Implementazione e test su FPGA di un sistema di comunicazione a eventi per applicazioni robotiche = FPGA test and implementation of event-driven communication system for robotic applications

Il paradigma di tipo event-driven è di fondamentale importanza in ambito robotico al giorno d'oggi per ridurre al minimo latenza, banda, potenza e risorse computazionali. Un sensore che lavora secondo questo principio segnala, in maniera asincrona, una variazione della grandezza fisica misurata senza dover attendere precisi istanti di campionamento come avviene per sistemi di tipo clock-driven. Il senso del tatto nei robot può beneficiare ampiamente di questo modello, anche di più rispetto alla percezione visiva come dimostrato da diversi studi. Questo lavoro di tesi si focalizza sulla parte di comunicazione tra due strutture hardware event-driven necessarie per il processamento di dati sensoriali tattili per il robot umanoide iCub: il Tactile Hub, una unità che produce gli eventi e un'altra che riprende alcune delle funzionalità della HPU, ovvero l'unità di processamento dei dati di iCub, connesse tra di loro tramite il protocollo seriale asincrono AS-AER. Il Tactile Hub acquisisce dati campionati clock-based, genera e spedisce gli eventi attraverso il bus AS-AER oltre ad unire il flusso di eventi locali con il flusso di eventi di altri dispositivi. L'altro modulo acquisisce, deserializza, applica un timestamp e carica i dati nella memoria della CPU. È stata allestita una configurazione che comprende una FPGA, un modulo FTDI per la configurazione dei registri del Tactile Hub tramite protocollo I2C e un convertitore UART-USB per consentire la comunicazione con il PC. Il primo obiettivo di questa tesi è la verifica del corretto funzionamento del setup allestito, indipendentemente da iCub. Per simulare gli stimoli tattili vengono utilizzati dei generatori interni al Tactile Hub mentre gli eventi, comprensivi di timestamp, sono spediti tramite UART al PC e interpretati da un programma C. Come secondo obiettivo di questa tesi, un trasmettitore e ricevitore seriali basati su codifica data-strobe, che utilizzano solo tre fili per la comunicazione (data, strobe e ground), sono stati progettati, per essere poi utilizzati per scopi di debug; il bit rate prodotto dal trasmettitore è pari alla metà della sua frequenza di clock. Questi due sistemi sono stati verificati e testati attraverso un apposito testbench su FPGA; in particolare, per caratterizzare i due moduli hardware progettati è stata creata una struttura contenente trasmettitore e ricevitore, un LFSR modificato per generare i dati da trasmettere, un circuito di comparazione per verificare l'uguaglianza tra il dato trasmesso e ricevuto e una serie di contatori per tenere traccia di eventuali errori. Sono state effettuate 2³² trasmissioni di dati su 32 bit per testare che ogni pattern trasmesso fosse ricevuto correttamente, effettuando prove utilizzando un clock al trasmettitore nel campo 70-180 MHz, tenendo fissa la frequenza di lavoro del ricevitore a 200 MHz; non si sono ottenuti errori per un range di frequenze al trasmettitore di circa 70 MHz. I risultati ottenuti dal setup allestito, invece, hanno fornito buoni risultati, in linea con quanto previsto.