Mise en oeuvre des cartes ALTERA DE1

CCMO
Projet Formula Students : mise en œuvre des cartes ALTERA DE1
F. Nouvel, J-C. Prévotet, C. Cabel*, G. Droin*, P-L. Jolicard*, V. Laporte*, R.
Fabien*, C. Stoyanov*, Y. Clément*
[email protected], étudiants 4ESC*
IETR- INSA de Rennes, 20 Avenue des Buttes de Coesmes, 35043 Rennes
Résumé : Cet article traite de la réalisation d’un système de contrôle à distance d’un véhicule de
type Formule3. Le système réalisé est composé de deux ensembles :
x Une première partie Emetteur embarquée dans le véhicule. Elle est constituée d’un FPGA
Cyclone/carte DE1 collectant les données issues des capteurs et interfacée à un
modulateur de type FSK
x La deuxième partie Récepteur constituée elle aussi d’un démodulateur FSK et pour la
partie numérique d’un FPGA Cyclone/carte DE1.
L’objectif de ce projet est de répondre aux demandes de la course Formula Student (FSIR) et
de mettre en pratique des notions d’électronique abordées lors du cursus étudiants ESC. Ce
projet permet aussi d’évaluer les capacités des cartes DE1 de ALTERA.
Mots clé : architecture FPGA, transmission sans fil
I. Introduction – Organisation du projet
La Formula Student INSA de Rennes (FSIR) [FSIR] est une association créée en 2007 par les
étudiants INSA. Le challenge FSIR est une compétition automobile internationale destinée aux
écoles d’ingénieurs de mécanique et électronique. Les étudiants doivent concevoir et réaliser un
monoplace de type Formule 1, alliant les aspects écologiques, novateurs, sécuritaires et
performances.
Dans le cadre de la formation des étudiants ESC de l’INSA de Rennes, les projets électroniques
de 4ème année sont l’occasion pour les étudiants de réaliser des applications concrètes mettant en
pratique l’ensemble des notions abordées au cours de la formation INSA : traitement numérique
et du signal, conception numérique, télécommunications, antennes, lignes de transmission,
électronique haute et basse fréquence, …. Par ailleurs, il leur est nécessaire d’acquérir des
compétences non abordées dans leur cursus. Le sujet élaboré par les étudiants répartis en groupe
de 6 à 8 élèves en lien avec les enseignants leur permet aussi d’aborder les notions de gestion,
planification et budget.
Ce projet Formula s’inscrit dans ce double cadre, répondre aux attentes des participants tout en
mettant en œuvre les notions d’électronique. Il se déroule en deux phases :
-
Phase I : étude, spécification du système à réaliser. Cette phase d’une durée de 20 heures
a pour objectif de définir les différentes parties du système, les solutions, l’organisation en
terme de déroulement de projet, les risques.
P23
CCMO
-
Phase II : réalisation et test du système. Cette phase d’une durée de 60 heures peut être
décomposée comme suit :
Travail
Résultats attendus
Durée
Répartition des tâches- définition des interfaces
Liste des tâches et interfaces entre les sous-modules
4
Test unitaire des différents composants analogiques
(modulateur, démodulateur, capteurs)
Connaissance du fonctionnement du module tant en
émission qu’en réception. Tests de portée
12
Test carte Altera DE1. Codage et implémentation
tant en émission qu’en réception
Connaissance des possibilités de la carte Altera DE1.
28
IP codage /décodage Viterbi
Interface RS232
Application de visualisation des données capteurs
reçues
Traitement des données reçues. Gestion de
l’affichage en temps réel, gestion historique
Réalisation des cartes finales et assemblage. Tests
d’intégration
Conception sous Pads. Réglages
Présentation du projet. Rapport
Présentation
10
4
2
Dans la première partie de l’article, nous allons décrire le projet dans son ensemble. Nous
préciserons notamment les différents choix, les composants, ainsi que les liens entre les différents
modules. Nous détaillerons ensuite chacun d’eux. Les résultats illustreront le fonctionnement du
système.
II. Principe général du système de contrôle - Choix des paramètres
Les sollicitations de la FSIR portent sur un système d’analyse fine du comportement de la voiture
Formule 3 depuis les stands. Il s’agit d’avoir un dispositif permettant de visualiser les données
des capteurs de la voiture sur un ordinateur ou système autonome afin d’affiner ses réglages et
déceler des anomalies du véhicule. Les informations doivent être transmises périodiquement. Les
données des capteurs sont : température, accéléromètre, vitesse, angle du volant, pédale de frein,
régime moteur, suspensions. Le rafraîchissement dépend de l’importance de l’information.
En ce qui concerne le circuit emprunté par le véhicule, celui-ci fait environ 800 m. Au vue du
tracé, cela se traduit par une distance maximale voiture aux stands de 400 m. Cette information
est non négligeable dans le choix de modulateur/démodulateur.
Au stand, la visualisation des données, doit pouvoir se faire à partir d’un ordinateur portable via
une connexion USB avec la carte finale et/ou via une carte SD.
La Figure 1.a représente les fonctions réalisées sur le véhicule, la Figure 1.b celles qui se
déroulent au stand.
P23
CCMO
Figure 1.a : Fonctions sur le véhicule
Figure 1.b : Fonctions au stand
1Choix de la modulation et bande de fréquence: plusieurs bandes sont possibles. Vis à vis des
débits requis et de la portée, la bande de fréquences ISM [433.05 MHz – 434.79 MHz] est
retenue avec une fréquence centrale de 434,075MHz et une modulation de type FSK. La
puissance d’émission devra respecter les normes ISM (< 10 mW).
2
Portée du signal émis : la distance maximale entre la monoplace et les stands est de 400m. Des
antennes de type ¼ d’onde sont choisies car répondant à cette limite conjointement avec la
puissance d’émission et le modulateur.
Effet Doppler : il est important de ne pas omettre celui-ci. S'il est trop important, la fréquence de
décalage apportée par cet effet provoquerait une réception hors bande du filtre de réception du
démodulateur. La fréquence Fsignal reçue au niveau des stands est définie par :
Fsignal = Fémis + Fd
Fd: fréquence Doppler
Fd = Fémis * v * cos(D) / c ,
V vitesse du véhicule, c vitesse de la lumière
D l’angle d’arrivée
P23
CCMO
La fréquence Doppler varie alors en fonction de la position du véhicule sur le circuit, sa vitesse
(100 Km/h maximale). Elle est comprise entre - 40,191 Hz < Fd <+ 40,191 Hz.
On peut alors définir la bande Doppler à partir de l'étalement Doppler, par :
Bd = 2 * Fdmax soit Bd = 2* 40.191 = 80.382 Hz
L’effet Doppler sera négligeable si la bande Doppler est inférieure à la largeur (1/Ts) des lobes
principaux du signal modulé. Il faut donc Bd << 1/Ts, avec Ts = 1/Ds, Ds étant le débit du signal
utile.
Effets des trajets indirects : lorsque la monoplace va émettre, les ondes vont se propager selon un
trajet direct mais aussi se réfléchir sur le sol ou sur des bâtiments ou obstacles. Les ondes arrivent
donc au niveau du récepteur avec un angle différent suivant la trajectoire des ondes. Ceci va
apporter un Doppler différent pour chaque onde. Ces trajets multiples et ces retards dépendent du
canal de transmission. Pour limiter ces effets, il est nécessaire de choisir Ts suffisamment grand
(c’est à dire un débit suffisamment faible) pour que ces décalages soient négligeables devant Ts.
L’ordre de grandeur du retard max étant de 10 s, il faut donc vérifier Ts >> 10 s.
En considérant les 2 contraintes, effet Doppler et trajets indirects, un débit Ds de 10 Kbits/s est
retenu. Celui-ci est suffisant pour l’application.
Traitement des données numériques : les données issues des capteurs doivent être codées et
encapsulées dans une trame avant modulation. Après démodulation, les données doivent être
traitées et transmises au PC pour affichage. Ces traitements numériques sont assurés au travers
d’un composant Cyclone II des cartes ALTERA DE1 [ALTDE1]. Ce composant dispose de
suffisamment de ressources pour implanter le système complet. L’interface RS 232 sera utilisée
pour communiquer avec le PC. Plusieurs périphériques sont disponibles sur la carte : afficheurs,
leds, connecteurs GPIO, mémoires externes.
Les modules Emission et Réception sont décrits dans les paragraphes suivants. L’ensemble est
représenté sur la Figure 2.
P23
CCMO
Figure 2 : Modulateur / Démodulateur FSK et cartes DE1 associées réalisés.
III. Emission- Traitement des capteurs et modulateur FSK
III.1 Traitement des données capteurs – carte DE1
Le FPGA Cyclone 2EP2C20F484C7 de la carte DE1 [ALTDE1] dispose de 18752 LE, 266
registres et 52 multiplieurs. Il intègre la partie mise en forme des données capteurs, mise en trame
et codage. Cette partie occupe 584 LE, soit 3% du FPGA ainsi que 68 des 315 broches
disponibles. Bien que sous-utilisé, le FPGA pourrait être exploité pour d’autres fonctionnalités à
bord du véhicule. L’ensemble a été développé en VHDL.
III.2 Modulation / Démodulation FSK
Pour réaliser la transmission sans fils avec
une FSK à 434.075 Mhz, deux modules
Radiometrix de référence NiM2-434.650-10
sont retenus [NIM2434]. Les canaux sont
espacés de 25KHz. De puissance de sortie de
11 dBm maximum, ils acceptent et génèrent
un signal numérique de 3 V typique. Les
modules émission/réception sont identiques,
ils peuvent être aussi bien utilisés en
émission quand réception. Ce module est
présenté en Figure 3.
Figure 3 : modulateur NiM2434
P23
CCMO
IV. Réception Traitement des capteurs et modulateur FSK
IV.1 Démodulateur
Celui-ci fait un traitement symétrique à l’émetteur. Doté d’une même antenne, il fournit les
données à la carte DE1. Des tests de transmission ont permis d’atteindre des portées de plus
de 200 mètres en espace libre mais sans déplacements.
IV.2 Traitement des informations reçues
Après la désencapsulation, les données sont transmises au PC via le lien RS232. Celui-ci
permet d’externaliser le stockage et le traitement des données pour affichage, historique, …Le
débit du lien est de 9600 bit/s. Cette partie traitement numérique développée en VHDL
requiert 2% des ressources LE du Cyclone et 34 des broches du composant. On pourrait
envisager plusieurs extensions au système actuel sur la carte DE1 tel que l’intégration d’un
NIOS, l’affichage sur écran associé à la carte, l’interfaçage avec une carte de type SD ou
USB. Ces extensions permettraient de s’affranchir du PC.
Par ailleurs, un codeur convolutif de rendement ½ protège les données à l’émission. Simple à
mettre en œuvre, le décodeur est nettement plus complexe. L’IP VITERBI de ALTERA a été
implantée pour effectuer ce décodage. Les ressources nécessaires à l’implantation dépendent
de la longueur de contrainte du code, du rendement de code. La fréquence maximale de
fonctionnement est de 180 MHz. L’IP a été testée séparément mais non utilisée dans la
version finale du système.
Concernant l’interface utilisateur sur le PC, celle-ci permet de visualiser graphiquement les
150 dernières valeurs stocker dans un fichier. Elles représentent la vitesse, l’angle du volant,
le régime moteur, les suspensions, l’accéléromètre, la pédale de frein, et la température.
V. Conclusion
Tout au long de ce projet, les étudiants ont pu mettre en pratique les compétences acquises
lors de leur cursus de formation ; de l’électronique numérique pour la partie émetteur à
l’électronique haute fréquence pour le modulateur/démodulateur et les antennes. Un autre
aspect, moins technique, est l’organisation du groupe. Répartis en 3 sous-groupes autonomes,
chacun a su cependant s’interfacer avec les autres pour aboutir à la solution finale. C’est un
point non négligeable pour leur futur métier d’ingénieur.
VII. Références
[ALTDE1] Site en ligne http://www.terasic.com/downloads/cd-rom/de1/
[FSIR] Site en ligne http://fsir-insa.fr/actualites.php
[NIM2434] Site en ligne http://www.radiometrix.com, data sheet NIM24
P23