασύρματων οπτικών ζεύξεων, επηρεάζεται σημαντικά από τις καιρικές συνθήκες οι οποίες επικρατούν στην περιοχή μεταξύ του πομπού και του δέκτη. Επομένως, πολύ σημαντικό, ερευνητικό αλλά και πρακτικό ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι μελέτες που εξετάζουν την απόδοση και την αξιοπιστία των συστημάτων αυτών σε πραγματικές συνθήκες, δηλαδή η μελέτη και ο υπολογισμός της απόδοσης ως συνάρτηση των συνθηκών που επικρατούν στην περιοχή. Στην κατεύθυνση αυτή εργάζεται η ερευνητική μας ομάδα η οποία έχει προκύψει από συνεργασία επιστημόνων από το Εργαστήριο Ηλεκτρονικής της ΣΝΔ και τον Τομέα Ηλεκτρονικής/ Υπολογιστών/Τηλεπικοινωνιών/Αυτοματισμού του Τμήματος Φυσικής του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών. Ήδη τα θεωρητικά αποτελέσματα της παραπάνω ομάδας έχουν δημοσιευθεί σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά και πρακτικά διεθνών συνεδρίων, ενώ υπάρχουν εργασίες οι οποίες βρίσκονται στο στάδιο της κρίσης για δημοσίευση σε επιστημονικά περιοδικά. Στις εργασίες αυτές, αναλύεται ο τρόπος λειτουργίας των ασύρματων οπτικών τηλεπικοινωνιακών συστημάτων, οι δυνατότητες τους και μελετάται αναλυτικά η απόδοση και η αξιοπιστία τους, σε σχέση με τις διαλείψεις σήματος που προκαλούνται λόγω των καιρικών συνθηκών που επικρατούν στην περιοχή της ζεύξης. Όπως είναι φανερό, οι παραπάνω εργασίες είναι, κυρίως, θεωρητικές και τα αποτελέσματα τα οποία εξάγονται δίνουν σημαντικές πληροφορίες σχετικά με την απόδοση των ασύρματων οπτικών ζεύξεων. Τα θεωρητικά αυτά αποτελέσματα είναι δυνατόν να επιβεβαιωθούν στην πράξη με την πιλοτική λειτουργία συστήματος FSO στη Σχολή Ναυτικών Δοκίμων. Τα συμπεράσματα που θα εξαχθούν στην περίπτωση λειτουργίας ενός τέτοιου συστήματος στη Σχολή μας, όχι μόνο θα μπορούν να επιβεβαιώσουν τα ήδη δημοσιευμένα θεωρητικά μας αποτελέσματα (σημ.: κάτι τέτοιο θα είχε ως αποτέλεσμα τη δημιουργία νέων επιστημονικών δημοσιεύσεων σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά και σε πρακτικά συνεδρίων) αλλά θα μπορούσαν να εξαχθούν και νέα μέσω των οποίων θα είναι δυνατόν να βελτιωθεί η απόδοση των συστημάτων αυτών. Ήδη, χρησιμοποιώντας εξοπλισμό του Εργαστηρίου Ηλεκτρονικής της ΣΝΔ τον οποίο προμηθευτήκαμε - 6/8 -
στα πλαίσια του ΠΕΑΝ 2011, έχει γίνει η εγκατάσταση και λειτουργία συστήματος FSO μεταξύ της Σχολής Ναυτικών Δοκίμων και του φάρου ευθύνης του ΠΝ, που βρίσκεται στη Νήσο Ψυτάλλεια. Προτείνεται ως διπλωματική εργασία ο θεωρητικός υπολογισμός παραμέτρων της υφιστάμενης ζεύξης, η λήψη μετρήσεων από το σύστημα και η πειραματική επαλήθευση των μετρήσεων με βάση τους θεωρητικούς υπλογισμούς. ΕΠΙΘΥΜΗΤΕΣ ΓΝΩΣΕΙΣ: Αναλογικά και ψηφιακά ηλεκτρονικά, έννοιες θεωρίας τηλεπικοινωνιών. Α7. Σύστημα αυτόματης μέτρησης χαρακτηριστικών μεγεθών κεραιών - Προσομοίωση, μετρήσεις και επαλήθευση με θεωρητικό μοντέλο. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ: Το θέμα είναι θεωρητικό, υπολογιστικό και μετρητικό. Το Εργαστήριο Ηλεκτρονικής της ΣΝΔ, διαθέτει αυτοματοποιημένο σύστημα μέτρησης των χαρακτηριστικών μεγεθών μιας κεραίας σε συχνότητες 1200 1800 ΜΗz. Τα μεγέθη που μετράει το σύστημα είναι: Πολικό διάγραμμα ακτινοβολίας. Απώλειες λόγω ανακλώμενου κύματος (return loss) συναρτήσει της συχνότητας προσαρμογή κεραίας. Κατευθυντικότητα και κέρδος. Εύρος ζώνης, ως γράφημα του πλάτους συναρτήσει της συχνότητας. Το σύστημα συνοδεύεται από λογισμικό με το οποίο ελέγχονται όλες οι διαδικασίες μέτρησης και τα αποτελέσματα επιδεικνύονται γραφικά στην οθόνη του υπολογιστή ή διατίθενται ως εξαγώγιμα αρχεία για διαχείριση από άλλα πακέτα λογισμικού. Το σύστημα αποτελείται από μια γεννήτρια RF (πομπό), ένα δέκτη, διάφορες δοκιμαστικές κεραίες, και διεπαφή (κάρτα) για τη διασύνδεση του συστήματος με υπολογιστή. Μέσω του υπολογιστή ελέγχεται η συχνότητα πομπού/δέκτη, η θέση της κεραίας, η ταχύτητα περιστροφής της κεραίας και η κατεύθυνσή της καθώς και το επίπεδο ισχύος του λαμβανόμενου σήματος στο δέκτη. Στο σύστημα περιλαμβάνονται οι εξής κεραίες: Δίπολο Μονόπολο Υagi Περιοδική λογαριθμική Χοανοκεραία Παραβολική κεραία Log periodic array (Receiving antenna) Test antenna (Transmitting antenna) Receiver unit RF-in socket Transmitter unit (Generator unit) RF-out socket Σύστημα μέτρησης χαρακτηριστικών κεραίας. - 7/8 -
Προτείνεται η μέτρηση και δοκιμή των χαρακτηριστικών μεγεθών των δοκιμαστικών κεραιών του συστήματος, και η σύγκρισή τους με θεωρητικά αποτελέσματα, τα οποία οι Ν. Δόκιμοι καλούνται να βρουν από τη σχετική εγχώρια ή διεθνή βιβλιογραφία και να εκτελέσουν τους απαιτούμενους θεωρητικούς υπολογισμούς. ΕΠΙΘΥΜΗΤΕΣ ΓΝΩΣΕΙΣ: Αναλογικά ηλεκτρονικά, έννοιες θεωρίας τηλεπικοινωνιών, χρήση υπολογιστή. - 8/8 -