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Mise en place d’un démonstrateur grand public
de multiplexage en longueur d’onde
Asservissement de la phase d’un laser
DUT Génie électrique et informatique industrielle Tuteur en entreprise Tutrice pédagogique
M. Villemejane Michel Notarangelo Mme Guihard [email protected] [email protected] [email protected]
Semestre 4 - Stage Avril-Juin 2015 - Département GEII - IUT Créteil-Vitry
2
Remerciement
De nombreuses personnes m'ont aidé durant ces dix semaines, certaines plus que
d'autres mais je tiens à toutes les remercier pour leur soutien.
Je tiens à remercier M. AVIGNON ainsi que M. LEJEUNE pour leur disponibilité tout au
long du stage. Je tiens également à remercier Mme GUIHARD, ma tutrice pédagogique,
ainsi que l'IUT de Créteil-Vitry pour m'avoir formé pendant ces deux années de DUT. Je
remercie l'Institut d'Optique pour avoir mis à ma disposition tout le matériel
nécessaire à mes projets.
Enfin je tiens tout particulièrement à remercier M. VILLEMEJANE de la confiance
qu'il a su m'accordé et qui m'a permis de suivre ce stage dans de bonnes conditions, de
découvrir une prestigieuse école d'ingénieurs ainsi que ses enseignants et étudiants très
accueillants, de découvrir de nouveaux domaines : l'optique et la photonique, de
participer à la vie de l'école, mais surtout pour ses précieux conseils et astuces
d'électronicien et informaticien confirmé.
3
Abstract
My ten weeks training I spent at the Optical Intitute in Palaiseau were dedicated
to two separate projects. The first one was to come in help of a researcher team who
needed to accelerate their application which was the optimization of the phase of a laser.
My second project was the setting up of a wavelength-division multiplexing public
demonstrator. The main goal of that project was to build an application in order to be
able to demonstrate the use of light in high speed data transmissions. For both of those
projects, I had to program a Microchip PIC microcontroller - a commonly used
component in embedded systems - and make good use of my electronic skills. At the end
of my internship I could get to the design, implementation and test the printed circuit
that will be used in the final design of the model.
(145 words)
Résumé technique
Au cours de ce stage de dix semaines, effectué à l’Institut d’Optique de Palaiseau,
j’ai été amené à travailler sur deux projets différents. Le premier était en collaboration
avec un laboratoire de recherche de l’Institut. Il consistait à maximiser la puissance
optique d’un laser en modifiant la phase des faisceaux incidents via un asservissement
par microcontrôleur. Le second projet était la mise en place d’un démonstrateur « Grand
public » qui vise à faciliter la compréhension du rôle de la lumière dans la transmission
de données. Pour ces deux projets j’ai dû développer la partie électronique, programmer
un microcontrôleur Microchip PIC, utiliser des convertisseurs numérique/analogique
ainsi que mes connaissances en électronique. A la fin de ce stage, les objectifs des deux
projets ont en partie été atteints :
Pour la partie asservissement, la vitesse de la rétro-action a été améliorée par
rapport au système précédent d’un facteur 10 permettant ainsi une réponse du
système plus efficace. Il reste à compacter le système et lui ajouter une interface
plus intuitive.
Pour la partie démonstrateur, une première version fonctionnelle a permis de
prouver la faisabilité de la maquette et des premiers circuits ont été testés. Il faut
à présent réaliser le conditionnement de l’ensemble du système afin de le rendre
transportable.
4
Introduction
Dans le cadre de ma formation de DUT GEII, j'ai eu l'opportunité de suivre un
stage d'une durée de dix semaines à l'Institut d'Optique Graduate School (IOGS), une
école d'ingénieurs en photonique. Ce stage m'a permis de mettre en pratique
l'enseignement que j'ai reçu durant mes deux années de DUT GEII au profit de
l'enseignement de haut niveau proposé par cette école.
L’optique est omniprésente dans l’industrie. Elle s’étend rapidement, depuis les
industries dont elle constitue un cœur de métier (Essilor, Thales, Sagem, ONERA, CEA,
CNES…) vers de nouveaux secteurs où elle est une composante innovante au sein de
systèmes complexes. Elle pénètre ainsi de nombreux domaines nouveaux comme le
transport (fabricants automobiles : PSA ou équipementiers : Valeo), l’agroalimentaire
(sécurité alimentaire et traçabilité) ou la santé et les biotechnologies (imagerie
médicale, diagnostics, analyses). Les technologies de l'optique deviennent
omniprésentes dans des systèmes dont le caractère quotidien cache la complexité
(appareils photos dans la téléphonie mobile, traitement d’image en milieu industriel,
capteur optique en domotique, etc.). Son rôle est croissant dans l'environnement et les
éco-industries (analyse et traitement de l'eau, de l'air, des déchets). Son impact sur la
société devient de plus en plus important.
L'IOGS a pour but de former des ingénieurs et des docteurs dans le domaine de
l'optique depuis presque un siècle. Mais depuis sa création, où l'école avait pour mission
de développer des instruments d'optique, les technologies ont beaucoup progressé et
l'électronique et l'informatique sont dorénavant omniprésentes dans les systèmes
optiques : acquisition d'images et leur traitement par exemple. Aussi, il est important
pour une formation d'un si haut niveau, de connaître les outils disponibles dans ces
domaines, et plus particulièrement dans les systèmes embarqués.
Durant ce stage j'ai été amené développer deux projets :
l’asservissement de la phase d'un laser dans le but d'en maximiser sa puissance
optique, le tout piloté par un microcontrôleur ;
la mise en place d'un démonstrateur "Grand public" de modulation de longueur
d'onde, visant à illustrer des travaux pratiques de transmission de l’information
par la lumière et à montrer les concepts associés à travers une maquette du type
« Fête de la Science ».
Après une brève présentation de l’Institut d’Optique, je présenterai les deux projets
qui m'ont été confié, puis rentrerai plus profondément dans le détail des missions qui
m'ont été proposé pendant ces dix semaines.
5
Sommaire
Introduction ....................................................................................................................................................... 4
I. L'institut d'Optique ............................................................................................................................... 6
II. Projet d'asservissement de la phase d'un Laser ........................................................................ 9
A. Présentation ......................................................................................................................................... 9
1) Principe .............................................................................................................................................. 9
2) Caractéristiques du système « lasers » ............................................................................... 10
3) Application..................................................................................................................................... 11
4) Algorithme ..................................................................................................................................... 12
B. Résultats sous LabVIEW ............................................................................................................... 14
C. Utilisation d'un microcontrôleur............................................................................................... 15
1) Présentation des composants et protocoles de communication utilisés .............. 15
2) Mise en place de la partie électronique .............................................................................. 16
3) Programmation de l'algorithme sur le microcontrôleur ............................................. 18
D. Résultats avec le PIC16F1509 ................................................................................................ 20
E. Comparaison des résultats .......................................................................................................... 22
III. Mise en place d’un démonstrateur « grand public » de modulation en longueur
d’onde ................................................................................................................................................................ 23
A. Présentation ...................................................................................................................................... 23
1) Principe ........................................................................................................................................... 23
B. Module d’émission des données ................................................................................................ 25
1) Emission Analogique ................................................................................................................. 26
2) Emission numérique asynchrone, protocole RS232 ..................................................... 27
3) Emission numérique synchrone, protocole SPI .............................................................. 28
C. Module réception des données .................................................................................................. 29
1) Réception analogique ................................................................................................................ 29
2) Réception numérique Asynchrone, protocole RS232 ................................................... 30
3) Réception numérique synchrone, protocole SPI ............................................................ 32
Conclusion ....................................................................................................................................................... 33
Annexes ............................................................................................................................................................ 34
6
I. L'Institut d'Optique L’Institut d’Optique Graduate School (IOGS)
est une grande école d'ingénieurs dans le domaine
de la photonique, basée sur trois sites : Bordeaux,
Saint-Étienne ainsi que sur le plateau de Saclay à
Palaiseau. Elle fait partie d’un groupe d’écoles ayant
un rayonnement international qui repose à la fois
sur la qualité de la formation qui y est dispensée et
sur les contributions scientifiques majeures de son centre de recherche. Cet institut
forme des ingénieurs physiciens, des étudiants en master et des docteurs parmi les plus
innovants du monde de l’entreprise et du secteur académique dans le domaine de
l'optique et de la photonique. Sa centaine d’enseignants, enseignants-chercheurs,
ingénieurs et techniciens propose à ses 350 étudiants un large choix de cursus ainsi que
des liens privilégiés avec d'autres grandes écoles (HEC, ESPCI).
Figure 1: Programme de formation de l'IOGS
L’IOGS est un établissement d’enseignement supérieur et de recherche reconnu
d’utilité publique. Il est placé sous la tutelle du Ministère de l’Enseignement Supérieur et
de la Recherche. Il est géré par un Conseil d’Administration et dirigé par Jean-Louis
Martin depuis 2006. Afin de simplifier la gestion de l’établissement, celle-ci est
décomposée en 4 unités différentes (voir organigramme ci-après).
7
En plus de la filière classique, l'IOGS propose
une voie par l'apprentissage (CEA, Horiba, Essilor) et
une filière Innovation Entrepreneuriale (FIE), résidant
au bâtiment 503 d'Orsay et bénéficiant des conseils de
jeunes start-ups (DAMAE Medical, Iteox, StereoLab) et
d'un FabLab (prototypage rapide).
Figure 2: Organigramme de la structure de l'établissement
8
En outre, l'IOGS a développé depuis des décennies des liens avec l’industrie. Ces
liens sont généralement tissés au niveau des laboratoires par les collaborations
classiques telles que les travaux de thèse. Ils ont été renforcés par la présence d’une
Direction des Relations aux Entreprises et de la Valorisation disposant de forces
d’ingénierie propres capables de répondre aux sollicitations industrielles dans les délais
et les contraintes généralement imposées dans ce milieu.
L’IOGS de Palaiseau intègre également un laboratoire performant de grande
réputation, le Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d'Optique (LCFIO) qui couvre les
différents domaines de l’optique, du plus fondamental (optique quantique) au plus
appliqué (composants optiques spécifiques).
J’ai été amené au cours de mon stage à cotoyer et à travailler pour des chercheurs
du groupe Laser, qui développent de nouvelles sources basées sur le principe du laser.
Figure 3:Organigramme du Laboratoire Charles Fabry
9
II. Projet d'asservissement de la phase d'un Laser
A. Présentation
Lors de mon stage, j'ai été amené à travailler avec une équipe de chercheur au
sein du laboratoire de recherche Charles Fabry de l'institut. Cette équipe est constituée,
entre autres, du thésard Guillaume Schimmel et de l'enseignante-chercheuse Gaëlle
Lucas-Leclin. Ils ont développé une application ayant pour but de maximiser la
puissance optique d'un laser en modifiant sa phase.
1) Principe
Dans un premier temps, cinq faisceaux lasers
monochromatiques sont amplifiés par un semi-
conducteur (appelé dans le schéma ci-contre
barrette laser), nécessitant une alimentation
externe. Ils sont optiquement focalisés en un seul et
même faisceau dans le but d’obtenir un faisceau
combiné de forte puissance et de diamètre réduit,
pour des applications de découpe de matériaux par
exemple.
Il est en effet plus facile de réaliser des sources lasers peu intenses et de les
focaliser en un seul faisceau que de produire un seul laser très énergétique. Cependant,
pour pouvoir obtenir un signal puissant sans interférence entre chacune des sources, il
est indispensable de pouvoir contrôler la phase de chacun des faisceaux
indépendamment. C’est l’objectif du module développé par cette équipe (voir partie
optique présentée en figure 4).
Afin de pouvoir mesurer le flux lumineux de sortie celui-ci est dirigé vers une
photodiode qui renvoie un courant proportionnel à la puissance du faisceau. Ce courant
est converti en tension puis analysé à l’aide d’un programme et d’une carte d’acquisition
pilotée sous Labview. Ce programme permet ensuite de contrôler le courant injecté dans
les lasers afin d’en modifier la phase.
Lorsque tous les lasers sont en phase, leur puissance optique est alors optimisée.
Figure 4:Photo de la partie optique de l'application
10
2) Caractéristiques du système « lasers »
Le module permettant d’amplifier le signal laser entrant est décomposé en 5 blocs
identiques qui sont alimentés de deux façons indépendantes qui n’influent pas l’une avec
l’autre:
Une alimentation dite de "Puissance" générée par une alimentation externe de
l'ordre de plusieurs ampère. (max: 6A) – Arroyo Instruments modèle 4320
Une alimentation dite de "Phase" générée par une alimentation pouvant être
modulée de manière externe par une tension de 0-10V et un gain de 200mA/V -
Arroyo Instruments modèle 4220
Figure 5: Vue de dessus des cinq amplificateurs lasers utilisés dans l'application
La figure 5 présente le module développé par ce groupe de recherche. On peut
remarquer que les lasers en question sont de petite taille (échelle en haut à gauche de
l’image). Ils peuvent être alimentés jusqu'à 6A (pour la partie puissance), ce qui dégage
beaucoup de pertes thermique. Ce dégagement de chaleur entraine des modifications
rapides de la phase des faisceaux lasers, pouvant modifier le comportement global du
système. Ci-après le graphique des charges thermiques dissipées en fonction du courant
d’alimentation.
Figure 6: Charge thermique dissipée en fonction du courant
11
3) Application
Figure 7: Schéma de l'application
La figure 7 montre le système actuel d’asservissement de la phase des 5 faisceaux
lasers d’entrée. La puissance optique, captée par la photodiode, est traduite en tension
qui est ensuite envoyée et traitée par Labview. Ensuite, l’algorithme augmente ou
diminue le courant introduit dans l’alimentation dite de phase d’un des lasers afin d’en
modifier sa phase par rapport aux autres faisceaux, à tour de rôle. La déstabilisation de
la phase entraîne alors une augmentation ou une diminution de la puissance optique. La
figure 8 montre l’évolution de la puissance optique combinée en sortie du système en
fonction du courant injecté pour piloter sa phase.
Figure 8: Puissance optique combinée en fonction du courant de phase pour un faisceau laser
Sur le graphique précédent, on peut facilement constater que la puissance du
laser est directement liée à la phase d’un faisceau laser par rapport aux autres et donc au
courant modulant la phase. L'objectif de l'algorithme, développé par cette équipe, est de
pouvoir atteindre l’optimal de cette puissance et rester à cette valeur crête.
12
4) Algorithme
Figure 9 : Algorithme d’asservissement
13
Tout d’abord nous initialisons la phase des lasers à une certaine valeur, puis pour
chacun des lasers :
- nous effectuons une première mesure de la tension sur la photodiode, pour
obtenir le niveau de puissance optique en sortie du système
- nous venons perturber le signal en augmentant légèrement le courant injecté
dans l’alimentation des phases
- nous faisons une seconde mesure de la tension sur la photodiode.
La valeur de la seconde mesure est alors retranchée à la première. Si le résultat
est négatif, c’est-à-dire une perte de puissance en sortie, cela veut dire que nous
« descendons » sur le sinus (voir Figure 8: ). Il faut alors réduire le courant injecté dans
la phase afin de repartir dans l’autre sens et ainsi augmenter la puissance optique en
sortie. En revanche, si le résultat de la soustraction est positif, il faut continuer à
augmenter le courant.
Ce programme est alors réitéré en continu pour tous les faisceaux lasers.
14
B. Résultats sous LabVIEW
Grâce à l'algorithme décrit précédemment, nous pouvons à présent asservir la
phase afin de maximiser la puissance des lasers. La figure 10 représente le
fonctionnement de l'application avec les lasers alimentés à 3A sur la partie puissance
(travaux de G. Schimmel).
Figure 10: Temps de montée sous LabVIEW, lasers alimentés en 3A
Nous constatons que l'asservissement du laser prend entre 20 et 30 secondes
avant d'atteindre son maximum et de s'y stabiliser. La fréquence d'exécution de
l'algorithme sous LabVIEW est de moins de 10Hz.
Ci-après les résultats du fonctionnement de l'application à courant maximum sur
la partie puissance, 6A, où les fluctuations de phase sont très grandes à causes des
charges thermiques dissipées (travaux de G. Schimmel).
Figure 11: Asservissement sous LabVIEW, lasers alimentés en 6A
Nous remarquons que l'asservissement n'est pas assez rapide pour faire face au
bruit généré par la dissipation thermique. C'est pourquoi l'équipe de chercheur souhaite
accélérer l'exécution de leur algorithme. Mon projet est donc de trouver une solution
pour augmenter la vitesse d'exécution de l'algorithme afin de pouvoir contrebalancer les
fluctuations apportées par les charges thermique.
15
C. Utilisation d'un microcontrôleur
Le système que nous avons développé pour cette application est basé sur
l’utilisation d’un microcontrôleur de type PIC16F1509 (Microchip). Le schéma du
système est donné dans la figure suivante.
Figure 12: Schéma électrique du montage
1) Présentation des composants et protocoles de communication utilisés
L'intérêt de l'utilisation du microcontrôleur PIC16F1509 est qu’il peut-être dédié à l’exécution d’une tâche en particulier contrairement à un ordinateur sur lequel tourne LabVIEW (non temps-réel). Ce microcontrôleur possède un convertisseur analogique/numérique 10 bits intégré, qui permettra l’acquisition du signal provenant de la photodiode.
Afin de convertir les données envoyées par le microcontrôleur, nous utiliserons le convertisseur numérique/analogique 8bits DAC7303. Ce convertisseur renvoie une tension proportionnelle à l'octet de données qui lui est envoyée. Il permettra alors de moduler les alimentations de « phase » des lasers.
16
Ces deux composants communiqueront via le protocole de communication SPI
(Serial Peripheral Interface). La liaison SPI est un bus de données série synchrone en
mode full duplex. Il s'agit d'un protocole opérant sur une relation maitre-esclave. Ce
mode de communication a besoin de 4 signaux afin de communiquer (voir figure 13) :
L’horloge (CLK) : Permettant à l’esclave de se synchroniser par rapport à l’envoi
des données du maître.
Le Chip Select(CS) : Actif à l’état bas, celui sert à avertir l’esclave qu’il rentre en
communication avec le maitre du bus. Si le composant n’est pas sélectionné, il ne
peut donc pas dialoguer avec le maitre, ce qui permet à un maitre d’avoir
plusieurs esclaves.
Les fils de données (SDI/SDO) : C’est par ces fils que les données sont transférées
sur le bus, de l’esclave vers le maître et inversement.
Figure 13: Schéma liaison SPI
Dans notre cas, l’esclave n’enverra pas de données vers le maître, et nous
n’utiliserons donc que 3 fils.
2) Mise en place de la partie électronique
La photodiode renvoie un courant proportionnel à la puissance optique reçue. Ce
courant est converti en tension d'amplitude 0-12V par le module associé à la
photodiode. Or, le PIC16F1509 n'accepte pas de tension supérieure à 5V sur ces bornes.
En réponse à ce problème, nous mettons un diviseur de tension entre ces deux
composants.
Il faut alors avoir un rapport de 5
12= 0.41. Nous utiliserons les résistances de la
série E24, les valeurs de résistances les plus proches sont alors R1=24kΩ et R2=39kΩ,
nous avons donc:𝑉𝑆 =𝑅2
𝑅1+𝑅2𝑉𝑒 𝑎𝑣𝑒𝑐
𝑅2
𝑅1+𝑅2= 0.38.
Figure 14: Schéma du diviseur de tension utilisé
17
La tension Vs est alors connectée à une des entrées du convertisseur
numérique/analogique (CAN) du PIC16F1509, où l'algorithme sera ensuite exécuté. En
sortie du microcontrôleur nous plaçons alors 6 convertisseurs numérique/analogique
(CNA) : 5 sont consacrés aux phases des faisceaux lasers et 1 sera la référence des
convertisseurs, afin de limiter le courant maximal fourni par les alimentations et ainsi
augmenter la dynamique de sortie des autre CNA.
La tension des CNA s'exprime: 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 2 × 𝑉𝑅𝑒𝑓 × (𝑁
256), nous pouvons donc
déterminer la valeur maximale de Vout en fixant Vref. Nous prendrons Vref=1V, donc
Vout_max=2V. La plage de sortie des CNA est donc de 0-2V par pas de
2V*(1/256*Vref)=7.8mV. Un pas du CNA correspond alors à la variation minimale de
tension que l’on peut appliquer sur la modulation des alimentaions dites de « phase »
des faisceaux lasers, ce qui correspond à un pas en courant de 1,6mA sur ces
alimentations.
De cette manière, nous pouvons facilement changer l’échelle maximale des 5 CNA en
ne modifiant uniquement que leur référence.
Référence des CNA : 1V
Tension maximale de sorties des CNA : 2V
Valeur des pas du CNA : 7,8mV correspondant à 1,6mA
Figure 15:Organigramme de fonctionnement
18
3) Programmation de l'algorithme sur le microcontrôleur
Afin de programmer le microcontrôleur, nous utiliserons l’environnement de
développement MPLAB X. Nous utiliserons le langage de programmation C et le
compilateur XC8.
De manière à communiquer avec le microcontrôleur, il faut relier celui-ci à un ordinateur. L’ordinateur est connecté à un système de débogage (ICD3) qui est lui-même raccordé au PIC16F1509. Ce module sert à implémenter le programme préalablement programmer en langage C et compiler sur MPLAB X.
Figure 16: Schéma entrées/sorties du microcontrôleur
L’algorithme du programme est donné dans la figure 17, les programmes en
langage C sont donnés en annexe.
Nous commençons par initialiser les entrées et les sorties du microcontrôleur
(protocole SPI, entrée analogique, sorties numériques) puis nous configurons le premier
CNA qui servira de référence aux autres convertisseurs. Les 5 autres CNA sont ensuite
successivement sélectionnées grâce à un signal de sélection spécifique pour chacun, noté
CS. L’algorithme de calcul reste le même que celui évoqué précédemment sous LabVIEW
mais adapté au fonctionnement de ce microcontroleur.
19
Figure 17: Organigramme du programme sur microcontrôleur
20
D. Résultats avec le PIC16F1509
Lors des essais de notre système nous avons fait varier plusieurs paramètres :
le pas du CNA : en augmentant ou diminuant le pas, nous pouvons faire varier la
vitesse de montée de la puissance des lasers. (i.e. la déviation en courant de la
phase des lasers)
la vitesse d’exécution du programme : notre programme peut aller à une vitesse
maximale de 1.4kHz, que nous pouvons facilement ralentir en rajoutant les lignes
de code adaptées (délais).
Sur les figures suivantes, le front montant de couleur rouge (CH2) est le signal de
démarrage de l’algorithme (synchronisation). Des premiers essais à vitesse élevée
(1.4kHz) n’ont pas été concluants. La cause possible viendrait d’une bande passante
limitée par les photodiodes utilisées.
En effet, la photodiode étant un semi-conducteur, il existe un condensateur parasite
à ses bornes. Le courant qui en sort transite par une résistance afin de créer une tension
proportionnelle au courant (loi d’Ohms). Cela a pour effet de créer un circuit RC passe-
bas avec comme fréquence de coupure une valeur basse (<1kHz). Nous avons donc
nous-même brider la fréquence de l’application afin de conclure à des essais.
La figure 18 montre l’établissement du signal de sortie du système, relevé à l’aide
de la photodiode et d’un oscilloscope LeCroy WaveAce 1001, en fonction du temps.
L’essai a été réalisé avec un courant de puissance égale à 3A. Le pas utilisé était de
1,6mA, et la fréquence d’exécution de 50Hz.
Figure 18 : Temps de montée avec microcontrôleur, alimenté en 3A, par pas de 1,6 mV
21
Sur la figure 19, l’essai a été réalisé avec un courant de puissance égale à 4A. Le
pas utilisé était de 1,6mA, et la fréquence d’exécution de 50Hz.
Figure 19 : Figure Temps de montée avec microcontrôleur, alimenté en 3A, par pas de 3,2 mV
Sur la figure 20, l’essai a été réalisé avec un courant de puissance égale à 4A. Le
pas utilisé était de 3,2mA, et la fréquence d’exécution de 50Hz.
Figure 20:Figure Temps de montée avec microcontrôleur, alimenté en 4A, par pas de 3,2 mV
Ici, la tension de la photodiode maximale est inférieure aux autres essais car une
lentille avait été placée devant la photodiode de manière à réduire le flux lumineux pour
ne pas endommager le matériel.
Malheureusement, dû à un problème optique (mauvais alignement du système),
les lasers ne pouvaient pas être alimentés au-delà de 5A, aucun test n’a donc pu être
effectué à 5A et 6A.
22
E. Comparaison des résultats
Méthode d’asservissement
Pas (mv) Fréquence (Hz)
Courant de « puissance » (A)
Fluctuation à V crête (%)
Temps de montée (s)
Labview 0,5 10 3 1 25
Microcontrôleur 1,6 50 3 1 0,600
Microcontrôleur 3,2 50 3 1 0,300
Microcontrôleur 3,2 50 4 2 0,400
Nous remarquons que le temps de montée à l’aide de notre système est 40 à 80
fois plus rapide que les essais effectués sous LabVIEW. De plus la fréquence d’exécution
de l’algorithme s’avère être aussi 5 fois plus élevée. Cette différence de fréquence est dû
au faite que LabVIEW est un logiciel qui s’exécute sur un ordinateur, or le processeur de
l’ordinateur n’alloue pas l’intégralité de ses ressources de calcul à cette application, qui
ne s’exécute qu’au second plan. De son côté, le PIC16F1509 exécute en continu
l’algorithme, ce qui augmente la vitesse de l’asservissement.
Malgré l’impossibilité de tester notre circuit à pleine puissance, l’équipe de
chercheur fut très surprise et contente des résultats obtenus : d’une part, par la vitesse
d’exécution du programme qui se remettait à jour en temps réel (lors du changement
des alimentations) ; d’autre part, par le cout de l’application par microcontrôleur, celle-ci
ne dépassant pas les quelques dizaines d’euro, au lieu des quelques milliers d’euro pour
la version LabVIEW.
23
III. Mise en place d’un démonstrateur « grand public » de
modulation en longueur d’onde
A. Présentation
Durant ces dix semaines, j’ai été chargé d’un second projet. Celui-ci consistait à
réaliser un démonstrateur grand public de modulation en longueur d’onde, comprenez
une maquette pédagogique qui permet de montrer simplement des transmissions de
données via la lumière et en particulier celles véhiculant par fibres optiques comme les
télécommunications actuelles (voir figure suivante).
Figure 21: Principe de la transmission par fibre optique avec modulation en longueur d'ondes
Ce projet était d’abord un projet des étudiants de première et deuxième année de
l’IOGS dans le cadre de leur cursus scolaire, limité à l’utilisation de trois longueurs
d’onde différentes. À terme, ce démonstrateur aura pour but d’être amené dans divers
salons, écoles et expositions afin d’avoir un support ludique dans l’explication du rôle de
la lumière dans les transmissions de données actuelles. Elle se veut donc facilement
transportable ayant pour idéal de tenir dans une mallette.
Les sources de données seront ici trois systèmes de diffusion audio qui seront
transmis à travers une fibre optique à l’aide de trois canaux de couleur différente
multiplexés.
1) Principe
Le banc optique (sources à LED et lasers, système de multiplexage optique, fibre
optique…) était déjà présent et fonctionnel. Afin de faciliter la mise en place de la partie
électronique, qui était mon objectif dans ce projet, nous avons fait le choix de passer
directement des lasers aux photodiodes de réception des données. Néanmoins, le
principe de transmission reste le même qu’avec l’utilisation de la fibre optique, à
l’atténuation près de la fibre (2m de longueur).
Figure 22: Organigramme de fonctionnement maquette WDM
24
Deux modules seront créés autour du banc optique (voir figure précédente) :
- un module d’émission, qui devra pouvoir moduler le flux lumineux des lasers
grâce aux données d’entrée reçues via des jacks audios ;
- un module de réception qui recevra les données captées par les photodiodes
et devra renvoyer les données adéquates vers les haut-parleurs.
Notre application utilisera trois types de transmission de données :
- analogique, par modulation d’amplitude
- numérique synchrone, basé sur le protocole SPI
- numérique asynchrone, basé sur le protocole RS232
En numérique, deux possibilités de transmission de données sont possibles : la
transmission synchrone et la transmission asynchrone. La transmission synchrone doit
pouvoir transporter le signal de données, l’horloge ainsi que le signal de début de
transmission, donc au minimum 3 fils. La transmission asynchrone ne transporte
uniquement les données, et, par conséquent, n’utilise qu’un seul fil.
Sur la maquette comportant trois canaux différents de communication (via les
trois couleurs prévues), il sera alors possible de transmettre une seule donnée à la fois
dans le mode synchrone contre trois pour le mode asynchrone.
Le débit nécessaire à l’envoi des données sera limité par la vitesse du
PIC16F1509 dont voici les caractéristiques :
Fréquence d’oscillation : 16MHz
Fréquence d’échantillonnage : 17kHz
Vitesse de transmission en asynchrone : 250kbits/s
Vitesse de transmission en synchrone : 1Mbits/s
Les sources lasers utilisées (marque Coherent) sont alimentées et modulées en 0-
5V et possèdent trois longueurs d’ondes différentes, à savoir : 525(vert), 650(rouge),
590(orange). La modulation peut atteindre une fréquence de 1MHz.
25
B. Module d’émission des données
Ce module est composé de trois cartes identiques, chacune contrôlant une des
trois sources laser. Chacune de ces cartes accueillent les composants nécessaires aux
trois types de transmissions décrites précédemment ainsi qu’une entrée Jack pour le
signal d’entrée. En fonction du type de transmission sélectionnée, le système de mise en
forme et de modulation ne sera pas le même (voir figure 23). Les chemins de données
seront sélectionnés par des multiplexeurs analogiques.
Figure 23: Diagramme de fonctionnement
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1) Emission Analogique
La transmission analogique se trouve être purement de l’électronique analogique
(voir schéma en figure 24), celle-ci consiste à amplifier le signal d’entrée afin d’avoir une
tension comprise entre 0 et 5V. Le signal d’entrée provenant de la prise jack est compris
entre -250mV et 250mV, or les lasers n’acceptent pas de tension négative. Pour palier à
cela, nous devons utiliser le montage approprié, en ajoutant un offset positif sur la
tension de modulation.
Figure 24: Schéma carte émission analogique
Pour ce faire on place un montage amplificateur non inverseur en entrée avec
l’amplification 𝐴 = 1 +𝑅2
𝑅1 = 2. Puis, nous ajoutons un offset via un diviseur de
tension 𝑅3
𝑅2+𝑅3𝑉𝑐𝑐 = 0,87𝑉. Le condensateur C1 sert à supprimer la composante
continue pouvant provenir de l’étage d’amplification.
La figure 25 (capture d’écran d’oscilloscope) a été réalisée avec un signal d’entrée
sinusoïdal, généré avec un générateur Agilent 33220A, réglé à une fréquence de 1kHz,
d’amplitude crête à crête de 2V et de valeur moyenne nulle. En bleu (CH1) le signal
d’entrée et en rouge (CH2) le signal qui va être envoyé dans le laser.
Figure 25: Mise en forme du signal avant d'être envoyé vers le signal
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2) Emission numérique asynchrone, protocole RS232
Le protocole RS232 est un protocole asynchrone, cela veut dire que les
transmissions de données n’utilisent pas de signal d’horloge afin de synchroniser
l’émission et la réception des données. Ce type de transmission se révèle être très utile
lorsque l’on traite un grand nombre de données, mais on fait face à des pertes
éventuelles de données. Dans notre cas, cela ne se trouve pas être un danger.
La vitesse d’échantillonnage étant limité à environ 17kHz, il faut filtrer le signal
d’entrée à environ 8kHz (critère de Shannon). L’acuité auditive de l’homme étant de
20Hz à 20kHz, cela n’entravera pas énormément l’expérience auditive.
Pour effectuer ce passe-bas, nous utiliserons le composant MF4AF qui est un filtre
du 4eme ordre de type Butterworth à capacité commutée. Sa fréquence de coupure est
déterminée par un signal externe qui lui est envoyé, celui-ci sera généré par le
microcontrôleur et devra être cinquante fois plus élevée que la fréquence de coupure
souhaitée.
Une fois filtré, nous supprimons la composante continue du signal puis nous
ajoutons un offset de 2,5V afin d’obtenir un signal compris entre 0 et 5V sur l’une des
entrées du CAN du PIC16F1509. Une fois le microcontrôleur configuré en liaison RS232,
il effectue une conversion du signal d’entrée à fréquence régulière. Les 8 bits de poids
fort de la conversion sont envoyés vers le module d’émission (voir annexes pour le code
du microcontrôleur).
Figure 26: Schéma carte émission numérique asynchrone RS232
Le module USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) du
microcontrôleur est configuré pour obtenir un débit maximal de :
𝐷𝑎𝑠𝑦𝑛𝑐 = 𝐹𝑜𝑠𝑐
64⁄ = 250𝑘𝑏𝑖𝑡𝑠/𝑠
Le temps d’envoi d’un octet est alors de 𝑡 =8
250 000= 32µ𝑠.
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3) Emission numérique synchrone, protocole SPI
Pour plus d’information sur le protocole SPI, voir page 15.
Figure 27: Schéma carte émission numérique synchrone SPI
Le fonctionnement est le même que l’envoi avec le protocole RS232, mais ici les 3
lasers envoient 3 informations différentes, à savoir : l’horloge, le Slave Select (SS) ainsi
que la donnée envoyée par paquet de 8 bits en série (voir annexe pour le code du
microcontrôleur).
Le module MSSP (Master Synchronous Serial Port) du microcontrôleur est
configuré en mode SPI avec une horloge de transmission de FOSC/16 et une fréquence
d’oscillation de 16MHz, on obtient alors un débit maximal de :
𝐷𝑠𝑦𝑛𝑐 =𝐹𝑂𝑆𝐶
16⁄ = 1𝑀𝑏𝑖𝑡𝑠/𝑠
Le temps d’envoi d’un octet est alors de : 𝑡 =8
106 = 8µ𝑠.
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C. Module réception des données
Ce module est également composé de trois cartes identiques. Chacune de ces
cartes accueille les composants nécessaires aux trois types de transmissions ainsi
qu’une photodiode. La photodiode utilisée est la SFH206, sa fonction de transfert est de
80nA/lx. L’éclairement lumineux reçu par la photodiode sera d’environ 380 lx. Le
courant de sortie sera donc d’environ 30µA au maximum.
1) Réception analogique
Le schéma de la figure 28 montre le module de réception analogique utilisé.
Le courant sortant de la photodiode passe dans une résistance de 10kΩ. La
tension aux bornes du montage amplificateur suiveur est donc de 300mV au maximum.
Le condensateur C1 sert à supprimer la composante continue. On amplifie ensuite le
signal grâce montage amplificateur inverseur suivant avec une amplification :
𝐴 = −𝑅2
𝑅1= 10.
Figure 28: Schéma carte de réception analogique
La tension de sortie envoyée vers les haut-parleurs sera donc de 3V maximum.
L’oreille humaine n’étant pas sensible à la phase du signal, nous aurons donc le même
signal en sortie du montage qu’en entrée du module émetteur.
Suite à nos essais, nous obtenons via cette transmission analogique un signal
relativement propre en sortie. Le bruit généré par le montage est quasiment inexistant.
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2) Réception numérique Asynchrone, protocole RS232
Le schéma du montage utilisé est présenté en figure 30.
La photodiode peut recevoir deux types de données lors de cette transmission :
- 0 logique (0L) : pas de lumière, 0A ;
- 1 logique (1L) : présence de lumière, 30µA.
Le courant passe alors par une résistance de 100kΩ, la tension au borne de 𝑉−est
alors de 3V (Voir Figure 29: Illustration de l'utilisation du comparateur). Cette tension
est alors comparée à l’aide d’un comparateur de type LM311 à une valeur de 2,5V créé
grâce à un diviseur de tension. Deux cas sont alors possible en sortie du comparateur :
- 𝑉− < 𝑉+ 𝑎𝑙𝑜𝑟𝑠 𝑉𝑆 = 𝑉𝐶𝐶 = 5𝑉, 1𝐿
- 𝑉− > 𝑉+ 𝑎𝑙𝑜𝑟𝑠 𝑉𝑆 = 𝐺𝑁𝐷 = 5𝑉, 0𝐿
De cette manière, nous pouvons facilement distinguer le 1L du 0L, comme on
peut le voir sur la figure suivante qui montre une transmission numérique :
Figure 29: Illustration de l'utilisation du comparateur
En bleu (CH1), le signal reçu par la photodiode qui a été amplifié. On peut d’ores
et déjà y distinguer les états logiques. En rouge (CH2), le signal sortant du comparateur,
on y distingue clairement les deux différents états.
Figure 30: Schéma carte de réception asynchrone RS232
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La figure 31 montre le signal émis par le PIC16F1509 depuis le module
d’émission (signal bleu – CH1) et le signal reçu et traité par le module de réception
(signal rouge – CH2). On peut facilement y voir un octet émis et reçu. Le décalage entre
l’émission et la réception est dû au temps de modulation interne du laser, ce temps peut
être grandement réduit avec de meilleurs composants.
Figure 31: Emission/réception des données par la lumière
Le PIC16F1509 de réception reçoit alors la trame envoyée par le microcontrôleur
d’émission. Ces bits sont ensuite envoyés sur le CNA de type DAC7303. Nous utiliserons
la référence interne du convertisseur qui est de 2,5V. Sa tension de sortie
s’exprime : 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 2 × 𝑉𝑅𝑒𝑓 × (𝑁
256), où N est la valeur à convertir.
Suite à nos essais, nous obtenons via ce montage, un son en sortie à l’image de
celui envoyé en entrée. Néanmoins, un bruit très important est généré par le montage.
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3) Réception numérique synchrone, protocole SPI
La conversion du flux lumineux reçu par chaque laser est réalisée par le même
étage d’amplification/comparaison que pour le mode asynchrone. Les signaux CLK, CS et
SDO sont alors reçus par le PIC16F1509 de réception. Ces bits sont alors envoyés sur un
CNA de type DAC7303. La figure 32 montre le montage utilisé.
Figure 32: Carte réception carte synchrone SPI
Suite à nos essais, nous obtenons via ce montage, les mêmes résultats que pour la
transmission asynchrone au niveau des données. Le grand changement vient alors de la
vitesse de transmission qui est ici plus élevée.
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Conclusion
Durant ces dix semaines de stage, j’ai pu mettre en avant et développer mes
compétences en électronique et informatique, notamment au sujet des
microcontrôleurs, apprises durant mes deux années de formation à l’IUT. Les deux
projets auxquels j’ai pu participé m’ont permis, d’une part d’en apprendre plus sur la
recherche en laboratoire, et d’autre part d’en apprendre plus sur le rôle que joue
l’optique dans la transmission de données à haut débit.
Sur le premier projet sur lequel j’ai eu à travailler, j’ai pu montrer l’intérêt du
passage à un système totalement embarqué sur l’asservissement en temps réel d’un
module laser développé dans le cadre d’un projet de recherche. En effet l’utilisation de
logiciels tels que LabVIEW ou Matlab, très couramment utilisés par les chercheurs pour
leur facilité de mise en œuvre, ne se révèle pas adaptée à ce type de contrôle « rapide »
d’un système. A travers ce projet, j’ai pu en savoir plus sur le monde de la recherche,
développer mes compétences en programmation et ma connaissance en optique.
Pour la mise en place du démonstrateur « Grand public » de multiplexage en
longueur d’onde, j’ai été amené à reprendre un projet déjà existant mais non abouti. J’ai
dû programmer des composants en langage C, ainsi qu’approfondir mes connaissances
dans différents protocoles de transmissions. J’ai pu arriver à la conception, la réalisation
et le test des circuits imprimés qui serviront dans le modèle définitif de la maquette.
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Annexes