T E L K O M N I K A ,   V o l . 1 0 ,   N o . 2 ,   J u n e   2 0 1 2 ,   p p .   2 8 1 ~ 2 9 0   I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   a c c r e d i t e d   b y   D G H E   ( D I K T I ) ,   D e c r e e   N o :   5 1 / D i k t i / K e p / 2 0 1 0           2 8 1       R e c e i v e d   D e c e m b e r   1 9 ,   2 0 1 1 ;   R e v i s e d   M a y   1 8 ,   2 0 1 2 ;   A c c e p t e d   M a y   2 6 ,   2 0 1 2   D e s i g n   o f   F P G A   B a s e d   N e u r a l   N e t w o r k   C o n t r o l l e r   f o r   E a r t h   S t a t i o n   P o w e r   S y s t e m         H a n a a   T .   E l - M a d a n y 1 * ,   F a t e n   H .   F a h m y 1 ,   N i n e t   M .   A .   E l - R a h m a n 1 ,   a n d   H a s s e n   T .   D o r r a h 2   1 El e c t r o n i c s   R e s e a r c h   I n s t i t u t e ,   N a t i o n a l   R e s e a r c h   C e n t e r   B u i l d i n g ,   C a i r o ,   E g y p t   2 El e c t r i c a l   Po w e r   M a c h i n e s   D e p t . ,   C a i r o   U n i v e r s i t y ,   Eg y p t   E- m a i l :   h a n a a _ t o l b a @ y a h o o . c o m *         A b s t r a k   O t o m a s i   d a r i   p e m b a n g k i t a n   k o d e   b a h a s a   d e s k r i p s i   p e r a n g k a t   k e r a s   u n t u k   m o d e l   j a r i n g a n   s y a r a f   t i r u a n   ( J ST )   d a p a t   m e n g u r a n g i   w a k t u   i m p l e m e n t a s i n y a   k e   p e r a n g k a t   d i g i t a l ,   s e h i n g g a   m e n g h e m a t   b i a y a   y a n g   s i g n i f i k a n .   U n t u k   m e n e r a p k a n   J ST   m e n j a d i   k e   d e s a i n   p e r a n g k a t   k e r a s ,   d i p e r l u k a n   p e n e r j e m a h   m o d e l   k e   d a l a m   s t r u k t u r   p i r a n t i .   Ba h a s a   VH D L   d i g u n a k a n   u n t u k   m e n d e s k r i p s i k a n   J ST   k e   d a l a m   p e r a n g k a t   k e r a s .   Ko d e   VH D L   j u g a   t e l a h   d i u s u l k a n   u n t u k   i m p l e m e n t a s i   J ST   k e t i k a   m e m p r e s e n t a s i k a n   h a s i l   s i m u l a s i   d e n g a n   a r i t m a t i k a   f l o a t i n g   p o i n t   d a r i   s t a s i u n   b u m i   d a n   s i s t e m   t e n a g a   s a t e l i t   m e n g g u n a k a n   p e r a n g k a t   l u n a k   M o d e l Si m   ®   PE  6 . 6   s i m u l a t o r .   I n t e g r a s i   a n t a r a   M AT L AB  ®   d a n   VH D L   d i g u n a k a n   u n t u k   m e n g h e m a t   w a k t u   e k s e k u s i   d a r i   k o m p u t a s i .   H a s i l   p e n e l i t i a n   m e n u n j u k k a n   b a h w a   a n t a r a   M AT L AB  d a n   VH D L   t e r d a p a t   k e s e s u a i a n   y a n g   b a i k   u n t u k   p e m b a n g k i t a n   J ST   u m p a n   c e p a t   d a n   f l e k s i b e l   y a n g   m a m p u   m e n a n g a n i   o p e r a s i   a r i t m a t i k a   f l o a t i n g   p o i n t ;   j u m l a h   m i n i m u m   i r i s a n   C L B,   d a n   k e c e p a t a n   k i n e r j a   y a n g   b a i k .   H a s i l   s i n t e s i s   F PG d i p e r o l e h   d e n g a n   s k e m a   R T L   v i e w   d a n   s k e m a   t e k n o l o g i   d a r i   X i l i n i x ,   d a n   j u m l a h   k e b u t u h a n   m i n i m u m   s u m b e r   d a y a   p e r a n g k a t   k e r a s   d i p e r o l e h   j i k a   m e n g g u n a k a n   Xi l i n i x   VER T I X 5 .       K a t a   k u n c i :   F PG A ,   j a r i n g a n   s y r a f   t i r u a n ,   s t a s i u n   b u m i ,   VH D L       A b s t r a c t   Au t o m a t i o n   o f   g e n e r a t i n g   h a r d w a r e   d e s c r i p t i o n   l a n g u a g e   c o d e   o f   n e u r a l   n e t w o r k s   m o d e l s   c a n   h i g h l y   d e c r e a s e   t i m e   o f   i m p l e m e n t a t i o n   t h o s e   n e t w o r k s   i n t o   a   d i g i t a l   d e v i c e s ,   t h u s   s i g n i f i c a n t   m o n e y   s a v i n g s .   T o   i m p l e m e n t   t h e   n e u r a l   n e t w o r k   i n t o   h a r d w a r e   d e s i g n ,   i t   i s   r e q u i r e d   t o   t r a n s l a t e   g e n e r a t e d   m o d e l   i n t o   d e v i c e   s t r u c t u r e .   VH D L   l a n g u a g e   i s   u s e d   t o   d e s c r i b e   t h o s e   n e t w o r k s   i n t o   h a r d w a r e .   VH D L   c o d e   h a s   b e e n   p r o p o s e d   t o   i m p l e m e n t   AN N s   a s   w e l l   a s   t o   p r e s e n t   s i m u l a t i o n   r e s u l t s   w i t h   f l o a t i n g   p o i n t   a r i t h m e t i c   o f   t h e   e a r t h   s t a t i o n   a n d   t h e   s a t e l l i t e   p o w e r   s y s t e m s   u s i n g   M o d e l Si m ®   PE   6 . 6   s i m u l a t o r   t o o l .   I n t e g r a t i o n   b e t w e e n   M AT L AB®   a n d   VH D L   i s   u s e d   t o   s a v e   e x e c u t i o n   t i m e   o f   c o m p u t a t i o n .   T h e   r e s u l t s   s h o w s   t h a t   a   g o o d   a g r e e m e n t   b e t w e e n   M A T L AB  a n d   VH D L   a n d   a   f a s t   a n d   f l e x i b l e   f e e d   f o r w a r d   N N   w h i c h   i s   c a p a b l e   o f   d e a l i n g   w i t h   f l o a t i n g   p o i n t   a r i t h m e t i c   o p e r a t i o n s ;   m i n i m u m   n u m b e r   o f   C L s l i c e s ;   a n d   g o o d   s p e e d   o f   p e r f o r m a n c e .   F PG s y n t h e s i s   r e s u l t s   a r e   o b t a i n e d   w i t h   v i e w   R T L   s c h e m a t i c   a n d   t e c h n o l o g y   s c h e m a t i c   f r o m   Xi l i n i x   t o o l .   M i n i m u m   n u m b e r   o f   u t i l i z e d   r e s o u r c e s   i s   o b t a i n e d   b y   u s i n g   X i l i n i x   VER T I X 5 .         K e y w o r d s :   e a r t h   s t a t i o n ,   F PG A ,   n e u r a l   n e t w o r k ,   VH D L       1 .   I n t r o d u c t i o n   I n   t h e   l a s t   t h r e e   d e c a d e s ,   n u m e r o u s   a l t e r n a t i v e   c o n t r o l   t e c h n i q u e s ,   s u c h   a s   n e u r a l   n e t w o r k   c o n t r o l ,   h a v e   b e e n   p r o p o s e d   i n s t e a d   o f   c o n v e n t i o n a l   c l a s s i c a l   t e c h n i q u e .   D e v e l o p m e n t   o f   a r t i f i c i a l   n e u r a l   n e t w o r k s   ( A N N s )   t h e o r y   h a s   i n s p i r e d   n e w   r e s o u r c e s   f o r   p o s s i b l e   i m p l e m e n t a t i o n   o f   b e t t e r   a n d   m o r e   e f f i c i e n t   c o n t r o l .   A N N s   h a v e   c a p a b i l i t y   o f   l e a r n i n g   t h e   d y n a m i c a l   s y s t e m s   t h a t   e s t i m a t e d   i n p u t - o u t p u t   f u n c t i o n s .   A N N s   d o e s n ' t   n e e d   m a t h e m a t i c a l   m o d e l i n g   o f   t h e   p l a n t s .   A N N s   h a v e   t o   b e   t r a i n e d   a n d   t h e y   n e e d   s o m e   i n f o r m a t i o n   ( n o t   b a s e d   o n   m a t h e m a t i c a l   m o d e l   b u t   s o m e t i m e s   t a k e n   m e a s u r e m e n t   f r o m   p l a n t )   a b o u t   t h e   p l a n t .   G e n e r a l l y ,   i n p u t - o u t p u t   c h a r a c t e r i z a t i o n   o r   d e s i r e d   o u t p u t   o f   t h e   p l a n t   o r   n e u r o   c o n t r o l l e r   i s   s u f f i c i e n t   [ 1 ] .   D e s i g n i n g   a n d   i m p l e m e n t i n g   i n t e l l i g e n t   s y s t e m s   h a s   b e c o m e   a   c r u c i a l   f a c t o r   f o r   t h e   i n n o v a t i o n   a n d   d e v e l o p m e n t   o f   b e t t e r   p r o d u c t s   o f   s p a c e   t e c h n o l o g i e s   [ 2 ,   3 ] .   F i e l d   p r o g r a m m a b l e   g a t e   a r r a y   ( F P G A )   i s   a   d i g i t a l   d e v i c e   t h a t   o w n s   r e p r o g r a m m a b l e   p r o p e r t i e s   a n d   r o b u s t   f l e x i b i l i t y .   F o r   t h e   n e u r a l   n e t w o r k   b a s e d   i n s t r u m e n t   p r o t o t y p e   i n   r e a l   t i m e   a p p l i c a t i o n ,   c o n v e n t i o n a l   s p e c i f i c   V L S I   n e u r a l   c h i p   d e s i g n   s u f f e r s   t h e   l i m i t a t i o n   i n   t i m e   a n d   c o s t .   W i t h   l o w   p r e c i s i o n   a r t i f i c i a l   n e u r a l   n e t w o r k   d e s i g n ,   F P G A s   h a v e   h i g h e r   s p e e d   a n d   s m a l l e r   s i z e   f o r   r e a l   t i m e   a p p l i c a t i o n   t h a n   t h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                      I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   1 0 ,   N o .   2 ,     J u n e   2 0 1 2   :     2 8 1     2 9 0   2 8 2 V L S I   a n d   D S P   c h i p s .   S o ,   m a n y   r e s e a r c h e r s   h a v e   m a d e   g r e a t   e f f o r t s   o n   t h e   r e a l i z a t i o n   o f   n e u r a l   n e t w o r k   ( N N )   u s i n g   F P G A   t e c h n i q u e   [ 4 ,   5 ] .     T h e   e m p h a s i s   o f   t h i s   p a p e r   i s   c o n c e r n e d   w i t h   i m p l e m e n t i n g   A N N   u s i n g   H a r d w a r e   D e s c r i p t i o n   L a n g u a g e   ( V H D L )   a s   w e l l   a s   t o   p r e s e n t   s i m u l a t i o n   r e s u l t s   w i t h   f l o a t i n g   p o i n t   a r i t h m e t i c   o f   t h e   e a r t h   s t a t i o n   p o w e r   s y s t e m   c o n t r o l l e r .         2 .     E a r t h   S t a t i o n   P o w e r   S y s t e m   A r c h i t e c t u r e   P V   s y s t e m s   a r e   m o s t   e f f e c t i v e   a t   r e m o t e   s i t e s   o f f   t h e   e l e c t r i c a l   g r i d .   I n   t h i s   s y s t e m ,   a   s t o r a g e   b a t t e r y   i s   n e e d e d .   E x c e s s   e n e r g y   p r o d u c e d   d u r i n g   t i m e s   w i t h   n o   o r   l o w   l o a d s   c h a r g e s   t h e   b a t t e r y ,   w h i l e   a t   t i m e s   w i t h   n o   o r   t o o   l o w   s o l a r   r a d i a t i o n   t h e   l o a d s   a r e   m e t   b y   d i s c h a r g i n g   i t .   A   c h a r g e   c o n t r o l l e r   s u p e r v i s e s   t h e   c h a r g e / d i s c h a r g e   p r o c e s s   i n   o r d e r   t o   e n s u r e   a   l o n g   b a t t e r y   l i f e t i m e .   F i g u r e   1   r e p r e s e n t s   t h e   m a i n   c o m p o n e n t s   o f   s t a n d a l o n e   P V   s y s t e m .     B y   v i r t u e   o f   t h e   v a r i a b l e   n a t u r e   o f   t h e   e n e r g y   s o u r c e   s u n ,   o n e   o f   t h e   m o s t   e x p e n s i v e   a s p e c t s   o f   a   P V   p o w e r   s y s t e m   i s   t h e   n e c e s s i t y   t o   b u i l d   i n   s y s t e m   a u t o n o m y .   A u t o n o m y   i s   r e q u i r e d   t o   p r o v i d e   r e l i a b l e   p o w e r   d u r i n g   " w o r s t   c a s e "   s i t u a t i o n s ,   w h i c h   a r e   u s u a l l y   p e r i o d s   o f   a d v e r s e   w e a t h e r ,   s e a s o n a l l y   l o w   r a d i a t i o n   v a l u e s   o r   u n p r e d i c t e d   i n c r e a s e d   d e m a n d   f o r   p o w e r .   T h e   a d d i t i o n   o f   a u t o n o m y   c o u l d   b e   a c c o m p l i s h e d   b y   o v e r   s i z i n g   t h e   P V   a r r a y   a n d   g r e a t l y   e n l a r g i n g   t h e   b a t t e r y   s t o r a g e   b a n k   -   g e n e r a l l y   t h e   t w o   m o s t   c o s t l y   s y s t e m   c o m p o n e n t s .   A n   a d d i t i o n a l   b e n e f i t   o f   t h i s   a p p r o a c h   i s   t h e   a d d e d   s y s t e m   r e l i a b i l i t y   p r o v i d e d   b y   t h e   i n c o r p o r a t i o n   o f   t h e   b a c k - u p   e n e r g y   s o u r c e   [ 6 ] .                               F i g u r e   1 .   E a r t h   s t a t i o n   p o w e r   s y s t e m   a r c h i t e c t u r e       2 . 1 .   P V   G e n e r a t o r   M o d e l     T h e   t r a d i t i o n a l   I - V   c h a r a c t e r i s t i c s   o f   a   s o l a r   a r r a y ,   w h e n   n e g l e c t i n g   t h e   i n t e r n a l   s h u n t   r e s i s t a n c e ,   a r e   g i v e n   b y   t h e   f o l l o w i n g   e q u a t i o n   [ 7 ] :     ( ) s h o k T A q V r s p h o R V e I I I o - - - = 1 /                                                                                                                                                                                           ( 1 )                 W h e r e   I 0   i s   t h e   P V   a r r a y   o u t p u t   c u r r e n t   ( A ) ,   V 0   t h e   P V   a r r a y   o u t p u t   v o l t a g e   ( V ) ,   q   t h e   c h a r g e   o f   a n   e l e c t r o n ,   k   t h e   B o l t z m a n n s   c o n s t a n t   i n   J / K ,   A   t h e   p n   j u n c t i o n   i d e a l i t y   f a c t o r ,   T   t h e   c e l l   t e m p e r a t u r e   ( K ) ,   a n d   I r s   i s   t h e   c e l l   r e v e r s e   s a t u r a t i o n   c u r r e n t .   T h e   f a c t o r   A   d e t e r m i n e s   t h e   c e l l   d e v i a t i o n   f r o m   t h e   i d e a l   p n   j u n c t i o n   c h a r a c t e r i s t i c s .   T h e   i d e a l   v a l u e   r a n g e s   b e t w e e n   1   a n d   5   [ 8 ] .   T h e   p h o t o c u r r e n t   I p h   d e p e n d s   o n   t h e   s o l a r   r a d i a t i o n   a n d   t h e   c e l l   t e m p e r a t u r e   a s   s t a t e d   i n   t h e   f o l l o w i n g   e q u a t i o n :     ( ) t r i s c r p h S s T T k I I ) ( - + =                                                                                                                                                                                                         ( 2 )     W h e r e   I s c r   i s   t h e   P V   a r r a y   s h o r t   c i r c u i t   c u r r e n t   a t   r e f e r e n c e   t e m p e r a t u r e   a n d   r a d i a t i o n   ( A ) ,   k i   t h e   s h o r t   c i r c u i t   c u r r e n t   t e m p e r a t u r e   c o e f f i c i e n t   ( A / K ) ,   S t   i s   t h e   s t a n d a r d   s o l a r   r a d i a t i o n ,   a n d   S   i s   t h e   i n c i d e n t   s o l a r   r a d i a t i o n   ( W / m 2 ) .     P V   m o d u l e   I n v e r t e r   L o a d   C h a r g e   c o n t r o l l e r   B a t t e r y   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N I K A     I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0       O p t i m i z a t i o n   a n d   F e a s i b i l i t y   A n a l y s i s   o f   s a t e l l i t e   E a r t h   S t a t i o n   P o w e r   S y s t e m   U s i n g   H O M E R   ( H a n a a   T .   E l - M a d a n y )   2 8 3   T h e   r e v e r s e   s a t u r a t i o n   c u r r e n t   I r s   v a r i e s   w i t h   t e m p e r a t u r e   a c c o r d i n g   t o   t h e   f o l l o w i n g   e q u a t i o n :     - = T T A K E r r r r s r o e T T I I 1 1 3 '                                                                                                                                                                                     ( 3 )     W h e r e   T r   i s   t h e   c e l l   r e f e r e n c e   t e m p e r a t u r e ,   I r r   t h e   r e v e r s e   s a t u r a t i o n   c u r r e n t   a t   T r ,   a n d   k   i s   t h e   B o l t z m a n n s   c o n s t a n t   i n   e V / K   a n d   E g o   i s   t h e   b a n d   g a p   e n e r g y   o f   t h e   s e m i c o n d u c t o r   u s e d   i n   t h e   c e l l .   F i n a l l y ,   E q .   ( 4 )   w a s   u s e d   i n   t h e   c o m p u t e r   s i m u l a t i o n s   t o   o b t a i n   t h e   o p e n   c i r c u i t   v o l t a g e   o f   t h e   P V   a r r a y :     + = r s r s p h o c I I I q A k T V l n                                                                                                                                                                                                               ( 4 )     F r o m   E q s .   ( 2 )   t o   ( 4 ) :   ( ) ( ) - - - - + = T T A K E r A k T q V t r i s c r r r r o o c e T T e S s T T k I I 1 1 3 / ' 1                                                                                                                                                     ( 5 )     A n d   f r o m   E q .   ( 1 ) :     ( ) 1 / - - = k T A q V r s o c s h o c e I V R                                                                                                                                                                                                                     ( 6 )     E q s   ( 1 )   t o   ( 6 )   a r e   u s e d   i n   t h e   d e v e l o p m e n t   o f   c o m p u t e r   s i m u l a t i o n s   f o r   t h e   s o l a r   a r r a y .   T h e   M A T L A B   p r o g r a m m i n g   l a n g u a g e   i s   u s e d .     2 . 2 .   B a t t e r y   B a n k   M o d e l     A t   a n y   h o u r   t h e   s t a t e   o f   b a t t e r y   i s   r e l a t e d   t o   t h e   p r e v i o u s   s t a t e   o f   c h a r g e   a n d   t o   t h e   e n e r g y   p r o d u c t i o n   a n d   c o n s u m p t i o n   s i t u a t i o n   o f   t h e   s y s t e m   d u r i n g   t h e   t i m e   f r o m   ( t - 1 )   t o   t .   D u r i n g   t h e   c h a r g i n g   p r o c e s s ,   w h e n   t h e   t o t a l   o u t p u t   o f   P V   a n d   w i n d   g e n e r a t o r s   i s   g r e a t e r   t h a n   t h e   l o a d   d e m a n d ,   t h e   a v a i l a b l e   b a t t e r y   b a n k   c a p a c i t y   a t   h o u r   t   c a n   b e   d e s c r i b e d   b y   [ 9 ,   1 0 ] :     b a t i n v L P V b a t b a t t E t E t C t C h h s - + - - = ) ( ) ( ) 1 ) . ( 1 ( ) (                                                                                                                                                           ( 7 )     O n   t h e   o t h e r   h a n d ,   w h e n   t h e   l o a d   d e m a n d   i s   g r e a t e r   t h a n   t h e   a v a i l a b l e   e n e r g y   g e n e r a t e d ,   t h e   b a t t e r y   b a n k   i s   i n   d i s c h a r g i n g   s t a t e .   T h e r e f o r e ,   t h e   a v a i l a b l e   b a t t e r y   b a n k   c a p a c i t y   a t   h o u r   ( t )   c a n   b e   e x p r e s s e d   a s :     - + - - = ) ( ) ( ) 1 ) . ( 1 ( ) ( t E t E t C t C P V i n v L b a t b a t h s                                                                                                                                                                 ( 8 )     W h e r e   C b a t ( t )   a n d   C b a t (   t 1 )   a r e   t h e   a v a i l a b l e   b a t t e r y   b a n k   c a p a c i t y   ( W h )   a t   h o u r   ( t )   a n d   ( t - 1 ) ,   r e s p e c t i v e l y ;   η b a t   i s   t h e   b a t t e r y   e f f i c i e n c y   ( d u r i n g   d i s c h a r g i n g   p r o c e s s ,   t h e   b a t t e r y   d i s c h a r g i n g   e f f i c i e n c y   w a s   s e t   e q u a l   t o   1   a n d   d u r i n g   c h a r g i n g ,   t h e   e f f i c i e n c y   i s   0 . 6 5   t o   0 . 8 5   d e p e n d i n g   o n   t h e   c h a r g i n g   c u r r e n t ) .   σ   i s   s e l f - d i s c h a r g e   r a t e   o f   t h e   b a t t e r y   b a n k .   T h e   m a n u f a c t u r e r   d o c u m e n t a t i o n   g i v e s   a   s e l f   d i s c h a r g e   o f   2 5   %   o v e r   s i x   m o n t h s   f o r   a   s t o r a g e   t e m p e r a t u r e   o f   2 0 ° C   [ 1 1 ] .   E PV ( t )   i s   t h e   e n e r g y   g e n e r a t e d   b y   P V ;   E L ( t )   i s   t h e   l o a d   d e m a n d   a t   h o u r   t   a n d   η i n v   i s   t h e   i n v e r t e r   e f f i c i e n c y .     2 . 3 .   T h e   I n v e r t e r   M o d e l   T h e   P V   a r r a y s   a n d   b a t t e r i e s   p r o d u c e   D C   a n d   t h e r e f o r e   w h e n   t h e   s t a n d   a l o n e   P V   s y s t e m   c o n t a i n s   a n   A C   l o a d ,   a   D C / A C   c o n v e r s i o n   i s   r e q u i r e d .   A n   i n v e r t e r   i s   a   c o n v e r t e r   w h e r e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                      I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   1 0 ,   N o .   2 ,     J u n e   2 0 1 2   :     2 8 1     2 9 0   2 8 4 t h e   p o w e r   f l o w s   f r o m   D C   t o   A C   s i d e ,   i . e . ,   h a v i n g   a   D C   v o l t a g e   a s   i n p u t ;   i t   p r o d u c e s   A C   v o l t a g e ,   a s   o u t p u t .   T h e   i n v e r t e r   i s   c h a r a c t e r i z e d   b y   a   p o w e r   d e p e n d e n t   e f f i c i e n c y .   T h e   r o l e   o f   t h e   i n v e r t e r   i s   t o   k e e p   t h e   v o l t a g e   c o n s t a n t   o n   t h e   A C   s i d e   a n d   t o   c o n v e r t   t h e   i n p u t   p o w e r   P i n   i n t o   t h e   o u t p u t   p o w e r   P o u t   w i t h   t h e   b e s t   p o s s i b l e   e f f i c i e n c y   [ 1 1 ] .   T h e   i n v e r t e r   i s   c h a r a c t e r i z e d   b y   a   p o w e r - d e p e n d e n t   e f f i c i e n c y   η i n   g i v e n   b y   [ 1 1 ] :     d c d c a c a c i n o u t i n I V ) c o s ( I V P P j h = =                                                                                                                                                                                                         ( 9 )     w h e r e   I d c   i s   t h e   c u r r e n t   r e q u i r e d   b y   t h e   i n v e r t e r   f r o m   t h e   D C   s o u r c e   i n   o r d e r   t o   b e   a b l e   t o   k e e p   t h e   r a t e d   v o l t a g e   o n   t h e   A C   s i d e ,   V d c   i s   t h e   i n p u t   v o l t a g e   t o   t h e   i n v e r t e r   d e l i v e r e d   b y   t h e   D C   s o u r c e ,   V a c   a n d   I a c   a r e   t h e   o u t p u t   v o l t a g e   a n d   c u r r e n t ,   r e s p e c t i v e l y .         3 .   F i e l d   P r o g r a m m a b l e   G a t e   A r r a y s   I n   1 9 8 5 ,   X i l i n x   i n t r o d u c e d   a   c o m p l e t e l y   n e w   i d e a :   c o m b i n e   t h e   u s e r   c o n t r o l   a n d   t i m e   t o   m a r k e t   o f   P L D s   w i t h   t h e   d e n s i t i e s   a n d   c o s t   b e n e f i t s   o f   g a t e   a r r a y s .   C u s t o m e r s   l i k e d   i t ,   a n d   t h e   F P G A   w a s   b o r n .   T o d a y   X i l i n x   i s   t h e   n u m b e r   o n e   F P G A   v e n d o r   i n   t h e   w o r l d   [ 1 2 ,   2 ] .   A   m o r e   a d v a n c e d   p r o g r a m m a b l e   l o g i c   t h a n   t h e   C P L D   i s   t h e   F i e l d   P r o g r a m m a b l e   G a t e   A r r a y   ( F P G A ) .   A n   F P G A   i s   m o r e   f l e x i b l e   t h a n   C P L D ,   a l l o w s   m o r e   c o m p l e x   l o g i c   i m p l e m e n t a t i o n s ,   a n d   c a n   b e   u s e d   f o r   i m p l e m e n t a t i o n   o f   d i g i t a l   c i r c u i t s   t h a t   u s e   e q u i v a l e n t   o f   s e v e r a l   M i l l i o n   l o g i c   g a t e s   [ 1 3 ,   1 4 ] .   A n   F P G A   i s   l i k e   a   C P L D   e x c e p t   t h a t   i t s   l o g i c   b l o c k s   t h a t   a r e   l i n k e d   b y   w i r i n g   c h a n n e l s   a r e   m u c h   s m a l l e r   t h a n   t h o s e   o f   a   C P L D   a n d   t h e r e   a r e   f a r   m o r e   s u c h   l o g i c   b l o c k s   t h a n   t h e r e   a r e   i n   a   C P L D .   F P G A   l o g i c   b l o c k s   c o n s i s t   o f   s m a l l e r   l o g i c   e l e m e n t s .   A   l o g i c   e l e m e n t   h a s   o n l y   o n e   f l i p - f l o p   t h a t   i s   i n d i v i d u a l l y   c o n f i g u r e d   a n d   c o n t r o l l e d .   L o g i c   c o m p l e x i t y   o f   a   l o g i c   e l e m e n t   i s   o n l y   a b o u t   1 0   t o   2 0   e q u i v a l e n t   g a t e s .   A   f u r t h e r   e n h a n c e m e n t   i n   t h e   s t r u c t u r e   o f   F P G A s   i s   t h e   a d d i t i o n   o f   m e m o r y   b l o c k s   t h a t   c a n   b e   c o n f i g u r e d   a s   a   g e n e r a l   p u r p o s e   R A M .   F i g u r e   2   s h o w s   t h e   g e n e r a l   s t r u c t u r e   o f   a n   F P G A .   I t   i s   a n   a r r a y   o f   m a n y   l o g i c   b l o c k s   t h a t   a r e   l i n k e d   b y   h o r i z o n t a l   a n d   v e r t i c a l   w i r i n g   c h a n n e l s .   F P G A   R A M   b l o c k s   c a n   a l s o   b e   u s e d   f o r   l o g i c   i m p l e m e n t a t i o n   o r   t h e y   c a n   b e   c o n f i g u r e d   t o   f o r m   m e m o r i e s   o f   v a r i o u s   w o r d   s i z e s   a n d   a d d r e s s   s p a c e .   L i n k i n g   o f   l o g i c   b l o c k s   w i t h   t h e   I / O   c e l l s   a n d   w i t h   t h e   m e m o r i e s   a r e   d o n e   t h r o u g h   w i r i n g   c h a n n e l s .   W i t h i n   l o g i c   b l o c k s ,   s m a l l e r   l o g i c   e l e m e n t s   a r e   l i n k e d   b y   l o c a l   w i r e s .           F i g u r e   2 .   F P G A   g e n e r a l   s t r u c t u r e       A s   s h o w n   i n   F i g u r e   2 ,   a n   F P G A   i s   a n   a r r a y   o f   m a n y   l o g i c   b l o c k s   t h a t   a r e   l i n k e d   b y   h o r i z o n t a l   a n d   v e r t i c a l   w i r i n g   c h a n n e l s .   F P G A   R A M   b l o c k s   c a n   a l s o   b e   u s e d   f o r   l o g i c   i m p l e m e n t a t i o n   o r   t h e y   c a n   b e   c o n f i g u r e d   t o   f o r m   m e m o r i e s   o f   v a r i o u s   w o r d   s i z e s   a n d   a d d r e s s   s p a c e .   L i n k i n g   o f   l o g i c   b l o c k s   w i t h   t h e   I / O   c e l l s   a n d   w i t h   t h e   m e m o r i e s   a r e   d o n e   t h r o u g h   w i r i n g   c h a n n e l s .   W i t h i n   l o g i c   b l o c k s ,   s m a l l e r   l o g i c   e l e m e n t s   a r e   l i n k e d   b y   l o c a l   w i r e s .   F P G A s   f r o m   d i f f e r e n t   m a n u f a c t u r e r s   v a r y   i n   r o u t i n g   m e c h a n i s m s ,   l o g i c   b l o c k s ,   m e m o r i e s   a n d   I / O   p i n   c a p a b i l i t i e s .   A n   F P G A   i s   u n d e r   y o u r   c o m p l e t e   c o n t r o l .   T h i s   m e a n s   t h a t   y o u   c a n   d e s i g n ,   p r o g r a m ,   a n d   m a k e   c h a n g e s   t o   y o u r   c i r c u i t   w h e n e v e r   y o u   w i s h .   T h e r e   a r e   t w o   b a s i c   t y p e s   o f   F P G A s :   S R A M - b a s e d   r e p r o g r a m m a b l e   a n d   O T P   ( O n e   T i m e   P r o g r a m m a b l e ) .     I / O   c e l l s   P r o g r a m m a b l e   w i r i n g   c h a n n e l s     L o g i c   b l o c k s   R A M   b l o c k s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N I K A     I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0       O p t i m i z a t i o n   a n d   F e a s i b i l i t y   A n a l y s i s   o f   s a t e l l i t e   E a r t h   S t a t i o n   P o w e r   S y s t e m   U s i n g   H O M E R   ( H a n a a   T .   E l - M a d a n y )   2 8 5   T h e s e   t w o   t y p e s   o f   F P G A s   d i f f e r   i n   t h e   i m p l e m e n t a t i o n   o f   t h e   l o g i c   c e l l   a n d   t h e   m e c h a n i s m   u s e d   t o   m a k e   c o n n e c t i o n s   i n   t h e   d e v i c e   [ 1 2 ] .       4 .   P r o p o s e d   N e u r a l   N e t w o r k   C o n t r o l l e r   S t a n d   a l o n e   P V   s y s t e m   f o r   e a r t h   s t a t i o n   i s   c o n t r o l l e d   u s i n g   n e u r a l   n e t w o r k .   F i g u r e   4   i n d i c a t e s   t h e   p r o p o s e d   p o w e r   s y s t e m   c o n t r o l l e r   f o r   r e c e i v i n g   e a r t h   s t a t i o n .   A s   d e p i c t e d   i n   F i g u r e   3 ,   N N   c o n t r o l l e r   c o n t r o l s   t h e   b a t t e r y   c h a r g e   c u r r e n t .   T h e   i n p u t s   f o r   t h e   c o n t r o l l e r   a r e   t h e   e r r o r   s i g n a l ,   a n d   t h e   a m b i e n t   t e m p e r a t u r e .   T h e   s t r u c t u r e   o f   t h e   M u l t i   L a y e r   P e r c e p t r o n   ( M L P )   p r o p o s e d   f o r   c o n t r o l l i n g   t h e   c h a r g e   c u r r e n t   o f   b a t t e r y   b a n k   s u b s y s t e m   i s   s h o w n   i n   F i g u r e   4 .   D i f f e r e n t   t e s t s   h a v e   b e e n   d o n e   i n   o r d e r   t o   c h o o s e   t h e   n u m b e r   o f   n e u r o n s   a n d   t h e   a c t u a l   n u m b e r   s e l e c t e d   p r o d u c e d   t h e   b e s t   r e s u l t s .   I t   c o n s i s t s   o f   t h r e e   l a y e r s .   T h e   f i r s t   o n e   o r   i n p u t   l a y e r   h a s   t w o   i n p u t s   a s   f o l l o w s :   -   e r r o r :   e r r o r   s i g n a l   b e t w e e n   t h e   g e n e r a t e d   a n d   l o a d   c u r r e n t .   -   T a i r :   a m b i e n t   t e m p e r a t u r e .   T h e   s e c o n d   l a y e r ,   a l s o   c a l l e d   t h e   h i d d e n   l a y e r ,   h a s   t w o   n e u r o n s   o r   n o d e s .   F i n a l l y ,   t h e   l a s t   l a y e r   i s   c a l l e d   t h e   o u t p u t   l a y e r ,   h a s   o n l y   o n e   n o d e .   I t   r e p r e s e n t s   t h e   v a l u e   o f   c h a n g e   i n   b a t t e r y   c h a r g e   c u r r e n t .   T h e   t r a i n i n g   i s   d o n e   b y   t h e   L e v e n b e r g - M a r q u a r t   b a c k   p r o p a g a t i o n   a l g o r i t h m .         F i g u r e   3 .   B l o c k   d i a g r a m   o f   p r o p o s e d   N N   c o n t r o l l e r   f o r   e a r t h   s t a t i o n   p o w e r   s y s t e m         F i g u r e   4 .   T h e   a r c h i t e c t u r e   o f   t h e   N N   c o n t r o l l e r   f o r   e a r t h   s t a t i o n   p o w e r   s y s t e m       5 .   V H D L   I m p l e m e n t a t i o n   o f   N N C       B y   t h e   E D A   t o o l s   s u c h   a s   F P G A   A d v a n t a g e ®   8 . 1   [ 1 5 ] ,   t h e   d e s i g n   d e s c r i p t i o n   c a n   b e   c r e a t e d   w i t h   o n e   o r   m o r e   o f   t h e   f o l l o w i n g   f i v e   m e t h o d s ;   t h e   b l o c k   d i a g r a m ,   s t a t e   m a c h i n e   d i a g r a m s ,   f l o w   c h a r t s ,   t r u t h   t a b l e s ,   V H D L   a n d / o r   H D L   c o d e .   T h e   m e n t i o n e d   t y p e s   o f   g r a p h i c a l   d e s c r i p t i o n s   a r e   a u t o m a t i c a l l y   c o n v e r t e d   b y   t h e   t o o l   t o   f a s t   a n d   e f f i c i e n t   V H D L   d e s c r i p t i o n .   T h e   h i e r a r c h a l   d e s i g n   c a p a b i l i t y   o f   t h e   E D A   t o o l s   s i m p l i f i e s   t h e   d e s i g n   t a s k .     A t   t h e   t o p   l e v e l   o f   t h e   h i e r a r c h y ,   a   g l o b a l   d e s i g n   c a n   b e   m a d e   i n   t h e   f o r m   o f   s y s t e m   e n t i t y   b l o c k   t h a t   a p p e a r s   a s   b l o c k   c o n n e c t e d   w i t h   a l l   t h e   i n p u t s   a n d   a l l   o u t p u t s   o f   o u r   d e s i g n   w i t h   i t s   d e c l a r a t i o n   a n d   n u m b e r   o f   b i t s .     T h e   s e c o n d   l e v e l   r e p r e s e n t s   t h e   s y s t e m   c o m p o n e n t s ,   i n   t h e   f o r m   o f   b l o c k   d i a g r a m ,   a s   i l l u s t r a t e d   i n   F i g u r e   5   w h i c h   a p p e a r s   a s   2 2 1   m u l t i l a y e r   f e e d f o r w a r d   n e u r a l   n e t w o r k   d e s i g n ;   t h e   f i r s t   t w o   b l o c k s   s h o w   t h e   h i d d e n   n e u r o n s ,   t h e   f i n a l   o u t p u t   o f   e a c h   n e u r o n   i s   d e t e r m i n e d   b a s e d   o n   t h e   a c t i v a t i o n   f u n c t i o n .   T h e   h i d d e n   l a y e r   u s e s   p u r e   l i n e a r   f u n c t i o n   a s   a c t i v a t i o n   f u n c t i o n .   T h e   o u t p u t   o f   t h e s e   t h r e e   b l o c k s   i s   c o n n e c t e d   t o   t h e   f i n a l   b l o c k   w h i c h   r e p r e s e n t s   t h e   o u t p u t   l a y e r   t o   g e t   t h e   c o n t r o l   s i g n a l .   A l s o   t h e   o u t p u t   l a y e r   u s e s   p u r e   l i n e a r   f u n c t i o n   a s   a c t i v a t i o n   f u n c t i o n .       N N   C o n t r o l l e r   B a t t e r y   S u b s y s t e m   e   I B D   I p - +   + T a i r   I L   I n v e r t e r     +     E r r o r   T a i r   I B C   I n p u t   l a y e r   O u t p u t   l a y e r   H i d d e n   l a y e r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                      I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   1 0 ,   N o .   2 ,     J u n e   2 0 1 2   :     2 8 1     2 9 0   2 8 6 N e u r o n   c o m p o n e n t s   a r e   c o m p o s e d   o f   t h r e e   p a r t s ,   m u l t i p l i c a t i o n s ,   s u m m a t i o n ,   a n d   o u t p u t   c a l c u l a t i o n   c o n t a i n i n g   a c t i v a t i o n   f u n c t i o n   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   6 . e a c h   n e u r o n   i n   t h e   n e u r a l   n e t w o r k   c o n t r o l l e r   w i l l   p e r f o r m   t h e   p r e v i o u s   o p e r a t i o n s   t o   i n p u t s   a n d   w e i g h t s .         F i g u r e   5 .   S y s t e m   c o m p o n e n t s   b l o c k   d i a g r a m   o f   e a r t h   s t a t i o n   c o n t r o l l e r         F i g u r e   6 .   N e u r o n   a r c h i t e c t u r e       6 .   F P G A   R e s u l t s   L o g i c   s i m u l a t i o n   i n   F P G A   d e s i g n   e n v i r o n m e n t   p l a y s   a   v e r y   v i t a l   r o l e   i n   v e r i f y i n g   t h e   f u n c t i o n a l i t y   o f   t h e   d e s i g n s .   S i m u l a t i o n   i s   a   p o w e r f u l   w a y   t o   t e s t   t h e   s y s t e m   o n   a   c o m p u t e r ,   b e f o r e   i t   i s   t u r n e d   i n t o   h a r d w a r e .   S i m u l a t o r s   l e t   d e s i g n e r   t o   c h e c k   t h e   v a l u e s   o f   s i g n a l s   i n s i d e   t h e   s y s t e m .   T h e   c o m p l e t e   d e s i g n   i s   s i m u l a t e d   u s i n g   M o d e l S i m ®   P E   6 . 6   s i m u l a t o r   t o o l   [ 1 6 ] .     T h e r e   a r e   s t a n d a r d   p a c k a g e s   w h i c h   r e q u i r e d   f o r   M o d e l S i m ®   c o m p u t a t i o n   a n d   s y n t h e s i s .   T h e   S T D _ L O G I C _ 1 1 6 4   i s   u s e d   a   s t a n d a r d   I E E E   p a c k a g e   i n   t h e   N N C   d e s i g n   w h i c h   a l l o w s   t o   u s e   t h e   d a t a   t y p e s   ( S T D _ L O G I C   a n d   S T D _ L O G I C _ V E C T O R )     i n   d e s i g n   a n d   b a s i c   a r i t h m e t i c   o p e r a t i o n s .   N e u r o n s   c o m p o n e n t s   b e s i d e s   s t a n d a r d   I E E E   p a c k a g e s   u s e s   f l o a t _ p k g   a n d   f i x e d _ f l o a t _ p k g   p a c k a g e s   f r o m   I E E E   p r o p o s e d   l i b r a r y   w h i c h   a l l o w   s y n t h e s i s   o f   f l o a t i n g   a n d   f i x e d   p o i n t   a r i t h m e t i c   o p e r a t i o n s .   S p e c i f i c a t i o n ,   u s a g e   a n d   s o u r c e   c o d e   o f   t h o s e   p a c k a g e s   c a n   b e   o b t a i n e d   f r o m   f i x e d   a n d   f l o a t i n g   p o i n t   V H D L - 2 0 0 8   s u p p o r t   l i b r a r y   [ 1 7 ] .   A   t e s t   b e n c h   i s   w r i t t e n   i n   V H D L   w h e r e   t h e   s e t   o f   i n p u t s   ( e r r o r   s i g n a l   &   a m b i e n t   t e m p e r a t u r e )   c a n   b e   c h a n g e d   f o r   N N C .   A l s o ,   t h e   i n p u t s   l i k e   C l o c k ,   R e s e t ,   a n d   L o a d   s i g n a l   a r e   D e c l a r a t i o n s P o r t s : D i a g r a m   S i g n a l s : P a c k a g e   L i s t L I B R A R Y   i e e e ; U S E   i e e e . s t d _ l o g i c _ 1 1 6 4 . a l l ; L I B R A R Y   i e e e _ p r o p o s e d ; U S E   i e e e _ p r o p o s e d . f i x e d _ f l o a t _ t y p e s . a l l ; U S E   i e e e _ p r o p o s e d . f l o a t _ p k g . a l l ; W 1 1           :   f l o a t 3 2 W 1 2           :   f l o a t 3 2 W 1 3           :   f l o a t 3 2 W 2 1           :   f l o a t 3 2 W 2 2           :   f l o a t 3 2 W 2 3           :   f l o a t 3 2 a i r t e m p   :   f l o a t 3 2 b 1             :   f l o a t 3 2 b 2             :   f l o a t 3 2 b 3             :   f l o a t 3 2 c l k           :   s t d _ l o g i c e r r o r       :   f l o a t 3 2 l o a d         :   s t d _ l o g i c r e s           :   s t d _ l o g i c Y 1             :   f l o a t 3 2 Y 2             :   f l o a t 3 2 o u t p u t     :   f l o a t 3 2 Y 2 W 1 1 M 2 c l k a i r t e m p e r r o r N N e a r t h Y 1 W 1 2 W 2 1 W 2 2 b 1 b 2 r e s l o a d c l k e r r o r a i r t e m p c l k c l k l o a d l o a d r e s r e s W 1 3 W 2 3 b 3 U _ 0 N N e a r t h M 3 U _ 1 Y 2   :   f l o a t 3 2 Y 1   :   f l o a t 3 2 l o a d r e s N N e a r t h o u t l a y e r 1 U _ 3 o u t p u t o u t p u t   W e i g h t s   M u l t i p l i c a t i o n   o / p   B i a s     I n p u t s     A c t i v a t i o n     F u n c t i o n   N e u r o n   o / p   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N I K A     I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0       O p t i m i z a t i o n   a n d   F e a s i b i l i t y   A n a l y s i s   o f   s a t e l l i t e   E a r t h   S t a t i o n   P o w e r   S y s t e m   U s i n g   H O M E R   ( H a n a a   T .   E l - M a d a n y )   2 8 7   d e f i n e d   a n d   t h e   o u t p u t   i s   o b s e r v e d   i n   t h e   s i m u l a t i o n   w i n d o w .   O n c e   a l l   t h e   s i g n a l s   a r e   t a k e n   i n t o   t h e   w a v e f o r m   w i n d o w ,   t h e   s i m u l a t i o n   i s   r u n   f o r   6 4 0 0   n s   a n d   t h e   c h a n g e s   i n   t h e   s i g n a l s   a r e   o b s e r v e d   i n   t h e   w a v e f o r m   w i n d o w   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   7 .   T h e   r e s u l t   i n d i c a t e s   a   g o o d   a g r e e m e n t   b e t w e e n   M A T L A B   a n d   V H D L .                                   F i g u r e   7 .   E a r t h   s t a t i o n   N N C   M o d e l s i m       F i g u r e   7 .   T h e   o b s e r v e d   s i g n a l s   a r e   i n   t h e   w a v e f o r m   w i n d o w       A f t e r   r e s u l t s   a r e   v e r i f i e d ,   t h e   n e x t   s t e p   i s   t o   o b t a i n   t h e   c i r c u i t   d i a g r a m   w h i c h   w i l l   b e   u s e d   i n   h a r d w a r e .     W e   h a v e   f o u n d   X i l i n x   F P G A ' s   i s   a n   e f f i c i e n t   t o o l   f o r   t h e   d e s i g n   o f   n e u r a l   n e t w o r k s .   T h e i r   r e c o n f i g u r a b i l i t y   a n d   d e s k t o p   p r o g r a m m a b i l i t y   a l l o w   d e s i g n   c h a n g e s   a t   t h e   u s e r ' s   t e r m i n a l ,   t h e r e b y   a v o i d i n g   t h e   f a b r i c a t i o n   c y c l e   t i m e s   a n d   n o n - r e c u r r i n g   e n g i n e e r i n g   c h a r g e s .   O n c e   t h e   f u n c t i o n a l i t y   i s   v e r i f i e d ,   t h e   V H D L     R T L   ( R e g i s t e r   T r a n s f e r   L e v e l )   c o d e   i s   u s e d   f o r   s y n t h e s i s .   A t   t h i s   l e v e l ,   t h e   R T L   d e s c r i p t i o n   c a n   b e   t r a n s f o r m e d   t o   a   n e t l i s t   i n   t e r m   o f   c o n f i g u r a b l e   l o g i c   b l o c k s   ( C L B )   d e p e n d i n g   o n   t h e   t a r g e t   t e c h n o l o g y   t r a n s f o r m s .   T i l e   s y n t h e s i s   t o o l   p r o c e e d s   t o   e s t i m a t e   a r e a   i n   t e r m s   o f   C L B s .   S y n t h e s i s   i s   a   t w o   s t e p   p r o c e s s   w i t h   a n   o p t i o n a l   t h i r d   s t e p :   a .   T r a n s l a t e   s y n t h e s i z a b l e   R T L H D L   ( H a r d w a r e   D e s c r i p t i o n   L a n g u a g e )   t o   g e n e r i c   g a t e   l e v e l   n e t l i s t ,   s u c h   a s   t e c h n o l o g y   i n d e p e n d e n t   g a t e s .   b .   O p t i m i z e   a n d   m a p   g e n e r i c   g a t e   l e v e l   n e t l i s t   t o   t e c h n o l o g y   g a t e s   u t i l i z i n g   a n y   s p e c i a l   a r c h i t e c t u r a l   f e a t u r e s   w h e r e v e r   p o s s i b l e .   T h i s   o p t i m i z a t i o n   c a n   b e   f o r   a r e a   a n d / o r   s p e e d .   c .   T i m i n g   o p t i m i z a t i o n   i f   t i m i n g   c o n s t r a i n t s   n o t   m e t   ( o p t i o n a l   s t e p ) .   T h e   o u t p u t   f r o m   s y n t h e s i s   i s   a n   E D I F   n e t l i s t   r e a d y   f o r   v e n d o r   p l a c e   a n d   r o u t e   t o o l s .   I n   t h e   s y n t h e s i s   p h a s e   t h e   t a r g e t   t e c h n o l o g y   m u s t   b e   d e t e r m i n e d .   T w o   d e v i c e s   f o r   X i l i n x   F P G A   a r e   u s e d   ( V I R T E X I I   2 V 2 0 0 0 b f 9 5 7   &   V I R T E X 5   5 V F X 1 0 0 T F F 1 1 3 6 ) .   T h e   d e s i g n   s u m m a r y   a n d   t h e   p e r c e n t a g e   o f   a v a i l a b l e   r e s o u r c e s   i s   e x p l o r e s   i n   T a b l e   1 .   X i l i n x   V I R T E X 5   i s   l e s s   t h a n   V I R T E X I I   i n   r e s o u r c e   u t i l i z a t i o n   s o   i t   i s   s e l e c t e d   i n   d e s i g n   i m p l e m e n t a t i o n .   P r e c i s i o n T M   R T L   S y n t h e s i s   i s   a   s y n t h e s i s   p l a t f o r m   t h a t   m a x i m i z e s   t h e   p e r f o r m a n c e   o f   F P G A s .   P r e c i s i o n T M   R T L   S y n t h e s i s   i s   a   c o m p r e h e n s i v e   t o o l   s u i t e ,   p r o v i d i n g   d e s i g n   c a p t u r e   i n   t h e   f o r m   o f   V H D L ,   V e r i l o g   a n d   S y s t e m   V e r i l o g   e n t r y ,   a d v a n c e d   r e g i s t e r -   t r a n s f e r - l e v e l   l o g i c   s y n t h e s i s ,   c o n s t r a i n t - b a s e d   o p t i m i z a t i o n ,   s t a t e - o f - t h e - a r t   t i m i n g   a n a l y s i s ,   s c h e m a t i c   v i e w i n g   a n d   e n c a p s u l a t e d   p l a c e - a n d   r o u t e   [ 1 8 ] .     F i g u r e   8   d e s c r i b e s   t h e   P r e c i s i o n T M   R T L   s c h e m a t i c   o f   t h e   e a r t h   p o w e r   s y s t e m   N N C   u s i n g   X i l i n i x   F P G A   V i r t e x 5   d e v i c e   t e c h n o l o g y .   I t   c o n s i s t s   o f   b a s i c   l o g i c   g a t e s   ( A N D ,   O R ,   e t c . )   f o r   a   p a r t i c u l a r   f a b r i c a t i o n   p r o c e s s .   T h e s e   a r e   c o n n e c t e d   u s i n g   w i r e s ,   a n d   d u e   t o   t h e   s i z e   o f   t h e   f i n a l   s c h e m a t i c ,   s p e c i f i c   d e t a i l s   c a n   o n l y   b e   s e e n   b y   z o o m i n g   i n   a   p a r t i c u l a r   p a r t   o f   t h e   d e s i g n .   A t   t h i s   p o i n t ,   i t   i s   n e c e s s a r y   t o   c o n s i d e r   c e l l   d e l a y s   d u e   t o   i n t e r c o n n e c t   a n d   g a t e   l o a d i n g   e f f e c t s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                    T E L K O M N I K A     V o l .   1 0 ,   N o .   2 2 8 8 T e c h n o l o g y   s c h e m a t i c   u s i n g c o n n e c t i o n s   b e t w e e n   t h e   l o o k u p   t a b l e s   i s   d e p i c t e d   i n       T a b l e   1 .   A r e a   R e p o r t   f o r   A   2   R e s o u r c e   A v a i l a b l e I O S   6 2 4   G l o b a l   B u f f e r s   1 6   F u n c t i o n   G e n e r a t o r s   2 1 5 0 4 C L B   S l i c e s   1 0 7 5 2 D f f s   o r   L a t c h e s   2 3 3 7 6 B l o c k   R A M s   5 6   B l o c k   M u l t i p l i e r s   5 6   B l o c k   M u l t i p l i e r   D f f s   2 0 1 6   D S P 4 8 E s           F i g u r e   8 .   T h e   R T L   v i e w   o f   t h e   s y n t h e s i z e d   a r c h i t e c t u r e   o f   e a r t h   s t a t i o n   N N C   u s i n g   X I L I N X       F i g u r e   9 .   T e c h n o l o g y   s c h e m a t i c   o f   e a r t h   s t a t i o n   N N C   u s i n g   X I L I N X   V I R T E X 5                   2 ,     J u n e   2 0 1 2   :     2 8 1     2 9 0   u s i n g   X i l i n i x   F P G A   V I R T E X 5   d e v i c e   t e c h n o l o g y   w h i c h   i n d i c a t e s   t h e   c o n n e c t i o n s   b e t w e e n   t h e   l o o k u p   t a b l e s   i s   d e p i c t e d   i n   F i g u r e   9 .   o r   A   2 - 2 - 1   N N   f o r   X i l i n x   V i r t e X I I ,   A n d   V i r t e x 5   D e v i c e   T e c h n o l o g y V I R T E X I I   V I R T E X 5 A v a i l a b l e   U s e d   U t i l i z a t i o n   %   A v a i l a b l e   U s e d   4 5 0   7 2 . 1 2   6 4 0   4 5 0 1   6 . 2 5   3 2   1   2 1 5 0 4   1 3 9 2 1   6 4 . 7 4   6 4 0 0 0   1 0 3 3 5 1 0 7 5 2   6 9 6 1   6 4 . 7 4   1 6 0 0 0   2 5 8 4 2 3 3 7 6   6 4   0 . 2 7   6 5 2 8 0   6 4 0   0 . 0 0   2 2 8   0   2 8   5 0 . 0 0         0   0 . 0 0           2 5 6   1 4 8 .   T h e   R T L   v i e w   o f   t h e   s y n t h e s i z e d   a r c h i t e c t u r e   o f   e a r t h   s t a t i o n   N N C   u s i n g   X I L I N X   V I R T E X 5     9 .   T e c h n o l o g y   s c h e m a t i c   o f   e a r t h   s t a t i o n   N N C   u s i n g   X I L I N X   V I R T E X 5             I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   w h i c h   i n d i c a t e s   t h e   o r   X i l i n x   V i r t e X I I ,   A n d   V i r t e x 5   D e v i c e   T e c h n o l o g y   V I R T E X 5   U s e d   U t i l i z a t i o n   %   4 5 0   7 0 . 3 1     3 . 1 3   1 0 3 3 5   1 6 . 1 5   2 5 8 4   1 6 . 1 5   6 4   0 . 1 0     0 . 0 0           1 4   5 . 4 7     8 .   T h e   R T L   v i e w   o f   t h e   s y n t h e s i z e d   a r c h i t e c t u r e   o f   e a r t h   s t a t i o n   N N C   u s i n g   X I L I N X     9 .   T e c h n o l o g y   s c h e m a t i c   o f   e a r t h   s t a t i o n   N N C   u s i n g   X I L I N X   V I R T E X 5   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L K O M N I K A     I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0       O p t i m i z a t i o n   a n d   F e a s i b i l i t y   A n a l y s i s   o f   s a t e l l i t e   E a r t h   S t a t i o n   P o w e r   S y s t e m   U s i n g   H O M E R   ( H a n a a   T .   E l - M a d a n y )   2 8 9   7 .   C o n c l u s i o n   I n   t h i s   p a p e r ,   i m p l e m e n t a t i o n   o f   N N C   u s i n g   h a r d w a r e   d e s c r i p t i o n   l a n g u a g e   V H D L   i s   p e r f o r m e d .   T h e   f i r s t   r e a s o n   f o r   u s i n g   V H D L   i s   t o   i n c r e a s e   t h e   p r o d u c t i v i t y   b y   m a k i n g   i t   e a s y   t o   b u i l d   a n d   u s e   l i b r a r i e s   o f   c o m m o n l y   u s e d   V H D L   m o d u l e s .   A n o t h e r   i m p o r t a n t   r e a s o n   i s   t h e   r a p i d   p a c e   o f   d e v e l o p m e n t   i n   e l e c t r o n i c   d e s i g n   a u t o m a t i o n   ( E D A )   t o o l s   a n d   i n   t a r g e t   t e c h n o l o g i e s .   U s i n g   a   s t a n d a r d   l a n g u a g e   s u c h   a s   V H D L   c a n   g r e a t l y   i m p r o v e   y o u r   c h a n c e s   o f   m o v i n g   i n t o   m o r e   a d v a n c e d   t o o l s   w i t h o u t   h a v i n g   t o   r e - e n t e r   y o u r   c i r c u i t   d e s c r i p t i o n s .   T h e   a b i l i t y   t o   r e t a r g e t   c i r c u i t s   t o   n e w   t y p e s   o f   d e v i c e   t a r g e t s   w i l l   a l s o   b e   i m p r o v e d   b y   u s i n g   a   s t a n d a r d   d e s i g n   e n t r y   m e t h o d .   T h i s   i m p l e m e n t e d   d i g i t a l   c o n t r o l l e r   w a s   d e s i g n e d   t o   b e   s i m p l e   s o   a s   t o   b e   f a s t   a n d   n o t   r e q u i r e   l a r g e   h a r d w a r e   r e s o u r c e s .   T h e   i n t e g r a t i o n   b e t w e e n   M A T L A B   a n d   V H D L   i s   a c h i e v e d .   T h e   n e t w o r k   o f   d i g i t a l   n e u r o n s   c a n   t h e n   b e   s y n t h e s i z e d   i n t o   d i g i t a l   h a r d w a r e   u s i n g   a   c o m m e r c i a l   s y n t h e s i s   t o o l .     M o d e l S i m ®   P E   6 . 6   s i m u l a t o r   t o o l   i s   u s e d   t o   s i m u l a t e   t h e   N N C   f o r   b o t h   p o w e r   s y s t e m s .   A   c o m p a r i s o n   b e t w e e n   M A T L A B S I M U L I N K   a n d   V H D L   h a s   b e e n   o c c u r r e d .   T h e   r e s u l t s   g i v e   a   g o o d   a g r e e m e n t   b e t w e e n   V H D L   a n d   M A T L A B   s o f t w a r e .   T h e   V H D L - F P G A   c o m b i n a t i o n   i s   s h o w n   t o   b e   a   v e r y   p o w e r f u l   e m b e d d e d   s y s t e m   d e s i g n   t o o l ,   w i t h   l o w   c o s t ,   h i g h   r e l i a b i l i t y .   P o w e r   s y s t e m   c o n t r o l l e r   i s   s u g g e s t e d   w h i c h   i s   d e s i g n e d ,   m o d e l e d ,   a n d   s i m u l a t e d   u s i n g   F P G A   A d v a n t a g e ®   8 . 1 .   W e   h a v e   f o u n d   X i l i n x   F P G A ' s   i s   a n   e f f i c i e n t   t o o l   f o r   t h e   d e s i g n   o f   n e u r a l   n e t w o r k s .   T h e i r   r e c o n f i g u r a b i l i t y   a n d   d e s k t o p   p r o g r a m m a b i l i t y   a l l o w   d e s i g n   c h a n g e s   a t   t h e   u s e r ' s   t e r m i n a l ,   t h e r e b y   a v o i d i n g   t h e   f a b r i c a t i o n   c y c l e   t i m e s   a n d   n o n - r e c u r r i n g   e n g i n e e r i n g   c h a r g e s .   S e v e r a l   X I L I N X   t e c h n o l o g i e s   a r e   c o m p a r e d   w i t h   r e s p e c t   t o   t h e   u t i l i z a t i o n   o f   t h e   r e s o u r c e s .   I t   i s   f o u n d   t h a t   X I L I N X   V I R T E X 5   h a s   t h e   l o w e s t   u t i l i z e d   r e s o u r c e s   t h a n   o t h e r s .   T h e   h a r d w a r e   a r c h i t e c t u r e   o f   n e u r a l   n e t w o r k   w i t h   t w o   i n p u t ,   o n e   o u t p u t   a n d   t w o   h i d d e n   n e u r o n s   o c c u p i e s   o n l y   1 6 . 1 5 %   o f   a v a i l a b l e   C L B   s l i c e s   u s i n g   X I L I N I X   V I R T E X 5   t a r g e t   t e c h n o l o g y .         R e f e r e n c e s   [ 1 ]     Ka l o g i r o u   SA.   Ar t i f i c i a l   i n t e l l i g e n c e   i n   e n e r g y   a n d   r e n e w a b l e   e n e r g y   s y s t e m s .   N o v a   Pu b l i s h e r ;   2 0 0 7 .   [ 2 ]     St e v e n   T .   Ka r r i s .   D i g i t a l   C i r c u i t   An a l y s i s   a n d   D e s i g n   w i t h   Si m u l i n k ®   M o d e l i n g   a n d   I n t r o d u c t i o n   t o   C PL D s   a n d   F PG As .   Se c o n d   Ed i t i o n ,   O r c h a r d   Pu b l i c a t i o n s .   [ 3 ]     Z a i n a l a b e d i n   N a v a b i ,   D i g i t a l   D e s i g n   a n d   I m p l e m e n t a t i o n   w i t h   F i e l d   Pr o g r a m m a b l e   D e v i c e s ,   Kl u w e r   Ac a d e m i c   Pu b l i s h e r s ,   Bo s t o n ,   2 0 0 5 .   [ 4 ]     J a n a r d a n   M i s r a   ,   I n d r a n i l Sa h a   ,   " Ar t i f i c i a l   n e u r a l   n e t w o r k s   i n   h a r d w a r e :   s u r v e y   o f   t w o   d e c a d e s   o f   p r o g r e s s " ,     J o u r n a l   o f   N e u r o c o m p u t i n g ,   2 0 1 0 ;   7 4 :   2 3 9 2 5 5 .   [ 5 ]     Al e x a n d e r   G o m p e r t s ,   Ab h i s e k   U k i l ,   a n d   F r a n z   Z u r f l u h ,   " D e v e l o p m e n t   a n d   I m p l e m e n t a t i o n   o f   Pa r a m e t e r i z e d   F PG A - Ba s e d   G e n e r a l   Pu r p o s e   N e u r a l   N e t w o r k s   f o r   O n l i n e   Ap p l i c a t i o n s " ,   I EEE  T r a n s a c t i o n s   o n   I n d u s t r i a l   I n f o r m a t i c s ,   2 0 1 0 .   [ 6 ]     W .   X .   Sh e n .   O p t i m a l l y   s i z i n g   o f   s o l a r   a r r a y   a n d   b a t t e r y   i n   a   s t a n d a l o n e   p h o t o v o l t a i c   s y s t e m   i n   M a l a y s i a .   R e n e w a b l e   En e r g y .   2 0 0 9 ;   3 4 :   3 4 8 - 3 5 2 .   [ 7 ]     C .   H u a ,   a n d   C .   Sh e n .   St u d y   o f   m a x i m u m   p o w e r   t r a c k i n g   t e c h n i q u e s   a n d   c o n t r o l   o f   D C / D C   c o n v e r t e r s   f o r   p h o t o v o l t a i c   p o w e r   s y s t e m .   Pr o c e e d i n g s   o f   t h e   2 9 t h   An n u a l   I EEE  Po w e r   El e c t r o n i c s   Sp e c i a l i s t s   C o n f e r e n c e ,   1 9 9 8 .   [ 8 ]     G . J   Y u ,   Y . J u n g ,   J . Y   C h o i ,   a n d   G . Ki m .   N o v e l   T w o - M o d e   M PPT   C o n t r o l   Al g o r i t h m   Ba s e d   o n   C o m p a r a t i v e   St u d y   o f   Ex i s t i n g   Al g o r i t h m s .   So l a r   En e r g y .   2 0 0 4 ;   7 6 :   4 5 5 4 6 3 .   [ 9 ]     Bo g d a n ,   S.   B.   a n d   Sa l a m e h ,   Z .   M .   1 9 9 6 .   M e t h o d o l o g y   f o r   o p t i m a l l y   s i z i n g   t h e   c o m b i n a t i o n   o f   a   b a t t e r y   b a n k   a n d   PV  a r r a y   i n   a   w i n d / PV  h y b r i d   s y s t e m .   I EEE  T r a n s a c t i o n s   o n   En e r g y   C o n v e r s i o n .   1 9 9 6 ;   1 1 ( 2 ) :   3 6 7 - 3 7 5 .   [ 1 0 ]   Bi n   A. ,   H o n g x i n g   Y . ,   Sh e n   H . ,   X i a n b o   L .   C o m p u t e r   a i d e d   d e s i g n   f o r   PV/ W i n d   h y b r i d   s y s t e m .   R e n e w a b l e   En e r g y .   2 0 0 3 ;   2 8 ( 1 0 ) :   1 4 9 1 - 1 5 1 2 .   [ 1 1 ]     H a n s e n   D . ,   So r e n s e n   P. ,   H a n s e n   H . ,   a n d   H e n r i k   B. ,   M o d e l s   f o r   a   St a n d - Al o n e   PV  Sy s t e m .   R i o - R - 1 2 1 9   ( EN ) / SEC - R - 1 2 ,   2 0 0 0 .   [ 1 2 ]     Pr o g r a m m a b l e   L o g i c   D e s i g n   Q u i c k   St a r t   H a n d b o o k ,   X i l i n x ,   I n c . ,   2 0 0 6 .   [ 1 3 ]     A.   M e l l i t ,   H .   R e z z o u k ,   A.   M e s s a i ,   B.   M e d j a h e d .   F PG A - b a s e d   r e a l   t i m e   i m p l e m e n t a t i o n   o f   M PPT - c o n t r o l l e r   f o r   p h o t o v o l t a i c   Sy s t e m s .   R e n e w a b l e   En e r g y .   2 0 1 1 ;   3 6 :   1 6 5 2 - 1 6 6 1 .   [ 1 4 ]     M e l l i t   A,   M e k k i   H ,   M e s s a i   A,   Sa l h i   H . ,     F PG A - b a s e d   i m p l e m e n t a t i o n   o f   a n   i n t e l l i g e n t   s i m u l a t o r   f o r   s t a n d - a l o n e   p h o t o v o l t a i c   s y s t e m .   Ex p e r t   Sy s t e m s   w i t h   Ap p l i c a t i o n s ,   2 0 1 0 ;   3 7 ( 8 ) :   6 0 3 6 - 6 0 5 1 .   [ 1 5 ]     F PG Ad v a n t a g e ® ,   So f t w a r e   Ve r s i o n   8 . 1 ,   M e n t o r   G r a p h i c s   C o r p o r a t i o n   1 9 9 9 - 2 0 0 8 .   [ 1 6 ]     M o d e l Si m ®   PE  R e f e r e n c e   M a n u a l ,   So f t w a r e   Ve r s i o n   6 . 6 ,   M e n t o r   G r a p h i c s   C o r p o r a t i o n   1 9 9 1 - 2 0 1 0 .   [ 1 7 ]     D a v i d   W .   Bi s h o p ,   VH D L - 2 0 0 8   Su p p o r t   L i b r a r y ,   p u b l i s h e d   b y   ED I n d u s t r y   W o r k i n g   G r o u p s   a n d   Ac c e l l e r a ,   h t t p : / / w w w . v h d l . o r g / f p h d l / ,   o n l i n e   2 0 1 0 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                      I S S N :   1 6 9 3 - 6 9 3 0   T E L K O M N I K A     V o l .   1 0 ,   N o .   2 ,     J u n e   2 0 1 2   :     2 8 1     2 9 0   2 9 0   [ 1 8 ]   Pr e c i s i o n ®   R T L   Sy n t h e s i s   U s e r s   M a n u a l ,   R e l e a s e   2 0 0 8 a   u p d a t e   1 ,   S e p t e m b e r   2 0 0 8 ,   M e n t o r   G r a p h i c s   C o r p o r a t i o n ,   2 0 0 8 .           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.