FPGA tabanlı çok fonksiyonlu ultrasonik temizleme makinesi tasarımı ve prototip üretimi
Design and prototype implementation of an FPGA based multi-functional ultrasonic cleaning machine
Yazar: ULVİ GÜVENÇ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ALİ TANGEL
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu çalışmada, FPGA teknolojisinin değişik tipte ultrasonik temizleme makinelerine uygulanması çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın ilk kısmında, FPGA tabanlı çok fonksiyonlu ultrasonik temizleme makinesi tasarımı ve prototip uygulaması sunulmaktadır. Tasarlanan sistem manuel ve otomatik olarak isimlendirilen iki ayrı çalışma moduna sahiptir. Sistemin sayısal tasarım kısmı, frekans ve PWM kontrollü işaret üreteci ve dört ayrı bağımsız temizleme kazanının güç seviyelerini göstermek için geliştirilmiş gösterge sürücü modüllerinden oluşmaktadır ve VHDL donanım programlama dilinin component blokları kullanılarak, modüler bir mimaride tek bir FPGA yongası üzerinde gerçeklenmiştir. Sonuç olarak, yeni geliştirilen iki aşamalı yinelemeli rezonans frekansı yakalama algoritması kullanılarak, otomatik çalışma modu için rezonans frekansının tespiti daha hızlı ve yüksek başarımda gerçekleştirilmiştir. Diğer yandan, her iki çalışma modunun da sonucu olarak, geliştirilen modüler mimari sayesinde dört ayrık ama birbirine paralel temizleme süreci kontrolü başarılmıştır. Bunlar, geleneksel mikrodenetleyici kontrollü yaklaşımlarla karşılaştırıldığında sunulan FPGA tabanlı çözümün avantajlarıdır. Ayrıca bu modüler tasarım, tasarım karmaşıklığını minimize etmekte ve tasarımcıya yeni uygulamalar için esneklik sağlamaktadır. Geliştirilen sistemin manuel çalışma modu, Altera Cyclone II FPGA donanımı üzerinde %65, otomatik çalışma modu ise aynı donanım üzerinde %98 lojik kapasite kullanımı ile gerçeklenmiştir.Çalışmanın ikinci bölümünde ise, 28 KHz'lik ultrasonik temizleme makineleri için temizleme verimliliğinin geliştirilmesi üzerine araştırmalar gerçekleştirilmiştir. Araştırmalar sırasında tek bir temizleme tankı kullanılmıştır. Temizleme tankının altına konumlandırılmış ultrasonik dönüştürücü gruplarının farklı frekans, genlik ve fazlarda sürülmesine dair yeni yaklaşımlar bu bağlamda geliştirilmiştir. Burada amaç, sıvı içindeki duran dalgaların lokasyonlarını rastgele kaydırmaktırBu yüksek lisans tez çalışması, TÜBİTAK tarafından 109E295 numaralı hızlı destek projesi kapsamında desteklenmiştir. Projenin ve tez çalışmasının sonucu olarak, çeşitli akademik yayınlar yapılarak literatüre katkı sağlanmıştır.

Abstract:
In this study, various researches have been realized over implementation of FPGA technology for different type of ultrasonic cleaning systems. First part of the study presents design and prototype implementation of an FPGA-Based multi-functional ultrasonic cleaning machine. The complete design has two operating modes named as manuel and automatic. Digital part of the complete design including an advanced version of frequency and PWM-controlled pulse generator and display driver unit to monitor power levels of four independent ultrasonic cleaning tanks has been implemented as modular structure by using VHDL component blocks to be implemented on a single FPGA core. As a result, determining the resonance frequency for automatic operation mode becomes faster and precise by using double stage iterative resonance frequency detection algorithm. Moreover, as a result of both operation modes, four independent but fully-parallel cleaning process control have been achieved by way of this modular design architecture. These are the advantages of the FPGA based solution when compared to the traditional microcontroller-based counterparts. The new modular design also minimizes the design complexity and provides flexibility to designer in case of new applications. The manuel operating mode of cleaning system is implemented with 65% of logic capacity utilization while automatic operating mode consumes 98% of logic capacity on a single Altera Cyclone-II FPGA device having 5K logic elements (LE).In the second part of this study, researches over maximizing the cleaning efficiency have been studied for 28 KHz ultrasonic cleaning machines. In this regard, only one ultrasonic cleaning tank was used during the research. New approach is based on driving the transducer groups located under the cleaning tank with different frequencies, phases and powers researched to be able to obtain a randomly distributed standing waves inside the cleaning liquid.This thesis was also supported by the Scientific and Technological Research Council of Turkey(TUBITAK) within a research project under the contract number of 109E295. As a result of this project, several academic papers have been published.