Mise en œuvre simple : diapason par RADAR

Ayant validé les principes de CoGen dans le cas de flux à une dimension et le fonctionnement du convertisseur (section 5.1), nous avons souhaité réaliser une application plus ambitieuse. Celle-ci reprend le but de l’application présentée en 4.5, à savoir observer le déplacement d’un bras de diapason musical, mais en lieu et place de la mire et d’une caméra, nous avons utilisé un capteur à onde élastique de surface dont le retard de l’écho est fonction de la contrainte, soudé sur une des branches du diapason (présenté en vignette de la figure 5.5).

5.2.1 Principe de fonctionnement

L’interrogation du capteur est réalisée sans fil par une liaison radio-fréquence, au travers d’une antenne connectée à celui-ci. Le mécanisme d’interrogation dispose d’une seconde antenne. L’interrogation d’un tel composant se fait en deux temps :

<?xml v e r s i o n ="1.0" e n c o d i n g="u t f −8"?>

. . . <t i m i n g s > <t i m i n g d i r ="out " f r e q ="FREQ_SAMP/4" p a t t e r n ="1(∗) " /> </t i m i n g s > <param name="FREQ_SAMP" d e f a u l t ="500" /> <r e s o u r c e s > <r e s o u r c e t y pe="PLL_ADV" amount="1" /> <r e s o u r c e t y pe="SERDES" amount="18" /> <r e s o u r c e t y pe="IODELAY" amount="18" /> </ r e s o u r c e s >

. . .

Figure 5.3 – Fichier de configuration du bloc HMCAD1511 pour une configuration deux voies. L’utilisateur peut, lors de la construction de la chaîne fournir la fréquence d’échantillonnage (balise param), la fréquence fournie pour la sortance est calculée sur la base de l’information fournie par l’utilisateur et est divisée par 4 en accord avec les caractéristiques de ce mode. Deux balises interfaces contiennent chacune quatre balises interface correspondant à 4 des 8 sorties de l’ADC fournies, là encore, en respectant les caractéristiques du convertisseur.

1. dans un premier temps, le capteur est activé par l’envoi d’un signal à 2.4 GHz. La durée de cette charge est d’environ 50 ns ;

2. dans un second temps, après l’arrêt de l’émission, le capteur va se décharger. Le signal émis contient plusieurs échos dont le retard est directement lié à la contrainte appliquée.

0 500 1000 1500 2000 0 50 100 150 200 250 U.A. frequence 10MHz 80 100 120 140 160 180 0 50 100 150 200 U.A. echantillons 50 points

Figure5.4 – Résultat de l’acquisition d’un signal sinusoïdal d’une fréquence de 10 MHz avec une fréquence d’échantillonnage de 500 MHz. Bas : représentation fréquentielle du signal échantillonné. En vignette, représentation temporelle.

La réponse du capteur est démodulée pour obtenir un flux I/Q de 100 MHz de bande passante ; ces deux informations sont ensuite numérisées par leHMCAD1511 à une fréquence de 500 MHz.

Cette application (figure 5.5) est principalement analogique. La partie numérique effectue les traitements suivants (figure 5.6) :

– la gestion du switchZASWA-2-50DR utilisé pour basculer entre le mode émission et le mode réception du RADAR impulsionnel avec une durée de transition de 50 ns ;

– la conversion du flux de données ;

– la propagation d’un sous ensemble de données. Le flux continu de l’ADC n’est pas pertinent dans cette application : seul un certain nombre de données contigües doit être conservé. Les données importantes débutent après le passage du switch en mode réception et finissent au bout d’un temps correspondant à la durée de décharge du capteur ;

– le stockage de la totalité de ses données ou de certaines particulières ;

IQ demodulator HMC597 HMCAD1511 ADC FPGA Spartan6 iMX27 CPU 40 dB gain RF LO ZX60−272LN−S+ 13 dB gain dual chan. 500 MS/s ZASWA−2−50DR+ delay line voice coil synthesizer 443 Hz 500 MHz synthesizer Agilent network frequency = 2.47 GHz analyzer with 0 Hz span

ADC/FPGA clock

tuning fork

+3 dBm

+16 dBm _{+7 dBm}

Figure5.5 – Schéma complet de l’application d’interrogation de capteur.

5.2.2 Implémentation

Compte tenu de l’aspect rafale des données reçues, qui doivent être synchrones avec le début de la décharge de la ligne à retard et connaître la fin de celle-ci, un nouveau type d’interface a été ajouté à CoGen. Cette interface, qui est une variante de l’interface de type complexe (deux signaux de données ainsi qu’un signalenable), ajoute un signal de contrôle de fin de rafale.

La partie numérique de la chaîne, représentée sur la figure 5.6, contient 5 blocs : – le bloc initial de conversion du flux issu du convertisseur analogique-numérique ;

– un bloc qui gère le switch pour le mettre en émission pendant une durée de 50 ns, puis le mettre en réception et transférer les données du convertisseur. Ce bloc est configurable, lors de la construction de la chaîne, pour fixer la durée entre deux phases d’acquisitions. À la fin d’une rafale, en même temps que la propagation de la dernière donnée, ce bloc met à l’état haut le signal de fin de transfert ;

– un bloc qui stocke directement les données qu’il reçoit. Ce bloc est une variante utilisée dans le cas de l’interrogation par méthode optique (caméra) à la différence qu’il stocke des données de type complexes et qu’il se base sur la fin de transfert pour garantir le stockage/transfert d’une rafale dans sa globalité et ainsi éviter que les données reçues par le processeur ne correspondent à la fin d’une rafale puis au début de la suivante ;

– un bloc qui compte le nombre d’échantillons pour n’en conserver qu’un sur l’ensemble et le transférer pour stockage. Ce mode est représentatif du cas où l’on ne s’intéresse pas à l’ensemble de la réponse du capteur mais uniquement aux caractéristiques d’un des échos représentatifs du champ de contrainte observé par la jauge. Sa sortie est une interface de type complexe classique ne comportant que deux bus (un pour le I et l’autre pour le Q) ainsi qu’unenable. L’absence du signal de fin s’explique par la nature même du flux. En effet contrairement au bloc précédent, ce n’est plus l’ensemble de la décharge qui est à étudier mais bien les évolutions successives d’une résonance particulière ;

mais pour le stockage d’un flux I/Q sans notion de début ou de fin de transfert. switch rafale_to_ram wishbone data_to_ram wishbone hmc_conv SP_VISION iMX27 APPLICATION hmcad1511 SPARTAN6 sw_flow_conv data_extract wishbone

Figure 5.6 – Schéma de l’application FPGA dans sa globalité, comportant un bloc initial (HM- CAD1511), un bloc dont le rôle est de piloter le switch pour charger la ligne à retard puis de transfé- rer au(x) suivant(s) l’ensemble des points correspondant à la décharge du capteur, un bloc terminal pour le stockage de la rafale, un bloc dédié à l’extraction d’un point particulier et finalement un second bloc terminal utilisé pour le stockage d’un nombre configuré de points correspondant à un point particulier de la décharge.

Grâce aux deux blocs terminaux présents, cette application présente deux modes de fonctionnement :

1. un premier mode qui stocke l’ensemble des données de la décharge du capteur permettant ainsi de sélectionner une résonance particulière (figure 5.7 partie gauche) ;

2. un second mode qui va prendre un échantillon particulier après le passage du switch en réception : le délai est sélectionné à partir de l’information fournie depuis le processeur à partir de la représentation du premier mode (figure 5.7 partie droite). Ce second mode permet de voir précisément l’évolution temporelle de la contrainte appliquée au capteur.

5.2.3 Résultats

Après stockage des résultats dans le mode d’acquisition d’un point par décharge (second mode) et post-traitement, nous obtenons la figure 5.8, représentative de la réponse impulsionnelle du diapason dans les domaines temporel (en vignettes) et spectral.

En comparaison de la méthode optique, nous obtenons les deux résonances (à 440 Hz et 10143 Hz), une à 40714 Hz absente dans le cas de la méthode optique du fait du débit limité de la caméra mais nous pouvons également voir une résonance à 5465 Hz, absente de la courbe 4.25 : nous n’avons pu trouver de réponse à cette différence mais faisons l’hypothèse d’une dépla- cement du bras du diapason colinéaire aux franges (et donc indétectable par inter-corrélation).

measurement at point 700 µ excitation pulse 4.096 s I Q 0 50 100 150 200 250 0 500 1000 1500 2000

returned signal value (bits)

point number (a.u.)

I Q 90 100 110 120 130 140 150 160 0 500 1000 1500 2000

returned signal value (bits)

point number (a.u.)

(a) (b)

Figure 5.7 – Courbes observées : à gauche, représentation temporelle de la décharge du capteur avec ses 8 résonances. À droite, affichage d’une suite d’échantillons correspondant au point 700

( 1

500M Hz∗ 700 = 1.400µs) après la charge du capteur.

Cette application nous permet d’obtenir une interrogation à 250 kHz et donc une bande passante de la mesure de la contrainte de 125 kHz, uniquement limité par le temps de décharge du capteur (4µs).

Dans le document Générateur de coprocesseur pour le traitement de données en flux (vidéo ou similaire) sur FPGA. (Page 118-123)