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Centre de Ressources Technologiques en Électronique
CRESITT INDUSTRIE
ETAT DE L’ARTEvolution des technologies des systèmes
d'acquisition et de traitement dans l'embarqué
EP – 10/2018 – v1.0
Réf du document : DT_PPT_EP_EtatArt_v1.0_20181018
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SOMMAIRE
● Introduction : Chaîne de mesure● Technologies des capteurs● Choix entre...
➢ Traitement embarqué: Outils et architectures dédiées➢ Envoi des données : Protocoles
● Compromis: ➢ consommation, ➢ temps réel, ➢ synchronisation des données
● Conclusion
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La chaîne de mesures
Source : National Instrument
Source : Maxim Integrated
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Mesures
Grandeurs physiques → Mesures
Source : Factory System
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Mesures
Mesures → Capteurs
Caméra, photodiode,...
Accéléromètre, gyroscope
Sonde de courant, boussole,
Ultra-sons, capteurs de niveau
Sondes de pression, capteurs de force
Capteur capacitif, inductif, GPS, ...
Capteur à effet hall, PIR, radar,...
Thermistance, capteur IR, ...
Capteur résistif, capteur d'humidité
Microphone
Capteur de gaz
Débimètre
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Nouvelles technos capteurs
Électronique imprimée
● En référence aux techniques utilisées dans l’imprimerie pour produire des composants électroniques flexibles.
● Usages➢ Souvent utilisés pour des composants
passifs (antennes, capteurs, condensateurs, …)
➢ De plus en plus de possibilités pour des composants actifs (Oleds, transistors,…)
Sources : Annuaire électronique imprimée AFELIM 2016https://lejournal.cnrs.fr/articles/demain-lelectronique-flexible
© ARKEMA/PIEZOTECHHaut-parleurs et capteurs
piézoélectriques imprimés souples.
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Nouvelles technos capteurs
Des MEMS ...
● Capteurs MEMs (Micro ElectroMechanical systems): combinaison de mécanique et électronique…
● Capteur SAW : surface acoustic wave
http://www.memsjournal.com/2013/02/mems-based-optical-engine-platforms-market-and-technology-overview.html
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Nouvelles technos capteurs
● Plateforme M&NEMs du CEA LETI
● Technologie SOI● Industrialisation
prochaine prévue (https://www.minatec.org/fr/mnems-leti-bientot-a-portee-de-marches/)
… aux NEMs
Image:http://soiconsortium.eu/wp-content/uploads/2016/01/SOI_Consortium-Jan_2016-MEMS_-at_heart_of_MtM-CEA_public.pdf
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Nouvelles technos capteurs
● En savoir plus sur les capteurs, les nouveaux matériaux ?
➔ Dossiers de veille téléchargeables sur http://www.cresitt.com/veille-technologique-2/ :➢ Veille technologique « Métrologie et
instrumentation environnementale 2015 »➢ Veille technologique « Électronique et nouveaux
matériaux 2017 »
➔ Présentations des Séminaires de 2015 et 2016 : http://www.cresitt.com/seminaires/
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Mesures
● Signaux délivrés par les capteurs➔ Capteurs « actifs » : à effet piézoélectrique,
d’induction électromagnétique, photoélectrique, Hall, ...
➢ Génération d’une tension, d’une charge ou d’un courant
➔ Capteurs passifs➢ Impédance variable → « conditionnement »
nécessaire (montage potentiométrique, ponts, amplification)
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Mesures
● Amplification et numérisation➔ Solutions discrètes :
➢ Pont de Wheatstone, ➢ Montages avec AOP
➔ Solutions de circuits intégrés
Source : TI, PGA308 datasheet
Source : TI, ADS1247 datasheet
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Mesures
● Avantages du CI: ● Plus compact, prend moins d'espace sur le
circuit imprimé● Programmable● Optimisé (consommation,bruit, performances)
● Inconvénients :● Moins flexible / adaptable● Dépendance du fournisseur
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Mesures
● En savoir plus sur les différents capteurs et leurs conditionnements, livres en prêts disponibles au CRESITT :
● Traitement du signal ● Voir présentation de PRISME
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Les choix
SYSTÈME
TRAITEMENTEMBARQUÉ
ENVOI DES DONNÉES
● Outils logiciels● Architectures
● Protocoles de communication
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Traitement : Outils logiciels dédiés
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Traitement : Architectures dédiées
● DSP● FPGA ● ASIC ● Microcontrôleurs, microprocesseurs ● Hybrides :
● Micro avec accélérateurs / parties câblées● Analogique / logique / microcontrôleurs (PSoc)● FPGA avec microcontrôleurs et MAC câblés
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Architectures dédiées
Source : XILINX, White paper WP505 (v1.0) October 2, 2018
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Architectures dédiées
● FPGA / Architectures hybrides :● logique programmable● émetteurs récepteurs jusqu’à 5Gb/s ● Hard Processor System à base d’ARM A9● Copross NEON SIMD / FPU● Blocs DSP● Bloc RAM
Xilinx ZYNQ 7000Low cost 50€ à 140€Middle range 180€ à 2300€
FPGA 28 nm Cyclone® V Altera/IntelEntre 55 et 185$
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Architectures dédiées
● FPGA / Architectures hybrides :● Exemple :
● FPGA Cyclone® 10 Intel● Multiplieur 18x18 câblé ● Processeur NIOS II● Entre 13 et 20$
Source :https://www.intel.com/content/www/us/en/products/programmable/fpga/cyclone-10/lp/features.html
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Architectures dédiées
● FPGA / DSP / Archi hybrides :
● Exemples : FPGAs de Micro-semi / Microchip● SmartFusion 2 (entre 20 et 50€) ● PolarFire (~300€) : co processeur
crypto, transceiver 12,7Gb/s
Source : www.microsemi.com
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● RK3399 Pro avec Co-processeur neuronal chez RockShip (2 CORTEX A72, 4 CORTEX A53, + GPU)
● Micro avec co-proc ou DSP intégrés : accélérateur graphique, video , … (QualComm, NXP, TI, Renesas, Broadcom...)
Source : ELECTRONIQUES N°76 Septembre 2018
Note : SITARA AM3358 de TI ARM Sur cartes BEAGLEBONE plateforme Linux
(formation CRESITT)
Architectures dédiées
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WAN
WAN
Source : http://www.inov360.com/blog/reseaux-sim-less-le-nouvel-eldorado-du-m2m-et-de-linternet-des-objets-2/
Envoi des données : Protocoles
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Critères de choix Quantité
de donnée
Fréquencedes envois
Bande passante
Autonomie Topologie réseau
Distance
Cadre normatif
Réactivité / Fiabilité Bi-directionnel
Sécurité
Coût
Protocoles
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Source: https://www.edn.com/design/systems-design/4440343/Low-power-wide-area-networking-alternatives-for-the-IoT
Protocoles
100mW50mW
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OUTILS disponibles au CRESITT
- Simulations d’antennes (FEKO d’ALTAIR)- Adaptation d’antennes (2 VNA)- Mesures d’antennes et diagrammes de rayonnement
FORMATIONS15 Novembre : Choix et adaptation d’antenne
Systèmes communicants
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Compétences en design et mesures d'antennes du CRESITT + Compétences en mécanique et fabrication additive (métal) du CETIM CVL
= Réalisation d’un POC d'antenne spécifique
● Conçue en simulation avec le logiciel FEKO (ALTAIR) au CRESITT● Fabriquée avec les moyens du CETIM CVL
● Qualifiée par des mesures en chambre au CRESITT
Projet
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Compromis ?
CONSOMMATION ÉNERGÉTIQUE
TEMPS RÉEL
COMPROMIS
SYNCHRONISATION DES MESURES
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Compromis consommation
Eléments de consommation énergétique :
● Consommation des circuits = statique (courants de fuite, dépend de la techno du circuit) + dynamique (dépend de l’activité)
Source : Wissem Benali. Modélisation et optimisation de la consommation énergétique d’un système de communication Wi-Fi. Electronique. Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique, 2017. Français. <NNT: 2017IMTA0041>. <tel-01781321. https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01781321/document
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Bluetooth: 3,6V, courant consommé ~30mA (moyenne TX à +2dBm / RX) => ~110mW ; échanges sur 2 slots = 1,25 ms (transfert de 28 octets utiles) => on est bien de l’ordre de 0,2 mJ
Source: https://fr.slideshare.net/MaartenWeyn1/overview-of-low-power-wide-area-networks
SigFox : 3,6V ; 54mA à +14dBm => ~200mW ; temps de transmission : ~2s => de l’ordre de 500mJ pour 12 octets transmis
Compromis consommation
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Mesures de consommation possibles au CRESITTKEYSIGHT N6705 (avec module 20W et 300W)
Compromis consommation
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100,00E+00
1,00E-02
2,00E-02
3,00E-02
4,00E-02
5,00E-02
6,00E-02
Consommation Modem SigFox
Courrant Moyen
Temps (s)
Co
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nt (
A)
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Compromis Temps réel
Temps réel :
● Suivant les contraintes, pas forcément le choix● Prise en compte du délai des transmissions:
➢ De quelques ms (Bluetooth, WiFi)➢ Dépend de l’accroche au réseau pour 4G/5G➢ A plusieurs secondes/minutes (SigFox et plus
généralement limitations sur la bande 868MHz)
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Compromis synchronisation
● Synchronisation des mesures
● Problématique : données collectées par de nombreux capteurs avec des temps de mesure, de réponse, de pré-calcul et de transmission différents→ comment resynchroniser les datas pour pouvoir faire un traitement à posteriori pertinent ?
● Solution : timestamp , RTC, synchro par GPS , protocole Ethernet / PTP …
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Conclusion
● Bien évaluer les besoins et contraintes de son projet/application
● Prendre en compte la chaîne complète : du signal au PC
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Exemple : Ultra96● MPSoC Zynq UltraScale+ de Xilinx,
● architecturée autour de
➢ 4 cœurs Arm Cortex-A53,
➢ 2 cœurs Cortex-R5,
➢ 1 GPU Arm Mali-400 MP2
➢ 1 matrice de FPGA
● ~ 250 $
http://www.lembarque.com/farnell-propose-la-carte-de-developpement-ultra96-calibree-pour-lapprentissage-automatique_007871
Plateforme de développement orientée IA
Conclusion & ouverture…
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Conclusion & ouverture…
Source: https://www.renesas.com/us/en/solutions/key-technology/e-ai.html
En savoir plus sur l’IA dans l’embarqué ?Dossier de veille bientôt disponible sur
http://www.cresitt.com/veille-technologique-2/
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Contact
Elisabeth PATOUILLARD
CRESITT Industrie, Lab’O, 1 avenue du Champ de Mars, CS 30019, 45074 Orléans Cedex 2
02 38 69 82 60 / 06 95 12 51 76