]> AND Private Git Repository - dmems12.git/blob - dmems12.tex
Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Private GIT Repository
Merge branch 'master' of ssh://bilbo.iut-bm.univ-fcomte.fr/dmems12
[dmems12.git] / dmems12.tex
1
2 \documentclass[10pt, conference, compsocconf]{IEEEtran}
3 %\usepackage{latex8}
4 %\usepackage{times}
5 \usepackage[utf8]{inputenc}
6 %\usepackage[cyr]{aeguill}
7 %\usepackage{pstricks,pst-node,pst-text,pst-3d}
8 %\usepackage{babel}
9 \usepackage{amsmath}
10 \usepackage{url}
11 \usepackage{graphicx}
12 \usepackage{thumbpdf}
13 \usepackage{color}
14 \usepackage{moreverb}
15 \usepackage{commath}
16 \usepackage{subfigure}
17 %\input{psfig.sty}
18 \usepackage{fullpage}
19 \usepackage{fancybox}
20
21 \usepackage[ruled,lined,linesnumbered]{algorithm2e}
22
23 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% LyX specific LaTeX commands.
24 \newcommand{\noun}[1]{\textsc{#1}}
25
26 \newcommand{\tab}{\ \ \ }
27
28
29
30 \begin{document}
31
32
33 %% \author{\IEEEauthorblockN{Authors Name/s per 1st Affiliation (Author)}
34 %% \IEEEauthorblockA{line 1 (of Affiliation): dept. name of organization\\
35 %% line 2: name of organization, acronyms acceptable\\
36 %% line 3: City, Country\\
37 %% line 4: Email: name@xyz.com}
38 %% \and
39 %% \IEEEauthorblockN{Authors Name/s per 2nd Affiliation (Author)}
40 %% \IEEEauthorblockA{line 1 (of Affiliation): dept. name of organization\\
41 %% line 2: name of organization, acronyms acceptable\\
42 %% line 3: City, Country\\
43 %% line 4: Email: name@xyz.com}
44 %% }
45
46
47
48 \title{Using FPGAs for high speed and real time cantilever deflection estimation}
49 \author{\IEEEauthorblockN{Raphaël Couturier\IEEEauthorrefmark{1}, Stéphane Domas\IEEEauthorrefmark{1}, Gwenhaël Goavec-Merou\IEEEauthorrefmark{2} and Michel Lenczner\IEEEauthorrefmark{2}}
50 \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}FEMTO-ST, DISC, University of Franche-Comte, Belfort, France\\
51 \{raphael.couturier,stephane.domas\}@univ-fcomte.fr}
52 \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}FEMTO-ST, Time-Frequency, University of Franche-Comte, Besançon, France\\
53 \{michel.lenczner@utbm.fr,gwenhael.goavec@trabucayre.com}
54 }
55
56
57
58
59
60
61 \maketitle
62
63 \thispagestyle{empty}
64
65 \begin{abstract}
66
67   
68
69 {\it keywords}: FPGA, cantilever, interferometry.
70 \end{abstract}
71
72 \section{Introduction}
73
74 Cantilevers  are  used  inside  atomic  force  microscope (AFM) which  provides  high
75 resolution images of  surfaces.  Several technics have been  used to measure the
76 displacement  of cantilevers  in litterature.   For example,  it is  possible to
77 determine  accurately  the  deflection  with different  mechanisms. 
78 In~\cite{CantiPiezzo01},   authors  used   piezoresistor  integrated   into  the
79 cantilever.   Nevertheless this  approach  suffers from  the  complexity of  the
80 microfabrication  process needed  to  implement the  sensor  in the  cantilever.
81 In~\cite{CantiCapacitive03},  authors  have  presented an  cantilever  mechanism
82 based on  capacitive sensing. This kind  of technic also  involves to instrument
83 the cantiliver which result in a complex fabrication process.
84
85 In this  paper our attention is focused  on a method based  on interferometry to
86 measure cantilevers' displacements.  In  this method cantilevers are illuminated
87 by  an optic  source. The  interferometry produces  fringes on  each cantilevers
88 which enables to  compute the cantilever displacement.  In  order to analyze the
89 fringes a  high speed camera  is used. Images  need to be processed  quickly and
90 then  a estimation  method is  required to  determine the  displacement  of each
91 cantilever.  In~\cite{AFMCSEM11},  the authors have  used an algorithm  based on
92 spline to estimate the cantilevers' positions.
93
94    The overall  process gives
95 accurate results  but all the computation  are performed on  a standard computer
96 using labview.  Consequently,  the main drawback of this  implementation is that
97 the computer is a bootleneck in the overall process. In this paper we propose to
98 use a  method based on least  square and to  implement all the computation  on a
99 FGPA.
100
101 The remainder  of the paper  is organized as  follows. Section~\ref{sec:measure}
102 describes  more precisely  the measurement  process. Our  solution based  on the
103 least  square   method  and   the  implementation  on   FPGA  is   presented  in
104 Section~\ref{sec:solus}.       Experimentations      are       described      in
105 Section~\ref{sec:results}.  Finally  a  conclusion  and  some  perspectives  are
106 presented.
107
108
109
110 %% quelques ref commentées sur les calculs basés sur l'interférométrie
111
112 \section{Measurement principles}
113 \label{sec:measure}
114
115
116
117
118
119
120
121
122 \subsection{Architecture}
123 \label{sec:archi}
124 %% description de l'architecture générale de l'acquisition d'images
125 %% avec au milieu une unité de traitement dont on ne précise pas ce
126 %% qu'elle est.
127
128 In order to develop simple,  cost effective and user-friendly cantilever arrays,
129 authors   of    ~\cite{AFMCSEM11}   have   developped   a    system   based   of
130 interferometry. In opposition to other optical based systems, using a laser beam
131 deflection scheme and  sentitive to the angular displacement  of the cantilever,
132 interferometry  is sensitive  to  the  optical path  difference  induced by  the
133 vertical displacement of the cantilever.
134
135 The system build  by authors of~\cite{AFMCSEM11} has been  developped based on a
136 Linnick     interferomter~\cite{Sinclair:05}.    It     is     illustrated    in
137 Figure~\ref{fig:AFM}.  A  laser diode  is first split  (by the splitter)  into a
138 reference beam and a sample beam  that reachs the cantilever array.  In order to
139 be  able to  move  the cantilever  array, it  is  mounted on  a translation  and
140 rotational hexapod  stage with  five degrees of  freedom. The optical  system is
141 also fixed to the stage.  Thus,  the cantilever array is centered in the optical
142 system which  can be adjusted accurately.   The beam illuminates the  array by a
143 microscope objective  and the  light reflects on  the cantilevers.  Likewise the
144 reference beam  reflects on a  movable mirror.  A  CMOS camera chip  records the
145 reference and  sample beams which  are recombined in  the beam splitter  and the
146 interferogram.   At the  beginning of  each  experiment, the  movable mirror  is
147 fitted  manually in  order to  align the  interferometric  fringes approximately
148 parallel  to the cantilevers.   When cantilevers  move due  to the  surface, the
149 bending of  cantilevers produce  movements in the  fringes that can  be detected
150 with    the    CMOS    camera.     Finally    the    fringes    need    to    be
151 analyzed. In~\cite{AFMCSEM11}, the authors used a LabView program to compute the
152 cantilevers' movements from the fringes.
153
154 \begin{figure}    
155 \begin{center}
156 \includegraphics[width=\columnwidth]{AFM}
157 \end{center}
158 \caption{schema of the AFM}
159 \label{fig:AFM}   
160 \end{figure}
161
162
163 %% image tirée des expériences.
164
165 \subsection{Cantilever deflection estimation}
166 \label{sec:deflest}
167
168 As shown on image \ref{img:img-xp}, each cantilever is covered by
169 interferometric fringes. The fringes will distort when cantilevers are
170 deflected. Estimating the deflection is done by computing this
171 distortion. For that, (ref A. Meister + M Favre) proposed a method
172 based on computing the phase of the fringes, at the base of each
173 cantilever, near the tip, and on the base of the array. They assume
174 that a linear relation binds these phases, which can be use to
175 "unwrap" the phase at the tip and to determine the deflection.\\
176
177 More precisely, segment of pixels are extracted from images taken by a
178 high-speed camera. These segments are large enough to cover several
179 interferometric fringes and are placed at the base and near the tip of
180 the cantilevers. They are called base profile and tip profile in the
181 following. Furthermore, a reference profile is taken on the base of
182 the cantilever array.
183
184 The pixels intensity $I$ (in gray level) of each profile is modelized by :
185
186 \begin{equation}
187 \label{equ:profile}
188 I(x) = ax+b+A.cos(2\pi f.x + \theta)
189 \end{equation}
190
191 where $x$ is the position of a pixel in its associated segment.
192
193 The global method consists in two main sequences. The first one aims
194 to determin the frequency $f$ of each profile with an algorithm based
195 on spline interpolation (see section \ref{algo-spline}). It also
196 computes the coefficient used for unwrapping the phase. The second one
197 is the acquisition loop, while which images are taken at regular time
198 steps. For each image, the phase $\theta$ of all profiles is computed
199 to obtain, after unwrapping, the deflection of cantilevers.
200
201 \subsection{Design goals}
202 \label{sec:goals}
203
204 If we put aside some hardware issues like the speed of the link
205 between the camera and the computation unit, the time to deserialize
206 pixels and to store them in memory, ... the phase computation is
207 obviously the bottle-neck of the whole process. For example, if we
208 consider the camera actually in use, an exposition time of 2.5ms for
209 $1024\times 1204$ pixels seems the minimum that can be reached. For a
210 $10\times 10$ cantilever array, if we neglect the time to extract
211 pixels, it implies that computing the deflection of a single
212 cantilever should take less than 25$\mu$s, thus 12.5$\mu$s by phase.\\
213
214 In fact, this timing is a very hard constraint. Let consider a very
215 small programm that initializes twenty million of doubles in memory
216 and then does 1000000 cumulated sums on 20 contiguous values
217 (experimental profiles have about this size). On an intel Core 2 Duo
218 E6650 at 2.33GHz, this program reaches an average of 155Mflops. It
219 implies that the phase computation algorithm should not take more than
220 $240\times 12.5 = 1937$ floating operations. For integers, it gives
221 $3000$ operations.
222
223 %% to be continued ...
224
225 %% � faire : timing de l'algo spline en C avec atan et tout le bordel.
226
227
228
229
230 \section{Proposed solution}
231 \label{sec:solus}
232
233
234 \subsection{FPGA constraints}
235
236 A field-programmable gate  array (FPGA) is an integrated  circuit designed to be
237 configured by  the customer.  A hardware  description language (HDL)  is used to
238 configure a  FPGA. FGPAs are  composed of programmable logic  components, called
239 logic blocks.  These blocks can be  configured to perform simple (AND, XOR, ...)
240 or  complex  combinational  functions.    Logic  blocks  are  interconnected  by
241 reconfigurable  links. Modern  FPGAs  contains memory  elements and  multipliers
242 which enables to simplify the design and increase the speed. As the most complex
243 operation operation on FGPAs is the  multiplier, design of FGPAs should not used
244 complex operations. For example, a divider  is not an available operation and it
245 should be programmed using simple components.
246
247 FGPAs programming  is very different  from classic processors  programming. When
248 logic block are programmed and linked  to performed an operation, they cannot be
249 reused anymore.  FPGA  are cadenced slowly than classic  processors but they can
250 performed pipelined as  well as pipelined operations. A  pipeline provides a way
251 manipulate data quickly  since at each clock top to handle  a new data. However,
252 using  a  pipeline  consomes more  logics  and  components  since they  are  not
253 reusable,  nevertheless it  is probably  the most  efficient technique  on FPGA.
254 Parallel  operations   can  be  used   in  order  to  manipulate   several  data
255 simultaneously. When  it is  possible, using  a pipeline is  a good  solution to
256 manipulate  new  data  at  each  clock  top  and  using  parallelism  to  handle
257 simultaneously several data streams.
258
259 %% contraintes imposées par le FPGA : algo pipeline/parallele, pas d'op math complexe, ...
260
261
262 \subsection{Considered algorithms}
263
264 Two solutions have been studied to achieve phase computation. The
265 original one, proposed by A. Meister and M. Favre, is based on
266 interpolation by splines. It allows to compute frequency and
267 phase. The second one, detailed in this article, is based on a
268 classical least square method but suppose that frequency is already
269 known.
270
271 \subsubsection{Spline algorithm}
272 \label{sec:algo-spline}
273 Let consider a profile $P$, that is a segment of $M$ pixels with an
274 intensity in gray levels. Let call $I(x)$ the intensity of profile in $x
275 \in [0,M[$. 
276
277 At first, only $M$ values of $I$ are known, for $x = 0, 1,
278 \ldots,M-1$. A normalisation allows to scale known intensities into
279 $[-1,1]$. We compute splines that fit at best these normalised
280 intensities. Splines are used to interpolate $N = k\times M$ points
281 (typically $k=4$ is sufficient), within $[0,M[$. Let call $x^s$ the
282 coordinates of these $N$ points and $I^s$ their intensities.
283
284 In order to have the frequency, the mean line $a.x+b$ (see equation \ref{equ:profile}) of $I^s$ is
285 computed. Finding intersections of $I^s$ and this line allow to obtain
286 the period thus the frequency.
287
288 The phase is computed via the equation :
289 \begin{equation}
290 \theta = atan \left[ \frac{\sum_{i=0}^{N-1} sin(2\pi f x^s_i) \times I^s(x^s_i)}{\sum_{i=0}^{N-1} cos(2\pi f x^s_i) \times I^s(x^s_i)} \right]
291 \end{equation}
292
293 Two things can be noticed :
294 \begin{itemize}
295 \item the frequency could also be obtained using the derivates of
296   spline equations, which only implies to solve quadratic equations.
297 \item frequency of each profile is computed a single time, before the
298   acquisition loop. Thus, $sin(2\pi f x^s_i)$ and $cos(2\pi f x^s_i)$
299   could also be computed before the loop, which leads to a much faster
300   computation of $\theta$.
301 \end{itemize}
302
303 \subsubsection{Least square algorithm}
304
305 Assuming that we compute the phase during the acquisition loop,
306 equation \ref{equ:profile} has only 4 parameters :$a, b, A$, and
307 $\theta$, $f$ and $x$ being already known. Since $I$ is non-linear, a
308 least square method based an Gauss-newton algorithm must be used to
309 determine these four parameters. Since it is an iterative process
310 ending with a convergence criterion, it is obvious that it is not
311 particularly adapted to our design goals.
312
313 Fortunatly, it is quite simple to reduce the number of parameters to
314 only $\theta$. Let $x^p$ be the coordinates of pixels in a segment of
315 size $M$. Thus, $x^p = 0, 1, \ldots, M-1$. Let $I(x^p)$ be their
316 intensity. Firstly, we "remove" the slope by computing :
317
318 \[I^{corr}(x^p) = I(x^p) - a.x^p - b\]
319
320 Since linear equation coefficients are searched, a classical least
321 square method can be used to determine $a$ and $b$ :
322
323 \[a = \frac{covar(x^p,I(x^p))}{var(x^p)} \]
324
325 Assuming an overlined symbol means an average, then :
326
327 \[b = \overline{I(x^p)} - a.\overline{{x^p}}\]
328
329 Let $A$ be the amplitude of $I^{corr}$, i.e. 
330
331 \[A = \frac{max(I^{corr}) - min(I^{corr})}{2}\]
332
333 Then, the least square method to find $\theta$ is reduced to search the minimum of :
334
335 \[\sum_{i=0}^{M-1} \left[ cos(2\pi f.i + \theta) - \frac{I^{corr}(i)}{A} \right]^2\]
336
337 It is equivalent to derivate this expression and to solve the following equation :
338
339 \begin{eqnarray*}
340 2\left[ cos\theta \sum_{i=0}^{M-1} I^{corr}(i).sin(2\pi f.i) + sin\theta \sum_{i=0}^{M-1} I^{corr}(i).cos(2\pi f.i)\right] \\
341 - A\left[ cos2\theta \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i) + sin2\theta \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)\right]   = 0
342 \end{eqnarray*}
343
344 Several points can be noticed :
345 \begin{itemize}
346 \item As in the spline method, some parts of this equation can be
347   computed before the acquisition loop. It is the case of sums that do
348   not depend on $\theta$ :
349
350 \[ \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i), \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i) \] 
351
352 \item Lookup tables for $sin(2\pi f.i)$ and $cos(2\pi f.i)$ can also be
353 computed.
354
355 \item The simplest method to find the good $\theta$ is to discretize
356   $[-\pi,\pi]$ in $nb_s$ steps, and to search which step leads to the
357   result closest to zero. By the way, three other lookup tables can
358   also be computed before the loop :
359
360 \[ sin \theta, cos \theta, \]
361
362 \[ \left[ cos 2\theta \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i) + sin 2\theta \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)\right] \]
363
364 \item This search can be very fast using a dichotomous process in $log_2(nb_s)$ 
365
366 \end{itemize}
367
368 Finally, the whole summarizes in an algorithm (called LSQ in the following) in two parts, one before and one during the acquisition loop :
369 \begin{algorithm}[h]
370 \caption{LSQ algorithm - before acquisition loop.}
371 \label{alg:lsq-before}
372
373    $M \leftarrow $ number of pixels of the profile\\
374    I[] $\leftarrow $ intensities of pixels\\
375    $f \leftarrow $ frequency of the profile\\
376    $s4i \leftarrow \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i)$\\
377    $c4i \leftarrow \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)$\\
378    $nb_s \leftarrow $ number of discretization steps of $[-\pi,\pi]$\\
379
380    \For{$i=0$ to $nb_s $}{
381      $\theta  \leftarrow -\pi + 2\pi\times \frac{i}{nb_s}$\\
382      lut$_s$[$i$] $\leftarrow sin \theta$\\
383      lut$_c$[$i$] $\leftarrow cos \theta$\\
384      lut$_A$[$i$] $\leftarrow cos 2 \theta \times s4i + sin 2 \theta \times c4i$\\
385      lut$_{sfi}$[$i$] $\leftarrow sin (2\pi f.i)$\\
386      lut$_{cfi}$[$i$] $\leftarrow cos (2\pi f.i)$\\
387    }
388 \end{algorithm}
389
390 \begin{algorithm}[ht]
391 \caption{LSQ algorithm - during acquisition loop.}
392 \label{alg:lsq-during}
393
394    $\bar{x} \leftarrow \frac{M-1}{2}$\\
395    $\bar{y} \leftarrow 0$, $x_{var} \leftarrow 0$, $xy_{covar} \leftarrow 0$\\
396    \For{$i=0$ to $M-1$}{
397      $\bar{y} \leftarrow \bar{y} + $ I[$i$]\\
398      $x_{var} \leftarrow x_{var} + (i-\bar{x})^2$\\
399    }
400    $\bar{y} \leftarrow \frac{\bar{y}}{M}$\\
401    \For{$i=0$ to $M-1$}{
402      $xy_{covar} \leftarrow xy_{covar} + (i-\bar{x}) \times (I[i]-\bar{y})$\\
403    }
404    $slope \leftarrow \frac{xy_{covar}}{x_{var}}$\\
405    $start \leftarrow y_{moy} - slope\times \bar{x}$\\
406    \For{$i=0$ to $M-1$}{
407      $I[i] \leftarrow I[i] - start - slope\times i$\\
408    }
409    
410    $I_{max} \leftarrow max_i(I[i])$, $I_{min} \leftarrow min_i(I[i])$\\
411    $amp \leftarrow \frac{I_{max}-I_{min}}{2}$\\
412
413    $Is \leftarrow 0$, $Ic \leftarrow 0$\\
414    \For{$i=0$ to $M-1$}{
415      $Is \leftarrow Is + I[i]\times $ lut$_{sfi}$[$i$]\\
416      $Ic \leftarrow Ic + I[i]\times $ lut$_{cfi}$[$i$]\\
417    }
418
419    $\delta \leftarrow \frac{nb_s}{2}$, $b_l \leftarrow 0$, $b_r \leftarrow \delta$\\
420    $v_l \leftarrow -2.I_s - amp.$lut$_A$[$b_l$]\\
421
422    \While{$\delta >= 1$}{
423
424      $v_r \leftarrow 2.[ Is.$lut$_c$[$b_r$]$ + Ic.$lut$_s$[$b_r$]$ ] - amp.$lut$_A$[$b_r$]\\
425
426      \If{$!(v_l < 0$ and $v_r >= 0)$}{
427        $v_l \leftarrow v_r$ \\
428        $b_l \leftarrow b_r$ \\
429      }
430      $\delta \leftarrow \frac{\delta}{2}$\\
431      $b_r \leftarrow b_l + \delta$\\
432    }
433    \uIf{$!(v_l < 0$ and $v_r >= 0)$}{
434      $v_l \leftarrow v_r$ \\
435      $b_l \leftarrow b_r$ \\
436      $b_r \leftarrow b_l + 1$\\
437      $v_r \leftarrow 2.[ Is.$lut$_c$[$b_r$]$ + Ic.$lut$_s$[$b_r$]$ ] - amp.$lut$_A$[$b_r$]\\
438    }
439    \Else {
440      $b_r \leftarrow b_l + 1$\\
441    }
442
443    \uIf{$ abs(v_l) < v_r$}{
444      $b_{\theta} \leftarrow b_l$ \\
445    }
446    \Else {
447      $b_{\theta} \leftarrow b_r$ \\
448    }
449    $\theta \leftarrow \pi\times \left[\frac{2.b_{ref}}{nb_s}-1\right]$\\
450
451 \end{algorithm}
452
453 \subsubsection{Comparison}
454
455 We compared the two algorithms on the base of three criterions :
456 \begin{itemize}
457 \item precision of results on a cosinus profile, distorted with noise,
458 \item number of operations,
459 \item complexity to implement an FPGA version.
460 \end{itemize}
461
462 For the first item, we produced a matlab version of each algorithm,
463 running with double precision values. The profile was generated for
464 about 34000 different values of period ($\in [3.1, 6.1]$, step = 0.1),
465 phase ($\in [-3.1 , 3.1]$, step = 0.062) and slope ($\in [-2 , 2]$,
466 step = 0.4). For LSQ, $nb_s = 1024$, which leads to a maximal error of
467 $\frac{\pi}{1024}$ on phase computation. Current A. Meister and
468 M. Favre experiments show a ratio of 50 between variation of phase and
469 the deflection of a lever. Thus, the maximal error due to
470 discretization correspond to an error of 0.15nm on the lever
471 deflection, which is smaller than the best precision they achieved,
472 i.e. 0.3nm.
473
474 For each test, we add some noise to the profile : each group of two
475 pixels has its intensity added to a random number picked in $[-N,N]$
476 (NB: it should be noticed that picking a new value for each pixel does
477 not distort enough the profile). The absolute error on the result is
478 evaluated by comparing the difference between the reference and
479 computed phase, out of $2\pi$, expressed in percents. That is : $err =
480 100\times \frac{|\theta_{ref} - \theta_{comp}|}{2\pi}$.
481
482 Table \ref{tab:algo_prec} gives the maximum and average error for the two algorithms and increasing values of $N$.
483
484 \begin{table}[ht]
485   \begin{center}
486     \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
487       \hline
488   & \multicolumn{2}{c|}{SPL} & \multicolumn{2}{c|}{LSQ} \\ \cline{2-5}
489   noise & max. err. & aver. err. & max. err. & aver. err. \\ \hline
490   0 & 2.46 & 0.58 & 0.49 & 0.1 \\ \hline
491   2.5 & 2.75 & 0.62 & 1.16 & 0.22 \\ \hline
492   5 & 3.77 & 0.72 & 2.47 & 0.41 \\ \hline
493   7.5 & 4.72 & 0.86 & 3.33 & 0.62 \\ \hline
494   10 & 5.62 & 1.03 & 4.29 & 0.81 \\ \hline
495   15 & 7.96 & 1.38 & 6.35 & 1.21 \\ \hline
496   30 & 17.06 & 2.6 & 13.94 & 2.45 \\ \hline
497
498 \end{tabular}
499 \caption{Error (in \%) for cosinus profiles, with noise.}
500 \label{tab:algo_prec}
501 \end{center}
502 \end{table}
503
504 These results show that the two algorithms are very close, with a
505 slight advantage for LSQ. Furthemore, both behave very well against
506 noise. Assuming the experimental ratio of 50 (see above), an error of
507 1 percent on phase correspond to an error of 0.5nm on the lever
508 deflection, which is very close to the best precision.
509
510 Obviously, it is very hard to predict which level of noise will be
511 present in real experiments and how it will distort the
512 profiles. Nevertheless, we can see on figure \ref{fig:noise20} the
513 profile with $N=10$ that leads to the biggest error. It is a bit
514 distorted, with pikes and straight/rounded portions, and relatively
515 close to most of that come from experiments. Figure \ref{fig:noise60}
516 shows a sample of worst profile for $N=30$. It is completly distorted,
517 largely beyond the worst experimental ones. 
518
519 \begin{figure}[ht]
520 \begin{center}
521   \includegraphics[width=9cm]{intens-noise20-spl}
522 \end{center}
523 \caption{Sample of worst profile for N=10}
524 \label{fig:noise20}
525 \end{figure}
526
527 \begin{figure}[ht]
528 \begin{center}
529   \includegraphics[width=9cm]{intens-noise60-lsq}
530 \end{center}
531 \caption{Sample of worst profile for N=30}
532 \label{fig:noise60}
533 \end{figure}
534
535 The second criterion is relatively easy to estimate for LSQ and harder
536 for SPL because of $atan$ operation. In both cases, it is proportional
537 to numbers of pixels $M$. For LSQ, it also depends on $nb_s$ and for
538 SPL on $N = k\times M$, i.e. the number of interpolated points. 
539
540 We assume that $M=20$, $nb_s=1024$, $k=4$, all possible parts are
541 already in lookup tables and only arithmetic operations (+, -, *, /)
542 are taken account. Translating the two algorithms in C code, we obtain
543 about 400 operations for LSQ and 1340 (plus the unknown for $atan$)
544 for SPL. Even if the result is largely in favor of LSQ, we can notice
545 that executing the C code (compiled with \tt{-O3}) of SPL on an
546 2.33GHz Core 2 Duo only takes 6.5µs in average, which is under our
547 desing goals. The final decision is thus driven by the third criterion.\\
548
549 The Spartan 6 used in our architecture has hard constraint : it has no
550 floating point units. Thus, all computations have to be done with
551 integers. 
552
553
554
555 \subsection{VHDL design paradigms}
556
557 \subsection{VHDL implementation}
558
559 \section{Experimental results}
560 \label{sec:results}
561
562
563
564
565 \section{Conclusion and perspectives}
566
567
568 \bibliographystyle{plain}
569 \bibliography{biblio}
570
571 \end{document}