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

Private GIT Repository
4aea93c2df363f89d3324ada59bb5d236f40e7a5
[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 Figure~\ref{fig:AFM}.  A
137 laser beam is first  split (by the splitter) into a reference  beam and a sample
138 beam  that reachs  the  cantilever  array.  In  order  to be  able  to move  the
139 cantilever array, it is mounted on  a translation and rotational stage with five
140 degrees of  freedom. The optical  system is also  fixed to the stage.  Thus, the
141 cantilever  array  is centered  in  the optical  system  which  can be  adjusted
142 accurately.  The  beam illuminates the array  by a microscope  objective and the
143 light reflects  on the  cantilevers. Likewise the  reference beam reflects  on a
144 movable mirror.  A CMOS camera chip records the reference and sample beams which
145 are recombined in  the beam splitter and the interferogram.  At the beginning of
146 each experiment,  the movable mirror  is fitted manually  in order to  align the
147 interferometric  fringes   approximately  parallel  to   the  cantilevers.  When
148 cantilevers  move  due  to  the  surface, the  bending  of  cantilevers  produce
149 movements in the fringes that can be detected with the CMOS camera.  Finally the
150 fringes need  to be  analyzed. In~\cite{AFMCSEM11}, the  authors used  a LabView
151 program to compute the cantilevers' movements from the fringes.
152
153 \begin{figure}    
154 \begin{center}
155 \includegraphics[width=\columnwidth]{AFM}
156 \end{center}
157 \caption{schema of the AFM}
158 \label{fig:AFM}   
159 \end{figure}
160
161
162 %% image tirée des expériences.
163
164 \subsection{Cantilever deflection estimation}
165 \label{sec:deflest}
166
167 As shown on image \ref{img:img-xp}, each cantilever is covered by
168 interferometric fringes. The fringes will distort when cantilevers are
169 deflected. Estimating the deflection is done by computing this
170 distortion. For that, (ref A. Meister + M Favre) proposed a method
171 based on computing the phase of the fringes, at the base of each
172 cantilever, near the tip, and on the base of the array. They assume
173 that a linear relation binds these phases, which can be use to
174 "unwrap" the phase at the tip and to determine the deflection.\\
175
176 More precisely, segment of pixels are extracted from images taken by a
177 high-speed camera. These segments are large enough to cover several
178 interferometric fringes and are placed at the base and near the tip of
179 the cantilevers. They are called base profile and tip profile in the
180 following. Furthermore, a reference profile is taken on the base of
181 the cantilever array.
182
183 The pixels intensity $I$ (in gray level) of each profile is modelized by :
184
185 \begin{equation}
186 \label{equ:profile}
187 I(x) = ax+b+A.cos(2\pi f.x + \theta)
188 \end{equation}
189
190 where $x$ is the position of a pixel in its associated segment.
191
192 The global method consists in two main sequences. The first one aims
193 to determin the frequency $f$ of each profile with an algorithm based
194 on spline interpolation (see section \ref{algo-spline}). It also
195 computes the coefficient used for unwrapping the phase. The second one
196 is the acquisition loop, while which images are taken at regular time
197 steps. For each image, the phase $\theta$ of all profiles is computed
198 to obtain, after unwrapping, the deflection of cantilevers.
199
200 \subsection{Design goals}
201 \label{sec:goals}
202
203 If we put aside some hardware issues like the speed of the link
204 between the camera and the computation unit, the time to deserialize
205 pixels and to store them in memory, ... the phase computation is
206 obviously the bottle-neck of the whole process. For example, if we
207 consider the camera actually in use, an exposition time of 2.5ms for
208 $1024\times 1204$ pixels seems the minimum that can be reached. For a
209 $10\times 10$ cantilever array, if we neglect the time to extract
210 pixels, it implies that computing the deflection of a single
211 cantilever should take less than 25$\mu$s, thus 12.5$\mu$s by phase.\\
212
213 In fact, this timing is a very hard constraint. Let consider a very
214 small programm that initializes twenty million of doubles in memory
215 and then does 1000000 cumulated sums on 20 contiguous values
216 (experimental profiles have about this size). On an intel Core 2 Duo
217 E6650 at 2.33GHz, this program reaches an average of 155Mflops. It
218 implies that the phase computation algorithm should not take more than
219 $240\times 12.5 = 1937$ floating operations. For integers, it gives
220 $3000$ operations.
221
222 %% to be continued ...
223
224 %% � faire : timing de l'algo spline en C avec atan et tout le bordel.
225
226
227
228
229 \section{Proposed solution}
230 \label{sec:solus}
231
232
233 \subsection{FPGA constraints}
234
235 A field-programmable gate  array (FPGA) is an integrated  circuit designed to be
236 configured by  the customer.  A hardware  description language (HDL)  is used to
237 configure a  FPGA. FGPAs are  composed of programmable logic  components, called
238 logic blocks.  These blocks can be  configured to perform simple (AND, XOR, ...)
239 or  complex  combinational  functions.    Logic  blocks  are  interconnected  by
240 reconfigurable  links. Modern  FPGAs  contains memory  elements and  multipliers
241 which enables to simplify the design and increase the speed. As the most complex
242 operation operation on FGPAs is the  multiplier, design of FGPAs should not used
243 complex operations. For example, a divider  is not an available operation and it
244 should be programmed using simple components.
245
246 FGPAs programming  is very different  from classic processors  programming. When
247 logic block are programmed and linked  to performed an operation, they cannot be
248 reused anymore.  FPGA  are cadenced slowly than classic  processors but they can
249 performed pipelined as  well as pipelined operations. A  pipeline provides a way
250 manipulate data quickly  since at each clock top to handle  a new data. However,
251 using  a  pipeline  consomes more  logics  and  components  since they  are  not
252 reusable,  nevertheless it  is probably  the most  efficient technique  on FPGA.
253 Parallel  operations   can  be  used   in  order  to  manipulate   several  data
254 simultaneously. When  it is  possible, using  a pipeline is  a good  solution to
255 manipulate  new  data  at  each  clock  top  and  using  parallelism  to  handle
256 simultaneously several data streams.
257
258 %% contraintes imposées par le FPGA : algo pipeline/parallele, pas d'op math complexe, ...
259
260
261 \subsection{Considered algorithms}
262
263 Two solutions have been studied to achieve phase computation. The
264 original one, proposed by A. Meister and M. Favre, is based on
265 interpolation by splines. It allows to compute frequency and
266 phase. The second one, detailed in this article, is based on a
267 classical least square method but suppose that frequency is already
268 known.
269
270 \subsubsection{Spline algorithm}
271 \label{sec:algo-spline}
272 Let consider a profile $P$, that is a segment of $M$ pixels with an
273 intensity in gray levels. Let call $I(x)$ the intensity of profile in $x
274 \in [0,M[$. 
275
276 At first, only $M$ values of $I$ are known, for $x = 0, 1,
277 \ldots,M-1$. A normalisation allows to scale known intensities into
278 $[-1,1]$. We compute splines that fit at best these normalised
279 intensities. Splines are used to interpolate $N = k\times M$ points
280 (typically $k=3$ is sufficient), within $[0,M[$. Let call $x^s$ the
281 coordinates of these $N$ points and $I^s$ their intensities.
282
283 In order to have the frequency, the mean line $a.x+b$ (see equation \ref{equ:profile}) of $I^s$ is
284 computed. Finding intersections of $I^s$ and this line allow to obtain
285 the period thus the frequency.
286
287 The phase is computed via the equation :
288 \begin{equation}
289 \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]
290 \end{equation}
291
292 Two things can be noticed. Firstly, the frequency could also be
293 obtained using the derivates of spline equations, which only implies
294 to solve quadratic equations. Secondly, frequency of each profile is
295 computed a single time, before the acquisition loop. Thus, $sin(2\pi f
296 x^s_i)$ and $cos(2\pi f x^s_i)$ could also be computed before the loop, which leads to a
297 much faster computation of $\theta$.
298
299 \subsubsection{Least square algorithm}
300
301 Assuming that we compute the phase during the acquisition loop,
302 equation \ref{equ:profile} has only 4 parameters :$a, b, A$, and
303 $\theta$, $f$ and $x$ being already known. Since $I$ is non-linear, a
304 least square method based an Gauss-newton algorithm must be used to
305 determine these four parameters. Since it is an iterative process
306 ending with a convergence criterion, it is obvious that it is not
307 particularly adapted to our design goals.
308
309 Fortunatly, it is quite simple to reduce the number of parameters to
310 only $\theta$. Let $x^p$ be the coordinates of pixels in a segment of
311 size $M$. Thus, $x^p = 0, 1, \ldots, M-1$. Let $I(x^p)$ be their
312 intensity. Firstly, we "remove" the slope by computing :
313
314 \[I^{corr}(x^p) = I(x^p) - a.x^p - b\]
315
316 Since linear equation coefficients are searched, a classical least
317 square method can be used to determine $a$ and $b$ :
318
319 \[a = \frac{covar(x^p,I(x^p))}{var(x^p)} \]
320
321 Assuming an overlined symbol means an average, then :
322
323 \[b = \overline{I(x^p)} - a.\overline{{x^p}}\]
324
325 Let $A$ be the amplitude of $I^{corr}$, i.e. 
326
327 \[A = \frac{max(I^{corr}) - min(I^{corr})}{2}\]
328
329 Then, the least square method to find $\theta$ is reduced to search the minimum of :
330
331 \[\sum_{i=0}^{M-1} \left[ cos(2\pi f.i + \theta) - \frac{I^{corr}(i)}{A} \right]^2\]
332
333 It is equivalent to derivate this expression and to solve the following equation :
334
335 \begin{eqnarray*}
336 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] \\
337 - 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
338 \end{eqnarray*}
339
340 Several points can be noticed :
341 \begin{itemize}
342 \item As in the spline method, some parts of this equation can be
343   computed before the acquisition loop. It is the case of sums that do
344   not depend on $\theta$ :
345
346 \[ \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i), \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i) \] 
347
348 \item Lookup tables for $sin(2\pi f.i)$ and $cos(2\pi f.i)$ can also be
349 computed.
350
351 \item The simplest method to find the good $\theta$ is to discretize
352   $[-\pi,\pi]$ in $N$ steps, and to search which step leads to the
353   result closest to zero. By the way, three other lookup tables can
354   also be computed before the loop :
355
356 \[ sin \theta, cos \theta, \left[ cos 2\theta \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i) + sin 2\theta \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)\right] \]
357
358 \item This search can be very fast using a dichotomous process in $log_2(N)$ 
359
360 \end{itemize}
361
362 Finally, the whole summarizes in an algorithm (called LSQ in the following) in two parts, one before and one during the acquisition loop :
363 \begin{algorithm}[h]
364 \caption{LSQ algorithm - before acquisition loop.}
365 \label{alg:lsq-before}
366
367    $M \leftarrow $ number of pixels of the profile\\
368    I[] $\leftarrow $ intensities of pixels\\
369    $f \leftarrow $ frequency of the profile\\
370    $s4i \leftarrow \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i)$\\
371    $c4i \leftarrow \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)$\\
372    $nb_s \leftarrow $ number of discretization steps of $[-\pi,\pi]$\\
373
374    \For{$i=0$ to $nb_s $}{
375      $\theta  \leftarrow -\pi + 2\pi\times \frac{i}{nb_s}$\\
376      lut\_sin[$i$] $\leftarrow sin \theta$\\
377      lut\_cos[$i$] $\leftarrow cos \theta$\\
378      lut\_A[$i$] $\leftarrow cos 2 \theta \times s4i + sin 2 \theta \times c4i$\\
379      lut\_sinfi[$i$] $\leftarrow sin (2\pi f.i)$\\
380      lut\_cosfi[$i$] $\leftarrow cos (2\pi f.i)$\\
381    }
382 \end{algorithm}
383
384 \begin{algorithm}[h]
385 \caption{LSQ algorithm - during acquisition loop.}
386 \label{alg:lsq-during}
387
388    $\bar{x} \leftarrow \frac{M-1}{2}$\\
389    $\bar{y} \leftarrow 0$, $x_{var} \leftarrow 0$, $xy_{covar} \leftarrow 0$\\
390    \For{$i=0$ to $M-1$}{
391      $\bar{y} \leftarrow \bar{y} + $ I[$i$]\\
392      $x_{var} \leftarrow x_{var} + (i-\bar{x})^2$\\
393    }
394    $\bar{y} \leftarrow \frac{\bar{y}}{M}$\\
395    \For{$i=0$ to $M-1$}{
396      $xy_{covar} \leftarrow xy_{covar} + (i-\bar{x}) \times (I[i]-\bar{y})$\\
397    }
398    $slope \leftarrow \frac{xy_{covar}}{x_{var}}$\\
399    $start \leftarrow y_{moy} - slope\times \bar{x}$\\
400    \For{$i=0$ to $M-1$}{
401      $I[i] \leftarrow I[i] - start - slope\times i$\tcc*[f]{slope removal}\\
402    }
403    
404    $I_{max} \leftarrow max_i(I[i])$, $I_{min} \leftarrow min_i(I[i])$\\
405    $amp \leftarrow \frac{I_{max}-I_{min}}{2}$\\
406
407    $Is \leftarrow 0$, $Ic \leftarrow 0$\\
408    \For{$i=0$ to $M-1$}{
409      $Is \leftarrow Is + I[i]\times $ lut\_sinfi[$i$]\\
410      $Ic \leftarrow Ic + I[i]\times $ lut\_cosfi[$i$]\\
411    }
412
413    $\theta \leftarrow -\pi$\\
414    $val_1 \leftarrow 2\times \left[ Is.\cos(\theta) + Ic.\sin(\theta) \right] - amp\times \left[ c4i.\sin(2\theta) + s4i.\cos(2\theta) \right]$\\
415    \For{$i=1-n_s$ to $n_s$}{
416      $\theta \leftarrow \frac{i.\pi}{n_s}$\\
417      $val_2 \leftarrow 2\times \left[ Is.\cos(\theta) + Ic.\sin(\theta) \right] - amp\times \left[ c4i.\sin(2\theta) + s4i.\cos(2\theta) \right]$\\
418
419      \lIf{$val_1 < 0$ et $val_2 >= 0$}{
420        $\theta_s \leftarrow \theta - \left[ \frac{val_2}{val_2-val_1}\times \frac{\pi}{n_s} \right]$\\
421      }
422      $val_1 \leftarrow val_2$\\
423    }
424
425 \end{algorithm}
426
427
428 \subsubsection{Comparison}
429
430 \subsection{VHDL design paradigms}
431
432 \subsection{VHDL implementation}
433
434 \section{Experimental results}
435 \label{sec:results}
436
437
438
439
440 \section{Conclusion and perspectives}
441
442
443 \bibliographystyle{plain}
444 \bibliography{biblio}
445
446 \end{document}