Search

Stochastic computing (SC) is an approach used in today's re-emerging hardware environments. Known deterministic circuit elements are fed by binary sequences with probability, and the output sequence probability expresses a mathematical operation in terms of the probability of input sequences. Pulse trains expressed with probability values feed deterministic logic systems by expressing unipolar or bipolar encoding techniques, and an output pulse train with a probability value is obtained. This approach, which provides benefits in terms of complexity, low power, and durability especially for arithmetic operations, appears in applications with flexible fault tolerance such as computer vision. In this context, the multiplexer (MUX) logic system is used as a scaled adder; in other words, the sum of binary probabilistic sequences coming to the inputs of a MUX is seen at the output at the rate of a coefficient. In this study, the limits of the MUX structure within the scope of SC are underlined. With the MUX structures created with different hardware configurations, the architectures are investigated for performance.

ÖZET Bu tezde,, işaret akış diyagramlarından yararlanarak, ikinci kuşak akım taşıyıcı elemanları içeren devrelerin, gerilim transfer fonksiyonlarının bulunması ve ger çekleştirilmesi konuları ele alınmıştır. Bu tür elemanların bulunduğu aktif RC-devrelerinin, devreye bakılarak, doğrudan doğruya işaret-akış diyagramlarının çizilmesine, bu diyagramlardan da devre fonksiyonlarının bulunmasına dayanan bir analiz yöntemi verilmiştir. Ayrıca, gerilim transfer fonksiyonlarının akım taşıyıcılarla gerçekleştirilmesine ilişkin bir sentez yön temi sunulmuştur. Ele alınan gerilim transfer fonksiyonlarına ilişkin uygun işaret-akış diyagramlarının elde edilmesine ve bu diyagramlardan da akım taşıyıcılı aktif- RC devrelerine geçişe dayanan bu yöntem uyarınca alçak duyarlıklı devreler gerçekleştirilmiştir. Yöntem uyarınca gerçekleştirilen bir devrenin eleman değerleri uygunlaştırılarak, SPICE analizi yardımıyla, pratiğe uygun devrelerin elde edilmesine çalışılmıştır. (v) SUMMARY ANALYSIS AND SYNTHESIS OF THE CURRENT CONVEYOR CIRCUITS The current conveyor is functionally flexible and versatile active building block. The first-generation current conveyor (CCI) was introduced by Smith and Sedra in 1968. In 1970, Sedra and Smith presented a more useful circuit concept which was named second-generation current conveyor (CCII). The applications of the current conveyors have emerged in recent years, because, at the time of the introduction of the current conveyor, it wasn't clear what advantages the current conveyor offered over the other active elements. Now, it is known that the current conveyor circuit can provide a higher voltage-gain and larger bandwidth than the corresponding operational amplifier circuit, in effect a higher gain-bandwidth- product. Besides, current conveyors (CCII) are an alternative to OTAs (Operational Transconductance Amplifier) in filter applications. Due to absence of resistors in circuit, The filter desig using OTAs is the most suited one for integration purposes, but the performance limitations of OTAs such as poor bandwidths and poor output drive capabilities, restrict the circuit operating performance. CCI Is have higher bandwidths and improved current drive capabilities. The second-generation current conveyor is shown by the block diagram in Fig. 1. Fig. 1 Second-generation current conveyorAnd it is defined by the following terminal relationship. 0 0 0 10 0 0 ±1 0 Terminal y exhibits an infinite input impedance because, the current of terminal y is zero. Voltage of input terminal y is equal to voltage of terminal x also, current of input terminal x is equal to current of output terminal z. Positive and negative signs refer to positive and negative polarity current conveyors (CCII+ and CCII-) respectively. CCIIs are first widely used in application areas such as the relization of controlled sources, impedance converters, impedance inverters, gyrators and various analog computation elements like current amplifier, current differentiator, current integrator, current summer and weighted current summer. A number of circuit topologies have been presented for the current-mode circuits. A great deal of work has been reported on the realization of the voltage transfer functions that are using second generation current conveyors. One of the first works on the realization of the voltage transfer functions using current conveyors is Soliman's circuit that realize the second-order all-pass function with single current conveyor (1973). In 1974, Aronhime has demonstrated the generality of the current conveyor approach for any voltage transfer function using single current conveyor and RC elements. But these circuits haven't offered high input impedance. Then Soliman has presented two realizations of band-pass functions in 1977. Nandi has proposed a third-order low-pass Butterworth filter using equal-valued elements in 1978. Salawu has realized Soliman's first circuit with only four passive components (1980). (vii)In 1982, Pal and Singh have presented a multiple current conveyor all-pass filter structure. This circuit offered high input impedance and controllable voltage gain. Naqshibendi and Sharma ' s improved two band-pass filters which offered high input impedance and adjustable u, Q and gain that are independent of each other (1983). In 1985, Senani has presented a work about high- order filter design based on simulations of FDNR (Frequency Dependant Negative Resistor ) and lossy inductance. Nawrocki and Klein's implementation which realized second-order universal filter with OTAs, has been modified by Toumazou and Lidgey who replaced all the operational transconductance amplifiers by current conveyors and resistors in 1986. In late 1986 Chong and Smith have introduced current conveyor theme which included voltage inversion between the input terminals. These have been named CCII ±2 type current conveyors. The purpose of the voltage inversion was to realize low-pass, high-pass and band-pass filters with independently controllable cj and Q, using single current conveyor. In 1989, Anday and Tek, using signal flow- graphs, have realized general second-order voltage transfer function. In late 1990, Singh and Senani have presented a multifunction active filter configuration employing current conveyors. They have realized second-order low-pass, band-pass, all-pass and notch filters on the same structure. In this thesis, using signal flow graphs, analysis and synthesis of the circuits which consist second-generation current conveyors have been examined. Using the defining equation for the second- generation current conveyor, it can be shown that the subgraph in Fig. 2b correspond to the subnetwork in Fig. 2a. In symbolic representation (+), (or(-)) signs of current conveyors correspond to the signs (+) (or(-) ) of the transmittances in the subgraph shown in Fig. 2b, respectively. (viii)V,o^ CCI1 © ML 1 o V`., `Fi V`°- CCI1 M '.F^ î (o) V> _1-Yn., (b) Fig. 2 (a) CCII subnetwork (b) Associated subgraph According to analysis method, the signal-flow graph can be obtained directly from given circuit by the aid of Fig. 2, and the voltage transfer function can be easily found from this, using Mason's gain formula. Besides, if nth-order transfer function is represented by a suitable signal-flow graph composed of subgraphs in the form given in Fig. 2b, the corresponding circuit realization can be easily found by the use of Fig. 2. The general nth-order voltage transfer function can be given as. n n-i V. a s + a. s +...+ a, s + a o n n-1 1 o V. sn + b,sn + + b,s + b i n-1 1 o This transfer function can be represented by the signal flow graph which is suitable for the realization procedure shown in Fig. 3a. (ix)(a) Î- ıs k ecu © % ecu © [w z -i CClI JT ® $ ecu © 2 25 ecu © Ql/b, l` '` (b) Fig. 3(a) Signal-flow graph of the general nth-order voltage transfer function (b) CCII circuit which realize the general nth-order voltage transfer function It should be noted that this circuit contains at most (3n-2) current conveyors, (n+1) capacitors (n of them being equal) and (3n-l) resistors (n-1 of them being equal). All capacitors are grounded. Furthermore, since the coefficients are directly proportional to conductances and inversely proportional to capacitances, the coefficient sensitivities due to any conductance or capacitance are not greater than one in magnitude. It should be noted that the method can be also applied to the synthesis of transfer functions in which some of the coefficients of the numerator polynomial have negative values. Also, another CCII filter configurations which are different from this can be derived in similar way using different signal flow-graph models. (x)In this thesis, why the current conveyor concepts are introduced, their historical progress, the defining equations and applications of the first and second generation current conveyors, advantages of the second- generation current conveyors over the OTAs and OAs were given in the second section. In the third section, subnetwork and subgraph were given which are used for analysis and synthesis of the circuits that consist current conveyors. Using signal-flow graphs, analysis of the circuits were explained, By the aid of this the voltage transfer function was found for a given circuit. In the fourth section, the suitable signal-flow graph of the general nth-order transfer function was given and corresponding circuit was realized. Also, third- order high-pass filter was realized by the aid of above and sensitivity analysis of this filter was made. Besides, the circuit which realized low-pass and band-pass filters on the same structure with the equal-valued elements was given and sensitivity analysis was made. In the fifth section, the circuit models of negative and positive current conveyors were given which are used for SPICE analysis. The element values of the third-order high-pass filter that is realized in the fourth section were changed to suit practical values, also SPICE analysis was made for this circuit. (xi) 74

Donanım teknolojisinin ilerlemesi ve işlem gücü yüksek cihazların günlük hayatın her alanına girmesiyle birlikte yazılım temelli uygulamalar sadece bilgisayar veya gömülü sistem uygulamalarında kalmayıp günlük hayatımızda kullandığımız birçok elektronik cihazda görülmeye başlanmıştır. Bununla beraber hemen hemen her yeni geliştirilen ürün veya ekipmanın internete erişebilir olmasıyla birlikte de her konuda çok ciddi boyutlarda veri toplama imkanı yaratılmaktadır. İşlem gücü yüksek sistemlerin gelişmesi, elde edilebilen verilerin artması, internete bağlanabilen cihazların yaygınlaşmasıyla birlikte makine öğrenmesi, yapay zeka gibi konular günlük hayatta kullanılan beyaz eşya, televizyon, küçük ev aletleri gibi ürün gruplarında da uygulanabilir hale gelmiştir. Bu sayede bu tarz ürünlerde de kişiselleştirilmiş kullanıcı deneyiminin arttırılmasına ve sistemin en uygun performansta çalışmasını sağlayacak gerekli kararların yazılım tarafından verilebileceği algoritmaların gelişmesine olanak sağlanmıştır.Uygun kararları verebilen ve bunları uygulayabilen otonom yapıların gelişmesiyle birlikte malzeme tanıma konusu da bu sistemler için önemli bir problem haline gelmiştir. Robotik uygulamalar, özel üretim süreçleri gibi konulara da girdi sağlayan malzeme tanımlaması üzerinde farklı yöntemler kullanılarak çok sayıda çalışma yapılmıştır. Cam, plastik, metal, tahta gibi temel ayrımların yanı sıra probleme özgü daha alt seviyede sınıflandırmaya odaklanan çalışmaların sayısı da gün geçtikçe artmaktadır.Tekstil ürünlerine temas eden çamaşır kurutma makinesi, çamaşır yıkama makinesi, ütü gibi ürünler için tekstil tipinin türünün bilinmesi, tekstil ürününe zarar vermeden en uygun performans ile çalışma görevini yerine getirmek açısından oldukça önemlidir. Geleneksel uygulamalarda en uygun performans, kullanıcının seçebileceği tekstil tipine uygun programlarla ya da ayarlayabileceği sıcaklık, süre veya ürüne özgü diğer ayarlarla sağlanmaya çalışılmaktadır. Ancak bu seçim veya ayarlamalarda yapılacak yanlışlıklar, ürünü kullanan kişilerin özellikle de çok değer verdiği giyim ürünleri için istenmeyen sonuçların oluşmasına neden olabilmektedir.Tekstil ile ilgili olarak lif yapısını tanıma, dokuma tipinin belirlenmesi ya da endüstriyel üretim uygulamalarında dokuma hatalarını tanıma gibi konularda çok sayıda çalışmalar yapılmıştır. Ancak literatür taraması yapıldığında tekstil tipinin tanınması ile ilgili olarak sınırlı sayıda çalışmanın bulunduğu görülmektedir. Bu tez çalışmasıyla birlikte tekstil tipi tanıma probleminin karmaşık yapılar, sensör tabanlı sistemler kullanılmadan herkesin kolaylıkla ulaşabileceği herhangi bir kamera ile elde edilecek fotoğraf ile çözülmesi amaçlanmıştır. Bu sayede oluşturulacak model ile hem daha az maliyetli hem de ürüne farklı yollardan girdi sağlayabilecek bir sistem oluşturulabilecektir. Bu sistem doğrudan ürüne entegre edilebileceği gibi, ürün ile haberleşen uzaktan kontrol sağlayan ürün uygulamasının bir özelliği ya da tamamen bağımsız bir uygulama da olabilir. Ancak bu çalışmayla birlikte uygulama yönteminden daha çok kamera ile tekstil parçalarından çok yakından alınacak fotoğraflar ile günlük hayatımızda çok sık kullandığımız tekstil tiplerini sınıflandırma problemi üzerinde durulmuştur. Çalışma, derin öğrenme tekniklerinden evrişimsel sinir ağları (CNN-Convolutional Neural Networks) yapılarıyla gerçeklenmiştir. Sınırlı sayıda bulunan benzer bir çalışma için daha önceden hazırlanmış veri seti kullanılmıştır. Bu veri seti öncelikle literatüre girmiş ve çok büyük veri setleriyle öğretilmiş VGG16, VGG19, InceptionResNet, MobileNet, ResNet algoritmaları ile sık kullanılan pamuklu, polyester, kot, yünlü gibi tekstil tiplerini yüksek doğruluk oranlarıyla sınıflandırabildiği görülmüştür.Bu amaçla, VGG16, VGG19, InceptionResNetV2, MobileNetV2, ResNet50 ve InceptionV3 CNN mimarileri kullanılarak detaylı sonuçlar elde edilmiş ve birbirileriyle karşılaştırılmıştır. ResNet50 ve InceptionResNetV2 ile istenilen sonuçlar elde edilememiş ancak diğer 4 mimari ile test veri kümesi ile yüksek doğruluk oranları elde edilebilmiştir.VGG16 ve VGG19 için sırasıyla %94,21 ve %94,19 doğruluk oranları elde edilmiştir. InceptionV3 ile %95,16 doğruluk oranı elde edilirken MobileNetV2 ile ise %93,51 doğruluk oranı sağlanmıştır ve tüm çalışmalar için sınıf bazlı doğruluk oranlarını net görebilmek için hata matrisleri detaylı olarak değerlendirilmiştir.Literatüre girmiş mevcut CNN mimarilerinin yanı sıra probleme özgü bir CNN mimarisi tasarlamak için çalışma yapılmıştır ve test veri kümesi ile elde edilen doğruluk oranı %84,30'tur. ImageNet ile eğitilmiş olan CNN mimarileri ile kıyaslandığı zaman daha düşük başarı oranı olan bu mimarinin, VGG16 ile birlikte kullanıldığı durumda genel performansı, yaklaşık %1 seviyelerinde arttırdığı görülmüştür. Toplam doğruluk oranı %95,51 olarak elde edilmiştir.Önerilen CNN mimarisi ve VGG16 mimarisinin birlikte kullanılmasıyla elde edilen modeller ve ağırlıkları kaydedilerek taşınabilir ve daha düşük işlem gücü olan bir modül üzerine alınmıştır. Böylece, elde edilen çalışma ucuz ve hızlı bir şekilde prototiplenerek standart bir kamera aracılığıyla çalışmada kullanılan 9 farklı tekstil tipi sınıfı için karar verebilen bir uygulama geliştirilmiştir. Bu uygulama için standart bir Web Cam ile birlikte Raspberry Pi 3 modülü kullanılmıştır.Bu çalışma için yüksek işlem gücü gerekliliğinden dolayı Google Colab'ın sunduğu ücretsiz GPU hizmeti kullanılmıştır. Geliştirmeler ve çalışmalar Python programlama dili ile yapılmış olup, derin öğrenme katmanları ve işlemleri için TensorFlow alt yapısını kullanan Keras kütüphanesi kullanılmıştır.Elde edilen bu veriler ile birlikte, hem çalışmanın yapıldığı CNN mimarileri sonuçları hem de literatürde yer alan benzer çalışma sonuçlarına göre karşılaştırma yapılarak tekstilden standart bir kamera ile alınacak görüntü ile tekstil tipi tanıma ve sınıflandırmasının yapılabileceği gösterilmiştir. Aynı zamanda özel bir ekipman ya da uygulama gerektirmemesi nedeniyle ucuz ve hızlıca devreye alınabilir, ürün veya özel çalışmalara entegre edilebilir bir sistemin oluşturulabileceği gösterilmiştir. Software based applications are not seen in only computer based and embedded systems, but also in many electronic devices that are used in our daily lives owing to advancement of hardware technology and high performance devices. Along with the fact that almost every newly developed product or equipment is connected to the internet, it is possible to collect huge amount of data from every area. Because of high performance systems, collecting data and many devices that can be connected to Internet, algorithms and applications that are developed for machine learning and artificial intelligence can be applied to the devices that are in use in our daily lives such as white goods, household appliances, televisions. In this way, it is possible to increase personalized user experience and to develop algorithms that ensure that the system operates at optimum performance.With the development of autonomous structures that are capable to make accurate decisions and to perform these decisions, material recognition has become an important problem for these systems. There are many studies that have been carried out different methods on classification of materials. These studies provide progress for applications such as robotic applications and special production process. In addition to basic classification such as glass, metal, plastic, wool, number of studies that are focusing on the lower level of specific classification is increasing day by day. Information of type of textile is very important for textile contacting products such as tumble dryers, washing machines, irons in order to perform its task with optimum performance without any damage on textile product. In traditional applications, system performance is tried to provided by user programme selection or adjusting the features such as temperature, time or any other product-specific settings according to textile type. However, wrong or inattentive selections or settings may lead to undesirable consequences for valuable textiles.Many studies have been carried out in the field of textile such as fiber structure, texture or recoginition of defects on fabrics in industrial applications. However, there are limited number of studies on recognition of textile types.In this thesis, the aim is to solve textile type recognition problem with a simple camera that can be easily accessed by anyone without using complex structures and sensor based specific systems. In this way, designed model may lead cheaper and more effective solution that can provide different applications for products. This system can be directly integrated into the product, it can be a feature of the product application that provides remote operation or it can be completely independent 3rd party application. However, this is focused more on the problem of classification textile types that we use very frequently in our daily lives by taking photo very closely from textile parts.The study was implemented with the structure of convolutional neural networks. Data set that is prepared for one study of limited number of studies on textile classification is used. Firstly, previously learned with huge amount data set algorithms such as VGG16, VGG19, InceptionResNet, MobileNet and ResNet was implemented with data set of this study. According to high accuracy rate of these methods, textiles can be classified as frequently used textile materials such as cotton, polyester, denim, wool etc.For this purpose, VGG16, VGG19, InceptionResNetV2, MobileNetV2, ResNet50 and InceptionV3 CNN architectures were implemented and detailed results of these studies were obtained. Results of these architectures were compared with each other and results of InceptionResNetV2 and ResNet50 are not suffient. However, remaining 4 architectures has the results with high accuracies on test data sets.VGG16 and VGG19 which are very similar, have the results as 94.21% and 94.19% accuracies on test data sets. The results are also similar. However, implementation speed of VGG16 is much more that VGG19.InceptionV3 has the result as 95.16%. This is the highest result for architectures that were developed for ImageNet and used in this study.MobileNetV2 has the result as 93.51% and the architecture has the lowest parameter number than all architectures in this study.In order to clearly see the results, class-based accuracy rates and confusion matrices were generated for all models. Also, comparison tables were shared for accuracies, parameter numbers, implementation time etc.In addition to the existing CNN architectures in the literature, a study has been carried out to design a problem specific CNN architecture. The proposed architecture has basically 4 convolutional layers and 3 fully connected layers. For convolutional layers, `relu` activation function is used and for last fully connected layer `softmax` is used as activation function. Despite of small architecture, parameter number is around 1 million. Obtained result from test data for this proposed model is 84.30%. Compared to ImageNet-trained CNN architectures, it has a lower success rate and it is not suitable to use it instead of other architectures. After investigating of class based accuracies and general model, it has higher accuracies than VGG16 for some classes. With this information, accuracy of ensemble usage of proposed architecture and VGG16 is around 1% more than accuracy of VGG16. Total accuracy rate is 95.51% for ensemble usage of proposed model and VGG16. Decision method of ensemble method is that if the classification results of both models are not same, a new probability table is generated for all classes from probabilities of models which is max. According to new probability table, classification result is obtained.Model informations and model weights for all layers were obtained from the ensemble usage of proposed CNN architecture and VGG16 had recorded as `.json` and `.h5` file. In order to implement this model on portable device which has lower processing power, these recorded files were used. Thus, the study was prototyped cheaply and quickly on a portable device with standard camera unit. A small application software was impelemented and the application is able to recognize and classify the fabrics according to 9 different fabric types by using standard camera unit. 9 different fabric types that is used in this study as cotton, denim, fleece, nylon, polyester, silk, terrycloth, wiscose and wool. A Raspberry Pi 3 module and a web cam were used for this application.Due to high processing power requirement for deep learning algorithms and this study, Google Colab with GPU which is freely offered by Google, is used. Developments and studies are made with Python programming language. In order to develop deep learning algorithms and computational requirements for these architectures, Keras library is used. Keras is a open source library that was developed for Python and it is available to use such kind of low level libraries for deep learning Theano, TensorFlow etc. In this study, TensorFlow is used as backend for Keras library.Finally, according to obtained results from both proposed CNN architecture and architectures that are implemented for ImageNet, it was shown that fabric recognition and classification can be made by using standard cameras that is take picture from textile units. At the same time, it has been shown that a system or model can be implemented very quickly with low cost and it can be integrated into products or special studies because of not requiring special equipment or application. 89

Faz kaydırıcılar, radar uygulamalarında özellikle antene gelen veya antene gönderilecek olan ana sinyalin farklı açısal eşleniklerini oluşturmada kullanılan önemli yapı elemanlarıdır. Yeni nesil iletişim sistemleri, geniş bantlı, geniş faz aralığına sahip ve düşük kayıplı faz kaydırıcı devrelerine olan ihtiyacı arttırmıştır. Sayısal faz kaydırıcılar yaygın olarak akıllı anten dizimi uygulamalarında, elektronik işlemcilerle veya sürücülerle sağlanan 1 veya 0 durum değerleriyle fazın değerini değiştirme işlevinde kullanılırlar. Pratik olarak, her bir anten elemanının arkasına bir faz kaydırıcı modülü konmaktadır. Her bir faz kaydırıcı modülü ise ardışık dizilmiş faz kaydırıcı ünitelerinden oluşmaktadır. Bu faz kaydırıcı üniteleri, ideal olarak kayıpsız, resiprok, pasif iki kapılı eleman olup, reaktif elemanların birbiri ile bağlanmasından oluşur. Örneğin, üç bit dijital faz kaydırıcı modülü 450, 900 ve 1800 faz kaydırıcı ünitlerin ardışık birbiri ile bağlanması şeklinde oluşturulabilir. Buradaki sayısal faz kaydırıcı kavramı, faz kaydırıcı ünitelerin çalışma şekliyle belirlenir. Başka bir deyişle, her bir faz kaydırıcı birimi bir veya birden fazla CMOS transistör veya PIN diyot gibi katı hal anahtarlama eleman teknolojilerinden oluşabilir. Bu elemanların durumlarından birinde, mesela Durum-A, anahtarlama elemanları AÇIK durumda veya KAPALI durumda olabilir. Bu anahtarlama durumunda, belirli bir frekans değeri için, girişten çıkışa olan faz kaydırma miktarı θ_A olarak belirlenir. Benzer olarak, diğer anahtarlama durumunda, mesela Durum-B, girişten çıkışa olan faz kaydırma miktarı θ_B olarak belirlenir. Bu durumda, Durum-A ve Durum-B arasındaki girişten çıkışa net faz farkı miktarı ∆θ=θ_B-θ_A olarak tanımlanır. Her bir faz kaydırma birimi iki değerli anahtarlama durumundan oluşur, Durum-A ve Durum-B. Durum-A ve Durum-B arasındaki anahtarlama geçişleri, sayısal kontrol ile belirlenir.Yeni nesil iletişim sistemlerinde anten dizimlerinin fazını ayarlamak için binlerce faz kaydırıcının tek bir modüle girmesi öngörülmektedir. Bu yüzden, faz kaydırıcı devrelerinin güç tüketimi değerinin önemi artmıştır. Yazılım tanımlı telsiz, radar, elektronik harp ve benzeri sistem uygulamalarında, düşük kayıplı, düşük güç tüketimli, geniş faz kaydırma özellikli ve geniş bantlı pasif faz kaydırıcı devrelerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu yüzden, bu çalışmada özgün, pasif, geniş faz kaydırmalı, geniş bantlı sayısal faz kaydırıcı devre tasarımı hedeflenmiştir. Literatürdeki bazı çalışmalarda T ve Pi LC Ladder yapıları kullanılmıştır. Fakat bu çalışmalarda kullanılan faz kaydırıcı yapıları, her ne kadar düşük faz hatası ve düşük kayıp ile tasarlanmış olsa da, T ve Pi yapılarının faz kaydırma için kullanılması nedeni ile geniş bantta sonuç alınamamıştır.Bir başka makalede faz kaydırma çiftli bölümler ve üniform iletim hatları kullanılarak yapılmıştır. Bu faz kaydırıcı tasarımının geniş bantlı olabilmesi için çiftli bölümlerin birbiri ile yüksek eşlenikte olması gerekir ki bu da gerçekçi bir uygulama değildir. Yansıtıcı tipinde faz kaydırıcı devrelerinin de literatürde kullanımı oldukça yaygındır. Bu tasarımların bazılarında, toplu öğeli elemanlar hat kuple devreleri yerine kullanılmıştır. Ancak bu elemanlar, sonuç olarak düşük bant ve yüksek kayıpların olmasına neden olmaktadır.Literatürde, aktif vektör modülatörlere bağlı faz kaydırıcı devreleri de mevcuttur. Bu topoloji kullanılarak geniş bantlı bir sonuca ulaşılamamıştır. Ayrıca, monolithic microwave integrated circuit (MMIC) aktif faz kaydırıcılarda değişken rezonant devreleri de kullanılmaktadır. Bu tip aktif faz kaydırıcılar, sadece düşük bant ve yüksek giriş kaybı ile gerçeklenebilmektedir. Anahtarlama modu yapısı kullanan sayısal faz kaydırıcı devreleri de literatürde yer almaktadır. Bu çalışmalarda mikrostrip hatlar faz kaydırıcı elemanı olarak kullanılmış olup pin diyotlar anahtarlama elemanı olarak kullanılmıştır. Bu yöntem her ne kadar düşük kayıp ve düşük faz hatasına sahipse de, geniş bant gerçeklenmesi için uygun değildir. Bu çalışmada, geniş bantlı, düşük güç kayıplı, düşük faz hatalı, kompak, sayısal bir tasarım elde etmek için, literatürde ilk kez simetrik tüm geçiren kafes yapıları faz kaydırıcı birimleri olarak kullanılmıştır. Tüm geçiren simetrik LC kafes yapıları ikiye ayrılırlar, önde faz kaydırıcı yapısı (Tip-1) ve geride faz kaydrıcı (Tip-2) yapısı. Önde faz kaydırcı yapısı kullanıldığında sadece 00'den 1800'ye kadar olan faz kaydırma değerlerine ulaşmak mümkün iken, arkada faz kaydırıcıların kullanılması durumunda, 00 'den -1800'ye kadar olan faz kaydırma sonuçlarını almak mümkündür. Eğer bu iki faz kaydırıcı, aralarında anahtarlama yapılarak birlikte kulllanılırsa 00-3600 'ye kadar olan tüm faz çemberinde faz kaydırma işlemini yapabilir hale getirilebilir.Her iki faz kaydırıcı birimi, paralel olarak kullanılıp, giriş ve çıkıştaki elektronik anahtarlar ile birbiri arasında anahtarlanarak 00-3600 arasında faz kaydırıcı elde etmek mümkündür. Ancak bu uygulama, biri giriş bölümünde, diğeri çıkışta olmak üzere, iki adet tek giriş, çift çıkış anahtarlama devre elemanı gerektirmektedir. Ayrıca Tip-1 ve Tip-2 faz kaydırıcı devrelerinin ayrı ayrı kullanılması ve bu iki devrenin birbiri ile bağlanması için gerekli bağlantılar hem geniş bir serim alanı kaplamasına hem de bu bağlantı yollarından kaynaklı olmak üzere parazitik endüktans, kapasite ve direnç eklenmesine neden olur. Bu fazladan gelen parazitik elemanlar, devrenin elektriksel performansını çok ciddi şekilde etkilerler. Özellikle, bu parazitik elemanlardan kaynaklı performans düşüklüğü en çok geniş bant gereksinimini etkilemektedir. Bu sebeple, Tip-1 ve Tip-2 yapılarının giriş ve çıkışta anahtarlama ile kullanılma yöntemi yüksek performans ihtiyaçlarını karşılamak için uygun değildir. Bu sebeple, bu tezde uygulaması hem kolay olan, hem de faz kaydırıcı performansı var olan literatürden daha iyi olan özgün bir sayısal faz kaydırıcı yapısı önerilmiştir. Özgün ve yüksek performanslı sayısal faz kaydırıcı tasarımı, özgün bir anahtarlama yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Önerilen faz kaydırıcı yapısı, çip alanını azaltmakta ve parazitik elemanlardan kaynaklı etkileri en aza indirgemektedir. Bunun sonucunda devrenin kaybı azalmakta ve faz kaydırıcının kullanılabildiği frekans genişliği artmaktadır. Bu yeni yöntem geniş faz kaydırma özelliğini geniş bant içerisinde sağlamakta olup, düşük faz hatası ve kazanç kaybı ile yüksek performans elde edilmesini sağlamaktadır. Bu fikrin en temel özelliği, Tip-1 ve Tip-2 yapıdaki simetrik kafes faz kaydırıcı birimlerini tek bir devre altında birleştirmesidir. Bu devre, bu sebeple tez boyunca 'Basit ve Tekil-Simetrik Sayısal Faz Kaydırıcı' (Single and Single-Symmetrical Digital Phase Shifter ya da SSS-DPS ya da 3S-DPS) olarak adlandırılmıştır. Önerilen 3S-DPS yapısı, anahtarların AÇIK ve KAPALI konumuna göre ya Tip-1 tüm geçiren simetrik kafes yapısı ya da Tip-2 tüm geçiren simetrik kafes yapısı gibi davranmaktadır. Önerilen 3S-DPS yapısının her bir kolunda seri bir kondansatör ve bobin bulunur. Bu kondansatör ve bobinin her birinin paralelinde bir NMOS transistör bulunmaktadır. Bu NMOS transistör anahtarlama elemanı olarak kullanılmaktadır. NMOS transistör KAPALI hale getirilerek, paralelindeki bobin veya kondansatör kısa devre yapılabilir. Bu şekilde, simetrik kafes yapısının ilgili kolu sadece bobin olarak (kondansatörün paralel NMOS'u KAPALI iken) veya kondansatör olarak (bobinin paralel NMOS'u KAPALI iken) davranarak Tip-1 veya Tip-2 tüm geçiren simetrik kafes yapıları gibi davranışı, bir yapıyla sağlanmış olmaktadır. Bu tezde, 3S-DPS'nin Tip-1 gibi davrandığı durumuna Durum-1 hali, benzer şekilde, 3S-DPS'nin Tip-2 gibi davrandığı durumuna Durum-2 hali adı verilmiştir.Bu tezde, yeni bir buluş olan 3S-DPS yapısının tasarım denklemleri ayrıntılı olarak ele alınmıştır. Öncelikle yeni buluşun bütün devre elemanları ideal olarak düşünülmüş ve bu ideal elemanlı yapının devre çözüm denklemleri çıkartılmıştır. Bunun sonrasında ideal devrenin adım adım nasıl tasarlanacağı anlatılmıştır. Bunun üzerine, yapının algoritmik olarak tasarım adımları oluşturulmuş ve tasarım algoritması MATLAB ortamında denenmiştir. Sonrasında, ikinci aşamada yeni buluşun pratik devre elemanları ile tasarımı yapılmıştr. Bu tasarım için kolay bulunabilirlirliği ve kavram ispatı için yeterli olması nedeniyle TSMC 0.18µm CMOS prosesi kullanılmıştır. Bu ikinci aşamada, ilk olarak yapının devre çözüm denklemleri çıkartılmıştır. Sonrasında, devrenin çıkış fazını belirlemek için 3S-DPS devresinin Durum-1 ve Durum-2 hallerinin istenilen merkez frekansındaki fazlarının nasıl bir dağılımda olduğu, devrenin performansını ciddi bir şekilde etkilediği gözlemlenmiştir. Bu dağılım genel olarak üç durumda incelenmiştir. Birincisi merkez frekansta Durum-1 ve Durum-2 fazlarının eşit olma durumudur. İkincisi merkez frekansta Durum-1 ve Durum-2'nin fazlarının eşit olmama ve aynı zamanda Durum-2 fazının pozitif olma durumudur. Üçüncüsü ise, merkez frekansta Durum-1 ve Durum-2'nin fazlarının eşit olmama ve negatif olma durumudur. Bu üç durum da ayrıntılı olarak incelenmiştir. Pratik devre tasarım denklemleri ve algoritmaların kavram ispatı, 3 bit faz kaydırıcı blokları olan 450, 900 ve 1800 faz kaydırıcı devrelerini tasarlamakta kullanılmıştır. Öncelikle, devreye ait denklemlerin çıkarılmasından sonra oluşturulan algoritma MATLAB ortamında denenmiştir. İlk olarak 450 faz kaydırıcı tasarımlarının sonuçları karşılaştırılmıştır. Merkez frekansta Durum-1 ve Durum-2 fazlarının eşit olma durumunu kullanan algoritma en düşük frekans bandında çalışmakta olup, merkez frekansta Durum-1 ve Durum-2'nin fazlarının eşit olmamakla beraber her ikisinin de negatif olma durumu en geniş frekans bandında çalıştığı gözlemlenmiştir. Kavram ispatını silikon üzerinde göstermek için, Cadence ortamında TSMC 0.18µm CMOS proses PDK kütüphanesi kullanılarak şematik tasarımı ve benzetimi yapılmıştır. Şematik benzetim sonuçlarında, algoritmik olarak MATLAB ortamında alınan sonuçlara oldukça yakın sonuçlar elde edilmiştir. Bu deney sonucunda, hem önerilen devrenin üstün performansta çalıştığı gösterilmiş, hem de yeni buluşun teorik açıklaması ve bunun üzerine oluşturulan algoritmanın doğruluğu ispatlanmıştır. Yazılan algoritma, ilgili tasarımcının hızlı bir şekilde tasarlamak istediği devrenin eleman değerlerini bulmasına olanak sağlamaktadır. TSMC 0.18µm CMOS prosesinde tasarlanan şematik sonrasında proses ve Monte-Carlo analizleri yapılarak performansın ne kadar değiştiği gözlemlenmiştir. Devre, prosesten ve uyumsuzluktan etkilenmeyecek şekilde tasarlandığı için, sonuçlarda nominal değerlerden çok az sapma oluşmuştur.Yüksek frekans devrelerinde devre eleman tasarımı kadar, devrenin serimi önemlidir. Yüksek frekanslı uygulamalarda, devre seriminden kaynaklı parazitikler ve yollar arasndaki kuplajlar elektriksel performansı çok etkilemektedir. Bu sebeple, devrenin serimi çizilmiş ve çizilen serimin 3D EM analizi yapılmıştır. Devrenin serimi, yüksek frekans önceliklerine uyularak yapıldığı için, ciddi bir performans kaybı olmamıştır. Alınan sonuçları diğer son teknoloji tasarımlarla kıyasladığımızda, önerilen devrenin, benzer faz hatası oranında diğerlerinden çok daha geniş frekans bandında çalıştığı kavramsal olarak ispat edilmiştir.Sonuç olarak, bu tez çalışmasında, önerilen devrenin, hem teorik, hem de pratik olarak kavramsal ispatı gerçekleştirilmiştir. 'Basit ve Tekil-Simetrik Sayısal Faz Kaydırıcı' devrenin, geniş bantta düşük faz ve düşük kazanç kaybı ile gerçeklemesini sağlayarak, yeni nesil iletişim sistemlerinde kullanılabilecek önemli bir yapı elemanı olduğu kavramsal olarak ispatlanmıştır. Digital phase shifters are the major building blocks of electronically steered smart antenna array systems. Next generation communication system, 5G requires the control of the direction of the signal radiation which is called beamforming. Beamforming can be done by turning the antenna physically and directing the signal accordingly. However this needs extra precise mechanical components to steer the antenna, which are indeed cost hungry. In modern communication systems, beamforming is accomplished using phased array systems which are utilized to direct the signal digitally via phase shifters. The phase shifters within phased array systems are the key control elements to focus the radiated signal to the desired direction.In practice, a phase shifter module is placed in the back of each antenna. A phase shifter module consists of cascade connection of phase shifting cells. A phase shifting cell is a lossless, reciprocal, passive two-port constructed with interconnection of reactive immittances. For example, a 3-bit phase shifter module consists of cascade connection of 45^0, 90^0 and 180^0 phase shifting cells. The expression `digital phase shifter` stems from the operation of phase shifting cells. In other words, each phase shifting unit includes perhaps more than one solid-state switches manufactured as PIN diodes or CMOS transistors etc. In one state, say in `State-A`, each switch is either ON or OFF. In this switching state, at a specified frequency〖 f〗_0, the phase shift from the input to the output of the cell under consideration is measured as θ_A. Similarly, in the other switching state, say, in `State-B`, one obtains a phase shift of θ_B. Thus, the net phase shift between State-A and State-B is ∆θ=θ_B-θ_A. Each phase shifting cell possesses two-level or binary switching states. It is either one (State-A) or zero (State-B). Many thousands of phase shifters are placed on a single plate. Therefore, their power consumptions are highly crucial. Many applications, such as software defined radios, radars, electronic warfare systems, point to point or directed communication systems employ `low loss, low power consumption, broadband and wide phase range` passive digital phase shifters. Thus, in this thesis, a novel passive, broadband, wide phase range, compact digital phase shifter topology is introduced.In the new topology, CMOS transistors are used as switching elements. By properly switching, proposed topology resembles the operation of either `symmetrical LC-all pass` with lagging-phase or `symmetrical LC-all pass` with leading-phase. Proposed compact topology can provide any phase shift between 0^0- 〖360〗^0 by proper selection the passive component values. In this thesis, design details, and practical MMIC implementation issues are covered. Eventually, complete design of 〖45〗^0, 〖90〗^0and 〖180〗^0 digital phase shifting cells are presented. It is shown that proposed digital phase shifter topology provides wide phase shifting capability over broad frequency band with reasonable loss. 142

Geçmişi İkinci Dünya Savaşına kadar uzansa da, fluxgate magnetometreler yüksek çözünürlük gerektiren çok sayıda uygulamada halen en iyi alternatif olarak dikkat çekmektedir. SQUID (Süperiletken Quantum Girişim Aygıtı) magnetometreler fluxgate magnetometrelere kıyasla daha iyi bir çözünürlük vaadetse de, kriyojenik soğutma sistemlerine ihtiyaç duymaları düşük maliyetli, düşük güç tüketimine sahip, küçük ve hafif sensörler gerektiren uygulamalarda kullanılmalarını engellemektedir. Fluxgate sensörler sağladıkları boyut, ağırlık, güç tüketimi ve maliyet avantajları nedeniyle uzay uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Fluxgate gradiyometre ise magnetik alan gradyanını ölçmek için kullanılan bir diğer uygulamadır. Fluxgate elektrik akımı sensörleri son yıllarda kullanım alanı bulmaya başlamıştır. Bu tipteki elektrik akımı sensörleri yalnızca yüksek doğruluklu değil, aynı zamanda çok kararlı aygıtlardır. Fluxgate akım sensörleri ile ilgili son üç yılda birçok yenilikçi çalışma rapor edilmiştir. Daha az bilinen bazı diğer uygulamalara örnek olarak ise temassız piston konumu algılayıcıları ve daimi mıknatıslı senkron motor hata denetleyicileri gösterilebilir. Bu tezde, halka nüveli fluxgate sensörler için demagnetizasyon faktörü incelenmiştir. Demagnetizasyon faktörü, magnetik sensör tasarımında en önemli parametrelerden biridir. Bu parametre nispi permeabilite değeri ile birlikte, bir ferromagnetik hacim içine nüfuz eden ortalama magnetik alanın dış magnetik alana oranını belirler. Eğer nüve malzemesinin permeabilitesi çok yüksek ise, demagnetizasyon faktörü bu hesapta etkin olan tek anahtar parametredir. Bu durumda sensör gürültüsü ve duyarlığı yalnızca demagnetizasyon faktörüne, bu nedenle de büyük oranda nüve geometrisi ile fiziksel boyutlara bağlıdır ve permeabiliteden bağımsız olduğu kabul edilir. Demagnetizasyon faktörü arttıkça sensör gürültüsü artmakta ve sensör hassasiyeti azalmaktadır. Diğer bir deyişle, bir fluxgate magnetometrenin sahip olduğu en önemli tasarımsal sınırlar demagnetizasyon faktörünün birer fonksiyonudur. Bu kadar önemli bir parametrenin sensör başarımını tahmin edebilmek için, üretim öncesi tasarım fazında, tasarımcı tarafından yüksek doğrulukla hesaplanabilmesi bir zorunluluktur. En popüler geometriler yüksek demagnetizasyon alanlarına maruz kaldığı için, magnetik sensör tasarımında demagnetizasyon katsayısının yüksek doğrulukla hesaplanabilmesi bir zorunluluktur.Çubuk nüveli geometri için kullanılabilecek karmaşık fakat yüksek doğruluklu sonuçlar veren demagnetizasyon faktörü formülleri mevcut olsa da, halka ve yarış pisti gibi diğer geometriler için durum farklıdır. İlk dikkat çekici formüllerden biri 1960larda önerildiğinden bugüne kadar halka nüveli geometri için çok sayıda empirik ve analitik formül önerilmiştir. Bu fomüllerin hepsi, yüksek doğruluklu hesaplamalara imkan sağlayacak daha iyi bir formül olmadığı için günümüze kadar kullanılmıştır. Ne var ki, bu tez ile en yaygın olarak kullanılan üç formülün de geniş bir boyut aralığında başarılı olmadığı gösterilmektedir. Genel olarak bu formüllerin yazarlar tarafından benzer çap ve yükseklik değerlerine sahip az sayıdaki örnek için doğrulandığı görülmektedir. Bu nedenle ve bu tezde gösterilecek diğer nedenler sebebiyle, bahsedilen formüller evrensel değildir ve yalnızca belirli boyutlardaki sensörler için kullanılabilir.Mevcut formüllerin tutarlılığının incelenmesi amacıyla, çok sayıda sensöre ait demagnetizasyon faktörü değerleri üç adet iyi bilinen formül ve sonlu elemanlar metodu (FEM) analiz yazılımı kullanılarak analiz edilmiştir. Hesaplanan değerler ölçülen değerler ile karşılaştırılmış ve teorik değerlerin ciddi oranda farklı olduğu gösterilmiştir. Test edilen hiçbir formülle, 28 adet sensör için %60'ın altında bir hata oranı elde edilememiştir. Bununla birlikte, FEM analiz yönteminin daha önce rapor edilmiş olan ölçüm verileri ve bu çalışmada bizim tasarladığımız iki adet sensöre ait ölçümler ile uyumlu olarak, tutarlı ve tatmin edici sonuçlar ürettiği gözlenmiştir. Herbir formül için, kabul edilebilir bir demagnetizasyon katsayısının hesaplanabildiği ideal boyut aralığı tartışılmış ve her formülün kararlılığı incelenmiştir. Bu çalışma, literatürdeki iyi bilinen formüllerden kaynaklanan büyük hata oranlarını dikkate alarak, halka nüveli fluxgate sensörler için demagnetizasyon faktörünün hesaplanması için yeni bir yönteme ihtiyaç olduğunu göstermektedir.FEM analizlerinde halka nüveli sensörü modellemek için sabit permeabiliteli (lineer) bir ferromagnetik madde kullanılmıştır. Lineer olmayan bir model kullanmanın benzetim süresini ciddi şekilde arttırdığı bilinmektedir. Benzetimler iki adet on çekirdekli üst seviye işlemciye ve 64 GB DDR4 (Double Data Rate 4th-Generation) belleğe sahip iş istasyonu kullanılarak gerçeklenmiştir. CST (Computer Simulation Technology) EM Studio yazılım paketi, güçlü son veri işleme yetenekleri ve kullanıcı dostu grafik arayüzü nedeniyle elektromagnetik analizler için tercih edilmiştir. Benzetim hatalarını azaltmak için benzetimler en yüksek doğruluk ayarları ile yapılmıştır. Kullanılan magnetostatik çözümleyici çok hızlı bir çözümleyici olsa da, bu çalışmada 225 farklı boyuttaki sensör için yapılan benzetimlerin tamamlanması üç aydan fazla sürmüştür. Herbir analiz için dört milyondan fazla örgü hücresi kullanılmıştır. Hücre sayısını daha fazla artırmak daha fazla bellek gerektirdiği için mümkün olmamıştır. Buna rağmen, bu tip bir geometri ve analiz için dört milyon hücre oldukça yeterlidir. Her benzetim, farklı ayarlar kullanılarak dörder kez tekrarlanmış ve olası hataların önüne geçilmiştir. Bahsedilen nedenlerle ve tecrübe edilen tutarlı sonuçlar nedeniyle FEM analiz sonuçları güvenilir bulunmuş ve karşılaştırma amaçlı kullanılmıştır.Daha iyi bir formül önermek, yapılan birçok varsayım ve sonuçta bu nedenle oluşan büyük hatalar nedeniyle kolay değildir. Hesaplamalardaki temel zorluk elipsoidal olmayan bir geometri ile çalışmaktan kaynaklanmaktadır. Elipsoidaller haricindeki tüm geometriler için lokal demagnetizasyon alanı ferromagnetik nesne içerisinde konum ile değişmektedir. Problemin en çetrefilli kısmını bu düzgün dağılımlı olmayan alan oluşturmaktadır. Elipsoidal olmayan geometrinin yarattığı karmaşıklığın yanısıra, içi boş geometriler için demagnetizasyon faktörü hesaplamak çok zordur ve literatürde kullanıma hazır formüller çok nadirdir. Tüm bunlara ek olarak, üç boyutlu bir geometriyi tanımlayan üç bağımsız değişkeni içeren bir demagnetizasyon faktörü formülü tahmin etmek bir diğer zorluktur. Bahsedilen nedenlerden dolayı, başarılı bir formül şu ana dek önerilememiştir. Tüm bu zorluklara rağmen, bu tezde halka nüveli fluxgate sensörler için yeni bir demagnetizasyon faktörü hesaplama yöntemi sunulmuştur.Çalışma kapsamında elde edilen veriler kullanılarak, iyi bilinen demagnetizasyon faktörü formüllerinin tutarlılığı tartışılmış ve yeni hesaplama yöntemleri önerilmiştir. Test edilen mevcut fomüllerin tutarsız olduğu sonucuna varılmıştır. Ölçülen ve hesaplanan demagnetizasyon faktörü değerlerinin ciddi oranda farklı olduğu gösterilmiştir. Tasarımcılara mevcut empirik demagnetizasyon faktörü formüllerinden kaçınmalarını ve analitik formülü ise %60 üzerinde hata yapabileceği gerçeğini göz önünde bulundurarak çok dikkatli şekilde kullanmalarını tavsiye ediyoruz. FEM (Sonlu Elemanlar Metodu) analiz araçları mevcut olduğunda, en doğru sonuçların elde edilmesi için tercih edilmelidir. FEM analiz araçlarının yokluğunda ise bu tezde önerilen yöntemler pratik olduğu ve neredeyse FEM analiz kadar doğru sonuçlar ürettiği için tercih edilebilir. Bu yöntemler FEM analiz ile kıyaslandığında %0.5'in altında bir hata oranı ile sonuç verebilmektedir. Bahsedilen nedenle, bu tezde önerilen yöntemler, geniş bir boyut aralığında yüksek doğruluklu hesaplar yapmak için kullanılabilir. In this thesis, demagnetization factor of ring-core fluxgate sensors is examined. Demagnetization factor is one of the most important parameters in magnetic sensor design. Together with relative permeability value, it determines the ratio of the mean magnetic field penetrating inside a ferromagnetic body to the external field. If the permeability of the core material is substantially high, demagnetization factor is the only key parameter in this calculation. In this case, the sensor noise and sensitivity depend only on demagnetization factor, hence mostly on the core geometry and physical dimensions, and assumed to be independent of the permeability. The higher the demagnetization factor, the higher is the fluxgate noise and the lower is the sensor sensitivity. In other words, a fluxgate magnetometer has design constraints and the most important constraints are functions of the demagnetization factor. Prior to production, such an important parameter must be accurately calculated by the designer in order to estimate the sensor performance during the design phase. Since the most popular geometries suffer from high demagnetizing fields, calculating demagnetization factor accurately becomes more of an issue in magnetometer design. There are complex but precise demagnetization factor formulas that can be used for rod type geometries; however, that is not the case for any other geometries such as ring or racetrack cores. Many empirical and analytical formulas have been proposed for the ring geometry since one of the first remarkable formulas was proposed in 1960s. All of these formulas have been used because there is no other method that allows precise calculations. However, none of them is successful for a wide range of dimensions. In general, these formulas have been verified by the authors for a limited number of samples having similar diameter and height values. Because of this and other reasons, in this thesis, it has been shown that the formulas existing in the literature are not suitable for general use.In this thesis, in order to examine the consistency of current formulas, several sensors were analyzed by calculating their demagnetization factors with three well-known formulas in addition to a finite element method (FEM) analysis software. The calculated values were compared to the measured values and it has been observed that the theoretical values do not match well with the experimental results. None of the three formulas achieved an error level below 60% in all cases where 28 sensors were tested. Moreover, FEM analysis produced consistent and accurate results in good agreement with the previously reported measurement data in the literature as well as with our measurements performed for the two sensors designed in this thesis. The optimum dimension range for each formula that results in a reasonable demagnetization factor value is discussed and the stability of each formula is analyzed. This thesis points out that a new calculation method for the ring-core demagnetization factor is essential by taking into account the high error levels caused by the well-known formulas in the literature.To estimate a better formula is nontrivial, since it requires too many assumptions which results in an inaccurate calculation. The main difficulty in calculations is caused by the nonellipsoidal geometry. For any geometry other than ellipsoids, the local demagnetizing field changes with the position in the volume of the object. This is the most complicated part of the problem. In addition to the complexity caused by the nonellipsoidal geometry, demagnetization factor calculations for hollow objects are more than difficult and ready-to-use formulas are rare in the literature. The geometry of a three-dimensional object is defined by three independent variables, hence estimating a formula with three variables is another difficulty. For the reasons described, a good formula has not been proposed so far. Despite all these obstacles, in this thesis, a novel method for calculating the ring-core demagnetization factor is proposed.By using the data obtained, the consistency of the well-known demagnetization factor formulas is discussed and three novel calculation methods are proposed. The current formulas tested are found to be inconsistent. Demagnetization factor values are shown to vary enormously between the measured and calculated values. We suggest designers abstain from using the empirical demagnetization factor formulas and use the analytical formula with great care by keeping in mind that it can lead to an error level above 60%. When FEM analysis tools are available, they should be preferred for obtaining the most accurate results. However, it should be noted that FEM analysis requires expensive software and hardware in addition to long simulation time. In the absence of the FEM analysis tools, the methods proposed in this thesis can be used since they are practical and almost as accurate as FEM analysis. These methods can calculate with error levels always below 0.5% when compared to FEM analysis results. For this reason, the methods proposed in this thesis, can be used for a wide range of dimensions to calculate the demagnetization factor accurately. 148

Kömür ve gaz gibi fosil yakıtlar hava, su ve doğayı kirletir. Dünya Vahşi Yaşam Fonu'na göre, fosil yakıtlardan elektrik üretmek ciddi asit yağmurlarına ve orman alanlarında hasara neden olmaktadır.Elektrik ihtiyacına olan talep her geçen gün artıyor. Aynı zamanda petrol, doğal gaz ve kömür gibi geleneksel kaynaklar için stoklar sınırlı ve azalmaktadır. Ayrıca önemli derecede fosil yakıt kaynağı olan ülkelerin sayısı sınırlı olup, bu da yüksek miktarda fosil yakıt ithalatlarına neden olmaktadır. Tüm bunlarla beraber bu kaynakların fiyatlarında sürekli bir artış söz konusudur. Dolayısıyla, elektrik enerjisi ile ilgili krizler tüm dünyada başlamıştır.İnsan, yaşamın devamlılığı için enerjinin tartışmaya açık olmayan anlamı nedeniyle yeni bir enerji kaynağı aramaktadır. Güneş enerjisi yenilenebilir, kullanımı güvenli ve daha az kirleticidir. İşte bu yüzden güneş enerjisi fosil yakıtlara iyi bir alternatiftir. Amerika Birleşik Devletleri Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı'na göre, dünyadaki tüm insanların yıllık enerji ihtiyacı, bir saat içinde dünya tarafından alınan güneş ışığı ile karşılanabilecek seviyededir.Sonuç olarak, hükümetler, işletmeler, araştırmalar, bilim insanları ve toplumlar fotovoltaik sistemlerin maliyetine rağmen, yenilenebilir enerji kaynaklarından özellikle güneş enerjisinden yararlanılmasına daha fazla önem vermeye başlamışlardır.Aslında güneş enerjisinin kullanımı teknolojisi gün geçtikçe geliştirilmekte ve bu gelişme de toplam sistem maliyetinde bir azalmaya yol açmaktadır. Amerika Birleşik Devletleri'nde 2011 yılında yapılan bir araştırmada bir fotovoltaik sisteminin maliyetinin 20 yıl içinde 2011 yılındaki teknoloji ile bile kendini amorti edeceği gösterilmektedir.Katıhal aygıtı olması nedeniyle fotovoltaik hücreleri gürbüzdür, tasarımı kolaydır ve çok az bakım gerektirir. Ayrıca bir güneş fotovoltaik sisteminin boyutu ve üretim kapasitesi fotovoltaik modül sayısının bir fonksiyonudur. Bu nedenle, güneş teknolojisinin uygulamaları mikrovatlardan megavatlara kadar kolayca ölçeklendirilebilir. Üstelik fotovoltaik sistemler taşınabilirdir ve uzak alanlarda kullanılabilirler. Eğer yeterli güneş ışığı var ise fotovoltaik sistemler daha iyi bir ömür-maliyet ilişkisine sahiptir.Fotovoltaik sistemlerinin bilinen ilk uygulama örneklerinden biri binaların çatı üstülerinde kullanılmasıdır. Çatı üstü kullanılan fotovoltaik sistemler, binanın soğutulması veya ısıtılması için güç sağlamak ve fosil yakıt bağımlılığını önemli ölçüde hafifletmek için kullanılır. Zamanla fotovoltaik sistemlerinin teknolojisinin geliştirilmesi ile çorak arazilerde büyük güneş fotovoltaik sistemleri kurulmaya başlanmıştır.Fotovoltaik hücre, fotovoltaik teorisi gereğince güneş enerjisinden doğru akım (DA) üretir. Evde kullanmak için bir invertör ile alternatif akıma (AA) dönüştürülebilir ya da gerektiğinde kullanabilmek için doğrudan bir bataryada saklanabilir. Bir fotovoltaik sistemin çıkış karakteristikleri, fotovoltaik hücrenin doğası gereği güneş ışınlarının yoğunluğu ve sıcaklığı gibi atmosferik koşullara bağlıdır. Bu nedenle fotovoltaik hücrenin verimliliği, yüke doğrudan bağlı olduğu durumlarda düşüktür. Fotovoltaik modülün daha verimli kullanımı için fotovoltaik modül maksimum verim ile çalıştığı maksimum güç noktası etrafında kullanılmalıdır. Fotovoltaik modülü maksimum güç noktası etrafında çalıştırmak amacı ile maksimum güç noktası izleme ya da diğer bir deyişle maksimum güç noktası izleyicisi kullanılır. Maksimum güç noktası izleme, herhangi bir çevresel koşul altında fotovoltaik modülden maksimum gücü çeken bir DA/DA dönüştürücü ile gerçeklenir ve fotovoltaik modül ile yük arasında empedans uyumu sağlayarak güneşten aldığı enerjiyi maksimum verim ile yüke aktarır.Otomotiv endüstrisinde fotovoltaik modüllerin yaygın kullanımlarından biri çoğunlukla kamp yapmak için kullanılan güneş enerjili karavan araçlarıdır. Güneş enerjili karavanlarda en az bir adet 12V yaşam aküsü vardır, Genellikle yaşam aküleri kurşun asit teknolojisine sahiptir. Çünkü kurşun asit aküler daha ucuz, güvenilir, daha iyi bilinen ve piyasada kolayca bulunabilen akülerdir. 12V yaşam aküsü karavanlardaki lamba, tablet, telefon şarj cihazı gibi 12V ekipman ve cihazlar için kullanılır. Kullanılan yaşam aküsü sayısı, karavanda bulunan fotovoltaik modül ya da modüllerin ürettiği güce bağlıdır. Fotovoltaik modüller portatif olabildiği gibi karavanların üzerine monte de edilebilirler. Fotovoltaik modüller tarafından üretilen güç ile aküyü en verimli şekilde şarj etmek için DA/DA şarj cihazı kullanılır. Araştırmalara göre, bir güneş enerjili karavanlarda yedek güç kaynağı olarak kurulmuş bir fotovoltaik sistem 2-4 yıl içinde kendini amorti edebilmektedir.Bu tezde otomotiv fotovoltaik uygulamaları için bir SEPIC batarya şarj cihazı donanımı tasarlanmış, gerçekleştirilmiş ve test edilmiştir. Söz konusu SEPIC batarya şarj cihazı 12V ile 25V giriş gerilimi diğer bir deyişle 12V ile 25V fotovoltaik modül çıkış gerilimi aralığında, 12V'luk bir bataryayı 8A şarj akımı ile 14V'ta şarj edebilmektedir. Bu tez dahilinde tasarlanan ve gerçekleştirilen SEPIC batarya şarj cihazının pratik uygulaması ise 14V çıkış voltajında maksimum 8A şarj akımı ile 180W fotovoltaik modüle sahip güneş enerjili bir karavanın 12V/80Ah'lik yaşam aküsünü şarj etmektir.SEPIC batarya cihazının tasarımına başlanmadan önce fotovoltaik uygulamalarındaki maksimum güç noktası izleme, maksimum güç noktası izleme amacıyla kullanılan DA/DA çeviriler, SEPIC dönüştürücü tasarımı, ve fotovoltaik sistemler için SEPIC batarya şarj cihazı tasarımı hakkında kapsamlı bir literatür incelemesi yapılmıştır. Literatür taraması sonucunda, fotovoltaik sistemin verimliliğini arttırmak için ara bir DA/DA dönüştürücüye ihtiyaç olduğu ve SEPIC'in bu tezde amaçlanan uygulama için en uygun topoloji olduğu görülmüştür. İşte bu nedenle fotovoltaik uygulamalar için tasarlanıp, gerçekleştirlen şarj cihazı için SEPIC topolojisi seçilmiştir.Ardından SEPIC topolojisinin teorisi derinlemesine incelenmiştir. Tasarım hedefleri doğrultusunda ilgili teorik denklemler kullanılarak komponentlerin tüm gerekli parametreleri hesaplanıp anahtarlama frekansı belirlenmiştir. Sonuç olarak temel bir SEPIC şarj devresi tasarımı tamamlanmıştır. İdeal komponentler kullanılarak bir simülasyon devresi hazırlanmıştır. Fotovoltaik modül modeli yerine giriş güç kaynağı olarak ideal bir voltaj kaynağı ve batarya modeli yerine çıkış yükü olarak direnç kullanılarak LTspice devre simülatörü ile simülasyonlar yapılmıştır. Simülasyon sonuçları yorumlanmış ve simülasyon sonuçları teorik hesaplamalar ile karşılaştırılmıştır.Tasarım ideal komponentler ile doğruladıktan sonra, ideal komponentler yerine markette hazır olarak bulunan gerçek kompoentler ve SEPIC kontrolcüsü seçilmiştir. Spice modelleri eğer mevcutsa üreticilerinden alınmış, eğer mevcut değilse LTspice'de bir simülasyon devresi hazırlamak için uygun modeller geliştirilmiştir. Gerçek komponentlerin diğer bir deyişle ideal olmayan komponentlerin modelleri kullanılarak LTspice'da simülasyonların gerçeklenebileceği bir SEPIC devresi hazırlanmıştır. Fotovoltaik modül modeli yerine giriş güç kaynağı olarak ideal bir voltaj kaynağı ve batarya modeli yerine çıkış yükü olarak bir direnç kullanılarak simülasyonlar tekrar gerçekleştirilmiştir. Simülasyon sonuçları yorumlanmış ve ideal komponentler ile yapılan simülasyonların sonıuçları ve teorik hesaplamalar ile karşılaştırılmıştır.İdeal olmayan komponentler kullanılarak yapılan simülasyonlar ile SEPIC şarj cihazı tasarımı doğruladıktan sonra, LTspice'da sistemi simüle etme amacı ile ideal bir voltaj kaynağı yerine 180W'lık bir fotovoltaik modülü modeli geliştirilmiş ve çıkış yükü olarak bir direnç yerine 12V batarya modeli hazırlanmıştır. Fotovoltaik modül modeli ve batarya modeli ideal olmayan komponentlerle hazırlanan simülasyon devresine ideal voltaj kaynağı ve yük direnci çıkarılarak eklenmiş ve gerekli simülasyonlar yapılmıştır. Simülasyon sonuçları yorumlanmış, ayrıca diğer simülasyon sonuçları ve teorik hesaplamalar ile karşılaştırılmıştır.Teorik hesaplamalar doğrultusunda seçilen komponentlerin doğruluğu LTspice'da yapılan simülasyonlar ile doğrulandık sonra, SEPIC şarj cihazı için baskılı devre tasarımına başlanmıştır. Altium Designer 18 kullanılarak tüm gerekli komponentlerin oluşturulmasının ardından, SEPIC şarj cihazının şematiği ve baskılı devre kartı tasarlanmıştır. Daha sonra, tasarımın malzeme listesinde yer alan tüm komponentler distribütörler aracılığıyla sipariş edilmiş ve baskılı devre tasarımı üretime yollanmıştır. Çıplak baskılı devre tasarımı üretilip geldiğinde, gerekli tüm komponentler baskılı devre kartına lehimlenmiştir. Bu sayede tasarlanmış SEPIC şarj cihazının prototipi elde edilmiş ve prototip test için hazır hale getirilmiştir.SEPIC şarj cihazı tasarımını doğrulamak için gerekli tüm testler laboratuvar ve saha testleri olmak üzere iki farklı test ortamında yapılmıştır. Başlangıçta, testler giriş güç kaynağı olarak bir güç kaynağı ve çıkış yükü olarak bir direnç kullanılarak laboratuarda gerçekleştirilmiştir. Testler laboratuvarda iki ana aşamada yapılmıştır. Her iki fazda da, giriş kaynağı olarak bir güç kaynağı kullanılmıştır. İlk aşamada, batarya yerine bir direnç yük olarak kullanılmıştır. İkinci aşamada ise yük olarak 12V/9Ah'lik bir batarya kullanılmıştır. Son olarak da saha testleri giriş güç kaynağı olarak bir 130W'lık fotovoltaik modül ve yük olarak 12V/12Ah'lik bir batarya kullanılarak gerçekleştirilmiştir.Sonuç olarak tasarım hedeflerine uygun bir şekilde çalışan bir SEPIC şarj cihazı tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen SEPIC şarj cihazı ile 14.14V çıkış geriliminde 8.32A çıkış akımı, giriş gerilimi 12V ile 25V arasında değişirken elde edilmiştir. Gerçekleştirilen SEPIC şarj cihazı 12V giriş gerilimi için %87.6 verimlilik ile yani hedeflenen değerin üzerinde bir verim ile çalışmış ve giriş gerilimi artarken verimliliğin de arttığı gözlemlenmiştir. Örneğin 25V giriş gerilimi için %88.6 verimlilik sağlanmıştır. Ayrıca saha testlerinde tasarlanan ve gerçekleştirilen SEPIC şarj cihazının fotovoltaik modülden güç alarak bataryayı düzgün bir şekilde şarj ettiği de gözlemlenmiştir. The fossil fuels such as coal and gas pollute the air, water and nature. According to World Wildlife Fund (WWF), generating electricity from fossil fuels causes serious acid rain and damage in forest areas. Demand for electricity is growing day by day. At the same time, the stock of conventional sources such as petroleum, natural gas, coal etc. is limited, and decreasing. Moreover, there is an excessive dependence on imports of conventional sources, because the number of countries which have considerable supplies for fossil fuel are also limited. In addition, there is a continuous increase in their prices. Hence electricity crises have been already started all over the world.Humans are searching for a new energy source because of the undisputed meaning of energy for the continuity of life. Solar energy is a good alternative to fossil fuels because of being renewable, safe to use, and less pollutant. According to National Renewable Energy Laboratory in the United States of America, the annual energy needed by all the people worldwide can be met by the sunlight received by the earth in one hour.As a consequence, governments, businesses, researches, scientists, and communities have been started giving more importance of utilizing renewable energy resources especially solar energy despite the cost of photovoltaic (PV) systems.In fact solar technology is being improved day by day which leads to a decrease in total system cost. A study conducted in 2011 in the United States of America shows that the cost of a PV system redeems itself even in 20 years. Due to being a solid state device, PV cells are robust, easy to design, and require very little maintenance. Furthermore, the size and generation capacity of a solar PV system is a function of number of PV modules. Hence, the applications of solar technology can be easily scaled from microwatts to megawatts. PV systems are mobile, and are able to be used in remote areas. Additionally PV systems have a better life-cost correlation, if the amount of sunlight is enough.On-roof-tops of individual buildings is one of the common, and very first application example of PV systems. On-roof-tops are used to supply power to cool or heat the building, and to provide lighting which decrease fossil fuel dependency significantly. Over time though, the technology of PV systems have been improved, and huge solar PV systems have been beginning to be built on the wastelands.PV cell generates direct current (DC) from solar energy by means of photovoltaics. It can be converted to alternative current (AC) with an inverter to be able to use it at home, or it can be directly stored in a battery to be able to use it when needed. The output characteristics of a PV system depends on the atmospheric conditions such as intensity of solar irradiance, and temperature, due to the nature of PV cell. That is why, the efficiency of PV cell is low, when it is directly connected to the load. PV module utilization is improved by operating PV module around its maximum power point (MPP), where it works with the maximum efficiency. With the objective to operate a PV cell, or PV module around its MPP, maximum power point tracking (MPPT), i.e. maximum power point tracker is used. MPPT is a DC/DC converter which extracts maximum power from PV module under any environmental condition, and transfers it to the load efficiently by providing impedance matching between PV module and load.One of the common usages of PV modules in automotive is solar-powered recreational vehicles (RVs) which are mostly used in boondocks for camping. Solar-powered RVs have at least one 12V leisure battery, which is mostly lead-acid due to being cheap, reliable, well-understood, and easy to find. 12V leisure battery is used for 12V equipment and appliances such as a few lights, tablet, phone charger, laptop etc. which is charged from PV module during camping. The number of leisure batteries depends on the amount of power generated from PV module. PV modules can be portable or mounted on the top of the vehicle such as van, trailer etc. A DC/DC charger is used to take the power generated by PV modules and charge the battery in the most efficient way by using this power. According to the researches, a PV system setup as a backup power source for an RV can amortize itself in 2-4 years.For this thesis, a single ended primary inductance converter (SEPIC) battery charger is designed, implemented, and tested for automotive PV applications, which charges a 12V battery with maximum 8A charging current at 14V for an input voltage range, i.e. a PV module output voltage range from 12V to 25V, and with 85% efficiency. The practical application of this thesis is charging a 12V/80Ah leisure battery of a solar-powered RV, which has a 180W PV module, with maximum 8A charge current at 14V output voltage. In order to achieve thesis's purpose, in the beginning a comprehensive literature review on MMPT in PV applications, DC/DC converter topologies used as MPPT, SEPIC converter design, and SEPIC based battery charger design for PV systems is done. The literature review points out that, an intermediate DC/DC converter is needed to increase the efficiency of PV system, and SEPIC is the most promising topology for target application of this thesis. That is why, SEPIC topology is selected for charger design. Afterwards, theoretical background of SEPIC topology is deeply studied. According to design considerations, and by using theoretical equations, all necessary parameters of components are calculated, switching frequency is defined, and hence a basic SEPIC charger circuit design is completed. A simulation setup is prepared with ideal components, and simulations are performed with LTspice by using an ideal voltage source as an input supply instead of PV module model and a resistor as an output load instead of battery model. The simulation results are interpreted, and compared with theoretical calculations. After verifying design with ideal components, proper off-the-shelf components and controller of charger are selected. Their spice models are gathered from manufacturers if available, else proper models are developed in order to prepare a simulation setup in LTspice. The SEPIC design with real component models i.e. non-ideal component models are performed by again using an ideal voltage source as an input supply instead of PV module model and a resistor as an output load instead of battery model. The simulation results are interpreted, and compared with simulation results of the circuit with ideal components and theoretical calculations.After verifying design with non-ideal components, a 180W PV module model is developed and used instead of ideal voltage source as an input supply and a 12V battery model is used instead of a resistor load as output load in the simulation circuit with non-ideal components with the intention of performing system simulations in LTspice. The simulation results are interpreted, and compared with other simulation results, and theoretical calculations. After the correctness of theoretical calculations and selected components are confirmed by performing simulations in LTspice, SEPIC charger implementation is started. By using Altium Designer 18, schematic and printed circuit board (PCB) of SEPIC charger are designed, after completing the creation of libraries which include all necessary components' symbols, and footprints. Afterwards, all components included in the bill of material report of design are ordered through distributors, and PCB is manufactured. When bare PCB arrives, components are soldered onto PCB. Hence prototype of designed SEPIC charger is obtained, and made ready for testing.All necessary tests are performed in two different test environments, which are laboratory and field tests, in order to validate SEPIC charger design. In the beginning, tests are performed in the laboratory by using a power supply as an input source, and a resistor block as a load. The tests are performed in two main phases in the laboratory. In both phases, a power supply is used as an input source. In the first phase, a resistor block is used instead of battery as a load. In the second phase, a 9Ah battery is used as a load. Eventually, field tests are performed with a 130W PV module used as an input source and a 12V/12Ah battery used as a load.As a consequence, it is achieved to design, and implement a SEPIC charger as intended which provides maximum 8.32A output current at 14.14V output voltage for an input voltage range from 12V to 25V. Implemented SEPIC charger has an efficiency minimum 87.6% at 12V input voltage and maximum 88.6% at 25V input voltage. Additionally in field tests, designed and implemented SEPIC charger charges battery by getting power from PV module properly. 205

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016, Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2016, Günümüzde spektroskopik yöntemler endüstride, tarımda ve sanayinin bir çok dalında sıklıkla analiz ve sınıflandırma amacı ile kullanılmaktadır. Kurumların analiz laboratuvarlarında özellikle malzemelerin çeşitli özelliklerinin belirlenmesinde kızılötesi spektroskopik yöntemler kullanılır. Bunun için spektrometre veya spektrofotometre denilen genelde pahalı optik ve elektronik bileşenlerden oluşan cihazlar kullanılmaktadır. Elektromagnetik spektrum ışığın tüm dalga boylarını içine alan spektral aralığın tamamıdır. Dalga boyları fm’lerden binlerce km’ye ulaşan geniş bir elektromagnetik tayf mevcuttur. Gözümüzün gördüğü aralık ise mor ötesi- yakın kızıl ötesi (UV-NIR) bölgeleri arasında kalan yaklaşık olarak 400 nm genişlikli dar bir banttır. Bu bandın dışındaki kalan tüm aralığı gözümüz ile göremeyiz. Elektromagnetik dalga temel olarak yüklerin hareketinden meydana gelmektedir. Uzayda bir noktada yer alan ve belirli bir referans noktasına göre hareket eden yük çevresine elektromagnetik dalga yaymaktadır. Benzer şekilde yüklü bir cisme gelen elektromagnetik dalga da yüklü cismi hareket ettirmektedir. Bu ilkeler tüm elektromagnetik tayf için geçerlidir. Spektrometrik analizlerin temelinde de elektromagnetik dalgalar ile maddenin etkileşimi yatmaktadır. Atomlar birbirleri ile çeşitli kimyasal bağlar oluştururlar ve bu bağların bir kısmı maddenin doğası gereği polardır. Elektromagnetik dalgalar uygun dalga boylarında maddenin doğal polaritesi ve enerjisinden kaynaklanan doğal titreşimi ile etkileşime girerler. Bazı maddeler bazı dalga boylarındaki elektromagnetik yayınıma yanıt verirken bazılarına yanıt vermezler. Spektrometreler temel olarak bu farkların ayrıştırıcı özelliğinden faydalanmak amacı ile tasarlanmıştır. Kızılötesi dalga boylarında dalga boyu elektronik geçişler için oldukça büyüktür. Bu nedenle elektromagnetik alanlar maddenin molekül düzeyi polaritesi ile etkileşime girmektedirler. Her kimyasal bağın polar yapısı birbirinden farklıdır. Dolayısı ile birbirinden farklı dalga boylarında elektromagnetik dalgaları soğururlar. Elektromagnetik dalga soğurulduğunda moleküllerin titreşimlerini artırır. Kızılötesi spektroskopisine bu nedenle titreşim spektroskopisi de denmektedir. Spektrometreler değişik dalga boylarında değişik amaçlar için kullanılmaktadır. Temel bileşenleri aynı olsa da dalga boylarının farklılaşması nedeni ile kullanılan ışık kaynağı ve alıcı sensörlerin yapıları birbirinden farklı olabilmektedir. Spektrometreler temel olarak, ışık kaynağı, örnek kabı, ızgara ya da prizma ve alıcı sensör dizisinden oluşmaktadır. Spektrometrelerin yapıları spektroskopik ölçüm biçimine göre de değişmektedir. Soğurma spektroskopilerinde kaynaktan gelen ışınlar örnekten geçirildikten sonra sensöre gelmektedir. Yansıma ya da saçılma spektroskopilerinde ise ışınlar öncelikle örneğe gönderilir. Örnek üzerinden yansıma yapanlarda sensöre gönderilecek biçimde bir optik tasarım yapılır. Emisyon spektroskopisi ise maddenin dış ışık kaynaklarından aldığı ışığı tekrar yansıtması üzerine kurulu olduğu için ışık kaynağı içermez. Spektrometrik yöntemlerin en önemli aşaması elde edilen spektral karakteristiğin yorumlanması yani analiz edilmesidir. Spektral verilerin analizi için bir çok farklı yöntem kullanılmıştır. Kısmi en küçük kareler yöntemi (Partial Least Squares Regression - PLSR), doğrusal ayrıştırma analizi (Linear Discriminant Analysis - LDA), destek vektör makinesi (Support Vector Machine - SVM) ve benzer regresyon ve sınıflandırma yöntemleri bunlardan bazılarıdır. Her yöntemin avantajı ve dezavantajı kullanılan spektral aralığa, analiz yapılmak istenilen maddenin türüne, analiz yapılacak ortamın işlem yeteneğine ve kaynağına bağlı olarak değişmektedir. Hangi metodun ne oranda başarılı olacağı sorusu ayrı bir çalışma konusudur. Sınıflandırma algoritmaları denetimli ve denetimsiz olmak üzere iki tür öğrenme süreci ile çalışmaktadır. Her iki yöntemde de sınıflandırılacak örnekler üzerinden ölçümler alınır ve ölçümlerden yola çıkılarak bir model oluşturulur. Elde edilen model ile bir sonraki örneğin hangi sınıfa ait olduğu tespit edilir. Denetimli öğrenmede ölçümlerin hangi sınıfa ait olduğu bilgisi mevcuttur. Denetimsiz öğrenmede ise ölçümlerin hangi sınıfa ait olduğu bilinmemektedir. Çalışmanın giriş bölümünde kızılötesi spektroskopinin ne olduğu, ne gibi ilkelere dayandığı ve mevcut literatürde ne gibi çalışmalar yapıldığı ele alınmıştır. İkinci bölümde mevcut spektroskopik yöntemler ve temel ilkelerden bahsedilmiştir. Üçüncü bölümde ise spektral veriler için analiz yöntemleri özetlenmiş ve işlem kaynağının sınırlı olacağı düşünülerek LDA yöntemi üzerinde durulmuştur. Dördüncü bölümde spektrometre tasarımı ele alınmıştır. Spektrometre tasarımı için öncelikle çalışma aralığı seçilmiş, sensör ve ışık kaynağı da buna uygun olarak belirlenmiştir. Ölçümlerin dış ortamdan etkilenmemesi açısından örneğe gelen ışığın doğrudan alıcıya gittiği bir kapalı bölme oluşturulmuştur. Kapalı bölmeye ışık kaynağının bulunduğu bölmeden ve sensör bölmesinden açıklıklar bırakılmıştır. Gelen ışık örneğe çarptıktan sonra çeşitli açılarda yansıma yapmaktadır. Yansımaların bir kısmı sensörün bulunduğu açıklığa gelmektedir. Işık kaynağı olarak 4.8 V 0.5 A tungsten lamba ve kızılötesi (IR) led kullanılmıştır. Alıcı olarak optik düzeneği kendi üzerinde bulunan Hamamatsu’nun c11708ma spektrometre sensörü kullanılmıştır. Sensörü sürebilmek için ATMEGA16A işlemci kullanılmış bu işlemci ile UART üzerinden STM3210E-Eval deneme kartı ile haberleşme kurulmuştur. Yine UART üzerinden PC’ye yazılan bir uygulama ile sınıflandırma için model oluşturulmuş, bu modelin sınıflandırma işlemi ARM üzerine transfer edilmiştir. Beşinci bölümde tasarlanan spektrometre ile örnek bir sınıflandırma uygulaması yapılmıştır. Sınıflandırma için iki ayrı firmanın iki farklı çiçek toprağı ele alınmıştır. Örnekler borosilikat cam tüpe yerleştirilmiş ve tasarlanan spektrometrenin örnek açıklığında her zaman aynı mesafede durması amacı ile bir aparat ayarlanmıştır. Her sınıf topraktan 30’ar tüp toprak örneği alınmıştır. Her sınıf için 20 öğrenme örneği 10 test örneği olacak şekilde ayırılmıştır. Her sınıftan 20x4x10 olmak üzere toplam 800’er örnek alınmış LDA algoritmasına toplamda 1600 ölçüm girdi olarak verilmiştir. Her örneğin hangi sınıfa ait olduğu bilinmektedir. Accord.Net machine learning kütüphanesi kullanılarak özvektörler ve dönüştürülmüş sınıf ortalamaları elde edilmiştir. Elde edilen bu model STM3210E-Eval deneme kartı üzerinde bulunan ARM cortex M0 işlemcisine yüklenmiştir. STM3210E-Eval kartı ve sensörü süren ATMEL kartı arasında UART haberleşmesi ve basit bir protokol kurulmuştur. Spektrometre sensörü C11708ma’dan alınan veriler UART haberleşmesi ile STM3210E-Eval deneme kartı üzerine aktarılmıştır. Deneme kartı üzerinde bulunan yazılım sayesinde tıpkı PC yazılımında olduğu gibi spektral veri toplanabilmektedir. Sınıflandırma işlemi toplanan spektral veri ve PC’den elde edilen model yardımı ile yapılmıştır. Sınıflandırma için ayrılan örneklerden 5 tekrar olmak üzere, her sınıf için 50 ölçüm, toplamda 100 ölçüm alınmış ve sınıflandırma çapraz doğrulama yapılarak test edilmiştir. Test sonucu %100 olarak bulunmuştur. Test yapılırken analiz aşamasında kullanılan bir referans yüzey kalibrasyon amacı ile kullanılmıştır. Tasarlanan NIR spektrometre ile iki farklı çiçek toprağı birbirinden ayırt edilebilmiştir. Yapılan çalışmalara göre görünür yakın kızılötesi bölgede toplam organik karbon miktarının önemli bir soğurma karakteristiği gösterdiği ifade edilmiştir. Bu nedenle ayrıştırmanın nedeninin iki farklı toprak türünün farklı miktarlarda organik karbon bileşenlerine sahip olduğu düşünülmektedir., Recently spectroscopic analysis methods have very common usage in industry and agricultural studies to analyze and classify some kind of materials. Many institutions have laboratory to analyze inner structure of materials using spectrometer or spectrophotometer devices. These devices usually are very expensive and their sizes are usually large. Spectrometric devices commonly have optical and electronics components arranged in an appropriate way. Most of spectrometric analyze methods have sample preparation phases which are consist some chemical process. So that it is important to have knowledge on material science and chemical bonds when trying to analyze inner structure of any material or identifying what it is in. Electromagnetic spectrum is a whole of a spectral region, which covers all wavelengths of light. The spectrum has very wide range with wavelengths from fm’s to thousand kilometers. The range that can be seen with human eyes called visible region is very narrow band of whole spectrum with 400 nm width. Electromagnetic wave is generated by moving charge. A steady charge has an electric field around itself. A moving charge such as negative charged electron creates moving electric field and that moving electric field creates changing electric flux. Maxwell show that changing electric flux creates a changing magnetic flux and vice versa. So that a moving charge generates an electromagnetic wave. All electromagnetic waves in the spectrum related with a charge movement. Spectrometric analysis is based on an interaction between matter and electromagnetic waves. Atoms have chemical bonds and some of these bonds have polarity. Electromagnetic waves interact with the polarity of molecules or if their wavelengths are small enough to penetrate into electron orbits they also interact with electrons. Some chemical bonds with appropriate polarity and geometry can absorb electromagnetic waves and with this energy, their vibrational movements increase. Therefore, the relation between chemical bonds and electromagnetic wave wavelength gives an opportunity to identify chemical bond and chemical characteristics. Spectrometers are designed to identify these differences to get the information that we need to know. Infrared wavelengths are very long for electronic transitions. Therefore, those electromagnetic waves interact with molecular polarity instead of electrons in this region. All chemical bonds have different polarity and different molecular geometry. They absorb different wavelengths in electromagnetic spectrum. When a molecule absorbs electromagnetic wave, because of the electromagnetic wave's enegry, molecular vibrations increase. So that infrared spectroscopy is sometimes called vibrational spectroscopy. Spectrometers are used for different purposes with different wavelengths. Although their main components are same. They have different light sources and sensors because of working on different wavelengths. Spectrometers mainly consist light source, sample holder or cuvette, grating or prism and sensor array. Spectrometers also have different constructions to different measurement types. In absorption spectroscopy, the light beam that comes from light source is directly sent to sample holder. Sample in the sample holder absorbs some of the electromagnetic waves, which have same vibrational frequency (or wavelength) with molecules of the sample. Some of electromagnetic waves pass through the sample to the grating or prism (or any other optic structure) and then they all go to sensor array. These structures are located in the same axes. When light (electromagnetic wave) has detected by sensor array with the information of its wavelength device can get the information of absorbance bands of sample. In reflectance spectroscopy, light beam goes to sample and then re-emitted by sample in different wavelengths and different directions. Grating or prism is generally located orthogonal with light source. The most important phase of spectrometric analysis is getting the information about the molecular structure of the sample looking at spectral data. Many methods have been used to analyze and identify the relation between infrared absorbency and chemical properties. Statistical methods are mostly used when there is a need to find a relation between two different properties. Some of the methods about regression and classification are Partial Least Squares Method (PLSR), Linear Discriminant Analysis (LDA) and Support Vector Machine (SVM) etc. All methods have some advantages and disadvantages related to process capability, spectral region, the chemical properties of sample and sample count. The choice of method, which is the best for any kind of application is a subject of another study and it has not been studied. Classification algorithms have two different methods named supervised and unsupervised. In both case, models are generated from measurements of different samples which are needed to be classified. After creating a model, the next sample is labeled with the class that the sample is belonged to. In supervised learning it is known that which sample is belonged to which material (class), it is not in unsupervised learning. In sections one, two and three, fundamentals of infrared spectroscopy, structure of a spectrometer and analysis methods were studied respectively and literature search was made. For the analysis of spectral data, LDA method was selected due to limited process power and easy to use with Accord.Net machine learning library in .NET. A machine-learning algorithm was run on MATLAB with simulated IR data of some of the soil compounds, which are collected from National Institute of Standards Technology (NIST). IR spectral data of ammonium nitrate, sodium nitrate and potassium nitrate compound were randomized and then put as an input into discriminant analysis function in MATLAB. Three different compounds were easily used. All spectral data was modeled with LDA algorithm using MATLAB and randomly generated data was successfully classified. In section four, structural, optical and electronic hardware/software design of visible near infrared spectrometer was considered. The sensor was selected within the spectral range of 640-1100nm. Hamamatsu C11708MA micro spectrometer sensor was used as a sensor array. It includes all optical components as micro designed in single package. A 4.8V 0.5 tungsten light bulb and an IR led were used as light source for 640-1100 nm range of spectrum. A black room, which has three holes to light source section, sensor section, and sample holder section, was constructed. Light from light source passes through a hole to the black room then it goes directly to the sample that is located in front of hole of the black room. Then it is reflected to the sensor hole and detected by the sensor. This structural design implements an optical isolation between environmental changes and spectrometer light source. An electronic board was designed to control C11708MA sensor with Atmega16A 8 bit microcontroller. ATMEGA16A sensor board controls generation of clock, reading analog input and sending through UART to any other digital media. One of the digital media is PC and other is STM3210E-Eval board. Sensor driver board has changeable resistors to adjust intensity of light from light source. It also has status LED to show what the internal status of the board is. STM3210E-Eval board has COM ports. A protocol between digital media and sensor board was implemented. Using this protocol, any other media can control the Hamamatsu spectrometer sensor and get spectral data. A Windows application was designed to collect NIR spectral data and create LDA model using Accord.Net machine-learning libraries. To collect data from sensor board, designed protocol on the top of the UART was used. Collection of the spectral data stored in data grid view component can be transferred to other platforms like excel. Hamamatsu C11708MA sensor has 256 pixels. 20 pixels were selected to reduce complexity of classification algorithm, which is running on ARM board. After computing LDA model eigenvectors and transformed class means are generated by machine -learning library. These vectors and transformed means of the classes can be transferred to any platform for further classification process. In section five an application of the spectrometer and machine-learning algorithm was considered. Two different potting soil were selected for the spectral measurements. 30 borosilicate tubes were used as sample holder for per potting soil type. Totally 60 tubes were used for collecting spectral data of soils. 20 tubes were selected as learning samples and 10 tubes were as test samples for per soil type. Spectral data was collected for four different angles and 10 times for per angle. Totally 800 spectral data for per soil type were collected by designed spectrometer and PC application. 1600 spectral data were used as an input to the LDA supervised machine-learning algorithm. A reference block was used for calibration to minimize light source changes. Calibration vector, eigenvectors and transformed means of two different soil types are transferred to STM3210E-Eval board. Classification process simply calculates the distance between the sample and transformed means. The minimum distance means that the sample belongs to that class. Analysis was performed in PC platform and classification process is performed in STM3210E-Eval board, which is located on the top of the spectrometer itself. 10 sample tubes of per soil types were used to test the classification success. 5 measurements for per tube were collected and totally 100 spectral data were collected to test the model. The model was successful using calibration data, which is collected when training data was collecting. In this study, a NIR spectrometer is designed with Hamamatsu C11708MA sensor and hardware/software are implemented to collect and analyze spectral data of two different potting soil type. In many other studies show that total organic carbon is main factor to classify two different soil in the region of visible short wave near infrared., Yüksek Lisans, M.Sc.

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015, Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2015, Erişim kontrolü sistemleri (EKS) insanların belli alanlara girerken, bazı noktalardan geçiş yaparken, hatta çevrimiçi hesaplarına ulaşırken sıklıkla karşılaştığı sistemlerdir. Toplu ulaşım, yetkili bina veya oda girişi, otoyol geçişi, kişisel bilgisayar veya bulut erişimi, çevrimiçi bankacılık veya sosyal medya hesaplarına giriş, günlük yaşamda karşımıza çıkabilecek bazı erişim örnekleridir. Kişisel güvenliğin önemli rol oynamasından dolayı bahsi geçen çoğu erişim eylemi kontrol altında tutulmaktadır. Bu sebeple, literatürde çok sayıda elektronik sistem ve yaklaşım bulunmaktadır. Genel çerçevede bakıldığında bu tez çalışması donanımsal araçları kullanıp bir araya getirerek, üzerine yazılan yazılım ile çalışan bir sistem sunmayı hedeflemektedir. Donanım parçaları tek tek anlatılacak, nasıl bir araya getirildiğinden bahsedilecek ve ardından yazılım detaylarına girilecektir. Bu sırada, yaşanan zorluklar ve sistemin sahip olduğu zayıf noktalardan söz edilecektir. En önemlisi, savunulan teze hizmet etmesi açısından sistemin içinde koşan algoritma akademik zemine oturtularak anlatılacak ve sistemin güvenliğini sağlayan yaklaşımlardan bahsedilecektir. İletişim protokolleri, komut kodları, veri paketi bu sisteme ve teze ait özel tasarımlar olup, Petri ağları da kullanılarak modellenmiştir. Böylelikle güvenlik durumları düşünülerek daha sağlam bir sistem tasarlanmıştır. Bu tezde düşük bütçeli, programlama kolaylığı olan, genel amaçlı ve çoklu modlu bir sistem tasarımı önerilmektedir. Çoklu mod; akıllı kart, parmak izi sensörü gibi birden fazla giriş kontrol elemanının bulunmasından dolayı verilmiş bir özelliktir. Genel amaçlı olması ise bu türlü geçiş kontrol sistemlerine daha genel, farklı farklı uygulamalarda kullanılabilir bir yenilik kazandırmaktadır. Bu kapsamda sistem kolaylıkla yeni uygulamalara adapte olabilir. Örneğin, sistem önce bir kapının kontrolünü sağlıyorken, diğer yandan ödeme ile ilgili farklı uygulamalarda da kullanılabilir. Bu uygulamalar günümüzde öde ve geç şeklinde kişinin alışverişi esnasında kendine ait olan kartını kullanması ile gerçekleşir. Bu çeşitlilik farklı giriş aygıtlarının kullanılması ile sağlanmaktadır. Bu cihazlar veya sensörler farklılığı arttırarak tasarlanan sistemin farklı uygulamalarda kullanılabilirliğini arttırmaktadır. Bu cihazlara, sensörlere örnek olarak, akıllı (temaslı) kart okuyucuları, parmak izi tarayıcılarını, NFC/RFID (temassız) okuyucuları, hatta PIN girişi sağlayan klavye elemanını, sistemi gözlemlemek için dokunmak ekranları vb. verebiliriz. Bu türlü karmaşık bir sistem yaratmanın bir yararı da güvenlik ile ilgilidir. Sistemde kullanılan çoklu kontrol ve karar mekanizmaları ile tekli kontrol sistemlerine göre daha güvenli bir yapı ortaya çıkacaktır. Tezin takip eden bölümlerinde önce genel detaylar sunulacaktır. İlk bölüm teze ait giriş bölümüdür ve temel olarak hedeflenen detaylar anlatılacaktır. Sisteme ait temel bilgiler sunulacak olup isteri ve fizibilite gibi kritik bazı analizler sunulacaktır. Bu türlü analizler, hedeflenenler ve yapılabilirlik açısından oldukça önemlidir. Bu bölümde ayrıca hipotezden de bahsedilmektedir. Tezin akademik olarak dayandırılacağı temeller açısından savunulan hipotez önemlidir ve bu sebeple ilk bölümde verilmektedir. Hipotez özetle, “Biyometrik sensörün, kablosuz haberleşme araçlarının, dokunmatik ekranın, akıllı kart teknolojilerinin entegre edildiği, mikrokontrolörler yönetimindeki uygulamaya yönelik bir sistemi kriptoloji yaklaşımları kapsamında akademik zeminde tasarlamaktır.” ifadesini içerir. İlk bölümde, literatür araştırması da sunulmaktadır. Daha önceden benzer konuda yapılan çalışmalara yer verilerek, bunlardan edinilen katkılardan da söz edilmektedir. Özellikle parmak izi sensörünün mikroişlemci tabanlı sistemlerde kullanılması ile ilgili literatürde bazı çalışmalar mevcuttur. İkinci bölümde tez ile ilgili okuyucuya alt yapı oluşturması planlanan bazı önemli teorik bilgiler sunulmaktadır. Temel olarak biyometri, kriptografi gibi tezin kaynağını oluşturan konularda detaylar verilmektedir. Biyometri, güvenlikten adli uygulamalara kadar pek çok konuda kullanılmaktadır, hatta tıpta teşhis için bile kullanıldığı çalışmalar mevcuttur. Doğrulama amacıyla da zaten geçiş sistemleri biyometrik sensörler içermektir. Bu bölüm okuyucuya tezin akademik olarak dayandığı genel çerçeveyi sunmaktadır. Üçüncü ve gelişme bölümünde tasarım ile ilgili hususlar sunulmaktadır. Bu gelişme bölümü temel olarak iki alt kısımdan oluşmaktadır. Öncelikle donanıma ait detaylar ilk kısımda yer almaktadır. Kullanılan sensörler, elektronik yapılar, kontrolcü üniteleri gibi donanımsal parçalar burada sunulmuştur. Bu tez çalışması sistem mühendisliği yaklaşımlarını kullanarak gömülü sistem uygulaması oluşturmayı hedeflemektedir. Bu sebeple değişik sensörlerin kontrolör vasıtası ile eşzamanlı çalışması beklenmektedir. Sistem temel olarak 2 düğüm noktasından oluşmaktadır: Geçiş Noktası-GÇN ve Yönetici Noktası-YNN. Her bir düğüm noktası bir kontrol ünitesine ve bazı dış birimlere sahiptir. GÇN için parmak izi sensörü 256x288 piksellik gri seviyesi değerlerden oluşan ham parmak izi verisi elde eder. Ardından sensör dâhili olarak bulundurduğu DSP işlemcisi sayesinde tüm resmi karakteristik bir dosyaya dönüştürür ve en sonda parmak izinin imzasını taşıyan şablon oluşur. Sensöre ait bilgi kâğıdında, internet ortamında veya satıcı, üretici firma desteğinde dönüşüm sırasında kullanılan algoritmalara ilişkin herhangi detaylı bilgi bulunmamaktadır. Önerilen sistemde parmak izine ait elde edilen veri akıllı kart içinde güvenli bir biçimde tutulmaktadır. Bunun için kullanılan şifreleme algoritması doğrulama sırasında kart içindeki veriyi geri elde etmelidir. Parmak izi verisi düşük hafızalı olan ve ekstra koruma mekanizması bulunmayan son derece sade bir kart içinde tutulmaktadır. Biyometrik verilerin güvenli olarak saklanması, dış ortamda kaybolma, çalınma gibi riskler taşıyan akıllı kartlardan dolayı oldukça kritiktir; kart yanlış ellerde olabilir. Erişim işlemi gerektiğinde, kartta saklı olan veri ile sensörden canlı olarak erişim yapacak kişiden alınan parmak izi verisi karşılaştırılmaktadır. Kullanılan donanımsal parçaların ayrı ayrı olarak ve sırasıyla birleştirilerek sistemin oluşturulması hem sistem mühendisliği açısından hem de parçaların senkron çalışması açısından oldukça önem arz etmektedir. Üçüncü bölümde kurulum aşamaları detaylıca anlatılmıştır. Esas amaç, uygulamaya yönelik olan bu tezin önerdiği sistemi başka araştırmacıların da kurabilmesini ve üzerinde yine bu tezin öngördüğü üzere akademik uygulamalar geliştirebilmesini sağlamaktadır. Ayrıca tezin ilerleyen kısımlarında, üçüncü bölümün ikici yarısında, yazılımsal yapıdan da bahsedilmektedir. Yazılım mühendisliğinin gerektirdiği tüm aşamalar tasarıma dâhil edilmiştir. Bu kapsamda UML diyagramları çizilmiş olup, yazılım deseninden faydalanılmıştır. Rol Tabanlı Erişim Kontrolü Deseni’ne sahip olan tasarım, farklı kullanıcılara farklı öncelikler tanımak için bu yapıyı kullanmaktadır. Bu şekliyle tez “genel amaçlı” başlığını desteklemektedir. Yönetici tarafında, Windows işletim sistemi üzerinde çalışabilecek kullanıcı arayüzü tasarlanmıştır. Bu kullanıcı dostu arayüz C# programlama dilinde oluşturulmuştur. Bu izleme arayüzü yöneticiye sistemi uzaktan kontrol etme imkânı sağlamaktadır. Erişim noktası ve yönetici noktası arasındaki haberleşme kablosuzdur, bu sebeple haberleşme protokolü güvenli olmalıdır. Girişin güvenli olması için, tasarlanan sistemin bilimsel olarak güvenilir algoritmaları kullanıyor olması gereklidir. 1976 yılında açık anahtar kriptografisinde meydana gelen gelişme, güvenli anahtar değişimini sağlamıştır. Buna göre günümüzde hala kabul gören Diffie-Hellman algoritması sayesinde arada adam saldırısı gibi kablosuz haberleşme sırasında ortaya çıkabilecek saldırıların riskleri de azaltılmıştır. Güvenlik, yalnızca başkaları tarafından önerilen algoritmaları kullanmakla değil, ayrıca bu tez ile akademik olarak önerilen yeni bazı yaklaşımlarla sağlanacaktır. Bu kapsamda haberleşme protokolleri bu çalışmaya özel olarak modellenmiş ve kullanılmıştır. Petri ağları yardımıyla modellenen haberleşme protokolü sözde kod ile de gerçekleme aşamasından önce hazır hale getirilmiştir. Bu çalışmaya ait olan özel iletişim paketi ile yeni veri formatı güvenli haberleşme sağlamıştır. Dördüncü bölümde sisteme ait bazı analizler sunulmaktadır. Sistemin çalışmasına ve bazı kısıtlara yönelik detaylar bu bölümdedir. Kısıtlar, tasarım ve test aşamasında ortaya çıkan, çoğunlukla donanım kaynaklı olumsuzluklar olarak nitelendirilebilir. Sistemin çalışmasına ait tüm detaylar da bu bölümde yer almaktadır. Amaç, tezi okuyan bir araştırmacının benzer bir sistemi kolayca kurmasını sağlamaktır. Bu sebeple tüm donanım ve yazılım detayları paylaşılmaktadır. Böylece, araştırmacının kriptoloji, güvenlik, hatta güvenli görüntü işleme gibi konularda çalışabileceği bir geliştirme ortamı sağlanacaktır. Güvenli biyometrik görüntü işleme gibi konular tezin gelecek çalışmaları olarak öngörülmektedir. Son bölümde, elde edilen son sonuçlar sözel olarak vurgulanmaktadır. Bu kapanış bölümünde, gelecek çalışmalardan da bahsedilmektedir. Temaslı akıllı kart ve NFC/RFID teknolojileri pek çok uygulamada kullanılmaktadır. Eğer biyometrik veriler bu kartların içine gömülmek istenirse bilimsel bazı güvenliğe ait soruların sorulması olasıdır. Dahası, eğer kablosuz haberleşme teknolojisi de donanım modülü olarak yer alacak ise kontrol edilmesi gereken başka bir güvenlik açığı daha doğmaktadır. Bahsedilen güvelik durumları tezin gerçekleştirdiği üzere akademik olarak çözülmelidir. Sonuç olarak, hipotezi sağlayan ve donanımsal olarak doğru çalışan, iyi tasarlanmış yazılım barındıran bir bitirme tezi ve uygulaması elde edilmiştir. Yapılabilecek gelecek çalışmalar olarak ise yüz tanıma teknolojisinin bu sisteme entegre edilebileceği söylenebilir. Özellikle stenografinin de gelişmesi ile şifrelenmiş yüz şablonları ADN tarafındaki RFID kart içine gömülerek sistemin hem çoklu mod biyometriyi desteklemesi hem de güvenliğin bir kademe daha artırımı sağlanabilir., Access control systems (ACS) are the ones, which people come across frequently while entering places, passing through somewhere or even logging into any online accounts. Public transportation, authorized building or room entrance, highway passing, PC accesses, signing on to online banking or social media accounts are some examples that can be experienced during everday life as the samples of accesses. In most cases, these actions are in under control the reason why personal security plays an important role. Therefore, there are plenty of approaches and electronic systems in the literature to provide control for such cases above. In this thesis, it is proposed an approach for low cost and easy to programme system, which is general purpose and multi-modal. General-purpose feature brings an innovation to these kind of systems to be more generic. The system can easily adapted to new applications, in other words, the system first can control door accesses, but on the other hand, it can also be used for some other applications like payment based paypass implementations. This diversity comes thanks to different input devices like smart card reader, fingerprint scanner, NFC/RFID reader, touchable screen for PIN entering & system response monitoring etc. Consequently, the system satisfies the multi-modal approach with these devices that make system more secure. In the following chapters, firstly the general details of the thesis are presented in the introduction part. There are introductory information about the system scheme and some analysis that are crucial to be held previously like requirement and feasibility. Also, it can be found the hypothesis which this thesis work stands for in terms academic approaches. There is also literature review for the previously handled works. Especially for the fingerprint sensor, there are some studies that use the same device which is controlled by microprocessor. Then, in the second chapter, the important background information for the phylosophy of this thesis is given. It contains about the preliminary explanations on behalf of biometry, cryptography, hash functions etc. Biometry is used in many different areas from security to forensic, even for diagnosis in the medicine. For authentication purposes, access systems can have sensors related to biometrics. This chapter helps the reader to understand the main frame of the study. In the third and the main chapter, all the design issues are presented. It has basically two sub-sections. Firstly, the hardware related knowledge is described. Sensors and controllers are given in here. In this study, the system engineering approaches are used together with embedded systems; therefore, different kind of sensors are to be work synchronously via controllers. The system basically consists of two nodes: Access Node-ACN and Admin Node-ADN. Each has a controller unit and some sensors. For the ACN, fingerprint sensor in the thesis takes the fingerprint image as 256x288 pixels in gray level. Then inside of the sensor, the whole image is transferred into characteristic file, and after into a template. There is no information related to algorithm neither in the datasheet nor in any of the source in the internet such as vendor. In our system, the data from the sensor is saved in the smart card securely and later newly captured data is to be compared with this smart card originated information. Extracted data from fingerprint must be stored securely in the smart card which does not have any extra protection mechanism. Therefore, biometric data hiding or encryption must be handled as the smart card can be on wrong hands. When access operation is needed, data in the card and the freshly read one from the user via sensor is to be compared, either does fingerprint sensor. Moreover, in the software structure part of this thesis in the second branch of Chapter three, hardware handling software details are given in the scope of software engineering. UML diagram contains the Role Based Access Control Pattern – RBACP to give different privileges to the different users. Thesis has general purpose approach by this way. Besides, in the admin part, the Windows operating system based GUI is designed thanks to C# programming language. This monitoring screen allows admin to control the system from far. Comnunication between access node and admin node is in wireless communication thanks to XBee sensors, so communication protocol that proposed by this thesis must be secure indeed, too. As the “access” needs to be secure, designed system must rely some scientifically secure algorithms that thesis mainly aims at. In 1976, public key cryptography released some opportinities to make system security by key exchange. Even when two wireless devices communicate with each other, man-in-the-middle attack can be less hazardous thanks to Diffie-Hellman key exchange algorithm. System Analysis is given in Chapter four. There are details about the system operation and some limitations related to some seperating devices that are occured during the design and the tests. All the overall system details are presented in this chapter. Any researcher who reads that thesis work can construct the system by using the hardware and software details inside. Thus, the researcher can have an ACS environment to work for security algorithms by implementation of cryptography or secure image-processing issues for future work together ciphering with fingerprint issues. In the last chapter, last results of the project are presented. In this conclusion part, the future considerations related to thesis are introduced, too. Smart cards and NFC/RFID technology are in use for loads of applications. If the biometric information is intended to be embedded into these technologies, then some scientific questions arise related to security. Moreover, if wireless technology is in use as a hardware module, then another security circumstance emerges to be academically handled as this thesis does via design of communication protocol in the scope of Petri nets. Modelling the own protocol together with data packages, instruction codes etc. makes the thesis more academic and the system more secure. To conclude, the system was successfully designed and all academic approaches were explained in this thesis report., Yüksek Lisans, M.Sc.

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015, Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2015, Mobil robotlar günümüzde tarım, mayın tarama, askeri uygulamalar, uzay araştırmaları ve insanların erişemediği veya nükleer santraller gibi insanlara zararlı ortamlarda kullanılmaktadırlar. Ancak bu robotların bazıları bir operatörden bağımsız olarak, diğer bir deyişle otonom olarak çalışmaktadırlar. Dünyada çeşitli alanlarda kullanılmak üzere otonom robot geliştirmek için bir yarış vardır. Bu tezde çeşitli alanlarda kullanılmak üzere (öncelikli olarak tarım alanında) otonom robot ve kontrol ünitesi tasarlanmıştır ve gerçekleştirilmiştir. Projede tasarım yapılırken modülerlik, düşük maliyet, yerli üretime katkı, çevre şartlarına uygunluk ve özgünlük özelliklerine sahip bir robot tasarlanmaya çalışılmıştır. Robotun kontrol ünitesinin robotun taşıyıcı platformundan bağımsız olmasına dikkat edilmiştir. Çünkü projede kullanılan platformun amaca ve kullanılacağı araziye uygun olarak değiştirilebilmesi istenmektedir. Tasarlanan kontrol ünitesi içinde batarya kontrol sistemi, bütün sensör verilerini işleyen, diğer kartlarla haberleşen ve robotun motorlarını süren bir anakart ve görüntü işleme görevlerini yerine getirebilecek olan bir mini bilgisayar bulunmaktadır. Anakart açı ve konum sensörleri, mesafe sensörleri, tekerlek hızını ölçen sensörler ve diğer kartlardan bilgiler alarak robotun tekerleklerini motor sürücü vasıtasıyla sürmektedir. Robot platformu altı tekerlek ve alüminyum bir iskeletten oluşmaktadır. Her tekerlek ayrı bir motor tarafından sürülmektedir. Robot kızaklı yönlendirme metodunu kullanarak hareket etmektedir. Yani robotun sağ üç motoru ayrı, sol üç motoru ayrı kontrol edilmektedir. Kızaklı yönlendirme metodu, diferansiyel yönlendirme metoduna çok benzemektedir. Robotun küçük ve modüler olması istendiği için robot tasarımı üç ayrı seviye halinde yapılmıştır. Bu seviyeler sırasıyla gövde seviyesi, kontrol birimi seviyesi ve ek birimler seviyesidir. Gövde seviyesinde robotun iskeleti, motorları ve bataryaları bulunmaktadır. Gövde seviyesine araç geliştirilirken değişiklik yapılması istenmeyen parçalar yerleştirilmiştir. Ayrıca gövde seviyesi, platforma özgü bir seviyedir. Gövde seviyesi paletli, dört tekerlekli, altı tekerlekli bir platform olabilir. Hatta diferansiyel yönlendirme ile kontrol edilebilen bir deniz aracı bile olabilir. Kontrol birimi seviyesinde, robot için tasarlanmış olan kontrol ünitesi bulunmaktadır. Kontrol birimi seviyesi için kısaca robotun beyni denilebilir. Ek birimler seviyesinde ise amaca uygun parçalar bulunmaktadır. Örneğin, aracın açık arazilerde otonom hareket etmesi istendiği için ek birimler seviyesine açı ve konum sensörleri eklenmiştir. Ek birimler seviyesi, gelecekte robota dâhil edilebilecek birimlerin ekleneceği seviye olarak tasarlanmıştır. Sonuç olarak, çeşitli amaçlara uygun olan bir otonom mobil robot ve kontrol ünitesi tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir. Şu anda robot manuel kontrol ve merkez ile haberleşme görevlerini yerine getirmektedir. İlerleyen çalışmalarda görüntü işleme ve kontrol yöntemleri uygulanarak robotun otonom hareket etmesi sağlanacaktır. Robotun ilk olarak tarım alanlarındaki ürün sıraları arasında otonom hareket edebilmesi için açı, konum ve mesafe sensörlerinden aldığı bilgileri, görüntü işleme kartından gelen bilgiler ile birleştirmesi hedeflenmektedir., Mobile robots are used at agriculture, land mine searching and disarming, military, space explorations, and other applications where the environment is dangerous or inaccessible to human. In some of these applications, robots perform tasks autonomously. These robots are called autonomous robots. Today in the World, there is race to develop autonomous robot in diversity of fields. In this thesis, an autonomous robot and its control unit are designed to be used in various fields (especially in agriculture). At the design stage, aim is to create a robot that is modular, low–cost to manifacture, contributing to domestic production, suitable against environmental conditions and original. Control unit of robot has been noted to be independent from the carrier platform. Because it is desired to change robot platform according to intended use and environmental conditions. Designed control unit consists of battery management system, main board and beaglebone (a mini computer board). In every vehicle, robot or electronic device that powered by Lithium Polymer (LiPo), or similar chemistry batteries must be used with battery management system. Because these battery types have operating voltage, current and temperature range. Out side of this operating range can be dangerous or could result battery death. For example, if LiPo battery is overheated because of high current drawn, it may be explode or burn. Another example, if battery is overdrained, it may die and never work again. To avoid these situations battery pack must be monitored all time. In this thesis, battery management system is implemented on power board. Power board has ARM Cortex – M3 processor powered LPC1343 micro controller unit. MCU monitors battery voltages, battery temperatures and current that drawn by other parts of robot. Power board always monitors battery state and sends monitored data to mainboard. Power board also controls separated charger. Beacause of limited time, power board only controls connection between charger and battery pack. If input voltage, which comes externally to robot, is sufficient, then power board connects charger to battery. In future, charge operations will be implemented on power board. Another part of control unit is main board. Main board acts as the brain of the robot. Main board reads all sensors’ data, communicates with station, angle and position sensors board, power board and beaglebone, and controls the motors via the motor driver board according to calculations. Main board has ARM Cortex – M3 processor powered LPC1769 MCU. This MCU is faster and has more peripheral than power board’s MCU. Robot platform consists of an aluminium chassis on six wheels. Three wheels on the right and left. Every wheel is driven by one brushed dc motor. Drive method of robot is skid – steering method. Skid – steering is very similar to differential drive. In short, main board separately controls the three motors on the left and the three motors on the right to steer robot. Advantages of skid – steering method is less moving parts means there is no explicit steering mechanism and this method has more traction. Disadvantages are straight – line travel can be difficult to achieve and skidding cause wheels to lose contact with the ground, which means odometry sensors, cannot accurately track the position of the vehicle. In addition, robot platform has suspensions at every wheel and wheels are suitable for field conditions. As described earlier, control unit was designed independently from robot platform. This means control unit can drive any skid-steering vehicle and any type of control algorithm can be implemented on control unit. Main board gathers data from eight distance sensors, two quadrature encoder sensors, angle and position sensors, power board, beaglebone and station via wireless communicaiton board. Also sends data and last state to station. Distance sensors are placed to cover every side of the robot. Distance sensors are used for environment awareness and collision avoidance. These sensors use soundwaves to measure distance. To prevent interference between sensors, all sensors are used in chain algorithm. Quadrature encoders are attached to middle left and middle right motors to implement PID control with using feedback. By using PID control, motors on the left and right side can be driven more accurately. Angle and positions sensors board consists of three parts. First one is inertial measuring unit (IMU) sensors board. IMU board has three axis gyroscope, three axis accelerometer and three axis magnetometer chips. Position sensor is well – known global positioning system (GPS), which finds longitude and latitude of robots position. Third part is MCU board. On this board there is a ATMEGA328P MCU, which can be programmed by Arduino. MCU board gathers data from IMU and uses sensor fusion algorithm to find Euler angles of robot, encodes GPS sensor packets to find position, and sends these gathered and calculated data to main board. There is a many IMU and GPS applications and programs on the internet. In thesis, these programs are adjusted for the IMU and GPS chips. Also some filter algorithm are implemented to get more stable values. Main board and power board MCU’s are programmed from register level to system level. These MCU’s programmed from low level to use MCU’s at high speed, efficient and gain control of program at any level. For both MCU, peripheral libraries are created or pre-built libraries are reprogrammed. Last part of the control unit is beaglebone black board. This board is mini computer. This board added to control unit because of image processing tasks. But image processing will be implemented in the future. Hardware design of robot is performed in three levels. Because, one of the design criteria was modularity and there was too many parts. This levels are body level, control unit level and additional units level. Body level consists of robot chasis, motors, batteries and some sensors. Parts in the body level are stationary and unique to robot platform. Control unit level act as a brain of robot. Control unit level is detechable, so that changes can be made. Additional unitss level was designed application specific. Angle and position sensors board, live video transmitter, charger and cameras for image processing are added to additional units level. Every level connected to each other by power or signal cables. Now, robot can be controlled manually from station. In manual control operator sends directions to robot from station by using joystick or keyboard. Robot calculates movement according to operator directions and sensor data. First autonomous application of robot will be IMU and GPS controlled movement at open fields. This section is prepared, but not tested. As a result low-cost and modular robot and control unit was designed and implemented. In the first stage, project goal was design a robot which acts as a development platform. Next stage of the work will be implement control algorithms or methods, such as sliding mode control or fuzzy logic control methods on control unit. Also image processing capabilities will be added to robot. The robot is initially intended to be used to collect data in the fields of agriculture., Yüksek Lisans, M.Sc.

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015, Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2015, Projede görüntü işleme algoritmalarının çoğunda uygulanan temel algoritmalar FPGA üzerinde çalıştırılmıştır. Bu algoritmaların başında RGB gri dönüşümünün yapılması, sobel ve prewitt operatorleri, Gauss filtresi, LoG dönüşümü ve Canny kenar belirleme algoritmalarıdır. Buradaki algoritmalar diğer görüntü işleme algoritmalarının temelini oluşturması açısından önemlidir. Daha gelişmiş görüntü işleme algoritmaları çalıştırılırken önce bu algoritmalar uygulanır. Bu durum projede bu algoritmalarının konu olarak alınma amaçlarından biridir. Bu proje sonunda temel algoritmaların FPGA üzerinde çalışabildiği görülmüştür ve böylece bu tür algoritmaların üzerinde çalışabileceği bilgisayar dışında alternatif bir çalışma ortamının olduğu gösterilmiş oldu., In this project the basic algorithms that are used in most of the image processing have been implemented on FPGA. These algorithms include RGB to grayscale transformation, sobel and prewitt operators and Gaussian filter, LoG transformation and Canny edge detection algorithm. The important point is that these algorithms form the base of other image processing algorithms. While more advanced algorithms are running, these algorithms are applied in the initial phase. This case is one of the reasons that these algorithms are taken as the subject of the project. At the end of this project it is seen that these basic algorithms can run on FPGA thus showing that it is possible to run this kind of algorithms in an alternative work environment other than a computer., Yüksek Lisans, M.Sc.

Projede görüntü işleme algoritmalarının çoğunda uygulanan temel algoritmalar FPGA üzerinde alıştırılmıştır. Bu algoritmaların başında RGB gri dönüşümünün yapılması, sobel ve prewitt operatorleri, Gauss filtresi, LoG dönüşümü ve Canny kenar belirleme algoritmalarıdır. Buradaki algoritmalar diğer görüntü işleme algoritmalarının temelini oluşturması açısından önemlidir. Daha gelişmiş görüntü işleme algoritmaları çalıştırılırken önce bu algoritmalar uygulanır. Bu durum projede bu algoritmalarının konu olarak alınma amaçlarından biridir. Bu proje sonunda temel algoritmaların FPGA üzerinde çalışabildiği görülmüştür ve böylece bu tür algoritmaların üzerinde çalışabileceği bilgisayar dışında alternatif bir çalışma ortamının olduğu gösterilmiş oldu. In this project the basic algorithms that are used in most of the image processing have been implemented on FPGA. These algorithms include RGB to grayscale transformation, sobel and prewitt operators and Gaussian filter, LoG transformation and Canny edge detection algorithm. The important point is that these algorithmsform the base of other image processing algorithms. While more advanced algorithms are running, these algorithms are applied in the initial phase. This case is one of the reasons that these algorithms are taken as the subject of the project. At the end of this project it is seen that these basic algorithms can run on FPGA thus showing that it is possible to run this kind of algorithms in an alternative work environment other than a computer. 65

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2014, Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2014, Sosyal sinyal işleme ve bilgisayarlı görü alanında, son yıllarda bir ölçüde sosyal bilimler ve davranış bilimleriyle ilgili yapılan çok sayıda çalışma dikkat çekmektedir. Duygu analizi, pazar eğilimlerini belirleme, karar verme mekanizmalarını anlama, sosyal ilişkiler ve ardında yatan sebepleri belirleme gibi konularda önemli bir potansiye barındırmaktadır. Duygu analizinde kullanılan tanımlayıcılar arasında en kullanışlı ve öne çıkanı, yüz ifadelerinin kullanılmasıdır. Bu tezde, otomatik yüz ifadelerinin tanınması konusunda son gelişmeler ve kullanılan yöntemler üzerine bir literatür araştırması yapılmış ve bu işlemi geçekleştirecek bir gömülü sistem çerçevesi oluşturulmuştur. Yüz ifadeleri konusunda temel yaklaşım, doğrudan durağan duyguların sınıflandırılması ya da hareket parçacıklarının sınıflandırılmasından duygulara geçiş yapılmasıdır. Bu çalışmada Ekman tarafından farklı kültür ve toplumlarda da ayırt edici özelliği ispat edilen temel duygu sınıfları kullanılmıştır. Yüz ifadelerinin sınıflandırılması temelde n sınıflı bir sınıflandırma problemidir. Yapılan literatür taraması sonucunda daha önce kullanılan yöntemler karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Problemin genel çerçevesi içerisinde, ön işleme, öznitelik vektörü çıkarma, sınıfladırma işlemleri uygulanır. Ön işlemede kullanılabilecek yöntemler incelenmiş ve Tan & Triggs normalizasyonu kullanılmıştır. Öznitelik vektörü çıkarma aşamasında ise, yerel ikili örüntü (YİÖ), yerel üçlü örüntü (YÜÖ) ve Gabor filtreleri yöntemleri karşılaştırmalı olarak ele alınmış olup standart veritabanları ve deneyler üzerinde performansları incelenmiştir. Özellikle son yirmi yılda, yüz analizi çalışmalarının hız kazanmasıyla birçok veri kümesi ve stardart deney ortaya atılmıştır. Bunların birçoğu, laboratuvar kontrollü, sabit ışık altında, poz ve duruş değişimi bulunmayan veri kümesiyken, zaman içinde bu standart koşullar altında elde edilen veri ile oluşturulan sistemlerin gerçek dünya koşullarında beklenen doğruluk oranlarında çalışmadığı görülmüştür. Bu nedenle, internet ortamında belli kilit kelimelerle yapılan aramalardan döndürülen veya TV dizileri, filmler gibi multimedya kaynaklardan derlenen veri kümeleri, kullanılan yöntemlerin test edilmesi için daha gerçekçi bir ölçü sunmaktadır. Bu durum dikkate alınarak, kullanılan yöntemler her iki türden veri kümesi üzerinde de sınanmıştır. Bu çalışmada, öznitelik vektörü olarak yerel ikili örüntü (YİÖ), yerel üçlü örüntü (YÜÖ) ve Gabor filtreleri, öğrenme aşamasında ise destekçi karar makineleri kullanılmış olup Geliştirilmiş Cohn Kanade , MMI yüz ifadeleri, JAFFE ve SFEW veri kümelerinde çeşitli deneyler yapılarak yöntemin başarısı sınanmıştır. Bunun yanında çeşitli filmlerden seçilerek oluşturulmuş SFEW veritabanı da kullanılarak sistemin başarısı nispi olarak gerçek dünya koşullarında ve ortam şartlarının değişiklik gösterdiği görüntüler üzerinde de ölçülmüştür. Özellikle, öznitelik çıkarma aşamasında kullanılan Yerel ikili örüntü (YİÖ) ve yerel üçlü örüntü (YÜÖ) yöntemleri literatürde yüz ifadesi analizinde kullanılan diğer yöntemlere kıyasla oldukça başarılıdır. Bu başarının nedeni, ışık veya ortam değişimleri sebebiyle gerçekleşen monoton gri seviye değişimlerinin olumsuz etkisini azaltması ve hesaplama anlamında kolaylığında yatmaktadır. Hesaplama kolaylığı özellikle yüz ifadeleri analizi gömülü sistem üzerinde yapıldığında önem kazanmaktadır. Hedef platformların işlem kapasiteleri daha karmaşık yöntemler kullanıldığında öznitelik vektörü çıkarılması aşamasında zaman kaybına sebep olduğundan nihai olarak oluşturulacak sistem video üzerinde akıcı olarak çalışmamaktadır. Diğer veri kümelerinden farklı olarak gerçek koşullara yakın nitelikteki SFEW veritabanında, yerel ikili örüntü (YİÖ) ve destekçi karar makineleri ile yedi sınıf doğruluğu %59.76 olarak elde edilmiştir. Bu noktada, yapılacak yeni çalışmalarda yöntemlerin sınanması için standart koşullarda elde edilen görüntülerin yanı sıra, gerçek ya da gerçeğe yakın koşullarda elde edilen görsel verinin kullanılması gerektiği görülmüştür. Deneysel sonuçlara bakıldığında, yerel üçlü örüntü (YÜÖ) ve destekçi karar makineleri kullanılarak Geliştirilmiş Cohn Kanade veritabanı üzerinde öfke, mutluluk ve şaşırma ifadeleri sırasıyla %97.78, %100 ve %97.59 başarıyla sınıflandırılmıştır. Benzer şekilde, yerel ikili örüntü (YİÖ) ve Gabor filtreleri de kullanılan veritabanları üzerinde çeşitli deneylerde kullanılmıştır. Örneğin; 5 ölçek ve 7 yönde uygulanan Gabor filtresi diğer yöntemlere yakın başarı göstermesine rağmen zaman yönünden gömülü bir uygulamada kullanıma uygun olmadığı görülmüştür. Diğer yandan, bu çalışmanın en önemli taraflarından biri, yüz ifadelerinin sınıflandırılması gibi güncel ve kullanım alanı çok geniş olan bir probleme gömülü platformlarda çözüm ortamı oluşturmasıdır. Nitekim, yüz ifadelerinin sınıflandırılması doğası gereği mobil çözüm imkanlarını gerektirmektedir. Gömülü linux sistemler, SoC platformlar ve FPGA'lar kullanılarak yapılan çalışmalar incelendiğince yüz ifadelerinin analizini konu alan oldukça az sayıda çalışma olduğu görülmektedir. Bilgisayar ortamında yapılan deneylerin yanı sıra, yüz ifadelerinin otomatik olarak sınıflandırılması Xilinx SoC geliştirme kartında linux (Linaro Ubuntu) işletim sistemi üzerinde C++/OpenCV geliştirme ortamı kullanılarak hem statik görüntüler, hem de videolar üzerinde gerçeklenmiştir. Gömülü sistemde, daha önce incelenen yöntemler arasından geometrik ve Tan & Triggs normalizasyonu, yerel ikili örüntü (YİÖ) ve destekçi karar makineleri kullanımıştır. Gömülü sistem uygulamasında, Geliştirilmiş Cohn Kanade veritabanındaki yüz ifadesi etiketi bulunan 327 resim kullanılarak oluşturulan destekçi karar makinesi modeli kullanılmıştır. Öte yandan, gömülü sistem üzerinde yapılan örnek uygulamada da kullanılan YİÖ öznitelik vektörleri test resimleri üzerinde uygulanarak zaman performansı ölçülmüştür. Geliştirilen örnek uygulama hem bilgisayar ortamında, hem de kullanılan gömülü sistem platformunda çalıştırılmış ve yedi sınıflı yüz ifadeleri analizi başarıyla gerçekleştirilmiştir. Özellikle mutluluk, öfke, şaşırma ve mutsuzluk sınıflarının daha başarılı şekilde sınıflandırıldığı görülmektedir. Bu çalışmada, daha önce gömülü platformlarda gerçeklenen yüz ifadelerini tanıma sistemleri karşılaştırmalı olarak incelenmiş ve bunlardan farklı olarak kendi gömülü sistem çerçevemiz sunulmuştur. Önerilen sistem ile, durağan resimler ve hareketli videolar üzerinde yüz ifadelerinin analizi yapılabilmektedir. Xilinx SoC geliştirme kartında linux işletim sistemi çalıştırılmış ve bir C++/OpenCV uygulaması ile sistem gerçeklenmiştir. Bu uygulama ile statik görüntüler ve video üzerinde yaklaşık olarak saniyede 4-5 görüntü hızında, yüz ifadeleri tanıma işlemi gerçekleştirilmiş ve zaman performansı açısından oldukça iyi sonuçlar elde edilmiştir., In social signal processing and computer vision, there has been increasing number of studies which are related with social and behavioural sciences to some extent in last years. Affective state of human has very significant potential in many application areas such as evaluating market trends, understanding the decision-making, interpreting social interactions and their underlying background, and so on. Among the agents that make our emotions understandable, the facial expressions are the most prominent and descriptive sign of a humans's affective state. This thesis presents a literature survey on the state-of-the-art of facial expression recognition, comparison of different approaches in automatic analysis of emotions, and proposes a new embedded framework for facial expression recognition problem. Although there have been large number of studies in facial expression recognition, the number of ``affective'' embedded systems are fairly scarce. In this study, an efficient embedded framework is implemented on a system-on-chip (SoC) development board. Many application areas of facial expression recognition systems necessitate the mobility, and embedded platforms which have both hardware and software development tools, as well as low power consumption and increased adaptivity. In this study, different feature extraction methods such as local binary pattern (LBP), local ternary pattern (LTP) and Gabor filters are compared using different extraction strategies and varied kernel functions and parameters in learning phase, support vector machines (SVM). In embedded framework of facial expression system, local binary patterns and support vector machines-based methodology is preferred, because of its higher accuracy and time performance. Besides OpenCV implementation on embedded linux operating system, Zynq-7000 all programmable SoC is used to measure the performance of LBP feature extraction. Our final system has capable of facial expression recognition in both static images and video sequences at 4-5 fps., Yüksek Lisans, M.Sc.

Bu çalışmada çok yüksek duyarlılığa ve düşük güç tüketimine sahip olan üç yönlü akım çıkışlı bir fluxgate sensör sistemi tasarlanmıştır. Tasarlanan sistem sensörden alınan akım bilgisini magnetik alan ile orantılı bir gerilime çeviren analog işaret işleme devresi ile statik ve düşük frekanslı nT ve µT şiddetindeki magnetik alanları ölçebilmektedir. Sisteme ait sensörler literatürdeki 40 A/T duyarlılığa sahip sensörlerden farklı olarak 800 A/T duyarlılığa sahiptir ve ölçüm sargıları yalnızca 36 sarıma sahiptir. Tasarlanan sistem +5 V ve -5 V olmak üzere iki adet DC besleme gerilimi ile çalışmaktadır. +5 V beslemeden 19 mA, -5 V beslemeden ise 2.5 mA akım çekilmektedir. Sistem herhangi bir kompanzasyon sargısı ve sistem geribeslemesi içermemesine karşın 10 µT şiddetindeki alanlara kadar doğrusal olarak ölçüm yapabilmektedir. Sisteme geribesleme eklenerek birkaç 100 µT genliğe kadar olan magnetik alanların da ölçülebilmesi mümkündür.Çalışma ile fluxgate tipi sensörlerin milli imkanlarla üretilebilmesi için gerekli teorik altyapı ve çeşitli bilgiler ayrıntılı olarak verilmiştir. Ayrıca tasarımcılara yol göstermesi açısından örnek bir sistem tasarlanmış ve ölçüm sonuçları verilmiştir.Tasarlanan sensöra)Uzay araştırmaları,b)Yer belirleme uygulamaları,c)Nesne tanıma uygulamaları,d)Hassas elektronik pusulalar,e)DC ve AC elektrik akımının çok hassas olarak ölçülmesi,f)Arkeolojik araştırmalar,g)Jeolojik çalışmalar,h)Maden yataklarının ve çeşitli minerallerin havadan tespit edilmesi,i)Kayaç mekanizmalarının incelenmesi,j)Magnetik iz tespiti (denizaltı, gemi, vs),k)Magnetik iz giderimi sistemleri,l)Dünyanın magnetik alanının ölçülmesigibi birçok alanda kullanılabilir. In this study, triaxial short-circuited fluxgate sensor system with high sensitivity and low power consumption is designed. It can measure static and low frequency nT and µT magnetic fields via an analog signal processor network. The sensors in the system have 800 A/T sensitivity differently from the other sensors with 40 A/T sensitivity in the literature. The system operates with two supply voltages in the values of 5 V and -5 V. It consumes 19 mA at 5V supply and 2.5 mA at -5 V supply. The system can measure up to 10 µT field although it has no compensation windings or any other feedback system. It is also possible to measure fields up to several 100 µT by adding a feedback network to the system.This study gives the theoretical background and various information in detail to design fluxgate sensors by national means. Moreover an example sensor system is designed and the measurement results are stated.The designed sensor system can be used in various areas such asa)Space research,b)Location applications,c)Identification applications,d)Precise electronic compasses,e)Precise AC and DC current measurement applications,f)Archeological research,g)Geological research,h)Location of mineral deposits,i)Rock mechanism analysis,j)Magnetic track recognition (submarine, ship, etc),k)Degaussing systems,l)Earth field measurement. 161

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2009, Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2009, Bu tez çalışmasında örüntü tanımanın uygulama alanlarından biri olan cinsiyet sınıflandırma konusu ele alınmıştır. Cinsiyet sınıflandırmada insanlara ait yüz resimleri kullanılmıştır. Bu çalışmada görünüş tabanlı yöntem kullanılarak sınıflandırma yapılmıştır. Sınıflandırma yapılmadan önce PCA (Principal Component Analysis) algoritması ile boyut azaltılmıştır. Boyut azaltma işlemi yapılırken en büyük özdeğerler ve onlara ilişkin özvektörler dikkate alınmıştır. Sonrasında sınıflandırma yapmak amacıyla FLD (Fisher Linear Discriminant) ve KNN (K-Nearest Neighbour) algoritmaları kullanılmıştır. Veri kümesi olarak 200’ü bayan resmi ve 200’ü erkek resmi olmak üzere toplam 400 resim kullanılmıştır. Yapılan testlerin hata oranını belirlemek amacıyla K Katlı Çapraz Geçerlilik yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntemle veri kümesi K parçaya bölünmüş, K-1 parça eğitim kümesi olarak kullanılırken, 1 parça test kümesi olarak kullanılmıştır. Yapılan testler sonucunda bu iki sınıflandırıcının başarımları karşılaştırılmıştır. Cinsiyet sınıflandırmada yüzdeki en etkin bölgenin neresi olduğu belirlenmiştir. Literatürde ırkın cinsiyet sınıflandırması üzerine etkisini araştıran bir çalışmaya rastlanmamıştır. Bu nedenle ırkın cinsiyet belirleme üzerindeki etkisi de incelenmiştir. Sonuçlar literatürdeki sonuçlarla karşılaştırıldığında bir kısmına göre daha iyi sonuçlar elde edilmiştir., In this thesis, gender classification which is one of the application areas of pattern recognition was studied. To classify the gender, pictures of human faces were used. In this study, gender was classified using appearance-based method. Before the classification, dimensions were reduced with PCA (Principal Component Analysis) algorithm. While reducing dimensions, the biggest eigenvalues and eigenvectors related to these eigenvalues were taken account. After this, to classify gender, FLD (Fisher Linear Discriminant ) and KNN (K Nearest Neighbour) algorithms were used. As the face database, total 400 pictures including in 200 male and 200 female photos were used. K-Fold Cross Validation method was used to determine error rate of the tests. With this method, the database was divided into K parts, while K-1 parts were used as training set, 1 part was used as test set. According to tests, performance of these two classifiers was compared. In addition, which part of the face is effective on gender classification was determined. In literature, any study wasn’t seen about effect of race on gender classification. Because of this, effect of race on gender classification was studied. The comparison of the all results with the several examples given in the literature was in a good agreement ., Yüksek Lisans, M.Sc.

(Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2009, (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2009, Bu tezde, birden fazla katsayının çarpımı (MCM) problemi, bir başka deyişle, bir değişkenin birden fazla katsayı ile çarpımının minimum sayıda toplama/çıkarma işlemi kullanılarak gerçeklenmesi için tasarlanmış kesin ve yaklaşık algoritmalar sunulmaktadır. Bir kesin alt ifade eliminasyonu (CSE) algoritmasının tasarımında, MCM problemini bir 0-1 tamsayı lineer programlama problemi olarak modelleyen daha önceden önerilmiş bir algoritma temel alınmıştır. Kesin CSE algoritması içinde, alan ve gecikme ölçütlerini ele alabilmek için yeni bir kesin model önerilmektedir. Kesin CSE algoritması tarafından taranacak arama uzayını küçültmek için problem indirgeme ve model basitleştirme teknikleri sunulmaktadır. Bu tekniklerin kullanımının kesin CSE algoritmasının daha büyük örnekler üzerinde uygulanmasına olanak sağladığı gösterilmektedir. Ayrıca, bu teknikler ile donatılmış kesin CSE algoritması, katsayıları genel sayı gösteriminde ele alacak ve kesin CSE algoritmasından daha iyi sonuçlar elde edecek şekilde genişletilmektedir. Bunların yanında, gerçek boyutlu örnekler üzerinde uygulanabilen bir kesin graf tabanlı algoritma sunulmaktadır. Bu kesin algoritmalara ek olarak, minimum sonuçlara oldukça yakın çözümler bulabilen ve kesin algoritmaların ele almakta zorlandığı örneklere uygulanabilen yaklaşık CSE ve graf tabanlı algoritmalar verilmektedir. Bu tezde önerilen kesin ve yaklaşık algoritmaların daha önceden önerilmiş sezgisel yöntemlerden daha iyi sonuçlar verdiği gösterilmektedir. Bunların yanısıra, bu tezde, kesin CSE algoritması gecikme kısıtı altında alanın minimize edilmesi, kapı seviyesinde alanın minimize edilmesi ve yüksek hızlı sayısal sonlu impuls cevaplı filtrelerin tasarımında alanın optimize edilmesi problemlerine uygulanmaktadır., In this thesis, exact and approximate algorithms designed for the multiple constant multiplications (MCM) problem, i.e., the implementation of the multiplication of a variable with multiple constants using minimum number of addition/subtraction operations, are introduced. In the design of an exact common subexpression elimination (CSE) algorithm, we relied on the previously proposed algorithm that models the MCM problem as a 0-1 integer linear programming problem. To handle the area and delay parameters in the exact CSE algorithm, a new exact model is proposed. To reduce the search space to be explored by the exact algorithm, problem reduction and model simplification techniques are introduced. It is shown that the use of these techniques enable the exact CSE algorithm to be applied on larger size instances. Also, the exact CSE algorithm equipped with these techniques is extended to handle the constants under general number representation yielding better solutions than those of the exact CSE algorithm. Besides, an exact graph-based algorithm that can be applied on real size instances is introduced. In addition to the exact algorithms, approximate CSE and graph-based algorithms that find similar results with the minimum solutions and can be applied on instances that the exact algorithms cannot deal with are presented. It is shown that the exact and approximate algorithms proposed in this thesis give better solutions than those of the previously proposed heuristic algorithms. Furthermore, in this thesis, the exact CSE algorithm is applied on the minimization of area under a delay constraint, the minimization of area at gate-level, and the optimization of area in high-speed digital finite impulse response filters synthesis problems., Doktora, PhD

ELİPTİK EĞRİ KRIPTOGRAFISİNDE SKALER ÇARPMA BLOĞUNUN VHDL ile TASARIMI ÖZET Eliptik eğri kriptografısi, 1985'te Victor Miller ve Neal Koblitz tarafından RSA ve DSA gibi açık anahtarlama kriptografılerine alternatif olarak geliştirilmiştir. Eliptik eğri kriptografısinin güvenilirliği uygun bir eliptik eğri üzerindeki ayrık logaritma problemine dayanmaktadır. Günümüzde hala eliptik eğri ayrık logaritma problemi yarı üstel zamanda çözülememektedir. Dolayısıyla bu da, RSA ve DSA kriptografılerine göre önemli bir oranda daha az parametre kullanılarak eşdeğer güvenirlik sağlanabileceği anlamına gelir. Küçük parametrelerle çalışmak yüksek işlem hızı, güç tasarrufu ve daha az bellek kullanımı sağladığından mobil telefon veya smart kart gibi uygulamalarda idealdir. Ayrıca, eliptik eğri kriptografısini gerçeklemek, seçilen sonlu alana, alan aritmetiğini gerçekleyen algoritmalara, eliptik eğrinin türüne ve eliptik eğri grup işlemlerini gerçekleyen algoritmalara bağlı olduğundan fazla miktarda gerçekleme seçeneği vardır. Tezin ilk bölümünde kriptografiye ve kullanılan tekniklere ilişkin bazı temel bilgiler verilmiş ve eliptik eğri kriptografısine giriş yapılmıştır. İkinci bölümde, kriptografık amaçlı eliptik eğrilerde kullanılan taban alanları ve bu alanlara ilişkin alan işlemlerini gerçekleyen bazı algoritmalar, üçüncü bölümde genel olarak eliptik eğriler ve eliptik eğri nokta işlemlerini gerçekleyen eşitlikler ve algoritmalar, dördüncü bölümde eliptik eğri kriptografısinin güvenilirliği ile ilgili bilgiler, beşinci bölümde ise bazı eliptik eğri kriptografisi protokolleri verilmiştir. Tezin altıncı kısmında sahada programlanabilir kapı dizileri (FPGA) ve yedinci bölümde VHDL donanım tanımlama dili ile ilgili genel bilgiler anlatılmıştır. Yedinci bölümde ayrıca, tezin uygulama kısmına ait uygulamanın gerçeklendiği `Xilinx Spartan-3 Starter Kit` ile ilgili bazı açıklamalar yapılmış ve gerçeklenen skaler çarpım bloğuna ilişkin gerçekleme hususları anlatılmıştır. Son olarak sekizinci bölümde teze ilişkin sonuçlar verilmiş ve bazı önerilerde bulunulmuştur. vııı DESIGN of SCALAR MULTIPLICATION BLOCK with VHDL in ELLIPTIC CURVE CRYPTOGRAPHY SUMMARY Elliptic curve cryptography is developed alternatively RSA and DSA public key cryptosystems by Victor Miller and Neal Koblitz in 1985. The security of elliptic curve cryptography depends on discrete logarithm problem defined on an appropriate elliptic curve. The elliptic curve discrete logarithm problem can still not be solved in sub-exponential time. And so, elliptic curve cryptography provides equal security as RSA and DSA cryptography with smaller parameters. Working with smaller parameters is ideal for mobile phones or smart cards which requires high processing speed, power dissipation and smaller memory storage. Furthermore, there are many options for implementing elliptic curve cryptography, because implementation of elliptic curve cryptography is dependent on finite field, algorithms for finite field arithmetic, elliptic curve and algorithms for elliptic curve arithmetic chosen. In the first chapter of this thesis, it is basically informed about cryptography and used techniques and introduced to the elliptic curve cryptography. In the second chapter, finite fields used in elliptic curves and some algorithms for implementing finite field arithmetic, in the third general elliptic curves and equations for elliptic curve point arithmetic and algorithms, in the fourth security aspects of elliptic curve cryptography, in the fifth some elliptic curve cryptography protocols are given. In the sixth chapter, field programmable gate arrays (FPGA) and in the seventh VHDL hardware description language are given. In addition, `Xilinx Spartan-3 Starter Kit` which used in the practical part of this thesis and scaler point multiplication block designed are explained. Finally, in the eighth chapter the conclusion of this thesis is given and some suggestions are proposed. IX 69

ÇOK DEĞERLİ LOJİK FONKSİYONLARIN İNDİRGENMESİ ÖZET Günümüzde kullanılan sayısal entegre devreler, 0 ve 1 ile ifade edilen ikili lojik sistemi üzerine kuruludur. Bu sistemde, entegre devre içinde bulunan transistörler bu iki lojik değeri gerçeklemek üzere iletim ya da kesim durumunda bulunurlar. Bu yüzden devrenin çıkışında görülen seviye ya kaynak gerilimi ya da toprak gerilimi seviyesindedir. Teknolojinin, gelişmesi ve ihtiyaçları karşılayabilmesi amacıyla VLSI devrelerin sahip olduğu transistor sayılan Moore kuralına göre artmakta fakat kullanılacak alanların sabit ya da daha az olması sebebiyle bu transistörlerin büyüklükleri gittikçe azalmaktadır. Transistörlerin üretimindeki büyüklük değerlerinin, kullanılan teknolojinin sınır değerlerine yaklaşması sonucu artan ihtiyaçları karşılamaya yönelik yeni lojik sistemlerin kullanımı gündeme gelmektedir. Ayrıca kullanılan ikili lojik sisteminde, entegre devre içinde, tasarlanan lojik blokların birbirleriyle haberleşmelerini sağlayan ara bağlantıların bu lojik bloklardan kat kat daha fazla alan kaplaması, entegre devrenin yeterince verimli kullanılamaması anlamına gelmektedir. Bütün bu gereksinimler doğrultusunda, günümüzde kullanılan ikili lojik sistemi yerine 'çok değerli lojik (multiple- valued logic)' sistemlerin kullanımı fikri ortaya çıkmıştır. Çok değerli lojik sistemler, lojik değerleri, ikili lojikte bulunan iki değerden daha fazla değerde olan sistemlerdir. Bu sistemlerde, ikili lojik sistemdeki bir sayıyı ifade etmek için kullanılan bit sayısından daha az sayıda bite ihtiyaç duyulur. Bu da tasarlanan lojiğin küçülmesi anlamına gelir. Daha dikkat çekici olan, entegre devre içindeki lojik blokları birbirine bağlayan ara bağlantıların önemli ölçüde azalmasıdır. Bu sayede tasarlanacak lojik için daha fazla alan kullanılabilir yani entegre devre daha verimli hale gelir. İkili lojik fonksiyonlarda olduğu gibi çok değerli lojik fonksiyonlar da indirgenebilir. Bunun için birçok yöntem geliştirilmiştir. Her yöntemde, indirgeme ölçütü olarak maliyetler kullanılır. Bu maliyetler kimi indirgeme algoritması için çarpım terimlerinin sayısı olurken kimisi için de maliyet tabloları kullanılır. Maliyet olarak çarpım terimlerinin sayısını kabul eden indirgeme algoritmaları PLA (Programmable Logic Array) gerçeklemeleri için geçerli olurken maliyet olarak maliyet tabloları kullanan algoritmalar, çok değerli lojik sistemi gerçeklemek için kullanılacak teknolojiye bağımlıdır. Bu tezde, indirgeme yöntemlerindeki minterm ve bileşen seçimi için kullanılan algoritmalar ve çarpım terimleri üzerinde yapılan işlemler, verimlilik ve karmaşıklık kriterleriyle sunulmuştur. İncelenen bu farklı yöntemler fiziksel gerçekleme ve maliyet açısından karşılaştırılmış ve en uygun yöntem bulunmaya çalışılmıştır. MINIMIZATION OF MULTIPLE-VALUED LOGIC FUNCTIONS SUMMARY Traditional digital integrated circuits are based on binary logic system which is expressed with 0 and 1. In this system, the transistors inside the integrated circuits behave like switches, having two states; conducting and non conducting. The voltage that appears at a circuit's output is therefore close to either the power supply voltage or to ground. Amount of the transistors in a VLSI circuit increases with Moore Law in order to the technology to be improved and met the requirements, but the size of the transistors decreases because of the limited area in the VLSI circuit. Because of the size of the transistors in fabrication decreases close to the limitation of the technology used, a new logic system is needed. Besides, with the binary logic system, the interconnections used for communicating the logical blocks occupy more physical area than this logical blocks. This means that the physical area can not be used efficiently. For all this requirements, the idea of using the multiple- valued logic instead of the binary logic arised. Multiple-valued logic systems have more logic values than two as in binary system. In these systems, less bits are required in order to represent a number than the binary system. This means a minimization of the logic circuit. Moreover, the interconnections that is used for communication of the logical blocks decreases considerably. Thus there will be more area for the designed logic. So an efficient implementation can be done. As in the binary logic, multiple-valued logic functions can also be minimized. There are many ways of minimization. Each minimization technique uses costs for minimization. For some minimization algorithms this cost is the number of product terms and for some others this cost is taken from the cost-tables. The algorithms that uses the number of product terms as the cost are used for PLA (Programmable Logic Array) implementation and the algorithms that uses cost-tables depends on the technology used. In this thesis, the selection of minterms and implicants and the operations for product terms in the minimization techniques are examined with the efficiency and complexity metrics. These minimization algorithms are compared by the physical implementation and the cost approach point of view. xi 135

KOMBİNEZONSAL DEVRELERDE TEK TAKILI KALMA HATALAR İÇİN TEST DİZİSİ ÜRETİMİ ÖZET VLSI devrelerin karmaşıklığı, her on sekiz ayda bir tümdevre içindeki tranzistör sayısının iki katma çıkması olarak varsayılan Moore kuralına göre arttıkça test maliyeti, bütün tümdevre üretim maliyeti üzerinde önemli bir faktöre sahip olmaktadır. Test maliyetleri ise test dizisi üretme ve test uygulama işlemlerini içerir. Tarama tabanlı test edilebilir tasarım (DFT) tekniklerinin, bugünkü VLSI devrelerinde oldukça fazla kullanılması ile kombinezonsal devreler için test dizisi üretimi daha da önemli hale gelmektedir. Tarama tabanlı DFT teknikleri, test amaçlan doğrultusunda bir ardışıl devreyi, bir kombinezonsal devreye dönüştürebilir. Bundan dolayı geniş yelpazedeki VLSI devrelerinin test problemini çözmek için kombinezonsal devrelerde test dizisi üretme işlemini etkili bir şekilde yapan test dizisi üreticilerine gerek duyulur. Test işleminde önemli bir konu, test dizisi üretiminde kullanılan hata modelidir. Hata modelinin seçimi için ana gereksinim, hata modelinin, devreler içinde sıklıkla meydana gelen fiziksel hatalardan oluşan fonksiyonel değişimleri kapsayabilecek olmasıdır. Bu tezde, klasik hata modeli olarak bilinen ve kombinezonsal devrelerde tek takılı kalma hatalar için oluşturulan hata modeli incelenmiştir. Tek takılı kalma hatalar için test dizisi üretme aşamaları tanıtılmıştır. Hata katılması, hata aktarımı ve bağlantı doğrulama gibi test dizisi üretme aşamaları ve bu aşamalarda kullanılan yöntemler açıklanmıştır. Kombinezonsal devrelerde tek takılı kalma hatalar için test dizisi üretimi, verilen bir hatayı algılama doğrultusunda devre girişlerindeki uygun lojik atamaların bulunması ile sonlu uzayda arama problemi olarak görülebilir. Arama uzayının büyüklüğü devrenin girişleri ile üstel olarak değiştiğinden dolayı, test dizisi üretme işleminin zaman boyutundaki karmaşıklığının üstel olduğu ispatlanmıştır ve test dizisi üretimini hızlandıracak etkili tekniklerin bulunması önemlidir. Bu yüzden verilen bir hata için test dizisi bulmada kullanılan karar ağaçlan ve karar ağacında yapılan bir arama sırasında test dizisinin bulunmasına rehberlik etmede kullanılan test edilebilirlik ölçüleri önemlidir. Bu tezde, test dizisi üretiminin değişik seviyelerinde farklı karar ağaçları ve SCOAP olarak adlandınlan test edilebilirlik ölçüsü tanıtılmıştır. Lojik devrelerin hata simülasyonu, test dizisi üretme işleminin önemli bir parçasıdır. Hata simülasyonu, hata sözlüklerinin oluşturulması, hataları algılaması için üretilmiş test dizilerinin doğruluğunun kanıtlanması ve lojik hataların konumlarının belirlenmesi için kullanılır. Daha da fazlası, hata simülasyonu, test dizisi ile algılanan bütün hatalann bulunması ile verilen test dizisinin hata kapsamının bulunmasında sıklıkla gereklidir. Hata simülasyonu, devrenin farklı hata durumları altında tasarımcı tarafından incelenmemiş davranışını analiz etmek için uygulanır. Bu tezde, kritik yol takibi tabanlı hata simülasyonu tanıtılmıştır ve test dizisi üretiminde verilen bir test ıxdizisi ile algılanan hataların belirlenmesi için kullanılmıştır. Ayrıca verilen bir test edilemez hata ile algılanan test edilemez hataları belirleyen yöntem, test dizisi üretiminde kullanılmıştır. Küçültülmüş test kümeleri, VLSI devrelerin test uygulama süresini azaltması açısından oldukça önemlidir. Aynı zamanda küçük test kümeleri, test saklama gereksinimlerini küçültür. Bu tezde, hata simülasyonları kullanılarak veya kullanılmadan elde edilen test kümesi için iki farklı test kümesi küçültme yöntemi tanıtılmıştır. Sonuç olarak bu tezde verilen yöntemler ile COM_TEST olarak adlandırılan test dizisi üreticisi, bir bilgisayar programı olarak geliştirilmiştir. COM_TEST farklı devreler üzerinde test edilmiş ve sonuçlar verilmiştir. TEST PATTERN GENERATION FOR SINGLE STUCK AT FAULTS IN COMBINATIONAL CIRCUITS SUMMARY As the complexity of VLSI circuits is increasing at the rate predicted by Moore's law, i.e. transistor count per chip is doubling every eighteen months; testing cost is becoming an important factor in the overall integrated circuit manufacturing cost. Testing cost is incurred by test pattern generation and test application processes. Since the scan-based Design for Testability (DFT) techniques are increasingly used in today's VLSI circuits, test generation for combinational circuits is becoming more important. Scan-based DFT techniques can convert a sequential circuit into a combinational circuit for testing purposes. Therefore a test generator that can efficiently handle combinational circuits is necessary for solving the testing problem for wide range of VLSI circuits. An important issue in testing is the fault model used in test generation. The main requirement for the choice of the fault model is that the modei should be able to capture the change in functionality caused by most of the commonly occurring physical defects in the circuit. In this thesis, a fault model for single stuck at faults in combinational circuits known as classical fault model is examined. Levels of test pattern generation for single stuck at faults are introduced. Fault insertion, fault propagation and line justification levels of test pattern generation and methods used in these levels are explained. Test pattern generation for single stuck at faults in combinational circuits can be viewed as a finite space search problem of finding appropriate logic assignments to the circuit's inputs such that a given fault is detected. Since the size of search space is exponential in the number of circuit's inputs and the test pattern generation problem has been proven to be NP -complete, it is very important to find efficient techniques to speed up the test pattern generation process. Therefore decision trees used in finding a test pattern and testability measures used in guiding to find a test pattern during a search in the decision tree are important. In this thesis, different decision trees in different levels of test pattern generation and testability measure called SCOAP is introduced. Fault simulation of logic circuits is an important part of test pattern generation process. It is used for the purpose of generating fault dictionaries and for verifying the adequacy of test patterns intend to detect and locate faults. Moreover, fault simulation is often necessary to determine the fault coverage of given test pattern that is to find all the faults detected by the test. Fault simulation is also employed for analyzing the operation of a circuit under various fault conditions in order to detect circuit behavior not considered by the designer. In this thesis, critical path tracing based fault simulation is introduced and used in test pattern generation to detect the faults in circuit with a given test pattern. Also a method to detect untestable faults with a given untestable fault is used in test pattern generation. XICompact test sets are very important for reducing the test application time of VLSI circuits. Small test set also reduce the test storage requirements. In this thesis, two kinds of test set compaction methods are introduced for test set which is generated with or without fault simulations during test generation. As a result, a test generator called COM_TEST is implemented as a computer program with the methods given in this thesis. COM_TEST is tested on different test circuits and results are given. xn 96

SAHADA PROGRAMLANABİLİR KAPI DİZİLERİ KULLANILARAK SAYISAL TASARIM KARTI GERÇEKLENMESİ ÖZET Bu tezde, sahada programlanabilir kapı dizileri (FPGA) kullanılarak, çeşitli sayısal donanım uygulamalarında kullanılmak üzere, genel amaçlı sayısal tasarım kartı gerçeklenmiştir. Kartın, donanım tanımlama dilleri (HDL) ve FPGA uygulamaları gibi konularda eğitim amaçlı olarak kullanılması da mümkündür. Sayısal tasarım kartı üzerinde, uygulamaların gerçeklenmesinde kullanılan, programlanabilir devre elemanları, bilgisayar arayüzü, tek ve çift portlu uçucu bellek elemanları gibi temel birimler yer almaktadır. Kart, her türlü sayısal tasarımın gerçeklenebilmesi için esnek ve modüler bir yapıda tasarlanmıştır. Gerçeklenen sayısal tasarım kartı, herhangi bir sayısal tümdevrenin prototip geliştirme sürecinde, tasarım geliştirme ortamı olarak kullanılabilir. Tasarlanan sayısal donanım, FPGA'lara yüklendikten sonra, çeşitli test vektörleri uygulanarak tasarım test edilebilir. Tasarım sırasında oluşacak hataların düzeltilmesi, tasarlanan devrelerin fonksiyonlarının değiştirilmesi veya başka fonksiyonların eklenmesi sayısal tasarım kartının tekrar düzenlenebilir yapısı sayesinde kolaylıkla yapılabilir. Bunun yanında gerçeklenen uygulamanın donanım tabanlı olması, tasarımın hız performansı açısmda oldukça büyük avantajlar sağlamaktadır. Sayısal tasarım kartı üzerinde bulunan iki adet sahada programlanabilir kapı dizisi tasarımcıya toplam, 100.000 kapılık lojik tasarım ortamı sağlamaktadır. Programlanabilir kapı dizilerinin, birbirlerinden bağımsız olarak programlanabilmesi; bağımsız iki tasarımın aynı anda kart üzerinde gerçeklenmesine olanak sağladığı gibi karmaşık tasarımların bu iki programlanabilir kapı dizisi arasında paylaştınlmasma da olanak sağlamaktadır. Kart üzerinde, gerçeklenecek tasarımların gereksinim duyacağı bellek ihtiyacım karşılamak amacıyla tek ve çift portlu bellek elemanları yer almaktadır. Çift portlu bellek elamanları, hızlı bellek erişimleri gerektiren uygulamalarda okuma ve yazma işlenılerinin aynı anda yürütülmesine olanak vermektedir. Sayısal tasarım kartının bilgisayar ile olan arayüzü, bilgisayarın seri haberleşme portu kullanılarak sağlanmaktadır. Bilgisayar arayüzü, tasarımların test edilmesinde kullanılabileceği gibi gerçekleştirilecek tasarımların çalışmaları sırasında ihtiyaç duyacakları kontrolü de sağlamış olur. Kart üzerinde gerçeklenecek tasarımlara işaret alış verişleri, kart üzerinde bulunan 72 pinli 2 konnektör tarafından sağlanmaktadır. Sayısal tasarım; görüntü ve sinyal işleme, çeşitli kodlama ve kod çözme yöntemleri, sayısal filtre tasarımı vb. birçok alanda çeşitli uygulamaların gerçeklenmesinde kullanılabilir. Kartın performans değerlendirmesi için, iki adet örnek uygulama gerçeklenmiştir. Bunlar seri haberleşme birimi ve bulanık kontrolördür. Yapılan vmtestler ile tasarlanan kartın, bu uygulamaları başarıyla gerçeklediği görülmüştür. Tasarım, hiçbir uygulamaya kısıtlama getirmeyecek şekilde esnek ve geliştirilebilir yapıda gerçeklenmiştir. Bu çalışma; sayısal tasarım ortamı geliştirme, tekrar programlanabilir işlem sistemleri ve çok FPGA'lı sistemler konularındaki gelecek çalışmalara ilk adım olacaktır. ıx IMPLEMENTATION OF A DIGITAL DESIGN BOARD BY USING FIELD PROGRAMMABLE GATE ARRAYS SUMMARY In this thesis, an FPGA based, digital design board has been implemented to perform miscellaneous computations and to implement various digital hardware. The board consists of basic blocks such as programmable components, which are used in the implementation of applications, computer interface, non- volatile single and dual port memory elements. The board has been designed in flexible and modular structure so that every kinds of digital design can be implemented. The digital design board can be used as a developing environment in the prototype development cycle of any digital integrated circuits. Designed circuit is loaded into the FPGAs and tested by applying various test vectors and reading the results from the tested design. Reconfigurable structure of the digital design board provides designers with the ability to modify and add circuit functions, besides this, as the application implemented is based on hardware, it provides speed advantage. Two FPGAs on the digital design board provide totally development environment with 100.000 gates. As programmable gate arrays can be programmed independently from each other, this provides to the implementation of two different designs simultaneously on the board as well as the partitioning of complex designs between these two programmable gate arrays. The digital design board has single and dual port memories in order to meet memory requirement of application to be implemented. The dual port memory devices allow the read and write operations from and to same or different address at the same time. Using serial communication port of the computer provides the interface between digital design board and computer. The interface can be used for testing designs and also it provides the control to be required during the work of designs, which will be implemented. Two 72 pin general-purpose header connector provide access to input output signal of FPGAs and can be used as test and user interface. The digital design board can be applied to image and signal processing, digital filter design, cryptographic and string matching problem through reconfigurable structure of the board. In this thesis two sample applications have been implemented which are serial communication unit and fuzzy controller for the performance evaluation of board. These applications have been tested and successful results have been taken. This thesis will be reference for future works on re-configurable computing and multi-FPGA systems. 72