Ingeniería Electrónica, Automática y Comunicaciones

Aceleración de la aritmética de curvas elípticas en procesadores ARM utilizando instrucciones NEON

ABSTRACT This paper studies the use of NEON instructions for the implementation of elliptic curve cryptographic primitives on ARM Cortex-A processors. Starting from the analysis of point arithmetic formulas in different coordinate systems it was possible to identify several operations with no data dependency. Then, these operations were conveniently grouped in pairs to perform them in parallel using the NEON engine. Following this approach, dual NEON-based multiplications and squarings in the finite field F p are proposed. Furthermore, these dual F p operations are also used to speed up multiplications and squarings over the field extension F p 2. Finally, after integrating them into the point addition and point doubling formulas, we measure their impact on the execution time of scalar multiplications on elliptic curves defined over both finite fields. By using a mixed C/NEON implementation approach our solution is easily scalable at run time to support different curve sizes. Experiments conducted on the ARM Cortex-A9 processing system embedded in the Xilinx XC7Z020 device reported performance improvements of the NEON-based scalar multiplication between 32 % and 38 % and between 9 % and 34 % compared to a conventional implementation of the same operation on 254 -bit, 384 -bit and 510 -bit curves over F p and F p 2 respectively.

RESUMEN Este trabajo estudia el empleo del repertorio de instrucciones NEON para la implementación de primitivas criptográficas de curvas elípticas sobre procesadores ARM Cortex-A. Realizando un análisis de las ecuaciones para la aritmética de puntos en diferentes sistemas de coordenadas fue posible identificar varias operaciones sin dependencia de datos entre ellas. De esta manera, dichas operaciones fueron agrupadas en pares para ser ejecutadas simultáneamente utilizando el coprocesador NEON. Siguiendo este enfoque se implementan operaciones de doble multiplicación y doble cuadrado en el campo finito F p. Adicionalmente, estas operaciones dobles en F p son empleadas para acelerar las operaciones de multiplicación y cuadrado sobre la extensión de campo F p 2. Finalmente, al integrar todas estas operaciones dentro de los procedimientos para suma y doblado de puntos, se mide el impacto de las mismas en el rendimiento de la multiplicación escalar en curvas elípticas definidas sobre ambos campos finitos. Gracias a una implementación mixta empleando C y NEON nuestra solución es fácilmente escalable en tiempo de ejecución para brindar soporte a varios tamaños de curva. Los experimentos realizados en el sistema de procesamiento ARM Cortex-A9 empotrado en el dispositivo XC7Z020 de Xilinx reportaron mejoras de rendimiento entre un 32% y un 38% y entre un 9% y un 34% para una multiplicación escalar basada en NEON con respecto a una implementación convencional de dicha operación en curvas de 254 , 384 y 510 bits sobre F p y F p 2 respectivamente. Palabras claves: criptografía de curvas elípticas, multiplicación escalar, ARM Cortex-A, NEON.

Evaluación del confort y disconfort térmico

RESUMEN Los principales modelos de confort, estrés térmico y zonas de confort que se han desarrollado a nivel internacional, son descritos en este trabajo. Estos modelos interesan como referencia teórica para el desarrollo y comprensión de un modelo de zona de confort más amplio. En cada modelo investigado se analiza la influencia de los factores y parámetros, tanto ambientales como personales, que inciden en la percepción confortable o no del ambiente térmico, haciendo énfasis en su modelo de disconfort correspondiente. Una aplicación informática visual sobre Matlab® fue desarrollada y agrupó los diferentes modelos estudiados. La aplicación informática permite establecer comparaciones entre los diferentes modelos y valorar que los sistemas de control monovariable, instalados en la mayoría de los edificios para garantizar confort, dándole importancia solo a la variable temperatura, limitan la influencia de otras variables que tienen incidencia en la satisfacción de los clientes. La presión, la humedad relativa, la velocidad del aire también afectan el confort y de cierta manera el consumo energético en el ámbito de la edificación.

ABSTRACT The main internationaly comfort, thermal stress and comfort zones models that have been developed are described in this work. These models are of interest as a theoretical reference for the development and understanding of a broader comfort zone model. In each one, the influence of factors and parameters, both environmental and personal, that affect the comfortable or not perception of the thermal environment is analyzed, emphasizing for each model its corresponding discomfort model. Visual informatic application was developed on Matlab® that grouped the different models studied. The application allowed comparisons to be made between them and to demonstrate that the single-variable control, systesms carried out in most buildings to guarantee comfort, giving importance only to the temperature variable, limit the influence of other variables that have an impact on customers’satisfaction. The pressure, relative humidity, and air speed also affects the comfort and energy consumption in a certain way in the building sector.

Modernización de un modulador de RF para un espectrómetro de RMN

ABSTRACT Low field magnetic resonance (MR) for the study of chemical compounds is a very common and important area of research. However, the greater the intensity of the magnetic field, the better the signal-to-noise ratio of the signal obtained from the substance under study and, therefore, the greater the possibilities of identifying the different chemical compounds. To conduct these studies, an MR spectrometer was built at the Centro de Biofísica Médica (Biophysics and Medical Physics Center), the parts of which were taken from other equipment in the laboratory or modified, such as the radio frequency (RF) modulator. This paper describes the changes and improvements made to the RF modulator that allowed the spectrometer to function correctly at the new 1.5 T field. The aforementioned changes included: changing the modulator's working frequencies to make it work well at the new 64 MHz, change of frequency, changing the RF switch to achieve better attenuation of the non-desired RF signal, designing and implementing a RF switch control circuit and designing and implementing a new 64 MHz passband filter. The performance of the upgraded modulator was demonstrated by measuring harmonic suppression, sideband rejection and conversion loss. Finally, the modulator fitted into the spectrometer was validated by carrying out a complete experiment that ended with the acquisition of an MR signal.

RESUMEN La Resonancia Magnética (RM) de bajos campos para el estudio de compuestos químicos es un área muy importante y común de la investigación. Sin embargo, mientras mayor es la intensidad del campo magnético, mejor es la relación señal a ruido de la señal que se obtiene de la sustancia en estudio y, por lo tanto, mayores las posibilidades de identificación de los diferentes compuestos químicos. Para realizar estos estudios se construyó en el Centro de Biofísica Médica un espectrómetro de RM cuyas partes se adquirieron de otros equipos en el laboratorio o se modificaron, como por ejemplo, el modulador de radio frecuencia (RF). En este trabajo se describen los cambios y mejoras realizadas al modulador de RF que permitieron al espectrómetro funcionar correctamente en el nuevo campo de 1,5 T. Los cambios anteriores incluyeron: cambio de las frecuencias de trabajo del modulador para poder operar bien a la nueva frecuencia de 64 MHz, cambio del interruptor de RF para lograr una mejor atenuación de la señal de RF no deseada, diseño e implementación de un circuito controlador del interruptor de RF y diseño e implementación de un nuevo filtro pasabanda a 64 MHz. El rendimiento del modulador modernizado se demostró midiendo la supresión armónica, el rechazo de la banda lateral y la pérdida de conversión. Finalmente se validó el modulador incorporado al espectrómetro mediante la realización de un experimento completo que culminó con la adquisición de una señal de RM.

Implementación de un detector de movimiento para cámaras inteligentes sobre sistemas embebidos

RESUMEN Este artículo describe la implementación sobre hardware reconfigurable de un detector de movimiento para cámaras inteligentes el cual puede ser empleado en varios campos de aplicación. El sistema propuesto detecta el movimiento en una secuencia de vídeo identificando la región de interés para reducir el tiempo de procesado de los algoritmos de análisis e identificación posteriores. Como parte de este trabajo se realizan tres módulos de detección de movimiento basados en el modelo planteado por Reichardt & Hassenstein para la detección bioinspirada de movimiento elemental, así como otros módulos auxiliares. Estos bloques han sido incorporados a la biblioteca de procesado de imágenes y vídeos XIL XSGImgLib, la cual permite simplificar y reducir el tiempo de diseño de las aplicaciones de procesado de imágenes y vídeos sobre los FPGA y SoC FPGA de Xilinx. Para la comprobación de los detectores se presenta una aplicación de detección de movimiento para un flujo espaciotemporal de vídeo, proveniente de un punto de control de tráfico vehicular, en un FPGA Spartan-6 LX45, arrojando mejoras en el tiempo de ejecución de la implementación del bloque de detección de movimiento elemental comparado con desarrollos similares reportados en la literatura consultada.

ABSTRACT This paper describes the implementation of a motion detector system for traffic control’s smart cameras on embedded devices that can be used in multiple application fields. The proposed system detects moving areas in video sequences, thus reducing the processing time of video analysis algorithms by selecting regions of interest. As part of this work, three motion detection modules, and auxiliary blocks, were developed based on the bio-inspired elementary motion detector presented by Reichardt & Hassenstein. These motion detection modules have been incorporated in the portfolio of modules in the XIL XSGImgLib video and image processing library, which aims to speed-up and ease visual image processing applications over Xilinx FPGAs and SoC FPGAs. To test the detectors, a spatio-temporal motion detection application has been implemented on a Spartan-6 LX45 FPGA using video sequences from a vehicular traffic control point, showing execution time improvements on the elementary motion detector block compared with similar developments reported in the consulted literature.

Diseño de un receptor DVB-S en VHDL utilizando las herramientas del entorno MATLAB/Simulink

RESUMEN Los sistemas de radiodifusión satelital son una alternativa económica para el despliegue de la televisión y otros servicios en áreas poco pobladas y de difícil acceso. En el presente trabajo se presenta la modelación e implementación hardware de un receptor DVB-S según las especificaciones contenidas en el estándar EN 300 421. El receptor es modelado y validado dentro del entorno Simulink. A partir del modelo validado se genera un código VHDL equivalente utilizando las herramientas HDL Coder y HDL Verifier. En su diseño se utilizan tanto módulos HDL sintetizables de Simulink, como módulos IP del Xilinx Core Generator para su implementación y validación sobre un entorno hardware, se utiliza la herramienta FPGA in the Loop Se realiza una comparación entre la implementación con bloques HDL nativos del entorno Simulink y la utilización de módulos de la plataforma Xilinx.

ABSTRACT Satellite broadcasting systems are an economical alternative for the deployment of television and other services in sparsely populated and difficult to access areas. This paper presents the modeling and hardware implementation of a DVB-S receiver according to the specifications contained in the EN 300 421 standard. The receiver is modeled and validated within the Simulink environment. From the validated model, an equivalent VHDL code is generated using the HDL Coder and HDL Verifier tools. Both Simulink synthesizable HDL modules and Xilinx Core Generator IP modules are used in the design for implementation and validation in a hardware environment, using the FPGA in the Loop tool. A comparison is made between implementation with native HDL blocks from the Simulink environment and the use of modules from the Xilinx platform.

Implementación de sistema operativo robótico en una plataforma de robot móvil

RESUMEN En el presente trabajo se realiza una implementación del Sistema Operativo Robótico (ROS) en un robot móvil diseñado para la interacción y el servicio humano. La plataforma utiliza un sistema digital basado en una placa Arduino Mega y una computadora de placa única (SBC) Raspberry Pi en comunicación con una computadora remota. La placa del microcontrolador realiza todas las operaciones de bajo nivel sobre el hardware. Se estableció una comunicación en serie entre el microcontrolador y la Raspberry Pi que ejecuta varios paquetes ROS para manipular la información. Una cámara Raspberry Pi está conectada al SBC y las imágenes capturadas se envían a la computadora remota para el procesamiento de las mismas utilizando ROS y OpenCv; la respuesta se genera dependiendo de la imagen tomada. El trabajo aporta la descripción de la implementación modular distribuida en capas de ROS en una plataforma móvil desarrollada en Cuba a un costo más bajo que muchas de las existentes en el mercado internacional.

ABSTRACT In this paper an implementation of Robotic Operating System (ROS) on a mobile robot designed for human interaction and service is presented. The platform is designed using a digital system based on an Arduino Mega board and a Single Board Computer (SBC) Raspberry Pi in communication with a remote computer. The microcontroller board is used to perform all low-level operations over the hardware. It’s established a serial communication between microcontroller and Raspberry Pi which is running various ROS packages to manipulate information. A Raspberry Pi camera it’s connected to the SBC and the frames captured by the camera are sent to the remote computer for image processing using ROS and OpenCv; the response is generated on the remote computer in dependence of the image taken. The project gives the description of a layered distributed implementation of ROS in a mobile platform developed in Cuba in lower cost that many present on the market.

Modelo de sensor de presión piezorresistivo usando la solución de un problema inverso de optimización

RESUMEN El uso de sensores de presión comerciales genéricos para producir transmisores de presión permite disminuir los costos y desarrollar instrumentación para amplias aplicaciones, sin necesidad de fabricar el sensor. Los modelos eléctricos para sensores comerciales son una herramienta importante para el diseño de los circuitos de acondicionamiento de señal que estos sensores necesitan. En las especificaciones técnicas de los sensores comerciales no es común encontrar los datos de los piezorresistores que forman el puente ni estos pueden medirse de forma práctica. El objetivo de este trabajo es desarrollar un modelo eléctrico compatible con SPICE que pueda ser aplicado a puentes piezorresistivos comerciales y que modele la componente cuadrática de la variación térmica, pues no existían modelos disponibles con estos requisitos. En el modelo obtenido se extraen los parámetros mediante la solución de un problema inverso de optimización a partir de datos del puente sin conocer los parámetros de los piezorresistores. En los resultados se comparan los voltajes de salida de cinco sensores comerciales con la salida simulada de los modelos eléctricos correspondientes. Como ejemplo de aplicación se presenta la simulación en PSPICE usando el modelo desarrollado de un método básico de compensación del voltaje de offset y de su dependencia térmica, tomando en cuenta la componente cuadrática de la variación térmica.

ABSTRACT The use of generic commercial pressure sensors to produce pressure transmitters allows to reduce costs and develop instrumentation for several applications, without the need of manufacturing the sensor. Electrical models for commercial sensors are an important tool for the design of the signal conditioning circuits that these sensors need. In the technical specifications of commercial sensors, it is not common to find the data of the piezoresistors that conform the bridge, and there is no practical way to measure this data. The objective of this work is to develop an electrical model compatible with SPICE that can be applied to commercial piezoresistive bridges and that models the quadratic component of the thermal variation, since there were no models available with these requirements. In the model obtained, the parameters are extracted by solving an inverse optimization problem based on bridge data without having the piezoresistor parameters. As a result, a comparison is made between the output voltages of five commercial sensors and the simulated output of their corresponding electrical models. As an application example, the simulation in PSPICE is presented using the developed model of a basic offset voltage compensation method and its thermal dependence, taking into account the quadratic component of the thermal variation.

Modificación a la antena de guía de onda ranurada AU11-07N del Navy-Radar 4000

ABSTRACT In marine and coastal radar applications it is usual to find antennas consisting of a slotted waveguide antenna and a horn antenna. To increase the effectiveness of the cuban coastal surveillance system, it is proposed to modify the AU11-07N slotted waveguide antenna of the Navy-Radar 4000 based on the design of an optimal pyramidal horn antenna, causing the half power beamwidth to be reduced by half in the vertical plane. To achieve the objective, the original antenna is measured and modeled to then simulate it in the Ansoft HFSS software and compare it with the data from the radar manual. Then, the original antenna is modified based on the design of an optimal pyramidal horn, simulated and adjusted to the final dimensions based on the variation in the length of its plates. With the proposed modification, the half power beamwidth is achieved for the vertical plane of 11,30o and for the horizontal plane of 0.71o, a secondary lobe level of -35 dB for the azimuth plane and a final gain of 34 dB, greater than that of the original antenna.

RESUMEN En aplicaciones de radares navales y costeros es usual encontrarse antenas compuestas por una antena de guía de onda ranurada y una antena de bocina. Para incrementar la efectividad del sistema de vigilancia costero cubano se plantea modificar la antena de guía de onda ranurada AU11-07N del Navy-Radar 4000 a partir del diseño de una antena de bocina piramidal óptima provocando la reducción a la mitad del haz de media potencia del sistema por el plano vertical. Para lograr el objetivo, se mide la antena original y se modela para posteriormente simularla en el programa Ansoft HFSS y compararla con los datos del manual del radar. Luego, la antena original es modificada a partir del diseño de una bocina piramidal óptima, simulada y ajustada a las dimensiones finales a partir de la variación del largo de sus placas. Con la modificación propuesta se logra un ancho del haz de media potencia por el plano vertical de 11.300 y por el plano horizontal de 0.710, un nivel de lóbulos secundarios de -35 dB por el plano azimutal y una ganancia final de 34 dB, superior a la de la antena original.