Universitätsprojekte

  • BTnode

BTnode

Kunde: ETH Zürich [TIK]

Basierend auf einem Bluetooth-Funk-Modul und einem Mikrocontroller, stellt der BTnode eine autonome drahtlose Kommunikation und Computing-Plattform dar, die als Demonstrationsplattform für die Forschung im Bereich der mobilen und Ad-hoc-Netzwerke (MANETs) sowie der verteilten Sensornetzwerke dient. Der BTnode wurde gemeinsam an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH, Zürich) durch das Institut für Technische Informatik und Kommunikationsnetze (TIK) und der Forschungsgruppe ‚Verteilte Systeme‘ entwickelt. Der BTnode wird derzeit in zwei grossen Forschungsprojekten NCCR MICS und Smart-Its eingesetzt.

Unser Beitrag

Art of Technology war für die Industrialisierung des ETH-Prototyp-Designs und die anschließende Produktion von kleinen bis mittleren Stückzahlen verantwortlich.

  • Europractice MCM

EUROPRACTICE – MCM

EU-Kommission, 4. Forschungsrahmenprogramm (FP4)v

Der sich rasch verändernde Markt für eingebettete und tragbare Computer resultiert aus der stetig wachsenden Nachfrage nach verbesserter Zuverlässigkeit und zunehmender Verarbeitungsleistung in immer kleineren Formfaktoren. Ein Pentium®-basiertes Multi-Chip-Modul (MCM) wurde während des 4. europäischen Forschungsprojekts «EUROPRACTICE-MCM» entworfen und hergestellt. Die wichtigste wissenschaftliche und technische Herausforderung des Projektes war, einen Technologie-Demonstrator zu entwickeln, um das Potenzial der High Density Packaging (HDP) Technologien zu zeigen.

  • Europractice MCM - Pentium

Vorteile der MCM-basierten Lösungen

  • Vereinfachung des Systemdesigns
  • Verringerung des Stromverbrauches und des Überschwingens dank interner Verdrahtung aller High-Speed-Host-Bus-Signale
  • hohe Frequenzen und kritische Signale bleiben im MCM
  • einfache Standardschnittstellen (PCI, DRAM)
  • Reduzierung der Anzahl der Signallagen auf der Hauptplatine
  • weniger aggressive Board-Design-Regeln
  • Verkleinerung der Fläche auf der Hauptplatine
  • deutliche Verkleinerung (ein Viertel der Originalgrösse)
  • Reduzierung des Gesamtgewichts
  • leicht aktualisierbar (neue Prozessoren / Chipsätze)
  • Verkürzung der Markteinführung (keine Änderungen der Hauptplatine erforderlich)
  • verbesserte EMV und thermische Performance
  • Endanwender benötigt kein Pentium® Wissen

Resultate

Das Pentium® MCM wurde am thermisch optimierten Kunststoff-Stud-Grid-Array (PSGA) montiert, eine Verpackungstechnik mit Kunststoffbolzen auf dem Körper der Verpackung anstelle von grossen Lötkugeln, was eine zuverlässige und kostengünstige Verpackung hoher Pin-Count-Geräte bietet. Ein vorhandener Pentium® Modul-Chipsatz mit Level 2-Cache (9 Chips und SMD-Bauteile), DRAM-Interface und PCI-Host-Brücke wurde mit Dünnschicht auf Silizium in einem PSGA Gehäuse verwendet, das wesentlich kleiner als das Original war, d.h. 25% des ursprünglich verpackten Pentium® Prozessors.

Das SP5MX1 ist eine miniaturisierte Version des Kerns eines Pentium® Prozessor Multichip-Moduls (MCM), das als Prozessor-Subsystem für den Einsatz in mobilen und Embedded-Systemen bestimmt ist. Erste Tests wurden erfolgreich mit Windows NT ausgeführt und einige Benchmark-Programme mit einer Taktfrequenz von 100 MHz durchgeführt.

  • GPS Data Logger (ZHAW)

GPS-Datenlogger (ZHAW)

Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften

Unter der Leitung der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften erfasst und modelliert das Forschungsprojekt «mafreina» die Bedürfnisse und Verhaltensweisen von Erholungssuchenden in der Natur (z.B. in der „Biosfera Val Müstair“ Naturschutzgebiet, Graubünden, Schweiz). Basierend auf Hard- u. Software des OEM GPS-Datenloggers, einem unserer bestehenden Semi-Custom-Geräte, verfügt der ZHAW GPS-Datenlogger über einen grossen Datenspeicher und beendet, um Strom zu sparen die Protokollierung, wenn er nicht in Bewegung ist, was eine 7-Tage-Aufzeichnungskapazität bietet. Für das Gehäuse wurde eine spezielle Herstellungstechnik verwendet, die sich besonders für geringe Mengen eignet, was die Notwendigkeit für teure Werkzeuge vermeidet.

  • GPS Data Logger (ZHAW) - Print

Unser Beitrag

  • Einsatz vorhandener Semi-Custom GPS-Datenloggern (OEM)
  • Integration eines Low-Power-Bewegungssensors
  • Nutzung vorhandener Teile, um tragbare Kosten zu erzielen
  • massgefertigtes, robustes Gehäuse
POLAR - In Space

«POLAR»
(im Weltraum)

Gamma-Ray-Bursts Polarisationsdetektor «POLAR»

Kunde: European Space Agency (ESA)

Obwohl 1960 entdeckt, sind Gammastrahlenblitze (GRBs- Gamma Ray Bursts) immer noch voller Geheimnisse und der Entstehungsmechanismus dieser sehr intensiven Explosionen ist weiterhin unbekannt. Um bestehende Modelle zu validieren oder auszuschließen, ist eine genaue Messung der Polarisation des GRB erforderlich.

«POLAR» ist ein hochempfindlicher Detektor der den Compton-Streuungs-Effekt nutzt, um die Polarisation der einfallenden Photonen zu messen. Mit seinem großen Sichtfeld und einer Detektionsenergie bis 500 keV wird er eingesetzt, um die Polarisation der GRB-Emissionen mit Hilfe von niedrigen Z-Material Kunststoff-Szintillatoren, Multimode-Photomultiplier und Multi-Channel-ASIC-Front-End-Elektronik zu messen. «POLAR» sollte zwei bis drei Jahre im Betrieb sein, während derer eine große Anzahl von GRBs gemessen werden soll.

POLAR - Onboard Tiangong-2

erstes offizielles Foto an Bord
Weltraumlabor „Tiangong-2“

POLAR - HVPS

Hochspannungs-Stromversorgung

POLAR - LVPS

Niederspannungs-Stromversorgung

Unser Beitrag

Der Bau des «POLAR» Detektors, dem einzigen nicht-chinesischen Experiment an Bord des chinesischen Raumlabors „Tiangong-2“, wurde von einem internationalen Kooperationsprojekt durchgeführt mit Beiträgen aus China, Frankreich, Polen und der Schweiz. Der Aufgaben- u Verantwortungsbereich von Art of Technology umfasst insbesondere:

  • Machbarkeitsstudie:
    Untersuchung des Designs der vorhandenen Frontend-Elektronik in Bezug auf Fragen im Zusammenhang mit Raumfahrtanwendungen, um mögliche Konstruktionsfehler oder Schwachstellen zu identifizieren und Empfehlungen, um die Zuverlässigkeit der Herstellung und des Gesamtsystems zu erhöhen
  • Hochspannungs-Stromversorgung (HVPS):
    System Reverse Engineering von Breadboard, System Re-Design, Entwicklung und Herstellung der Hochspannungsversorgung mit 26 einstellbaren Stromquellen auf 3 Prints mit 300 bis 500 Komponenten pro Platte (300 mm x 60 mm, 6 Lagen )
  • Niederspannungs-Stromversorgung (LVPS):
    System Machbarkeitsstudie, Design, Entwicklung und Herstellung von Niederspannungsstromversorgung (LVPS) mit 82 schaltbaren Stromquellen auf 2 Prints mit 800 – 1’300 Komponenten pro Platte (300 mm x 60 mm, 8 Lagen)
  • Bauteile Beschaffung und Produktion:
    EQM, QMs und FM (bei den vom Endbenutzer ausgewählten Herstellern)
  • QBIC - Q-Belt Integrated Computer

Gürtel-integrierter Computer «QBIC»

Kunde: ETH Zürich (IfE)

Entwickelt um komfortabel zu tragen zu sein, ohne dass dabei seine Zuverlässigkeit beeinträchtigt wird, ist der «QBIC» nicht nur ein tragbarer Computer – er dient auch seiner klassischen Funktion… er hält die Hose oben! Das Herz des «QBIC» ist ein Intel Xscale-CPU (Intel PXA263B1C400), der mit einer variablen Geschwindigkeit von bis zu 400 MHz läuft. Das Band enthält eine Batterie, eine Echtzeituhr und eine Systembus-Erweiterung für Peripheriegeräte. Darüber hinaus bietet der Gurt Stecker für USB und serielle (RS-232) Geräte, einen VGA-Anschluss und einen Stromanschluss, der entweder für den Anschluss an das Stromnetz oder für eine zusätzliche am Gürtel montierbare Batterie verwendet werden kann.

Die Schnalle, die vom Riemen entfernt und auf ein Entwickler-Board für komfortable Programmierung gesteckt werden kann, enthält zwei Leiterplatten:

  • eine Hauptplatine mit CPU, SDRAM und Stromversorgung
  • eine Erweiterungskarte mit Bluetooth-Gerät, USB-Controller und MMC-Kartensteckplatz
  • QBIC - Transparent
  • QBIC - Size Comparison

Architektur

  • QBIC - Architecture
Eigenschaften
  • Intel XScale Prozessor PXA263B1C400
    – 400 MHz (scalierbar)
    – 32 MB interner Flash-Speicher
    – Stromversörgung
  • Speicher
    – 256 MB SDRAM
    – MMC-Kartensteckplatz (bis zu 2GB Flash)
  • Anschlüsse
    – USB (2 Hosts, 1 Client)
    – 2 x RS-232C Serielle-Ports
    – VGA-Ausgang (640×480)
    – GPIO-Pins
  • Bluetooth
  • HF-Transceiver mit geringer Leistung
  • Hot-Plug-Batteriewechsel
  • 10h Laufzeit mit externer Batterie
  • kleine Größe
  • QBIC
QBIC

Entwickelt um zu tragen

Obwohl der QBIC ursprünglich als Forschungsplattform zur Sammlung und Auswertung von Sensordaten zur medizinischen Überwachung und Kontexterkennung entwickelt wurde, kann er für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, z.B.:

Typische AnwendungenProjekte und Gruppen, die QBIC verwenden
  • Überwachung Vitalparametern kritischen Patienten
    (24 Stunden am Tag)
  • Überwachung, Sammlung und Analyse der Daten von Rehabilitationspatienten
  • Erkennung, Erfassung und Analyse der Daten von Tanzbewegungen
  • Erkennung & Überwachung der täglichen Aktivitäten (z.B. Benutzeraktionen in Arbeitsabläufen)
  • Computer für Reality-Spiele
  • Standort-Tracking
  • Reiseführer für Touristen und Reisende
  • Embedded Systems Lab
    Universität Passau
  • gegen Herz-Kreislauferkrankungen
    My Heart
  • Skoda Automobilproduktion
    WearIT@Work
  • gespag Krankenhausmanagement
    WearIT@Work
  • WearLab
    TZI, Universität Bremen
  • PermaSense - Matterhorn Instalation

Permafrost Messungen in den Alpen «PermaSense»

Kunde: ETH Zürich [TIK]

Permafrost ist ein thermisches Untergrundphänomen bestehend aus Gestein, Erde und Schutt, die das ganze Jahr über im steilen Felsuntergrund eingefroren sind. Nicht sichtbar an der Oberfläche, taut Permafrost in den Sommermonaten, was die Hangstabilität ernsthaft beeinträchtigen und zu Naturgefahren führen kann, die den sicheren Betrieb der Infrastruktur in der Umgebung gefährden könnten. PermaSense-Geräte werden in grosser Höhe in den Bergregionen mit Permafrost-Umgebung installiert und betrieben. Als solches muss das System und alle seine Komponenten bei niedrigen Temperaturen zuverlässig laufen und in der Lage sein, grossen täglichen Temperaturschwankungen (über 40°C), je nach Sonneneinstrahlung, Wind und Schnee, zu widerstehen.

  • PermaSense - Mountaineers

Aufgrund der Tatsache, dass die PermaSense-Geräte nur im Sommer mit Hubschrauber erreichbar sind, macht einen für 2-3 Jahre wartungsfreien Betrieb zwingend erforderlich. Um einen langfristigen Betrieb zu gewährleisten, musste die Gestaltung des Systems Folgendes ebenfalls berücksichtigen:

  • extreme tägliche Wetterveränderungen
  • Gefahr durch Blitzschlag, Lawinen, Steinschlag, Frost, Eis und Schnee
  • begrenzte Batterieleistung verfügbar
  • eingeschränktes Platzangebot für die Elektronik (und Batterie)
  • niedrige Produktionsvolumen
  • PermaSense - Matterhorn Basestation

Lösung

Die Daten werden über ein flexibles, verteiltes drahtloses Sensornetzwerk (WSN) gesammelt, das speziell auf die geophysikalischen Sensoren angepasst ist, wodurch zuverlässige und hochwertige Messungen in extremen Umgebungsbedingungen ermöglicht werden. Zusätzlich zum im Mast integrierten GPS-Empfänger und einer Antenne, einem 2-Achsen-Neigungssensor, der gesamten Elektronik und Kabel und einer 12V-Photovoltaikanlage, umfasst das entwickelte System Folgendes:

  • Drahtlos-System mit geringer latenter Datenübertragung
  • Temperaturmessungen mit Sensor Bars und Thermistor-Ketten
  • Sensorknoten mit ‚Riss-Meter‘
  • 2-dimensionale Messung der Spaltbewegung

Unser Beitrag

Design, Entwicklung und Industrialisierung miniaturisierte Funksensoren auf Basis funktioneller Modelle (HW), darunter:

  • Entwicklung eines Wireless-GPS-Systems (HW)
  • spezialisierte Sensorik und Elektronik in einem robusten Paket
  • niedrige Abtastraten (1-60 Min.), Batteriebetrieb
    (3 Jahre Lebensdauer)
  • vernetzte Geräte mit drahtloser Datenübertragung
  • Produktion von Kleinserien aller Produktvarianten
  • nur 6 Monate vom Konzept bis zur ersten Produktionscharge
  • PermaSense - Summit

  • PermaSense - System Archictecture
  • PermaSense - System
  • STIX - Solar Orbiter Experiments

Der Solar Orbiter bietet Platz für In-situ- und Fernerkundunginstrumente mit einer Gesamtnutzlastmasse von 180 kg

STIX Detektor-Elektronikmodul «STIX-DEM»

Kunde: European Space Agency (ESA)

Art of Technology hat zusammen mit dem Hauptauftragnehmer Almatech einen Vertrag der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) für die Konzeption, Entwicklung, Herstellung und Lieferung eines Detektor-Elektronikmoduls (DEM) erhalten. Dieses Modul wird in einem Spectrometer-Teleskop für Röntgenstrahltomographie «STIX» verwendet, ein Schweizer Experiment an Bord des Solar Orbiters, dessen Start in 2019 geplant ist.

Missionsziele

Die Raumsonde wird sich der Sonne bis auf 45 Millionen Kilometer nähern (¼ der Entfernung zwischen Erde und Sonne) näher als jede andere zuvor und wird sich mit der Sonne drehen, wodurch ein bestimmter Teil der Oberfläche für längere Zeiträume ohne Unterbrechung beobachtet werden kann. Dies ermöglicht neue Einblicke in die Aktivitäten der Sonne und ihre Auswirkungen auf die Erde, z.B. bessere Vorhersage der hochenergetischen Teilchen, die Anlagen wie Radio- und Satelliten-Kommunikation auf der Erde stören können. Die Solar Orbiter-Mission soll die zentrale Frage der Heliophysik beantworten: Wie erzeugt und steuert die Sonne die Hemisphäre?

  • STIX-Telescope-Exploded-View

Das STIX-Röntgenteleskop bestehend aus Imager (links) und Detektormodul (rechts) (Bild: FHNW)

  • STiX-DEM - DeE Alignment

Optische Ausrichtung der STIX Detektorelektronik (DeE – Q1)

Das Röntgenteleskop «STIX»

Das Röntgenteleskop «STIX», entwickelt und unter der Leitung der Fachhochschule Nordwestschweiz gebaut, wird Beobachtungen der Sonne mit bisher unerreichter Schärfe und direkte Messungen der Sonnenwinde und geladenen Teilchen in der Nähe ihres Entstehungsorts ermöglichen. Die neue Umlaufbahn erlaubt zum ersten Mal, die Polarregionen der Sonne zu studieren.

Ziel des «STIX» Experiments ist, zum Verständnis der Mechanismen hinter der Beschleunigung von Elektronen an der Sonne und deren Transport in den interplanetaren Raum beizutragen. Das «STIX» Instrument spielt eine Schlüsselrolle bei der Verknüpfung von Fernerkundungs- und In-situ-Beobachtungen im Solar Orbiter mit Imaging-Spektroskopie von thermischer und nicht-thermischer Röntgenstrahlung der Sonne. Diese geben quantitative Informationen über den Zeitpunkt, den Ort, die Intensität und das Spektrum beschleunigter Elektronen und Hochtemperatur-Plasmen, die meist mit Flares oder Mikro-Flares in der Sonnenkorona und Chromosphäre in Verbindung stehen.

  • STIX - Telescope Exploded