Ein Druckkopf besteht aus einer Vielzahl von winzigen Düsen, die einzeln angesteuert, Tintentröpfchen aufs Papier spritzen. Unter der Düse befindet sich ein Dünnfilmwiderstand, der sich unter Stromfluss in 2 usec auf ca. 300 C erhitzt (der Dauer des Strompulses). Die sich über dem Widerstand befindende, flüssige Tinte wird erhitzt, dehnt sich aus und schiesst durch die Düse aufs Blatt Papier.

Mittels einer elektrischen Messung während des Druckvorganges soll festgestellt werden ob eine Tintenpatrone defekt, verstopft, leer oder in Ordnung ist. Damit besteht die Möglichkeit, eine Messschaltung direkt auf dem Druckkopf-Chip zu integrieren. Die Auswertung der Schaltung würde dem Drucker eine entsprechende Statusmeldung senden: verstopft, leer, defekt, OK. Als Erstes wurde diese Idee auf ihre Durchführbarkeit geprüft mit dem Resultat, dass innerhalb der Messdauer von 20 usec keine Aussage über den Zustand der Tintenpatrone gemacht werden kann. Für die Messung entwickelten wir eine Schaltung, die das Ansteuerungssignal für eine Düse druckerunabhängig generiert. Gleichzeitig wird der Stromverlauf durch den angesteuerten Widerstand (in der Tintenpatrone) gemessen, was infolge einer Widerstandsänderung Aufschluss über dessen zeitlichen Temperaturverlauf gibt. Anhand dieses Temperaturverlaufs hätte auf den Zustand der Tintenpatrone geschlossen werden sollen. Die Resultate der Messungen an leeren und funktionierenden Tintenpatronen zeigten keine messbaren Unterschiede. Aufgrund dieser Tatsachen wurden die Zielvorgaben angepasst.

Wir realisierten ein Widerstand Messsystem, das feststellen kann, ob ein Widerstand einer Tintenpatronen defekt ist. Dieser "Patronentester" kann jedoch nicht erkennen, ob der Druckkopf verstopft oder die Patrone leer ist.

Innerhalb eines Bürogebäudes, eines Theaters oder Schulungsraumes soll ein optisches Bussystem realisiert werden. Um einen optimalen Informationsaustausch zu ermöglichen, sollen folgende Daten übermittelt werden:

• digitalisiertes und komprimiertes Videosignal
• digitalisiertes Audiosignal
• diverse Steuerdaten

Als Ziel der Diplomarbeit wurde eine Demoapplikation eines Video-Konferenzsystems definiert. Dieses soll in der Lage sein, ein digitalisiertes und komprimiertes Videosignal im PAL-Standard über ein Fiber-Bussystem unidirektional zu übertragen. Audio- und Steuerdaten sollen noch nicht eingebunden werden.

Das Endprodukt dieser Diplomarbeit ist eine unidirektionale Videoübertragung (Sender-Empfänger-System). Auf der Senderseite wird ein PAL-Videosignal digitalisiert, komprimiert und anschliessend seriell über eine Kunststofffaserleitung verschickt. Auf der Empfängerseite werden die Daten dekomprimiert und als analoges PAL-Videosignal ausgegeben. Die Datenrate des Videodatenstromes beträgt 8MBit/s bei 50 Halbbildern pro Sekunde. Das System wurde so offen konzipiert, dass eine nachträgliche Einbindung von Audio- und Steuerdaten ohne grossen Aufwand realisiert werden kann. Entsprechende Platzhalter dieser Signale werden bereits mitübermittelt. Um die Einfachheit der Anbindung von Steuerdaten zu demonstrieren, wurde eine kleine Zusatzapplikation realisiert. Mit dieser ist es möglich via Kunststofffaser unidirektional Textzeichen von Terminal zu Terminal zu übermitteln.

In der Diplomarbeit wurde ein System ausgearbeitet, das in der Lage ist, ein Videobild in ein LCD-Display mit integriertem 486er PC und aufgesetztem Touchscreen einzublenden. Eine solche Lösung könnte für Videokonferenzen oder Überwachungsanlagen eingesetzt werden.

Das realisierte System setzt sich aus einem Hardware- und einem Softwareteil zusammen. Die Hardware besteht aus einem Print, der als Interface zwischen PC und Display fest installiert ist. Zentrale Blöcke auf dem Print sind ein Video Input Processor, der das analoge Videosignal in ein digitales Signal umwandelt, eine schnelle SRAM-Bank sowie ein FPGA, welches verschiedene Software-Module enthält und das gesamte System steuert. Die vom PC her kommenden Displaydaten werden entweder direkt an das Display weitergegeben oder aber durch die digitalisierten Videodaten ersetzt.

Eine wichtige Teilaufgabe war die Synchronisation der unterschiedlichen Taktraten von Videodaten und PC Displaydaten. Für die Lösung dieses Problems wurde ein virtuelles Dual Port RAM entwickelt. Innerhalb einer Periode des 25 MHz Displayclocks ( 20 ns) wird das RAM je einmal beschrieben und einmal ausgelesen. Dabei können Daten A mit der Adresse A und der Geschwindigkeit A ins RAM geschrieben werden und gleichzeitig Daten B mit der Adresse B und der Geschwindigkeit B aus dem RAM ausgelesen werden. Das Videobild wird so kontinuierlich ins RAM geschrieben, an der ins Display einzublendenden Stelle wird das RAM dann wieder ausgelesen. Anfängliche Befürchtungen, diese kurze Zeit könnte Probleme verursachen, erwiesen sich als gegenstandslos.

Alle Aufgaben wurden realisiert: Ein bewegtes Videobild kann in das LCD-Display projiziert werden. Auch die Optionen, Printplatte mit FPGA, RAM und AD-Wandler sowie verstellbare Bildgrössen auf -, - und Ganzbild wurden erfüllt. Zusätzlich ist auch noch die Einstellung kein Bild' möglich und es können Bilder eingefroren werden.

Das Ziel dieser Diplomarbeit bestand darin, die als Projektarbeit begonnene Entwicklung eines Mixed-Signal FPGA Boards weiterzuführen, bzw. abzuschliessen. Dieses Board soll im Mikroelektronikunterricht den Studierenden in der Entwicklung von analogen und digitalen Schaltungen helfen, das Verständnis in der direkten Realisierung zu fördern. Es handelte sich somit um ein internes Projekt des Departement Informatik, Kommunikation und Elektrotechnik der ZHW.

Nach einem Review an die leicht veränderte Aufgabenstellung nahmen wir die nötigen Anpassungen vor: Die Gesamtschaltung wurde in zwei Teilsysteme gegliedert. Dies einerseits, um eine Trennlinie zwischen den digitalen und den analogen Komponenten zu schaffen, andererseits um den erhöhten mechanischen Anforderungen des analogen Teils gerecht zu werden. Dadurch ist es auch möglich, das Analogboard selbständig zu verwenden.

Nach dem Systemdesign der beiden Module, d.h. Abklärung der Anforderungen, Evaluation der Bauteile etc., wurden schliesslich die Schemas gezeichnet, die Stückliste erstellt und das Layout und die Herstellung der beiden Leiterplatten in Auftrag gegeben. Danach wurden parallel einerseits die VHDL Komponenten realisiert, andererseits die PC-Applikation programmiert.

Das Analog Modul wurde fertig entwickelt, aufgebaut und getestet. Das Digital Modul befindet sich gegenwärtig in der Produktion. Die VHDL Module zur Ansteuerung sind grösstenteils ausprogrammiert, konnten aber mangels Hardware noch nicht ausgetestet werden.

Die Mikroelektronik hat sich seit ihrer Geburtsstunde im Jahr 1958 durch die Entwicklung der ersten integrierten Schaltungen (IC) rasant weiterentwickelt. Die Mikroelektronik gehört zu den am schnellst wachsenden und wandelnden Gebieten der technischen Wissenschaften. Die letzten 40 Jahre prägten, neben der Erfindung des Transistoren, die Geschichte der Elektronik. Aus dem mikroskopisch kleinen Siliziumchip entstand ein boomender Wirtschaftszweig mit einigen hundert Milliarden Dollar Weltjahresumsatz. Ungefähr ein Viertel davon wird mit Application Specific Integrated Circuit (wörtlich: anwendungsspezifische, integrierte Schaltung) genannt ASIC erwirtschaftet. Als ASIC werden drei Typen von ICs bezeichnet:

• Programmierbare ASIC
• Semi Custom ASIC
• Full Custom ASIC.

Mittlerweile hat das ASIC-Umfeld unüberschaubare Dimensionen angenommen. Dies gilt vor allem für Firmen die einen möglichen Einstieg in Erwägung ziehen. Um diesem Manko entgegenzutreten wurde diese Diplomarbeit

"Welche Vorteile gewinnt eine Firma durch den Einsatz eines ASICs?"

in Form einer Dienstleistung mit Informationen, Beratung und Offerte lanciert. Diese soll KMUs den Einstieg in die Mikroelektronik erleichtern. Leider fanden sich in den interviewten Firmen keine aktuellen, für diese Aufgabenstellung geeigneten Projekte.

Aus den Gesprächen entstand die Idee, eine Dokumentation zu erstellen, welche einen Überblick über das komplexe ASIC-Umfeld gibt. Daraus resultierte

"Das kleine ASIC ein-mal-eins".