Parcours Microélectronique intégration des systèmes temps réels embarqués (MISTRE) 1re et 2e années

Les UEs projets permettent la mise en application des connaissances et compétences aquises tout au long de la formation. La robotique mobile offre un cadre ludique et transdisciplinaire idéal pour les projets du parcours M1 MISTRE.

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Descriptif : La montée en puissance de calcul et en flexibilité des circuits numériques modernes permet de traiter la complexité et les exigences de performances croissantes des applications, dans les systèmes embarqués et les systèmes de conversion d’énergie.
Cette UE approfondit l’exploitation des circuits dits System on Chip Programmables, appliqués au traitement du signal ou à la commande de systèmes électriques, dans le contexte des Systèmes Embarqués.
Contenu :
• architecture générale des processeurs embarqués,
• augmentation de la performance grâce aux architectures dédiées : FPU, Cache, DMA,
• parallélisme : SIMD, Vector processing,
• Mesure de performance et optimisation de la vitesse d’exécution du code,
• architecture des FPGAs, composants PSoC,
• mise en oeuvre de structures câblées de calcul dédié, sur FPGA (langage VHDL),
• comparaison de performance entre traitement micro-programmé et hardware (FPGA)
• partitionnement software / hardware du design à l’intérieur d’un PSoC, en vue de l’optimisation de la performance (de calcul et énergétique).

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Les systèmes de traitement de communication et de traitement de l’information nécessitent des alimentations continues en énergie qu’ils soient statiques ou nomades. La multiplication de ces équipements et le besoin de mobilité toujours croissant exigent des performances accrues en terme de rendement dont l’autonomie peut dépendre directement, de compacité, de discrétion électromagnétique.

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Les composants passifs sont omniprésents dans les circuits électriques, aussi bien pour assurer le fonctionnement des dispositifs électroniques que celui des convertisseurs d’électronique de puissance. Ils permettent d’assurer des fonctions de filtrage, de stockage transitoire de l’énergie ou encore d’adaptation ou d’isolation galvanique. Leur comportement, loin de correspondre au comportement parfait attendu, dépend fortement des fréquences des signaux électriques mis en jeu mais également des conditions physiques (thermique, mécanique) auxquelles ils sont soumis. Ceci affecte donc le fonctionnement des dispositifs électriques, dont la conception et l’optimisation est fortement dépendantes d’une bonne compréhension du comportement des composants passifs.

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Cette UE comprends deux thématiques.

Le contenu de la partie Traitement du signal est détaillé ci-dessous :

- Notations et rappels mathématiques

- Introduction

- Définitions et exemples

- Classification des signaux

- Signaux aléatoires

- Outils d'analyses

- Moments temporels et statistiques

- Analyse spectrale

- Analyse temps-fréquence/temps-échelle

- Outils de traitement

- Echantillonnage

- Notions des systèmes LIT

- Filtrage linéaire

- Filtrage optimal

- Filtrage non linéaire

Pour la partie Compatibilité électromagnétique :

Le déroulement du cours se base sur la décomposition Source - Chemin de propagation - victime.

1) Etude synthétique des principales sources de perturbations naturelles ou industrielles et des victimes par une modélisation de leurs caractéristiques

2) Etude des différents modes de couplage, impédance commune, couplage inductif, capacitif, phénomènes de propagation, rayonnement

3) Modélisation des câblages, principaux vecteurs de perturbation, éléments parasites, étude les diaphonies, les câbles blindés

4) Couplage par onde électromagnétique, émission et susceptibilité d'une liaison électrique

5) Conception des systèmes, routage des cartes, dimensionnement du filtrage et du blindage

6) Application sur une maquette intégrant une convertisseur d'électronique de puissance et des circuits sensibles permettant d'observer et de modéliser les phénomènes précédents

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- Langage C : Introduction, Opérateurs, Types, Variables, instructions de contrôle, fonctions, outils de compilation.

- Langage Python : Introduction, syntaxe, types de base spécifiques, références, calcul scientifique et manipulation de donnée à l'aide de bibliothèques & outils usuels (Jupyter, numpy, pandas...)

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Contexte:

Le Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) est devenu le composant semi-conducteur le plus utilisé dans des applications allant de l’électronique numérique jusqu’à l’électronique de puissance.

Contenu :

• Introduction et rappel de physique des semi-conducteurs,
• Capacité MOS : régime de bandes plates, accumulation, inversion et déplétion,
• Transistor MOSFET : calcul du courant dans le canal d’un MOSFET, I_DS(V_DS) et I_DS (V_GS), schéma équivalent et comportement à hautes fréquences,
• Mise en œuvre dans un circuit : porte logique, amplificateur et interrupteur de puissance
• Spécificités des architectures des MOSFETs modernes pour l’électronique de puissance et l’électronique numérique.

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L’augmentation de la complexité des circuits intégrés conduit à la réalisation de systèmes sur puce qui intègrent toutes les fonctionnalités d’un système. En particulier cohabitent sur la même puces des systèmes numériques et des parties analogiques qui permettent l’interfaçage avec le monde extérieur.

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Les objets et batiments connectés sont maintenant choses très courantes dans des environnements et contextes très diverses. Les contraintes (autonomie, débit, architectures des réseaux de communication …) liées à ces différents domaines d'application font émerger une multitude de technologies et de protocoles de communications ayant pour objectifs communs le contrôle ou la supervision de l'objet à distance.

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Les communications radio nous entourent et sont aujourd'hui à la base de beaucoup d'applications modernes de l'électronique. Les enseignements de cette UE partent des éléments historiques de base des transmissions analogiques jusqu'à traiter les formes les plus avancée de modulations numériques.

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Le développement des systèmes embarqués intelligents nécessite des systèmes matériels et logiciels de plus en plus complexes. Ceci favorise l’utilisation de systèmes d’exploitation spécifiques dits temps réel, qui respectent des contraintes fortes sur la fiabilité, la consommation, l’efficacité… De plus, ces systèmes doivent souvent intégrer des protocoles de communications utilisés dans l’Internet des objets (IdO/IoT).

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Le monde numérique est devenu incontournable, il a été rendu possible par l’augmentation exponentielle des performances et de la complexité des circuits intégrés et microprocesseurs.

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Stage en entreprise ou en laboratoire d'une durée minimale de deux mois

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1/ Control system design and linear models

The process of control system design; The control problem; Transfer functions; Scaling; Deriving linear models; Control configurations.

2/ Feedback control and closed-loop performances

Frequency response; Feedback control; Closed loop stability; Evaluating closed loop performance.

3/ Controller design - from tuning to shaping the closed-loop

Classical controller design: tuning rules; Loop shaping; IMC design procedure and PID control for stable plants; Shaping closed loop transfer functions.

4/ Input-output controllability and perfect control

Input-Output Controllability; Fundamental limitations on sensitivity; Perfect control and plant inversion; Ideal ISE optimal control.

5/ Fundamental limitations

Limitations imposed by time delays, RHP-zeros, phase lag and unstable (RHP) poles; Perf. requirements imposed by disturbances and commands; Limitations imposed by input constraints and uncertainty; Controllability analysis with feedback & feedforward control.

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Les UEs projets permettent la mise en application des connaissances et compétences aquises tout au long de la formation. La robotique mobile offre un cadre ludique et transdisciplinaire idéal pour les projets du parcours M1 MISTRE.

Objectif du projet : Concevoir et réaliser (avec implémentation sur PSoC) une architecture matérielle et logicielle permettant de piloter un robot mobile (avec une boucle d’asservissement de vitesse réalisée en logique configurable et un pilotage par processeur).

Objectifs pédagogiques :

• Comprendre l’interconnexion des différentes composantes d’un composant PSoC
• Interfacer les composants matériels décrit en VHDL au semestre précédent pour permettre leur pilotage par un programme executé sur la partie processeur du PSoC. 

Programme : 

• Composants PSoC
• Interconnections AXI
• Programmation "Bare metal" de PSoC.

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Cette UE est composée d'un cours sur la conception des systèmes numériques et d'un cours sur la modélisation des systèmes numériques.

Cours conceptions des sytèmes numériques :

Comportement électrique des portes logiques (délai et consommation). Modèle simplifié de délai. Bascules. Layout des circuits logiques CMOS.
Principales méthodes de conception  de systèmes numériques intégrés sur plusieurs cibles  technologiques (FPGA, ASIC). Toutes les étapes de synthèse sont décrites : synthèse  d'automates, synthèse logique (minimisation, factorisation, projection technologique) et synthèse d'architectures à partir de la décomposition en Partie Contrôle Partie Opérative.

Cours simulation de systèmes numériques

Compétences acquises :
L’objectif est de fournir une introduction aux principes et langages couramment utilisés dans les niveaux d’abstraction les plus élevés du flot de conception, et aux méthodes et outils associés.

Description :
Les concepts étudiés sont : modélisation "système" et niveau transactionnel (descriptions SystemC TLM), modélisations comportementale et structurelle de blocs fonctionnels numériques (descriptions VHDL), principes et outils pour la validation par simulation, VHDL pour la synthèse logique, outil de synthèse ASIC.

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Cette UE est composée d'un cours de calcul embarque et d'un cours de supervision réseau.

Cours calcul embarqué :

Commande et algorithmes de régulation, signal, impact de la quantification, optimisation des alorithmes en fonction des ressources matérielles.

Cours supervision réseau :

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Cette UE est composée d'un cours sur les architectures des systèmes à base de processeurs et d'un cours sur les systèmes temps réels et/ou embarqués.

Cours architecture des systèmes à base de processeurs :

Comprendre les principes généraux de l'architecture et le fonctionnement des processeurs modernes ainsi que les mécanismes mis en oeuvre pour obtenir les gains de performances observés au cours des années passées.

Cours systèmes  temps réels :

L'objectif de ce cours est de donner une introduction aux systèmes d'exploitation embarqués comme Linux. Les notions de compilation de Kernel, la definition des pilotes et la modification des prioriétés scheduler seront mises en avant :      

- Introduction générale
- Configuraion Matérielle   
- Gestion de mémoire   
- Bootloader
- Kernel    
- Pilotes (Drivers)     
- Linux temps réel    
- Système de Fichier    
- Intérface graphique

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Cette UE est composée d'un cours sur les méthodologies et outils de conception, d'un cours sur la spécification et preuve formelle et d'un cours sur le test des circuits.

Cours Méthodologies et outils de conception :

présenter les systèmes sur puce et les méthodes et outils utilisés pour construire un flot de conception de  systèmes intégrés numériques complexes.

cours conception de circuits mixtes :

Comprendre les problématiques liées à l'intégration de circuits mixtes, notions sur les systèmes intégrés analogiques.

cours test de circuits :

Dans ce cours seront étudiées les méthodes et techniques de test des circuits numériques intégrés. L'accent est porté sur la conception en vue du test (DFT pour Design for Testability). Parmi ces techniques, sont abordéesentre autres  les notions de  modèle de collage, scan, BIST logique et mémoire et JTAG.

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Cette ue est composée d'un cours d'automatisme et d'un cours de traitement d'images.

Cours d'automatisme :

méthodologie de programmation d'automates et étude des communications industrielles associées :
- Fonctionnement d'un automate programmable.
- Étude des langages grafcet, ladder et ST.
- Méthodes de structuration d'un projet d'automatisme dans son ensemble.
- Principes de fonctionnement et description des bus de terrain ASI, CANopen et Profibus.
- Étude du protocole Mobdus et Modbus/TCP.
- Principes de fonctionnement d'un serveur OPC et supervision.

Cours de traitement d'image :

- Signaux 2D. Acquisition et création d'une image.

- Traitement au niveau pixel : les LUT, histogrammes, transformation d'histogrammes.

- Filtrage linéaire : filtrage spatial, filtrage fréquentiel, filtrage linéaire adaptatif.

- Filtrage non-linéaire : Filtres morphologiques, filtres homomorphiques, filtres d'ordre.

- Segmentation : Région, Contour, analyse de texture.

- Le 3D.

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Stage en entreprise, université ou institut de recherche entre février et août.

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Description du processus technologique complet des principales filières de fabrication des
circuits intégrés silicium.

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Attester ou acquérir le niveau B2 (compréhension orale, expression orale, rédaction) dans une langue étrangère. Durant cet enseignement les alternants vont également développer leur capacité de prise de notes et de présentation orale en anglais.

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Toutes les informations ici

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