Progetto del primo emulatore per dispositivi MEMS basato su FPGA

This thesis presents a fully-configurable digital system that emulates MEMS inertial sensors, from now on called MEMU (Mems EMUlator). Its main function is to synthesize the typical electro-mechanical features of the device, in order to allow the characterization of electronic systems (ASICs for MEMS or MEMS-dedicated instrumentation) coupled to the (emulated) MEMS, (i) without the need to have a physically available sensor and (ii) with the possibility to vary the sensors parameters as desired, thus creating a wide range of scenarios that could actually be met during the operation of a MEMS device. The core of the system is constituted by an FPGA that emulates in the digital domain the behavior of the device. Thanks to its digital, hence easy-to-configure nature, it guarantees high versatility and adaptability to different emulation scenarios with a simple firmware update. This project could, therefore, be useful to (i) anybody designing or charaterizing integrated circuits for MEMS, (ii) or developing a discrete board or general-purpose instrumentation for MEMS characterization. In both cases, a MEMU would give the opportunity to have an additional analysis and debug phase for the electronic system in which the (emulated) MEMS has known and fixed parameters.

In questa tesi viene presentato un sistema digitale riconfigurabile che emula un sensore inerziale MEMS, che d'ora in poi chiameremo MEMU (Mems EMUlator). Il suo scopo principale è quello di sintetizzare le caratteristiche elettromeccaniche tipiche del dispositivo, consentendo così la caratterizzazione di un qualunque sistema elettronico (un ASIC per MEMS o strumentazione dedicata ai MEMS) da accoppiare al dispositivo MEMS emulato, (i) senza la necessità di avere il sensore fisicamente disponibile e (ii) con la possibilità di variare i parametri del sensore come desiderato, generando così una moltitudine di possibili scenari tipicamente riscontrabili in condizioni operative con un MEMS. Il cuore del sistema è costituito da una FPGA che emula nel dominio digitale il comportamento del dispositivo. Grazie alla sua natura digitale, e perciò alla facilità di riprogrammazione, esso consente un alto grado di versatilità ed adattabilità a casi differenti di emulazione con un semplice update del firmware. Il lavoro, in prospettiva, può risultare utile (i) sia per coloro che sviluppano e caratterizzano circuiti integrati per MEMS, (ii) sia per coloro che sviluppano schede a discreti o altra strumentazione general-purpose per la caratterizzazione di MEMS. In entrambi i casi, un MEMU consente loro una fase di debug e analisi dell'elettronica approfondita, con la possibilità di avere un MEMS (emulato) i cui parametri sono noti e variabili arbitrariamente.