L'ensemble du système matériel pour réaliser le projet UBI a été divisé en quatre sous-systèmes ayant chacun une fonction particulière. Ces quatre sous-systèmes sont :
* Émission des impulsions sonores
* Réception des impulsions sonores
* Communication RF
* Alimentation
La Figure 1 donne un aperçu de la position des différents sous-systèmes dans l'ensemble matériel du projet UBI.
Les deux sous-systèmes d'émission et de réception d'impulsions sonores sont utilisés pour le positionnement du robot. En effet, le premier se charge d'envoyer des signaux sonores qui seront reconnus et captés par le sous-système de réception. Ces informations seront par la suite envoyées au PC via le lien de communication RF, et seront utilisées pour le calcul de la position.
Le sous-système de communication se compose de deux paires d'émetteur et de recepteur RF de façon à pour transmettre de l'information simultanément dans les deux directions. Le système de communication est conçu pour remplacer l'actuel câble de communication RS232 de façon complètement transparente.
Le sous-système concernant l'alimentation comporte deux parties distinctes. Tout d'abord, un circuit qui permet de lire la tension sur la batterie de piles qui sert d'alimentation principale au robot. Aussi, on a un circuit de régulation permettant d'obtenir des tensions régulées pour alimenter les circuits qui vont être greffés au robot, soit la communication et la réception d'impulsions.
2.2 Émission des Impulsions Sonores
Le but de ce sous-système est d'envoyer dans les amplificateurs de puissance des séquences d'impulsions sonores qui seront reconnues par le sous-système de réception. La description du type de signal qui va être reconnu par le circuit de réception est décrit dans la section concernant celui-ci. La figure 2 illustre les principales composantes de ce sous-système.
Tout d'abord, un circuit numérique, nommé Émission d'impulsions/Contrôle de haut-parleurs (EI/CHP), va générer un signal correspondant à une sinusoïde numérique. Le fait d'utiliser un circuit numérique pour générer la sinusoïde nous permet d'obtenir notamment une fréquence et une durée programmables. Ceci est utile dans les cas où l'on voudrait effectuer des ajustement en fonction de l'environnement lors de la mise au point. Par ailleurs, ce circuit va contrôler le multiplexeur analogique qui va permettre de déterminer quel haut-parleur émet l'impulsion. Tout ce circuit va être implanté dans un FPGA, et est développé conjointement avec la compagnie Robo-Kup.
Après l'étage de génération du signal, un convertisseur numérique-analogique convertit le signal en analogique de façon à être amplifié et émis par un haut-parleur. Puis un filtre passe-bas sert de filtre de reconstruction. Le multiplexeur analogique, contrôleur par le circuit EI/CHP dirige le signal vers le bon amplificateur. Finalement, un étage de protection assure l'intégrité de notre circuit, dans le cas de surtensions venant de l'extérieur.
Actuellement, le design du circuit EI/CHP est réalisé par Éric Turenne de la compagnie Robo-Kup, alors que Olivier Hébert de la compagnie CUBIC s'occupe du circuit LDI/IM du sous-système de réception. Le codage du circuit EI/CHP en VHDL est complété et on est actuellement en phase de simulation fonctionnelle. Le tout sera par la suite implanté dans un FPGA de marque Xilinx.
2.3 Réception des Impulsions Sonores
Ce sous-système sert à capter les impulsions sonores qui sont émises par le sous-système d'émission. Les impulsions sont d'abord détectées par un micro. Puis, un filtre passe-bande est utilisé pour éliminer les fréquences qui ne correspondent pas à celle utilisée pour la transmission de nos impulsions. Ensuite, un amplificateur est utilisé pour augmenter l'intensité du signal à un niveau suffisant. Une bascule Schmitt est utilisée pour reproduire un train d'impulsions carrées. Finalement, le circuit LDI effectue son traitement. La figure 3 illustre ce système.
Bloc de Réception des Impulsions Sonores
Filtrage du signal reçu
Pour augmenter le rapport du signal qui nous intéresse au bruit ambiant, nous plaçons un filtre passe bande immédiatement après le micro, nous utilisons des résistances avec les valeurs les plus faibles possibles, nous filtrons les alimentations (47ohms, 0.1uF et 10uF).
Le filtre est du type Butterworth du troisième ordre, voici les calculs pour le filtre passe bas et le filtre passe haut:
Amplification du signal reçu
Afin d'obtenir un signal d'amplitude constante, peu importe la distance de la source d'émission, nous amplifions fortement le signal pour qu'il écrête, ensuite nous le conditionnons avec un Schmitt trigger.
Compte rendu des tests effectués sur le sous-système matériel (analogique) de réception des tics de positionnement:
Le 27 octobre, nous avons effectué des tests dans le local où sont installés les haut-parleurs. Nous avons vérifié la réponse en fréquence des haut-parleurs. Leur puissance maximale est à 3kHz. Cependant, nous pouvons obtenir un signal de bonne puissance (1/2 de la puissance à 3kHz) pour des fréquences de 6, 9 et 10kHz. Nous avons mesuré la durée de l'écho à 140 ms dans le pire des cas, il faudra donc prendre 200 ms comme temps d'évanouissement de l'écho.
Le 28 octobre, nous avons monté et testé le filtre du 3ieme ordre pour une fréquence de 3kHz. Les résultats ne sont pas bons. Le filtre atténue le signal de 3kHz de 12dB ce qui n'est plus suffisant pour la suite.
Le 29, nous avons poursuivi sans le filtre. Nous avons monté et testé le circuit de Schmitt trigger à la sortie de l'ampli. Ce circuit très simple fonctionne relativement bien.
Le 30, nous avons discuté avec le dépanneur de la possibilité de baisser les haut-parleurs, nous sommes montés effectuer des tests avec notre montage et une caisse descendue au sol. Cela améliore le signal reçu. Il nous a suggéré d'utiliser une fréquence plus élevée que 3kHz pour avoir une meilleure immunité aux bruits ambiants. Il conseille aussi d'utiliser un filtre.
Nous avons donc consulté les autres équipes et on nous a conseillé un filtre à condensateurs commutés du quatrième ordre, le MF8. Ce filtre permet même d'amplifier légèrement le signal (2-3dB). Nous le testerons prochainement avec le reste du circuit.
Circuit LDI/IM
Le circuit LDI sert à détecter les impulsions valides et à emmagasiner les temps auxquels le train d'impulsions a été détecté. Ces informations sont ensuites transmises au 6811 par le circuit d'interface au microcontrôleur.
Puis viennent la machine à états qui fait la détection d'une impulsion valide (PVSM). Cette machine à états signale une impulsion valide à la machine à états qui s'assure de l'acquisition (ACQSM) des 4 impulsions nécessaires au calcul de position.
Finalement, les résultats des temps de détection des impulsion sont stockés dans une banque de registres. Ces registres contiennent également les valeurs de constantes qui seront utilisées dans les deux algorithmes des machines à états. Ces registres sont accesibles à partir du 6811 via la machine à états qui permet de faire de l'entrée sortie (IOSM).
Dans le cas où l'on voudrait avoir plus d'un capteur (micro), l'architecture du système est suffisament modulaire pour que la modification soit simple. En effet, on n'aurait qu'à rajouter une instance des deux premières machines à états pour chacun des capteurs. Puis on aurait qu'à rajouter les registres appropriés et modifier l'interfaçage pour tenir compte de ces nouveaux registres.
Détection d'impulsions valides
Comme on peut le voir sur la figure 5, une impulsion valide est en fait un train d'impulsions à une fréquence bien précise. L'algorithme de détection fonctionne comme suit :
-
Lorsque l'on détecte un signal positif à l'entrée du circuit, on
conserve la valeur de l'horloge principale (COUNT1) pour s'assurer
que l'on note le début du train d'impulsions. On met à zéro les compteurs
d'impulsions (UPCNT). On part également un compteur qui calcule une
demi-période (WAITTMR).
Une fois que le compteur de demi-période a atteint la valeur de la demi-période (HALFPER), on vérifie si l'entrée du signal est l'inverse de ce qu'on avait à l'itération précédente. Si tel est le cas, on incrémente le compteur d'impulsions (UPCNT) et on remet le compteur de demi-période à zéro (WAITTMR). Si jamais on n'obtient pas le bon niveau à la demi-période, on revient dans un états d'attente puisque l'impulsion est invalide.
Une fois que l'on a atteint le nombre d'impulsions qui correspond à la longueur d'une impulsion sonore valide (UPLEN), on signale la validité de l'impulsion à la machine à états qui fait l'acquisition des impulsions valides (ACQSM).
Dans les diagrammes de machines à états, on a utilisé les conventions suivantes :
-
* Les conditions de transition sont marquées près des arcs en italique.
* Les actions à effectuer sur une transition sont marquées près des arcs en caractères gras.
* Les actions à effectuer dans un état sont marqués à droite de l'état en caractères gras.
Comme on peut le voir sur la figure 5, une séquence d'impulsions valide
est composée d'une série de quatre impulsions valides. Il y a deux
paramètres importants qui sont illustrés. MINDELAY est le temps minimal
que l'on doit attendre entre deux impulsions avant de déclarer qu'une
nouvelle impulsion fait partie de la séquence. Ceci permet d'éliminer
les problèmes d'écho.
L'autre paramètre est MAXDELAY, qui détermine le temps maximal entre une impulsion d'une séquence et le début de la prochaine. Ceci est utilisé pour s'assurer que l'on obtient quatre impulsions d'une même séquence. En effet, comme les séquences vont être distancées dans le temps par une période plus grande que MAXDELAY, si le compteur atteint la valeur définie par MAXDELAY, cela voudra dire que l'on a manqué une impulsion et donc que notre séquence est invalide.
On va accumuler les temps des impulsions dans des registres temporaires. Lorque l'on va avoir validé notre séquence (donc 4 impulsions valides), on va copier nos registres temporaires dans des registres de transfert. De cette façon, le microcontrôleur ne pourra faire des lectures que sur des données valides.
Le circuit IM permet au circuit LDI de communiquer avec le microcontrôleur 6811. Ainsi, il peut lui communiquer les résultats de l'acquisition. Il peut également recevoir les valeurs des paramètres qui seront utilisés dans ses algorithmes. Comme ces valeurs sont accessibles par le microcontrôleur, on peut modifier le comportement de l'algorithme en ne faisant que des changement au niveau logiciel sans avoir a modifier les circuits existants.
Présentation
Le circuit IM ne sert qu'à interfacer le contenu des registres du LDI avec le bus d'expansion du 6811. Il permet la lecture et l'écriture de différents registres. Son fonctionnement est basé sur le fonctionnement du bus d'expansion qui était disponible sur le 6811.
Bus d'expansion
Le bus d'expansion disponible est très simple. Il ne comporte que 16 signaux. Les 8 premiers sont un bus de 8 bits, qui correspond au port C du microcontrôleur. En plus de ces signaux, on a 4 signaux de sélection de périphérique en lecture (Isel[3:0]) et 4 en écriture (Osel[3:0]). La façon d'activer ces différents signaux est très simple : si on effectue une lecture en mémoire dans des zones bien précises, le signal Isel approprié va être activé. Dans le cas d'un écriture en mémoire, c'est le signal Osel qui va être activé.
Machine à états d'entrée/sortie
La machine d'état a un fonctionnement fort simple, qui illustre bien les opérations qui sont nécessaires pour effectuer une lecture ou une écriture d'un des registres.
Pour effectuer une écriture dans un registre du LDI, on écrit en mémoire à l'adresse $6000 l'adresse du registe que l'on veut écrire. Ceci va activer le signal Osel0. Puis, on écrit à l'adresse $7000 la valeur du registre LDI que l'on veut écrire. Ceci va activer le signal Osel1.
Pour effectuer la lecture d'un registre du LDI, on écrit en mémoire à l'adresse $8000 l'adresse du registre que l'on veut lire. Ceci va activer le signal Osel2. Puis, on lit à l'adresse $9000 la valeur du registre LDI que l'on veut lire. Ceci va activer le signal Isel3.
Pour ce qui est du bus, qui doit être à trois-états, on doit normalement le mettre en haute-impédance pour les trois cas où l'on effectue des lectures. Dans le cas où on doit écrire sur le bus (dans le cas d'une lecture de registre), on écrit sur le bus tant que le signal Isel 3 est actif.
Par ailleurs, on a ajouté un compteur qui se met à compter lorsque l'on commence une opération de lecture ou d'écriture. Lorsque ce compteur atteint une valeur limite, on revient dans l'état initial d'attente. Ceci est pour empêcher les cas où une lecture serait interrompue et que le circuit resterait dans un état d'attente d'une valeur pour effectuer une lecture ou une écriture.
L'implantation du circuit LDI/IM a été architecturée de façon à être réalisée dans un circuit de logique programmable, plus spécifiquement un Field Programmable Gate Array. Le choix de ce type d'architecture est basé sur les arguments suivants : tout d'abord, la réalisation physique d'un circuit comprenant un FPGA est habituellement assez simple. En effet, dans notre cas, il ne faut comme éléments additionnels qu'un circuit d'horloge, un circuit d'alimentation, un circuit de mémoire pour stocker la configuration du FPGA et des condensateurs de découplage. Par ailleurs, cette architecture permet au circuit d'être entièrement reconfigurable en ne reprogrammant que le circuit qui contient la configuration du FPGA, habituellement un EPROM sériel. De plus, les circuits qui sont réalisables avec des FPGAs correspondent exactement aux besoins que l'on a pour réaliser le circuit LDI/IM.
Par ailleurs, une expérience en conception de circuits VLSI basés sur cette technologie nous a poussée vers cette option.
Il est important de noter que ce circuit est développé en collaboration avec la compagnie RoboKup. En effet, la complexité d'un tel projet est telle qu'elle a favorisé une entente de coopération entre les deux équipes pour cette section. Ainsi, CUBIC développe le circuit numérique de réception des impulsions, alors que RoboKup développe le circuit d'émission, encore une fois basée sur un design à FPGA.
Bien qu'il aurait été possible d'utiliser une capture par schémas, il est préférable dans notre cas, vue la complexité de nos machines à états, d'utiliser un langage de description de matériel (Hardware Description Language ou HDL).
Pour le développement d'un tel circuit, avec un échéancier aussi serré, il aurait été plus facile de développer avec le langage AHDL (Altera Hardware Description Langage). En effet, ce langage permet un prototypage très rapide dans les cas où les circuits ne sont pas trop complexes. Toutefois, comme il est propriétaire à la compagnie Altera, il a dû être abandonné vu le fait que nous ne disposions pas de circuits de la compagnie à notre disposition.
Nous avons donc opté pour le VHDL (Very High Speed Digital Integrated Circuit Hardware Description Langage) pour réaliser la description de nos circuits. Ce langage est standard et supporté par un grand nombre de revendeurs de produits de design électronique automatisé (Electronic Design Automation ou EDA).
Outils VHDL/FPGA
Pour réaliser nos circuits en VHDL, nous avons utilisé un certains nombre d'outils différents. Nous avons utilisé notamment :
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* Active-VHDL de Aldec pour l'édition et la simulation
* VSS de Synopsys pour la simulation
* Synthesis de Synopsys pour la synthèse
* FPGA-Express de Synopsys pour la synthèse
* Foundation et Alliance de Xilinx pour le routage du circuit
Actuellement, tout les circuits sont codés en VHDL et les simulations fonctionnelles ont été réalisées et validées. La synthèse des circuits a également été réalisée. Il reste à effectuer les simulations post-synthèses ainsi que le routage du circuit. Ceci va être réalisé dans les jours qui vont suivre.
2.4 Communication Sans-Fil
Le système de communication sans fil est réalisé à l'aide de deux émetteurs et de deux récepteurs RF fonctionnant à 300 MHz. Cela nous permet de réaliser un lien bidirectionnel full duplex à 9600 bauds, de manière à rendre transparente l'utilisation du lien sans fil.
Les émetteurs utilisés ont ainsi été modifiés afin d'être contrôlés par un circuit alimenté par les lignes de transmission du port série. Ceux-ci ont une puissance d'émission de 50 mW leur assurant une portée d'environ 300 pieds, ce qui est amplement suffisant pour les besoins du projet en cours. Les antennes utilisées sont de petite dimension (environ 20 cm), ce qui convient à un système de transmission opérant dans une telle bande de fréquence. Les récepteurs, pour leur part, alimentent des circuits de conversion qui fournissent les signaux nécessaires au fonctionnement du port série.
Jusqu'à maintenant, la conception du système de communication avance rondement. Les circuits sont donc réalisés, bien que quelques modifications y seront apportées dans les prochains jours. Des problèmes techniques sont encore à régler, mais ceux-ci sont en voie d'être éliminés. Le circuit alimentant les émetteurs comporte quelques lacunes, qui diminuent la puissance d'émission disponible. Par ailleurs, certains problèmes d'interférence existent entre les paires d'émetteur/récepteur fonctionnant en direction opposée. En effet, ceux-ci étant situés à proximité les uns des autres, certains problèmes en découlent. Enfin, les expérimentations ont démontré qu'un bon découplage de l'alimentation est nécessaire, car le bruit induit par l'un des deux éléments de communication pouvait avoir un effet néfaste sur l'autre. Des solutions ont été envisagées afin de régler ces problèmes et nous pensons qu'elles seront très efficaces, c'est-à-dire qu'elles devraient les éliminer complètement.
Nous comptons pouvoir intégrer ce sous-système à l'ensemble dès la deuxième semaine de novembre. Des tests seront alors effectués afin de s'assurer que le lien sans fil soit véritablement transparent, c'est-à-dire qu'il réalise exactement le même travail que l'ancien fil du Rug Warrior.
2.5 Alimentation
L'ajout de circuits électroniques supplémentaires sur le robot souleva un problème d'alimentation du fait que ce dernier ne possède qu'une alimentation de 5 v régulé. La circuiterie embarquée nécessitant une alimentation de +12 v et -12 v, il fallut trouver un moyen d'obtenir les tensions désirées avec celle disponible sur le robot et ce en respectant autant que possible les contraintes physiques (volume et poids). L'approche retenue est d'utiliser un convertisseur de tension continue à tension continue.
Les critaires de sélection furent :
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- la tension d'entrée (5 volts)
- double tensions de sortie (+12 v et -12 v)
- le courant de sortie (d'au moins 50 mA)
- dimensions physiques
- la disponibilité
