REALIZZAZIONE CIRCUITALE DI FUNZIONI LINEARI A TRATTI

REALIZZAZIONE CIRCUITALE DI FUNZIONI LINEARI A TRATTI
Tomaso Poggi, Marco Storace
Università di Genova, Dipartimento di Ingegneria Biofisica ed Elettronica
Via Opera Pia 11A, 16145 Genova
Le funzioni lineari a tratti (PWL) trovano molte applicazioni nella realizzazione di sistemi di controllo
embedded [1], nell'emulazione/approssimazione di sistemi dinamici non lineari (neuroni biologici,
oscillatori, ecc.) [2,3] e in tutti i casi in cui è necessario calcolare funzioni non lineari mediante circuiti
veloci, di dimensioni ridotte e a basso consumo di potenza. In questa ottica, sono state proposte due
architetture digitali in grado di realizzare funzioni PWL definite su domini n-dimensionali [4].
Nonostante l'obiettivo finale sia la realizzazione di un circuito integrato dedicato, per un primo
collaudo le architetture sono state realizzate su una scheda programmabile (FPGA).
Una funzione PWL può essere rappresentata mediante una combinazione lineare di N funzioni base
pesate da coefficienti cj [5]. Mediante un'opportuna scelta delle funzioni base, il calcolo della funzione
viene ricondotto al calcolo di una somma pesata di un numero limitato di coefficienti cj, i quali sono
precalcolati e immagazzinati in una memoria.
Le architetture proposte realizzano lo stesso algoritmo e si differenziano solo per il modo in cui viene
effettuata l'elaborazione dei dati di ingresso. La prima architettura acquisisce gli ingressi un bit alla
volta ed effettua i calcoli utilizzando il minor numero di risorse (moltiplicatori, sommatori, registri)
possibili. La seconda, invece, agisce in parallelo sulle stringhe binarie in ingresso occupando un
maggior numero di celle base della FPGA a vantaggio della maggiore velocità di elaborazione.
Entrambe le realizzazioni su FPGA sono completamente configurabili: fissando alcuni parametri
all'inizio, si realizzano automaticamente funzioni
 definite su domini n-dimensionali, con n qualunque
 determinate da un qualunque numero di coefficienti cj
 calcolabili con precisione arbitraria in termini di numero di bit usati per la rappresentazione
numerica (in virgola fissa)
Le architetture sono state collaudate in laboratorio misurando le uscite mediante l'uso di un analizzatore
di stati logici. I risultati sono stati confrontati con altri lavori presenti in letteratura evidenziando le alte
prestazioni in termini di velocità di elaborazione e semplicità della struttura del circuito, che si riflette
sui costi di realizzazione e sul consumo di potenza [4].
Attualmente, si sta lavorando su tre possibili applicazioni dei circuiti PWL:
 Neurone biologico [2,3]. Le funzioni PWL vengono utilizzate per approssimare la parte non
lineare del sistema dinamico che definisce il comportamento del modello di neurone di
Hindmarsh e Rose.
 Controllo ottimo vincolato [1]. I circuiti PWL sono impiegati per realizzare la retroazione in un
sistema di controllo non lineare.
 Sensori virtuali [6]. Le funzioni PWL sono utilizzate per stimare grandezze fisiche a partire da
misure disponibili.
Misure effettuate mediante l'analizzatore di stati logici per l'architettura parallela. Ad ogni fronte di
salita del segnale CK il circuito elabora i tre ingressi per calcolare il valore della funzione PWL.
Riferimenti bibliografici
[1] A. Bemporad, M. Morari, V. Dua and E. Pistikopoulos, “The explicit linear quadratic regulator for
constrained systems”, Automatica, 2002, vol. 38, pagg. 3-30.
[2] M. Storace, F. Bizzarri, "Towards accurate PWL approximations of parameter-dependent nonlinear
dynamical systems with equilibria and limit cycles," IEEE Transactions on Circuits and Systems-I:
Regular Papers, 2007, vol. 54, pagg. 620-631.
[3] M. Storace, D. Linaro, E. de Lange, "The Hindmarsh-Rose neuron model: bifurcation analysis and
piecewise-linear approximations," Chaos, 2008, vol. 18, paper 033128(1-10).
[4] T. Poggi and M. Storace, “FPGA implementation of digital architectures realizing piecewise-linear
multi-variate functions”, accettato per la pubblicazione su International Journal of Circuit Theory
and Applications.
[5] M. Parodi and M. Storace and P. Juliàn, “Synthesis of multiport resistors with piecewise-linear
characteristics: a mixed-signal architecture”, International Journal of Circuit Theory and
Applications, 2005, vol. 33, pagg. 307-319.
[6] M. Milanese, C. Novara, K. Hsu and K. Poolla, “Filter design from data: direct vs. two-step
approaches”, Proceedings of the 2006 American Control Conference, 2006.