Projet Formula Students : mise en œuvre des cartes ALTERA DE1

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1 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* prenom.nom@insa-rennes.fr, étudiants 4ESC* IETR- INSA de Rennes, 20 Avenue des Buttes de Coesmes, 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 : 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 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 4 ème 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.

2 - 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) Test carte Altera DE1. Codage et implémentation tant en émission qu en réception Application de visualisation des données capteurs reçues Réalisation des cartes finales et assemblage. Tests d intégration Connaissance du fonctionnement du module tant en émission qu en réception. Tests de portée Connaissance des possibilités de la carte Altera DE1. IP codage /décodage Viterbi Interface RS232 Traitement des données reçues. Gestion de l affichage en temps réel, gestion historique Conception sous Pads. Réglages Présentation du projet. Rapport Présentation 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.

3 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 [ MHz 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 F signal reçue au niveau des stands est définie par : F signal = F émis + F d F d : fréquence Doppler F d = F émis * v * cos( ) / c, V vitesse du véhicule, c vitesse de la lumière l angle d arrivée

4 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 < F d <+ 40,191 Hz. On peut alors définir la bande Doppler à partir de l'étalement Doppler, par : B d = 2 * F dmax soit B d = 2* = Hz L effet Doppler sera négligeable si la bande Doppler est inférieure à la largeur (1/T s ) des lobes principaux du signal modulé. Il faut donc B d << 1/T s, avec T s = 1/D s, D s 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 T s suffisamment grand (c est à dire un débit suffisamment faible) pour que ces décalages soient négligeables devant T s. L ordre de grandeur du retard max étant de 10 s, il faut donc vérifier T s >> 10 s. En considérant les 2 contraintes, effet Doppler et trajets indirects, un débit D s 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.

5 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 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 Mhz, deux modules Radiometrix de référence NiM 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

6 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 [FSIR] Site en ligne [NIM2434] Site en ligne data sheet NIM24