FPGA tabanlı uzaktan laboratuvar uygulamaları

Abstract

Son yıllarda FPGA çipleri, paralel sinyal işleme, yüksek hız ve performans gibi avantajları nedeniyle birçok sayısal sinyal ve görüntü işleme uygulamalarında yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. FPGA (Field Programmable Gate Array-Alanda Programlanabilir Kapı Dizisi) tabanlı uzaktan erişimli laboratuvarlar, mühendislik ve teknoloji eğitiminde internet ve bilgisayar ağları aracılığıyla karmaşık dijital devrelerin gerçek zamanlı kontrol ve izlenmesini sağlayan ileri düzey eğitim teknolojileri olarak tanımlanmaktadır. Bu laboratuvarlar, öğrencilerin coğrafi kısıtlamalar olmaksızın deney yapmalarına, sonuçları gözlemlemelerine ve uygulamalı öğrenme süreçlerine katılmalarına imkân sağlamaktadırlar. JTAG (Joint Test Action Group-Birleşik Test Eylem Grubu), I2C (Inter-Integrated Circuit-Entegreler Arası Devre) ve USB (Universal Serial BusEvrensel Seri Yolu) protokolleri ile desteklenen bağlantı altyapısı, kullanıcıların FPGA donanımına doğrudan erişimini ve çeşitli ve farklı koşullarda tasarımların test edilmesine imkân sağlamaktadır. Bu çalışmada, son yıllarda gerçekleştirilen FPGA tabanlı uzaktan laboratuvar uygulamaları incelenmiş ve konu kapsamında analizler yapılarak konu ile ilgili öneriler sunulmuştur. Yapılan araştırmalarda, gerçekleştirilen uygulamalarda genel olarak LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench-Laboratuvar Sanal Enstrüman Mühendisliği Çalışma Ortamı) ve VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description LanguageÇok Yüksek Hızlı Entegre Devre Donanım Tanımlama Dili) gibi yazılım araçlarının kullanıldığı gözlemlenmiştir. Tasarlanan platformlar, kullanıcı dostu ve etkileşimli deneyimler sunarken, bulut tabanlı mimariler çoklu kullanıcı erişimini desteklemekte ve WebSocket ile Python-Flask gibi modern yazılım bileşenleri sistemleri daha esnek bir hale getirmektedir. Ayrıca, ZigBee ve Bluetooth gibi kablosuz bağlantı teknolojileri düşük enerji tüketimi ve mobil uyumluluk sağlayarak projelerin etkinliğini artırmaktadır. Teknik değerlendirmelerde, Xilinx (AMD) Vivado Design Suite ve Altera (Intel) Quartus gibi yazılımların simülasyon ve doğrulama imkânları ile web tabanlı kullanıcı arayüzlerinin erişilebilirliği öne çıkmaktadır. Sonuç olarak, FPGA tabanlı uzaktan laboratuvarlar eğitimde erişim eşitliğini artırmakta ve çevrimiçi eğitimi daha kapsayıcı hale getirmekte olup, gelecekte düşük gecikme süreleri, gelişmiş güvenlik protokolleri ve mobil uyumluluk gibi iyileştirmelerle bu laboratuvarların eğitim teknolojilerinde daha geniş bir etki oluşturması beklenmektedir.

In recent years, FPGA chips have been widely used in many digital signal and image processing applications due to advantages such as parallel signal processing, high speed, and performance. FPGA (Field Programmable Gate Array) based remote access laboratories are defined as advanced educational technologies that enable realtime control and monitoring of complex digital circuits through the internet and computer networks in engineering and technology education. These laboratories allow students to conduct experiments, observe results, and participate in hands-on learning processes without geographical limitations. The connection infrastructure supported by JTAG (Joint Test Action Group), I2C (Inter-Integrated Circuit), and USB (Universal Serial Bus) protocols allows users direct access to FPGA hardware and provides opportunities to test designs under various and different conditions. In this study, FPGA-based remote laboratory applications conducted in recent years were examined, and analyses were made, and recommendations related to the subject were presented. Research has shown that software tools such as LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) and VHDL (Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) are generally used in the implemented applications. Designed platforms offer user-friendly and interactive experiences, while cloud-based architectures support multi-user access, and modern software components such as WebSocket and Python-Flask make systems more flexible. Additionally, wireless communication technologies such as ZigBee and Bluetooth increase the efficiency of projects by providing low energy consumption and mobile compatibility. In technical evaluations, simulation and verification capabilities of software like Xilinx (AMD) Vivado Design Suite and Altera (Intel) Quartus, as well as the accessibility of webbased user interfaces, stand out. In conclusion, FPGA-based remote laboratories increase access equality in education and make online education more inclusive, and in the future, with improvements such as low latency, enhanced security protocols, and mobile compatibility, these laboratories are expected to have a broader impact on educational technologies.