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Private GIT Repository
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[dmems12.git] / dmems12.tex
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8
9
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32
33 \newcommand{\noun}[1]{\textsc{#1}}
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35
36
37 \begin{document}
38
39 \title{A new approach based on a least square method for real-time estimation of cantilever array deflections with a FPGA}
40 \author{\IEEEauthorblockN{Raphaël Couturier\IEEEauthorrefmark{1}, Stéphane
41 Domas\IEEEauthorrefmark{1}, Gwenhaël Goavec-Merou\IEEEauthorrefmark{2} and
42 Michel Lenczner\IEEEauthorrefmark{2}} 
43 \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}FEMTO-ST, DISC, University of Franche-Comte, Belfort, France \and 
44 \{raphael.couturier,stephane.domas\}@univ-fcomte.fr} 
45 \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}FEMTO-ST, Time-Frequency, University of Franche-Comte, Besançon, France \and 
46 \{michel.lenczner@utbm.fr,gwenhael.goavec@trabucayre.com} }
47
48 \begin{abstract}
49 Atomic force microscopes (AFM) provide high resolution images of surfaces.
50 In this paper, we focus our attention on an interferometry method for
51 deflection estimation of cantilever arrays in quasi-static regime. In its
52 original form, spline interpolation was used to determine interference
53 fringe phase, and thus the deflections. Computations were performed on a PC.
54 Here, we propose a new complete solution with a least square based algorithm
55 and an optimized FPGA implementation. Simulations and real tests showed very
56 good results and open perspective for real-time estimation and control of
57 cantilever arrays in the dynamic regime.
58 \end{abstract}
59
60 %% \author{\IEEEauthorblockN{Authors Name/s per 1st Affiliation (Author)}
61 %% \IEEEauthorblockA{line 1 (of Affiliation): dept. name of organization\\
62 %% line 2: name of organization, acronyms acceptable\\
63 %% line 3: City, Country\\
64 %% line 4: Email: name@xyz.com}
65 %% \and
66 %% \IEEEauthorblockN{Authors Name/s per 2nd Affiliation (Author)}
67 %% \IEEEauthorblockA{line 1 (of Affiliation): dept. name of organization\\
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71 %% }
72
73 %\maketitle
74
75 \thispagestyle{empty}
76
77 \begin{IEEEkeywords}
78 FPGA, cantilever arrays, interferometry.
79 \end{IEEEkeywords}
80
81 \IEEEpeerreviewmaketitle
82
83 \section{Introduction}
84
85 Cantilevers are used in atomic force microscopes (AFM) which provide high
86 resolution surface images. Several techniques have been reported in
87 literature for cantilever displacement measurement. In~\cite{CantiPiezzo01},
88 authors have shown how a piezoresistor can be integrated into a cantilever
89 for deflection measurement. Nevertheless this approach suffers from the
90 complexity of the microfabrication process needed to implement the sensor.
91 In~\cite{CantiCapacitive03}, authors have presented a cantilever mechanism
92 based on capacitive sensing. These techniques require cantilever
93 instrumentation resulting in\ complex fabrication processes.
94
95 In this paper  our attention is focused on a method  based on interferometry for
96 cantilever  displacement  measurement in  quasi-static  regime. Cantilevers  are
97 illuminated  by an  optical  source.  Interferometry  produces fringes  enabling
98 cantilever displacement computation. A high  speed camera is used to analyze the
99 fringes. In view of real time  applications, images need to be processed quickly
100 and then a  fast estimation method is required to  determine the displacement of
101 each  cantilever. In~\cite{AFMCSEM11},  an algorithm  based on  spline  has been
102 introduced  for  cantilever  position  estimation.  The  overall  process  gives
103 accurate results  but computations  are performed on  a standard  computer using
104 LabView      \textsuperscript{\textregistered}     \textsuperscript{\copyright}.
105 Consequently, the main drawback of this implementation is that the computer is a
106 bottleneck. In this  paper we pose the problem  of real-time cantilever position
107 estimation and  bring a  hardware/software solution. It  includes a  fast method
108 based on least squares and its FPGA implementation.
109
110 The remainder of the paper is organized as follows. Section~\ref{sec:measure}
111 describes the measurement process. Our solution based on the least square
112 method and its implementation on a FPGA is presented in Section~\ref{sec:solus}. Numerical experimentations are described in Section~\ref{sec:results}. Finally a conclusion and some perspectives are drawn.
113
114 \section{Architecture and goals}
115
116 \label{sec:measure}
117
118 In order to develop simple, cost effective and user-friendly cantilever
119 arrays, authors of ~\cite{AFMCSEM11} have developed a system based on
120 interferometry.
121
122 \subsection{Experimental setup}
123
124 \label{sec:archi}
125
126 In opposition to other optical based system\textbf{s u}sing a laser beam
127 deflection scheme and sensitive to the angular displacement of the
128 cantilever, interferometry is sensitive to the optical path difference
129 induced by the vertical displacement of the cantilever.
130
131 The system is based on a Linnick interferometer~\cite{Sinclair:05}.
132 It is illustrated in Figure~\ref{fig:AFM} \footnote{by courtesy of
133   CSEM}. A laser diode is first split (by the splitter) into a
134 reference beam and a sample beam both reaching the cantilever array.
135 The complete system including a cantilever array\ and the optical
136 system can be moved thanks to a translation and rotational hexapod
137 stage with five degrees of freedom. Thus, the cantilever array is
138 centered in the optical system which can be adjusted accurately.  The
139 beam illuminates the array by a microscope objective and the light
140 reflects on the cantilevers. Likewise the reference beam reflects on a
141 movable mirror. A CMOS camera chip records the reference and sample
142 beams which are recombined in the beam splitter and the
143 interferogram. At the beginning of each experiment, the movable mirror
144 is fitted manually in order to align the interferometric fringes
145 approximately parallel to the cantilevers. Then, cantilever motion in
146 the transverse direction produces movements in the fringes. They are
147 detected with the CMOS camera which images are analyzed by a Labview
148 program to recover the cantilever deflections.
149
150 \begin{figure}[tbp]
151 \begin{center}
152 \includegraphics[width=\columnwidth]{AFM}
153 \end{center}
154 \caption{AFM Setup}
155 \label{fig:AFM}
156 \end{figure}
157
158 %% image tirée des expériences.
159
160 \subsection{Inteferometric based cantilever deflection estimation}
161
162 \label{sec:deflest}
163
164 \begin{figure}[tbp]
165 \begin{center}
166 \includegraphics[width=\columnwidth]{lever-xp}
167 \end{center}
168 \caption{Portion of a camera image showing moving interferometric fringes in
169 cantilevers}
170 \label{fig:img-xp}
171 \end{figure}
172
173 As shown in Figure \ref{fig:img-xp} \footnote{by courtesy of CSEM}, each
174 cantilever is covered by several interferometric fringes. The fringes
175 distort when cantilevers are deflected.  In \cite{AFMCSEM11}, a novel
176 method for interferometric based cantilever deflection measurement was
177 reported. For each cantilever, the method uses three segments of pixels,
178 parallel to its section, to determine phase shifts.  The first is
179 located just above the AFM tip (tip profile), it provides the phase
180 shift modulo $2\pi $. The second one is close to the base junction
181 (base profile) and is used to determine the exact multiple of $2\pi $
182 through an operation called unwrapping where it is assumed that the
183 deflection means along the two measurement segments are linearly
184 dependent.  The third is on the base and provides a reference for
185 noise suppression.  Finally, deflections are simply derived from phase
186 shifts.\\
187
188 The pixel gray-level intensity $I$ of each profile is modelized by%
189 \begin{equation}
190 I(x)=A\text{ }\cos (2\pi fx+\theta )+ax+b  \label{equ:profile}
191 \end{equation}%
192 where $x$ denotes the position of a pixel in a segment, $A$, $f$ and $\theta 
193 $ are the amplitude, the frequency and the phase of the light signal when
194 the affine function $ax+b$ corresponds to the cantilever array surface tilt
195 with respect to the light source. 
196
197 The method consists in two main sequences.  In the first one
198 corresponding to precomputation, the frequency $f$ of each profile is
199 determined using a spline interpolation (see section \ref%
200 {sec:algo-spline}) and the coefficient used for phase unwrapping is
201 computed. The second one, that we call the \textit{acquisition loop,}
202 is done after images have been taken at regular time steps. For each
203 image, the phase $\theta $ of all profiles is computed to obtain,
204 after unwrapping, the cantilever deflection. The phase determination
205 in \cite{AFMCSEM11} is achieved by a spline based algorithm which is
206 the most consuming part of the computation. In this article, we
207 propose an alternate version based on the least square method which is
208 faster and better suited for FPGA implementation.
209
210 \subsection{Computation design goals}
211
212 \label{sec:goals}
213
214 To evaluate the solution performances, we choose a goal which consists
215 in designing a computing unit able to estimate the deflections of
216 a $10\times 10$%
217 -cantilever array, faster than the camera image stream. In addition,
218 the result accuracy must be close to 0.3nm, the maximum precision
219 reached in \cite{AFMCSEM11}. Finally, the latency between the entrance
220 of the first pixel of an image and the end of deflection computation
221 must be as small as possible. All these requirement are
222 stated in the perspective of implementing real-time active control for
223 each cantilever, see~\cite{LencznerChap10,Hui11}.
224
225 If we put aside other hardware issues like the speed of the link
226 between the camera and the computation unit, the time to deserialize
227 pixels and to store them in memory, the phase computation is the
228 bottleneck of the whole process. For example, the camera in the setup
229 of \cite{AFMCSEM11} provides $%
230 1024\times 1204$ pixels with an exposition time of 2.5ms. Thus, if we
231 the pixel extraction time is neglected, each phase calculation of a
232 100-cantilever array should take no more than 12.5$\mu$s. \newline
233
234 In fact, this timing is a very hard constraint. To illustrate this point, we
235 consider a very small program that initializes twenty million of doubles in
236 memory and then does 1,000,000 cumulated sums on 20 contiguous values
237 (experimental profiles have about this size). On an intel Core 2 Duo E6650
238 at 2.33GHz, this program reaches an average of 155Mflops. 
239 Obviously, some cache effects and optimizations on huge amount of
240 computations can drastically increase these performances: peak efficiency is
241 about 2.5Gflops for the considered CPU. But this is not the case for phase
242 computation that is using only a few tenth of values.\newline
243
244 In order to evaluate the original algorithm, we translated it in C language.
245 As stated before, for 20 pixels, it does about 1,550 operations, thus an
246 estimated execution time of $1,550/155=$10$\mu $s. For a more realistic
247 evaluation, we constructed a file of 1Mo containing 200 profiles of 20
248 pixels, equally scattered. This file is equivalent to an image stored in a
249 device file representing the camera. We obtained an average of 10.5$\mu$s
250 by profile (including I/O accesses). It is under our requirements but close
251 to the limit. In case of an occasional load of the system, it could be
252 largely overtaken. Solutions would be to use a real-time operating system or
253 to search for a more efficient algorithm.\newline
254
255 However, the main drawback is the latency of such a solution because each
256 profile must be treated one after another and the deflection of 100
257 cantilevers takes about $200\times 10.5=2.1$ms. This would be inadequate
258 for real-time requirements as for individual cantilever active control. An
259 obvious solution is to parallelize the computations, for example on a GPU.
260 Nevertheless, the cost of transferring profile in GPU memory and of taking
261 back results would be prohibitive compared to computation time.\newline
262
263 We remark that when possible, it is more efficient to pipeline the
264 computation. For example, supposing that 200 profiles of 20 pixels
265 could be pushed sequentially in a pipelined unit cadenced at a 100MHz
266 (i.e. a pixel enters in the unit each 10ns), all profiles would be
267 treated in $200\times 20\times 10.10^{-9}=$ 40$\mu$s plus the latency
268 of the pipeline. Such a solution would be meeting our requirements and
269 would be 50 times faster than our C code, and even more compared to
270 the LabView version use in \cite{AFMCSEM11}. FPGAs are appropriate for
271 such implementation, so they turn out to be the computation units of
272 choice to reach our performance requirements. Nevertheless, passing
273 from a C code to a pipelined version in VHDL is not obvious at all. It
274 can even be impossible because of FPGA hardware constraints. All these
275 points are discussed in the following sections.
276
277 \section{An hardware/software solution}
278
279 \label{sec:solus}
280
281 In this section we present part of the computing solution to the above
282 requirements. We first give some general information about FPGAs, then we
283 describe the FPGA board we use for implementation and finally the two
284 algorithms for phase computation are detailed. Presentation of VHDL
285 implementations is postponned until Section \ref{Experimental tests}. 
286 \newline
287
288 The hardware part consists in a high-speed camera, linked on an embedded
289 board hosting two FPGAs. In this way, the camera output stream can be pushed
290 directly into the FPGA. The software part is mostly the VHDL code that
291 deserializes the camera stream, extracts profiles and computes the
292 deflection. Before to present the board we use, we give some general
293 information about FPGAs.
294
295 \subsection{Elements of FPGA architecture and programming}
296
297 A field-programmable gate array (FPGA) is an integrated circuit designed to
298 be configured by the customer. FGPAs are composed of programmable logic
299 components, called configurable logic blocks (CLB). These blocks mainly
300 contain look-up tables (LUT), flip/flops (F/F) and latches, organized in one
301 or more slices connected together. Each CLB can be configured to perform
302 simple (AND, XOR, ...) or complex combinational functions. They are
303 interconnected by reconfigurable links. Modern FPGAs contain memory elements
304 and multipliers which enable to simplify the design and to increase the
305 performance. Nevertheless, all other complex operations like division and
306 other functions like trigonometric functions are not available and must be
307 built by configuring a set of CLBs. Since this is not an obvious task at
308 all, tools like ISE~\cite{ISE} have been built to do this operation. Such a
309 software can synthetize a design written in a hardware description language
310 (HDL), maps it onto CLBs, place/route them for a specific FPGA, and finally
311 produces a bitstream that is used to configure the FPGA. Thus, from the
312 developer's point of view, the main difficulty is to translate an algorithm
313 into HDL code, taking into account FPGA resources and constraints like clock
314 signals and I/O values that drive the FPGA.
315
316 Indeed, HDL programming is very different from classic languages like
317 C. A program can be seen as a state-machine, manipulating signals that
318 evolve from state to state. Moreover, HDL instructions can be executed
319 concurrently. Signals may be combined with basic logic operations to
320 produce new states that are assigned to another signal. States are mainly expressed as
321 arrays of bits.  Fortunately, libraries propose some higher levels
322 representations like signed integers, and arithmetic operations.
323
324 Furthermore, even if FPGAs are cadenced more slowly than classic processors,
325 they can perform pipelines as well as parallel operations. A pipeline
326 consists in cutting a process in a sequence of small tasks, taking the same
327 execution time. It accepts a new data at each clock top, thus, after a known
328 latency, it also provides a result at each clock top. We observe that the
329 components of a task are not reusable by another one. Nevertheless, this is
330 the most efficient technique on FPGAs. Because of their architecture, it is
331 also very easy to process several data concurrently. Finally, the best
332 performance can be reached when several pipelines are operating on multiple
333 data streams in parallel.
334
335 \subsection{The FPGA board}
336
337 The architecture we use is designed by the Armadeus Systems
338 company. It consists in a development board called APF27 \textsuperscript{\textregistered}, hosting a
339 i.MX27 ARM processor (from Freescale) and a Spartan3A (from
340 XIlinx). This board includes all classical connectors as USB and
341 Ethernet for instance. A Flash memory contains a Linux kernel that can
342 be launched after booting the board via u-Boot. The processor is
343 directly connected to the Spartan3A via its special interface called
344 WEIM. The Spartan3A is itself connected to an extension board called
345 SP Vision \textsuperscript{\textregistered}, that hosts a Spartan6 FPGA. Thus, it is
346 possible to develop programs that communicate between i.MX and
347 Spartan6, using Spartan3 as a tunnel. A clock signal at 100MHz (by
348 default) is delivered to dedicated FPGA pins. The Spartan6 of our
349 board is an LX100 version. It has 15,822 slices, each slice containing
350 4 LUTs and 8 flip/flops. It is equivalent to 101,261 logic
351 cells. There are 268 internal block RAM of 18Kbits, and 180 dedicated
352 multiply-adders (named DSP48), which is largely enough for our
353 project. Some I/O pins of Spartan6 are connected to two $2\times 17$
354 headers that can be used for any purpose as to be connected to the
355 interface of a camera.
356
357 \subsection{Two algorithms for phase computation}
358
359 In \cite{AFMCSEM11}, $f$ the frequency and $\theta $\ the phase of the
360 light wave are computed thanks to spline interpolation. As said in
361 section \ref{sec:deflest}, $f$ is computed only once time but the
362 phase needs to be computed for each image. This is why, in this paper,
363 we focus on its computation.
364
365 \subsubsection{Spline algorithm (SPL)}
366
367 \label{sec:algo-spline}
368
369 We denote by $M$ the number of pixels in a segment used for phase
370 computation. For the sake of simplicity of the notations, we consider
371 the light intensity $I$ to be a mapping of the physical segment in the
372 interval $[0,M[$. The pixels are assumed to be regularly spaced and
373 centered at the positions $x^{p}\in\{0,1,\ldots,M-1\}.$ We use the simplest
374 definition of a pixel, namely the value of $I$ at its center. The
375 pixel intensities are considered as pre-normalized so that their
376 minimum and maximum have been resized to $-1$ and $1$. 
377
378 The first step consists in computing the cubic spline interpolation of
379 the intensities. This allows for interpolating $I$ at a larger number
380 $L=k\times M$ of points (typically $k=4$ is sufficient) $%
381 x^{s}$ in the interval $[0,M[$. During the precomputation sequence,
382 the second step is to determin the afine part $a.x+b$ of $I$. It is
383 found with an ordinary least square method, taking account the $L$
384 points. Values of $I$ in $x^s$ are used to compute its intersections
385 with $a.x+b$. The period of $I$ (and thus its frequency) is deduced
386 from the number of intersections and the distance between the first
387 and last.
388
389 During the acquisition loop, the second step is the phase computation, with
390 \begin{equation}
391 \theta =atan\left[ \frac{\sum_{i=0}^{N-1}\text{sin}(2\pi fx_{i}^{s})\times
392 I(x_{i}^{s})}{\sum_{i=0}^{N-1}\text{cos}(2\pi fx_{i}^{s})\times I(x_{i}^{s})}%
393 \right] .
394 \end{equation}
395
396 \textit{Remarks: }
397
398 \begin{itemize}
399 \item The frequency could also be obtained using the derivates of spline
400 equations, which only implies to solve quadratic equations but certainly
401 yields higher errors.
402
403 \item Profile frequency are computed during the precomputation step,
404   thus the values sin$(2\pi fx_{i}^{s})$ and cos$(2\pi fx_{i}^{s})$
405   can be determined once for all.
406 \end{itemize}
407
408 \subsubsection{Least square algorithm (LSQ)}
409
410 Assuming that we compute the phase during the acquisition loop, equation \ref%
411 {equ:profile} has only 4 parameters: $a,b,A$, and $\theta $, $f$ and $x$
412 being already known. Since $I$ is non-linear, a least square method based on
413 a Gauss-newton algorithm can be used to determine these four parameters.
414 This kind of iterative process ends with a convergence criterion, so it is
415 not suited to our design goals. Fortunately, it is quite simple to reduce
416 the number of parameters to only $\theta $. Firstly, the afine part $ax+b$
417 is estimated from the $M$ values $I(x^{p})$ to determine the rectified
418 intensities,%
419 \begin{equation*}
420 I^{corr}(x^{p})\approx I(x^{p})-a.x^{p}-b.
421 \end{equation*}%
422 To find $a$ and $b$ we apply an ordinary least square method (as in SPL but on $M$ points)%
423 \begin{equation*}
424 a=\frac{covar(x^{p},I(x^{p}))}{\text{var}(x^{p})}\text{ and }b=\overline{%
425 I(x^{p})}-a.\overline{{x^{p}}}
426 \end{equation*}%
427 where overlined symbols represent average. Then the amplitude $A$ is
428 approximated by%
429 \begin{equation*}
430 A\approx \frac{\text{max}(I^{corr})-\text{min}(I^{corr})}{2}.
431 \end{equation*}%
432 Finally, the problem of approximating $\theta $ is reduced to minimizing%
433 \begin{equation*}
434 \min_{\theta \in \lbrack -\pi ,\pi ]}\sum_{i=0}^{M-1}\left[ \text{cos}(2\pi
435 f.i+\theta )-\frac{I^{corr}(i)}{A}\right] ^{2}.
436 \end{equation*}%
437 An optimal value $\theta ^{\ast }$ of the minimization problem is a zero of
438 the first derivative of the above argument,%\begin{eqnarray*}{l}
439 \begin{equation*}
440 2\left[ \text{cos}\theta ^{\ast }\sum_{i=0}^{M-1}I^{corr}(i).\text{sin}(2\pi
441 f.i)\right.
442 \end{equation*}%
443 \begin{equation*}
444 \left. +\text{sin}\theta ^{\ast }\sum_{i=0}^{M-1}I^{corr}(i).\text{cos}(2\pi
445 f.i)\right] -
446 \end{equation*}%
447 \begin{equation*}
448 A\left[ \text{cos}2\theta ^{\ast }\sum_{i=0}^{M-1}\sin (4\pi f.i)+\text{sin}%
449 2\theta ^{\ast }\sum_{i=0}^{M-1}\cos (4\pi f.i)\right] =0
450 \end{equation*}%
451 %
452 %\end{eqnarray*}
453
454 Several points can be noticed:
455
456 \begin{itemize}
457 \item The terms $\sum_{i=0}^{M-1}$sin$(4\pi f.i)$ and$\sum_{i=0}^{M-1}$cos$%
458 (4\pi f.i)$ are independent of $\theta $, they can be precomputed.
459
460 \item Lookup tables (namely lut$_{sfi}$ and lut$_{cfi}$ in the following algorithms) can be
461   set with the $2.M$ values $\sin (2\pi f.i)$ and $\cos (2\pi f.i)$.
462
463 \item A simple method to find a zero $\theta ^{\ast }$ of the optimality
464 condition is to discretize the range $[-\pi ,\pi ]$ with a large number $%
465 nb_{s}$ of nodes and to find which one is a minimizer in the absolute value
466 sense. Hence, three other lookup tables (lut$_{s}$, lut$_{c}$ and lut$_{A}$) can be set with the $%
467 3\times nb_{s}$ values $\sin \theta ,$ $\cos \theta ,$ 
468 \begin{equation*}
469 \left[ cos2\theta \sum_{i=0}^{M-1}sin(4\pi f.i)+sin2\theta
470 \sum_{i=0}^{M-1}cos(4\pi f.i)\right] .
471 \end{equation*}
472
473 \item The search algorithm can be very fast using a dichotomous process in $%
474 log_{2}(nb_{s}).$
475 \end{itemize}
476
477 The overall method is synthetized in an algorithm (called LSQ in the
478 following) divided into the precomputing part and the acquisition loop:
479
480 \begin{algorithm}[htbp]
481 \caption{LSQ algorithm - before acquisition loop.}
482 \label{alg:lsq-before}
483
484    $M \leftarrow $ number of pixels of the profile\\
485    I[] $\leftarrow $ intensity of pixels\\
486    $f \leftarrow $ frequency of the profile\\
487    $s4i \leftarrow \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i)$\\
488    $c4i \leftarrow \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)$\\
489    $nb_s \leftarrow $ number of discretization steps of $[-\pi,\pi]$\\
490
491    \For{$i=0$ to $nb_s $}{
492      $\theta  \leftarrow -\pi + 2\pi\times \frac{i}{nb_s}$\\
493      lut$_s$[$i$] $\leftarrow sin \theta$\\
494      lut$_c$[$i$] $\leftarrow cos \theta$\\
495      lut$_A$[$i$] $\leftarrow cos 2 \theta \times s4i + sin 2 \theta \times c4i$\\
496      lut$_{sfi}$[$i$] $\leftarrow sin (2\pi f.i)$\\
497      lut$_{cfi}$[$i$] $\leftarrow cos (2\pi f.i)$\\
498    }
499 \end{algorithm}
500
501 \begin{algorithm}[htbp]
502 \caption{LSQ algorithm - during acquisition loop.}
503 \label{alg:lsq-during}
504
505    $\bar{x} \leftarrow \frac{M-1}{2}$\\
506    $\bar{y} \leftarrow 0$, $x_{var} \leftarrow 0$, $xy_{covar} \leftarrow 0$\\
507    \For{$i=0$ to $M-1$}{
508      $\bar{y} \leftarrow \bar{y} + $ I[$i$]\\
509      $x_{var} \leftarrow x_{var} + (i-\bar{x})^2$\\
510    }
511    $\bar{y} \leftarrow \frac{\bar{y}}{M}$\\
512    \For{$i=0$ to $M-1$}{
513      $xy_{covar} \leftarrow xy_{covar} + (i-\bar{x}) \times (I[i]-\bar{y})$\\
514    }
515    $slope \leftarrow \frac{xy_{covar}}{x_{var}}$\\
516    $start \leftarrow y_{moy} - slope\times \bar{x}$\\
517    \For{$i=0$ to $M-1$}{
518      $I[i] \leftarrow I[i] - start - slope\times i$\\
519    }
520
521    $I_{max} \leftarrow max_i(I[i])$, $I_{min} \leftarrow min_i(I[i])$\\
522    $amp \leftarrow \frac{I_{max}-I_{min}}{2}$\\
523
524    $Is \leftarrow 0$, $Ic \leftarrow 0$\\
525    \For{$i=0$ to $M-1$}{
526      $Is \leftarrow Is + I[i]\times $ lut$_{sfi}$[$i$]\\
527      $Ic \leftarrow Ic + I[i]\times $ lut$_{cfi}$[$i$]\\
528    }
529
530    $\delta \leftarrow \frac{nb_s}{2}$, $b_l \leftarrow 0$, $b_r \leftarrow \delta$\\
531    $v_l \leftarrow -2.I_s - amp.$lut$_A$[$b_l$]\\
532
533    \While{$\delta >= 1$}{
534
535      $v_r \leftarrow 2.[ Is.$lut$_c$[$b_r$]$ + Ic.$lut$_s$[$b_r$]$ ] - amp.$lut$_A$[$b_r$]\\
536
537      \If{$!(v_l < 0$ and $v_r >= 0)$}{
538        $v_l \leftarrow v_r$ \\
539        $b_l \leftarrow b_r$ \\
540      }
541      $\delta \leftarrow \frac{\delta}{2}$\\
542      $b_r \leftarrow b_l + \delta$\\
543    }
544    \uIf{$!(v_l < 0$ and $v_r >= 0)$}{
545      $v_l \leftarrow v_r$ \\
546      $b_l \leftarrow b_r$ \\
547      $b_r \leftarrow b_l + 1$\\
548      $v_r \leftarrow 2.[ Is.$lut$_c$[$b_r$]$ + Ic.$lut$_s$[$b_r$]$ ] - amp.$lut$_A$[$b_r$]\\
549    }
550    \Else {
551      $b_r \leftarrow b_l + 1$\\
552    }
553
554    \uIf{$ abs(v_l) < v_r$}{
555      $b_{\theta} \leftarrow b_l$ \\
556    }
557    \Else {
558      $b_{\theta} \leftarrow b_r$ \\
559    }
560    $\theta \leftarrow \pi\times \left[\frac{2.b_{ref}}{nb_s}-1\right]$\\
561
562 \end{algorithm}
563
564 \subsubsection{Algorithm comparison}
565
566 We compared the two algorithms on the base of three criteria:
567
568 \begin{itemize}
569 \item precision of results on a cosines profile, distorted by noise,
570
571 \item number of operations,
572
573 \item complexity of FPGA implementation
574 \end{itemize}
575
576 For the first item, we produced a matlab version of each algorithm,
577 running in double precision. The profile was generated for about
578 34,000 different quadruplets of periods ($\in \lbrack 3.1,6.1]$, step
579 = 0.1), phases ($\in \lbrack -3.1,3.1]$, steps = 0.062) and slope
580 ($\in \lbrack -2,2]$, step = 0.4). Obviously, the discretization of
581 $[-\pi ,\pi ]$ introduces an error in the phase estimation. It is at
582 most equal to $\frac{\pi}{nb_s}$. From some experiments on a $17\times
583 4$ array, authors of \cite{AFMCSEM11} noticed a average ratio of 50
584 between phase variation in radians and lever end position in
585 nanometers. Assuming such a ratio and $nb_s = 1024$, the maximum lever
586 deflection error would be 0.15nm which is smaller than 0.3nm, the best
587 precision achieved with the setup used in \cite{AFMCSEM11}. 
588
589 Moreover, pixels have been paired and the paired intensities have been
590 perturbed by addition of a random number uniformly picked in
591 $[-N,N]$. Notice that we have observed that perturbing each pixel
592 independently yields too weak profile distortion. We report
593 percentages of errors between the reference and the computed phases
594 out of $2\pi ,$%
595 \begin{equation*}
596 err=100\times \frac{|\theta _{ref}-\theta _{comp}|}{2\pi }.
597 \end{equation*}%
598 Table \ref{tab:algo_prec} gives the maximum and the average errors for both
599 algorithms and for increasing values of $N$ the noise parameter.
600
601 \begin{table}[ht]
602 \begin{center}
603 \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
604 \hline
605 & \multicolumn{2}{c|}{SPL} & \multicolumn{2}{c|}{LSQ} \\ \cline{2-5}
606 noise (N)& max. err. & aver. err. & max. err. & aver. err. \\ \hline
607 0 & 2.46 & 0.58 & 0.49 & 0.1 \\ \hline
608 2.5 & 2.75 & 0.62 & 1.16 & 0.22 \\ \hline
609 5 & 3.77 & 0.72 & 2.47 & 0.41 \\ \hline
610 7.5 & 4.72 & 0.86 & 3.33 & 0.62 \\ \hline
611 10 & 5.62 & 1.03 & 4.29 & 0.81 \\ \hline
612 15 & 7.96 & 1.38 & 6.35 & 1.21 \\ \hline
613 30 & 17.06 & 2.6 & 13.94 & 2.45 \\ \hline
614 \end{tabular}%
615 \end{center}
616 \caption{Error (in \%) for cosines profiles, with noise.}
617 \label{tab:algo_prec}
618 \end{table}
619
620 The results show that the two algorithms yield close results, with a slight
621 advantage for LSQ. Furthermore, both behave very well against noise.
622 Assuming an average ratio of 50 (see above), an error of 1 percent on
623 the phase corresponds to an error of 0.5nm on the lever deflection, which is
624 very close to the best precision.
625
626 It is very hard to predict which level of noise will be present in
627 real experiments and how it will distort the profiles. Authors of
628 \cite{AFMCSEM11} gave us the authorization to exploit some of their
629 results on a $17\times 4$ array. It allowed us to compare experimental
630 profiles to simulated ones. We can see on figure \ref{fig:noise20} the
631 profile with $N=10$ that leads to the biggest error. It is a bit
632 distorted, with pikes and straight/rounded portions. In fact, it is
633 very close to some of the worst experimental profiles. Figure
634 \ref{fig:noise60} shows a sample of worst profile for $N=30$. It is
635 completely distorted, largely beyond any experimental ones. Obviously,
636 these comparisons are a bit subjectives and experimental profiles
637 could also be completly distorted on other experiments. Nevertheless,
638 they give an idea about the possible error.
639
640 \begin{figure}[ht]
641 \begin{center}
642 \includegraphics[width=\columnwidth]{intens-noise20}
643 \end{center}
644 \caption{Sample of worst profile for N=10}
645 \label{fig:noise20}
646 \end{figure}
647
648 \begin{figure}[ht]
649 \begin{center}
650 \includegraphics[width=\columnwidth]{intens-noise60}
651 \end{center}
652 \caption{Sample of worst profile for N=30}
653 \label{fig:noise60}
654 \end{figure}
655
656 The second criterion is relatively easy to estimate for LSQ and harder for
657 SPL because of the use of the arctangent function. In both cases, the number
658 of operation is proportional to $M$ the numbers of pixels. For LSQ, it also
659 depends on $nb_{s}$ and for SPL on $L=k\times M$ the number of interpolated
660 points. We assume that $M=20$, $nb_{s}=1024$ and $k=4$, that all possible
661 parts are already in lookup tables and that a limited set of operations (+,
662 -, *, /, $<$, $>$) is taken into account. Translating both algorithms in C
663 code, we obtain about 430 operations for LSQ and 1,550 (plus a few tenth for 
664 $atan$) for SPL. This result is largely in favor of LSQ. Nevertheless,
665 considering the total number of operations is not fully relevant for FPGA
666 implementation which time and space consumption depends not only on the type
667 of operations but also of their ordering. The final evaluation is thus very
668 much driven by the third criterion.\newline
669
670 The Spartan 6 used in our architecture has a hard constraint since it
671 has no built-in floating point units. Obviously, it is possible to use
672 some existing "black-boxes" for double precision operations. But they
673 require a lot of clock cycles to complete. It is much simpler to
674 exclusively use integers, with a quantization of all double precision
675 values. It should be chosen in a manner that does not alterate result
676 precision. Furthermore, it should not lead to a design with a huge
677 latency because of operations that could not complete during a single
678 or few clock cycles. Divisions fall into that category and, moreover,
679 they need a varying number of clock cycles to complete. Even
680 multiplications can be a problem since a DSP48 takes inputs of 18 bits
681 maximum. So, for larger multiplications, several DSP must be combined
682 which increases the overall latency.
683
684 In the present algorithms, the hardest constraint does not come from the
685 FPGA characteristics but from the algorithms. Their VHDL implementation can
686 be efficient only if they can be fully (or near) pipelined. We observe that
687 only a small part of SPL can be pipelined, indeed, the computation of spline
688 coefficients implies to solve a linear tridiagonal system which matrix and
689 right-hand side are computed from incoming pixels intensity but after, the
690 back-solve starts with the latest values, which breaks the pipeline.
691 Moreover, SPL relies on interpolating far more points than profile size.
692 Thus, the end of SPL works on a larger amount of data than at the beginning,
693 which also breaks the pipeline.
694
695 LSQ has not this problem since all parts, except the dichotomic search, work
696 on the same amount of data, i.e. the profile size. Furthermore, LSQ requires
697 less operations than SPL, implying a smaller output latency. In total, LSQ
698 turns out to be the best candidate for phase computation on any architecture
699 including FPGA.
700
701 \section{VHDL implementation and experimental tests}
702
703 \label{Experimental tests} 
704
705 \subsection{VHDL implementation}
706
707 From the LSQ algorithm, we have written a C program that uses only
708 integer values. We used a very simple quantization which consists in
709 multiplying each double precision value by a factor power of two and
710 by keeping the integer part. For an accurate evaluation of the
711 division in the computation of $a$ the slope coefficient, we also
712 scaled the pixel intensities by another power of two. The main problem
713 was to determin these factors. Most of the time, they are chosen to
714 minimize the error induced by the quantization. But in our case, we
715 also have some hardware constraints, for example the size and depth of
716 RAMs or the input size of DSPs. Thus, having a maximum of values that
717 fit in these sizes is a very important criterion to choose the scaling
718 factors.
719
720 Consequently, we have determined the maximum value of each variable as
721 a function of the scale factors and the profile size involved in the
722 algorithm. It gave us the the maximum number of bits necessary to code
723 them. We have chosen the scale factors so that any variable (except
724 the covariance) fits in 18 bits, which is the maximum input size of
725 DSPs. In this way, all multiplications, except one, could be done with
726 a single DSP, in a single clock cycle. Moreover, assuming that $nb_s =
727 1024$, all LUTs could fit in the 18Kbits RAMs. Finally, we compared
728 the double and integer versions of LSQ and found a nearly perfect
729 agreement between their results.
730
731 As mentionned above, some operations like divisions must be
732 avoided. But when the denominator is fixed, a division can be replaced
733 by its multiplication/shift counterpart. This is always the case in
734 LSQ. For example, assuming that $M$ is fixed, $x_{var}$ is known and
735 fixed. Thus, $\frac{xy_{covar}}{x_{var}}$ can be replaced by
736
737 \[ (xy_{covar}\times \left \lfloor\frac{2^n}{x_{var}} \right \rfloor) \gg n\]
738
739 where $n$ depends on the desired precision (in our case $n=24$).
740
741 Obviously, multiplications and divisions by a power of two can be
742 replaced by left or right bit shifts. Finally, the code only contains
743 shifts, additions, subtractions and multiplications of signed integers, which
744 are perfectly adapted to FGPAs.
745
746
747 We built two versions of VHDL codes, namely one directly by hand
748 coding and the other with Matlab using the Simulink HDL coder feature~\cite%
749 {HDLCoder}. Although the approaches are completely different we obtained
750 quite comparable VHDL codes. Each approach has advantages and drawbacks.
751 Roughly speaking, hand coding provides beautiful and much better structured
752 code while Simulind HDL coder produces allows for fast code production. In
753 terms of throughput and latency, simulations show that the two approaches
754 yield close results with a slight advantage for hand coding.
755
756 \subsection{Simulation}
757
758 Before experimental tests on the FPGA board, we simulated our two VHDL
759 codes with GHDL and GTKWave (two free tools with linux). We built a
760 testbench based on experimental profiles and compared the results to
761 values given by the SPL algorithm. Both versions lead to correct
762 results. Our first codes were highly optimized, indeed the pipeline
763 could compute a new phase each 33 cycles and its latency was equal to
764 95 cycles. Since the Spartan6 is clocked at 100MHz, estimating the
765 deflection of 100 cantilevers would take about $%
766 (95+200\times 33).10=66.95\mu $s, i.e. nearly 15,000 estimations by
767 second.
768
769 \subsection{Bitstream creation}
770
771 In order to test our code on the SP Vision board, the design was
772 extended with a component that keeps profiles in RAM, flushes them in
773 the phase computation component and stores its output in another
774 RAM. We also added a wishbone, a component that can "drive" signals to
775 communicate between i.MX and other components. It is mainly used to
776 start to flush profiles and to retrieve the computed phases in
777 RAM. Unfortunately, the first designs could not be placed and routed
778 with ISE on the Spartan6 with a 100MHz clock. The main problems were
779 encountered with series of arthmetic operations and more especially
780 with RAM outputs used in DSPs. So, we needed to decompose some parts
781 of the pipeline, which added few clock cycles. Finally, we obtained a
782 bitstream that has been successfully tested on the board.
783
784 Its latency is of 112 cycles and computes a new phase every 40
785 cycles. For 100 cantilevers, it takes $(112+200\times 40).10=81.12\mu
786 $s to compute their deflection. It corresponds to about 12300 images
787 per second, which is largely beyond the camera capacities and the
788 possibility to extract a new profile from an image every 40
789 cycles. Nevertheless, it also largely fits our design goals.
790
791 \label{sec:results}
792
793 \section{Conclusion and perspectives}
794
795 In this paper we have presented a full hardware/software solution for
796 real-time cantilever deflection computation from interferometry images.
797 Phases are computed thanks to a new algorithm based on the least square
798 method. It has been quantized and pipelined to be mapped into a FPGA, the
799 architecture of our solution. Performances have been analyzed through
800 simulations and real experiments on a Spartan6 FPGA. The results meet our
801 initial requirements. In future work, the algorithm quantization will be
802 better analyzed and an high speed camera will be introduced in the
803 processing chain so that to process real images. Finally, we will address
804 real-time filtering and control problems for AFM arrays in dynamic regime.
805
806 \section{Acknowledgments}
807 We would like to thank A. Meister and M. Favre, from CSEM, for sharing all the
808 material we used to write this article and for the time they spent to
809 explain us their approach.
810
811 \bibliographystyle{plain}
812 \bibliography{biblio}
813
814 \end{document}