Le service électronique
Mission
Le service électronique assure la conception FPGA, le développement de software embarqué, ainsi que le développement instrumental de systèmes électroniques et de dispositifs expérimentaux originaux permettant d’asseoir et de valider des hypothèses théoriques élaborées par les chercheurs du laboratoire. Ces développements qui sont définis en étroite collaboration avec les chercheurs sont en adéquation avec les objectifs de recherche de l’équipe/du laboratoire à savoir les développements théoriques, méthodologiques et instrumentaux très spécifiques en RQN, RMN ou en cristallographie. Les systèmes développés regroupent de l’électronique analogique, numérique ou mixte pilotée par des couches logicielles et dédiée à la détection des signaux faibles, à l’acquisition des données et au traitement de signal.
L’activité électronique et instrumentation menée au sein du service vise aussi l’amélioration de la sensibilité de l’instrumentation RQN/RMN à travers le traitement et le denoising du signal RQN/RMN. Cette méthodologie consiste à définir, à évaluer et à implémenter sur FPGA ou sous forme logicielle (Java, Matlab,…) des algorithmes de traitement de signal qui visent à éliminer le bruit (SVD, Machine-Learning, Filtrage, …)
Pour réussir sa mission, le service met en œuvre son expertise en conception électronique numérique et mixte pour FPGA/ASIC, en CAO (Cadence, Synopsys, Xilinx, Altera, Altium), en design PCB et en traitement de signal. Il dispose de moyens logiciels (Licence Vivado, licence Matlab,…) et des moyens matériels telles que des cartes de développement (Redpitaya, Zedboard,…) et des composants électroniques.
Le service dispose d’un atelier électronique dédié.
Savoir-faire
Électronique numérique
L’activité principale du service réside dans le développement des systèmes électroniques numériques et de IP (Intelectual Property) pour ASIC ou FPGA dernières générations telles que les AP-SoC (All Programmable SoC) des familles de FPGA Zynq de Xilinx (Technologie 28 nm) en vu d’améliorer la sensibilité et les performances de l’instrumentation RQN/RMN.
Les systèmes technologiques adoptés (tels que les AP-SoC) abritent de la logique programmable et des cœurs ARM intégrés. Ils permettent ainsi de faire des développements hybrides, Hardware et Software, en vu d’obtenir des systèmes électroniques connectés, rapides, Low-Power et disposant d’un haut niveau d’intégration et d’autonomie logicielle et matérielle. Ces systèmes sont parfaitement adaptés pour des applications visées par le laboratoire telles que la spectrométrie RQN ou RMN portable.
L’équipe dispose d’une expertise en conception numérique de circuits intégrés pour FPGA et ASIC et d’une maîtrise de la chaîne de conception numérique.
Les métiers de la conception qui sont maîtrisés s‘étalent de la spécification jusqu’au placement routage (Cadence EDI) en passant par la vérification fonctionnelle (RTL Testbench & Simulation), la synthèse logique et physique (Synopsys DC & Cadence RTL compiler physical synthesis), la preuve formelle (Formality & MkFormal), la DFT (Design For Test), le Flot Low-Power (CPF) et l’analyse statique de timing (Primetime & Tempus).
Électronique analogique
Le service dispose de compétences en développement de systèmes embarqués notamment la maîtrise du flot de conception de cartes électroniques PCB (Printed Circuit Board) HDI (High Density Integration) incluant entre autre des FPGA et des DSP avec Altium Designer.
Instrumentation
Le service entreprend des développements instrumentaux de systèmes complets afin de réaliser des dispositifs expérimentaux originaux destinés aux travaux de recherche du labo tels que la RQN, la RMN.
Dans ce cadre il effectue la mise au point et l’évolution ou la jouvence des instruments existants afin de garantir leur adaptabilité continue aux expériences souhaitées par les chercheurs.
L’équipe procède aussi à la conception de nouveaux systèmes tels que le spectromètre compact RQN.
Logiciel
Le service dispose aussi de compétences en développements Software qui lui permettent de développer des systèmes embarqués complets avec des applications Linux embarquées spécifiques destinées à ses besoins de recherche.
Réalisations
Jouvence et amélioration d’un spectromètre RQN
L’équipe RMN possédait déjà un spectromètre RQN fait-maison avec son logiciel d’interfaçage, d’acquisition et de pulse programmer complètement développés au laboratoire.
En vu d’améliorer le rapport signal sur bruit de ce spectromètre, une nouvelle carte d’acquisition (ADQ 214 à 400MS/s) a été intégrée afin de faire l’acquisition en sur-échantillonnage.
La partie Front-End (Sonde, transcoupleurs, LNA) a été également renouvelée avec notamment l’implémentation d’un système de damping contrôlé par software pour améliorer le ringing de la sonde.
Des améliorations du Logiciel ont été aussi apportées afin de l’adapter à la nouvelle carte d’acquisition en ajoutant notamment le filtrage numérique et la décimation à l’intérieur du software de l’acquisition.
L’ensemble de ces améliorations ont permis de multiplier par 10 le rapport signal sur bruit.
Conception FPGA d’un spectromètre RQN numérique compact
Le service a développé un nouveau spectromètre RQN compact à base de SoC (System On Chip). Ce système embarqué construit autour de la carte Redpitaya est actuellement opérationnel et en cours d’exploitation. Le SoC qui est destiné au FPGA (Field Programmable Gate Array) de la famille Zynq de Xilinx, se compose d’un pulser haute résolution fait maison écrit en langage VHDL (Hardware Description Language), d’un émetteur à base d’une DDS contrôlée en fréquence, en phase et en amplitude, d’un module d’acquisition entièrement numérique et d’un module de debug hardware.
Des applications Linux on été développées pour piloter les différentes parties électroniques du système. La partie acquisition du logiciel d’interfaçage a été déplacée vers le FPGA.
Développement d’une plateforme de vérification fonctionnelle pour la conception FPGA
Afin de vérifier la fonctionnalité des parties FPGA et de disposer d’une plateforme complète comprenant une méthodologie de vérification fonctionnelle qui servira aussi pour les développements futurs, le service a développé un testbench RTL pour la simulation qui contient un ensemble d’éléments tels que les stimulis et les sorties de référence générée par des modèles en langage C. La vérification de la fonctionnalité se fait au niveau cycle d’horloge en comparant automatiquement au bit-près les sorties du DUT (Device Under Test) avec les sorties de référence.
Une validation rigoureuse du système sur cible (Carte FPGA) est aussi effectuée en utilisant une méthodologie de debug qui consiste à faire l’autotest du système.
Traitement du signal
Le service mène aussi une activité de traitement et de denoising du signal RQN/RMN en vu d’augmenter la sensibilité de l’instrumentation RQN/RMN et d’en améliorer le rapport signal sur bruit. Cette méthodologie consiste à définir, à évaluer et à implémenter sur FPGA ou sous forme logicielle des algorithmes de traitement de signal qui visent à éliminer le bruit (SVD, Machine-Learning, Filtrage, …)
Equipe
- CLAUSSE Rémi, Ingénieur de recherche (03 72 74 56 30)
- KACHKACHI Noreddine, Ingénieur de recherche (03 72 74 52 57)