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Private GIT Repository
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[dmems12.git] / dmems12.tex
1
2 \documentclass[10pt, peerreview, compsocconf]{IEEEtran}
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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\\
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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
70 \end{abstract}
71
72 \begin{IEEEkeywords}
73 FPGA, cantilever, interferometry.
74 \end{IEEEkeywords}
75
76
77 \IEEEpeerreviewmaketitle
78
79 \section{Introduction}
80
81 Cantilevers  are  used  inside  atomic  force  microscope (AFM) which  provides  high
82 resolution images of  surfaces.  Several technics have been  used to measure the
83 displacement  of cantilevers  in litterature.   For example,  it is  possible to
84 determine  accurately  the  deflection  with different  mechanisms. 
85 In~\cite{CantiPiezzo01},   authors  used   piezoresistor  integrated   into  the
86 cantilever.   Nevertheless this  approach  suffers from  the  complexity of  the
87 microfabrication  process needed  to  implement the  sensor  in the  cantilever.
88 In~\cite{CantiCapacitive03},  authors  have  presented an  cantilever  mechanism
89 based on  capacitive sensing. This kind  of technic also  involves to instrument
90 the cantiliver which result in a complex fabrication process.
91
92 In this  paper our attention is focused  on a method based  on interferometry to
93 measure cantilevers' displacements.  In  this method cantilevers are illuminated
94 by  an optic  source. The  interferometry produces  fringes on  each cantilevers
95 which enables to  compute the cantilever displacement.  In  order to analyze the
96 fringes a  high speed camera  is used. Images  need to be processed  quickly and
97 then  a estimation  method is  required to  determine the  displacement  of each
98 cantilever.  In~\cite{AFMCSEM11},  the authors have  used an algorithm  based on
99 spline to estimate the cantilevers' positions.
100
101    The overall  process gives
102 accurate results  but all the computation  are performed on  a standard computer
103 using labview.  Consequently,  the main drawback of this  implementation is that
104 the computer is a bootleneck in the overall process. In this paper we propose to
105 use a  method based on least  square and to  implement all the computation  on a
106 FGPA.
107
108 The remainder  of the paper  is organized as  follows. Section~\ref{sec:measure}
109 describes  more precisely  the measurement  process. Our  solution based  on the
110 least  square   method  and   the  implementation  on   FPGA  is   presented  in
111 Section~\ref{sec:solus}.       Experimentations      are       described      in
112 Section~\ref{sec:results}.  Finally  a  conclusion  and  some  perspectives  are
113 presented.
114
115
116
117 %% quelques ref commentées sur les calculs basés sur l'interférométrie
118
119 \section{Measurement principles}
120 \label{sec:measure}
121
122
123
124
125
126
127
128
129 \subsection{Architecture}
130 \label{sec:archi}
131 %% description de l'architecture générale de l'acquisition d'images
132 %% avec au milieu une unité de traitement dont on ne précise pas ce
133 %% qu'elle est.
134
135 In order to develop simple,  cost effective and user-friendly cantilever arrays,
136 authors   of    ~\cite{AFMCSEM11}   have   developped   a    system   based   of
137 interferometry. In opposition to other optical based systems, using a laser beam
138 deflection scheme and  sentitive to the angular displacement  of the cantilever,
139 interferometry  is sensitive  to  the  optical path  difference  induced by  the
140 vertical displacement of the cantilever.
141
142 The system build  by authors of~\cite{AFMCSEM11} has been  developped based on a
143 Linnick     interferomter~\cite{Sinclair:05}.    It     is     illustrated    in
144 Figure~\ref{fig:AFM}.  A  laser diode  is first split  (by the splitter)  into a
145 reference beam and a sample beam  that reachs the cantilever array.  In order to
146 be  able to  move  the cantilever  array, it  is  mounted on  a translation  and
147 rotational hexapod  stage with  five degrees of  freedom. The optical  system is
148 also fixed to the stage.  Thus,  the cantilever array is centered in the optical
149 system which  can be adjusted accurately.   The beam illuminates the  array by a
150 microscope objective  and the  light reflects on  the cantilevers.  Likewise the
151 reference beam  reflects on a  movable mirror.  A  CMOS camera chip  records the
152 reference and  sample beams which  are recombined in  the beam splitter  and the
153 interferogram.   At the  beginning of  each  experiment, the  movable mirror  is
154 fitted  manually in  order to  align the  interferometric  fringes approximately
155 parallel  to the cantilevers.   When cantilevers  move due  to the  surface, the
156 bending of  cantilevers produce  movements in the  fringes that can  be detected
157 with    the    CMOS    camera.     Finally    the    fringes    need    to    be
158 analyzed. In~\cite{AFMCSEM11}, the authors used a LabView program to compute the
159 cantilevers' movements from the fringes.
160
161 \begin{figure}    
162 \begin{center}
163 \includegraphics[width=\columnwidth]{AFM}
164 \end{center}
165 \caption{schema of the AFM}
166 \label{fig:AFM}   
167 \end{figure}
168
169
170 %% image tirée des expériences.
171
172 \subsection{Cantilever deflection estimation}
173 \label{sec:deflest}
174
175 As shown on image \ref{img:img-xp}, each cantilever is covered by
176 interferometric fringes. The fringes will distort when cantilevers are
177 deflected. Estimating the deflection is done by computing this
178 distortion. For that, (ref A. Meister + M Favre) proposed a method
179 based on computing the phase of the fringes, at the base of each
180 cantilever, near the tip, and on the base of the array. They assume
181 that a linear relation binds these phases, which can be use to
182 "unwrap" the phase at the tip and to determine the deflection.\\
183
184 More precisely, segment of pixels are extracted from images taken by a
185 high-speed camera. These segments are large enough to cover several
186 interferometric fringes and are placed at the base and near the tip of
187 the cantilevers. They are called base profile and tip profile in the
188 following. Furthermore, a reference profile is taken on the base of
189 the cantilever array.
190
191 The pixels intensity $I$ (in gray level) of each profile is modelized by :
192
193 \begin{equation}
194 \label{equ:profile}
195 I(x) = ax+b+A.cos(2\pi f.x + \theta)
196 \end{equation}
197
198 where $x$ is the position of a pixel in its associated segment.
199
200 The global method consists in two main sequences. The first one aims
201 to determin the frequency $f$ of each profile with an algorithm based
202 on spline interpolation (see section \ref{algo-spline}). It also
203 computes the coefficient used for unwrapping the phase. The second one
204 is the acquisition loop, while which images are taken at regular time
205 steps. For each image, the phase $\theta$ of all profiles is computed
206 to obtain, after unwrapping, the deflection of
207 cantilevers. Originally, this computation was also done with an
208 algorithm based on spline. This article proposes a new version based
209 on a least square method.
210
211 \subsection{Design goals}
212 \label{sec:goals}
213
214 The main goal is to implement a computing unit to estimate the
215 deflection of about $10\times10$ cantilevers, faster than the stream of
216 images coming from the camera. The accuracy of results must be close
217 to the maximum precision ever obtained experimentally on the
218 architecture, i.e. 0.3nm. Finally, the latency between an image
219 entering in the unit and the deflections must be as small as possible
220 (NB : future works plan to add some control on the cantilevers).\\
221
222 If we put aside some hardware issues like the speed of the link
223 between the camera and the computation unit, the time to deserialize
224 pixels and to store them in memory, ... the phase computation is
225 obviously the bottle-neck of the whole process. For example, if we
226 consider the camera actually in use, an exposition time of 2.5ms for
227 $1024\times 1204$ pixels seems the minimum that can be reached. For
228 100 cantilevers, if we neglect the time to extract pixels, it implies
229 that computing the deflection of a single
230 cantilever should take less than 25$\mu$s, thus 12.5$\mu$s by phase.\\
231
232 In fact, this timing is a very hard constraint. Let consider a very
233 small programm that initializes twenty million of doubles in memory
234 and then does 1000000 cumulated sums on 20 contiguous values
235 (experimental profiles have about this size). On an intel Core 2 Duo
236 E6650 at 2.33GHz, this program reaches an average of 155Mflops. 
237
238 %%Itimplies that the phase computation algorithm should not take more than
239 %%$155\times 12.5 = 1937$ floating operations. For integers, it gives $3000$ operations. 
240
241 Obviously, some cache effects and optimizations on
242 huge amount of computations can drastically increase these
243 performances : peak efficiency is about 2.5Gflops for the considered
244 CPU. But this is not the case for phase computation that used only few
245 tenth of values.\\
246
247 In order to evaluate the original algorithm, we translated it in C
248 language. Profiles are read from a 1Mo file, as if it was an image
249 stored in a device file representing the camera. The file contains 100
250 profiles of 21 pixels, equally scattered in the file. We obtained an
251 average of 10.5$\mu$s by profile (including I/O accesses). It is under
252 are requirements but close to the limit. In case of an occasional load
253 of the system, it could be largely overtaken. A solution would be to
254 use a real-time operating system but another one to search for a more
255 efficient algorithm.
256
257 But the main drawback is the latency of such a solution : since each
258 profile must be treated one after another, the deflection of 100
259 cantilevers takes about $200\times 10.5 = 2.1$ms, which is inadequate
260 for an efficient control. An obvious solution is to parallelize the
261 computations, for example on a GPU. Nevertheless, the cost to transfer
262 profile in GPU memory and to take back results would be prohibitive
263 compared to computation time. It is certainly more efficient to
264 pipeline the computation. For example, supposing that 200 profiles of
265 20 pixels can be pushed sequentially in the pipelined unit cadenced at
266 a 100MHz (i.e. a pixel enters in the unit each 10ns), all profiles
267 would be treated in $200\times 20\times 10.10^{-9} =$ 40$\mu$s plus
268 the latency of the pipeline. This is about 500 times faster than
269 actual results.\\
270
271 For these reasons, an FPGA as the computation unit is the best choice
272 to achieve the required performance. Nevertheless, passing from
273 a C code to a pipelined version in VHDL is not obvious at all. As
274 explained in the next section, it can even be impossible because of
275 some hardware constraints specific to FPGAs.
276
277
278 \section{Proposed solution}
279 \label{sec:solus}
280
281 Project Oscar aims to provide an hardware and software architecture to
282 estimate and control the deflection of cantilevers. The hardware part
283 consists in a high-speed camera, linked on an embedded board hosting
284 FPGAs. By the way, the camera output stream can be pushed directly
285 into the FPGA. The software part is mostly the VHDL code that
286 deserializes the camera stream, extracts profile and computes the
287 deflection. Before focusing on our work to implement the phase
288 computation, we give some general informations about FPGAs and the
289 board we use.
290
291 \subsection{FPGAs}
292
293 A field-programmable gate  array (FPGA) is an integrated  circuit designed to be
294 configured by  the customer.  A hardware  description language (HDL)  is used to
295 configure a  FPGA. FGPAs are  composed of programmable logic  components, called
296 logic blocks.  These blocks can be  configured to perform simple (AND, XOR, ...)
297 or  complex  combinational  functions.    Logic  blocks  are  interconnected  by
298 reconfigurable  links. Modern  FPGAs  contains memory  elements and  multipliers
299 which enables to simplify the design and increase the speed. As the most complex
300 operation operation on FGPAs is the  multiplier, design of FGPAs should not used
301 complex operations. For example, a divider  is not an available operation and it
302 should be programmed using simple components.
303
304 FGPAs programming  is very different  from classic processors  programming. When
305 logic block are programmed and linked  to performed an operation, they cannot be
306 reused anymore.  FPGA  are cadenced more slowly than classic  processors but they can
307 performed pipelined as  well as parallel operations. A  pipeline provides a way
308 manipulate data quickly  since at each clock top to handle  a new data. However,
309 using  a  pipeline  consomes more  logics  and  components  since they  are  not
310 reusable,  nevertheless it  is probably  the most  efficient technique  on FPGA.
311 Parallel  operations   can  be  used   in  order  to  manipulate   several  data
312 simultaneously. When  it is  possible, using  a pipeline is  a good  solution to
313 manipulate  new  data  at  each  clock  top  and  using  parallelism  to  handle
314 simultaneously several data streams.
315
316 %% parler du VHDL, synthèse et bitstream
317 \subsection{The board}
318
319 The board we use is designed by the Armadeus compagny, under the name
320 SP Vision. It consists in a development board hosting a i.MX27 ARM
321 processor (from Freescale). The board includes all classical
322 connectors : USB, Ethernet, ... A Flash memory contains a Linux kernel
323 that can be launched after booting the board via u-Boot.
324
325 The processor is directly connected to a Spartan3A FPGA (from Xilinx)
326 via its special interface called WEIM. The Spartan3A is itself
327 connected to a Spartan6 FPGA. Thus, it is possible to develop programs
328 that communicate between i.MX and Spartan6, using Spartan3 as a
329 tunnel. By default, the WEIM interface provides a clock signal at
330 100MHz that is connected to dedicated FPGA pins.
331
332 The Spartan6 is an LX100 version. It has 15822 slices, equivalent to
333 101261 logic cells. There are 268 internal block RAM of 18Kbits, and
334 180 dedicated multiply-adders (named DSP48), which is largely enough
335 for our project.
336
337 Some I/O pins of Spartan6 are connected to two $2\times 17$ headers
338 that can be used as user wants. For the project, they will be
339 connected to the interface card of the camera.
340
341 \subsection{Considered algorithms}
342
343 Two solutions have been studied to achieve phase computation. The
344 original one, proposed by A. Meister and M. Favre, is based on
345 interpolation by splines. It allows to compute frequency and
346 phase. The second one, detailed in this article, is based on a
347 classical least square method but suppose that frequency is already
348 known.
349
350 \subsubsection{Spline algorithm}
351 \label{sec:algo-spline}
352 Let consider a profile $P$, that is a segment of $M$ pixels with an
353 intensity in gray levels. Let call $I(x)$ the intensity of profile in $x
354 \in [0,M[$. 
355
356 At first, only $M$ values of $I$ are known, for $x = 0, 1,
357 \ldots,M-1$. A normalisation allows to scale known intensities into
358 $[-1,1]$. We compute splines that fit at best these normalised
359 intensities. Splines are used to interpolate $N = k\times M$ points
360 (typically $k=4$ is sufficient), within $[0,M[$. Let call $x^s$ the
361 coordinates of these $N$ points and $I^s$ their intensities.
362
363 In order to have the frequency, the mean line $a.x+b$ (see equation \ref{equ:profile}) of $I^s$ is
364 computed. Finding intersections of $I^s$ and this line allow to obtain
365 the period thus the frequency.
366
367 The phase is computed via the equation :
368 \begin{equation}
369 \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]
370 \end{equation}
371
372 Two things can be noticed :
373 \begin{itemize}
374 \item the frequency could also be obtained using the derivates of
375   spline equations, which only implies to solve quadratic equations.
376 \item frequency of each profile is computed a single time, before the
377   acquisition loop. Thus, $sin(2\pi f x^s_i)$ and $cos(2\pi f x^s_i)$
378   could also be computed before the loop, which leads to a much faster
379   computation of $\theta$.
380 \end{itemize}
381
382 \subsubsection{Least square algorithm}
383
384 Assuming that we compute the phase during the acquisition loop,
385 equation \ref{equ:profile} has only 4 parameters :$a, b, A$, and
386 $\theta$, $f$ and $x$ being already known. Since $I$ is non-linear, a
387 least square method based an Gauss-newton algorithm must be used to
388 determine these four parameters. Since it is an iterative process
389 ending with a convergence criterion, it is obvious that it is not
390 particularly adapted to our design goals.
391
392 Fortunatly, it is quite simple to reduce the number of parameters to
393 only $\theta$. Let $x^p$ be the coordinates of pixels in a segment of
394 size $M$. Thus, $x^p = 0, 1, \ldots, M-1$. Let $I(x^p)$ be their
395 intensity. Firstly, we "remove" the slope by computing :
396
397 \[I^{corr}(x^p) = I(x^p) - a.x^p - b\]
398
399 Since linear equation coefficients are searched, a classical least
400 square method can be used to determine $a$ and $b$ :
401
402 \[a = \frac{covar(x^p,I(x^p))}{var(x^p)} \]
403
404 Assuming an overlined symbol means an average, then :
405
406 \[b = \overline{I(x^p)} - a.\overline{{x^p}}\]
407
408 Let $A$ be the amplitude of $I^{corr}$, i.e. 
409
410 \[A = \frac{max(I^{corr}) - min(I^{corr})}{2}\]
411
412 Then, the least square method to find $\theta$ is reduced to search the minimum of :
413
414 \[\sum_{i=0}^{M-1} \left[ cos(2\pi f.i + \theta) - \frac{I^{corr}(i)}{A} \right]^2\]
415
416 It is equivalent to derivate this expression and to solve the following equation :
417
418 \begin{eqnarray*}
419 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] \\
420 - 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
421 \end{eqnarray*}
422
423 Several points can be noticed :
424 \begin{itemize}
425 \item As in the spline method, some parts of this equation can be
426   computed before the acquisition loop. It is the case of sums that do
427   not depend on $\theta$ :
428
429 \[ \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i), \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i) \] 
430
431 \item Lookup tables for $sin(2\pi f.i)$ and $cos(2\pi f.i)$ can also be
432 computed.
433
434 \item The simplest method to find the good $\theta$ is to discretize
435   $[-\pi,\pi]$ in $nb_s$ steps, and to search which step leads to the
436   result closest to zero. By the way, three other lookup tables can
437   also be computed before the loop :
438
439 \[ sin \theta, cos \theta, \]
440
441 \[ \left[ cos 2\theta \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i) + sin 2\theta \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)\right] \]
442
443 \item This search can be very fast using a dichotomous process in $log_2(nb_s)$ 
444
445 \end{itemize}
446
447 Finally, the whole summarizes in an algorithm (called LSQ in the following) in two parts, one before and one during the acquisition loop :
448 \begin{algorithm}[h]
449 \caption{LSQ algorithm - before acquisition loop.}
450 \label{alg:lsq-before}
451
452    $M \leftarrow $ number of pixels of the profile\\
453    I[] $\leftarrow $ intensities of pixels\\
454    $f \leftarrow $ frequency of the profile\\
455    $s4i \leftarrow \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i)$\\
456    $c4i \leftarrow \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)$\\
457    $nb_s \leftarrow $ number of discretization steps of $[-\pi,\pi]$\\
458
459    \For{$i=0$ to $nb_s $}{
460      $\theta  \leftarrow -\pi + 2\pi\times \frac{i}{nb_s}$\\
461      lut$_s$[$i$] $\leftarrow sin \theta$\\
462      lut$_c$[$i$] $\leftarrow cos \theta$\\
463      lut$_A$[$i$] $\leftarrow cos 2 \theta \times s4i + sin 2 \theta \times c4i$\\
464      lut$_{sfi}$[$i$] $\leftarrow sin (2\pi f.i)$\\
465      lut$_{cfi}$[$i$] $\leftarrow cos (2\pi f.i)$\\
466    }
467 \end{algorithm}
468
469 \begin{algorithm}[ht]
470 \caption{LSQ algorithm - during acquisition loop.}
471 \label{alg:lsq-during}
472
473    $\bar{x} \leftarrow \frac{M-1}{2}$\\
474    $\bar{y} \leftarrow 0$, $x_{var} \leftarrow 0$, $xy_{covar} \leftarrow 0$\\
475    \For{$i=0$ to $M-1$}{
476      $\bar{y} \leftarrow \bar{y} + $ I[$i$]\\
477      $x_{var} \leftarrow x_{var} + (i-\bar{x})^2$\\
478    }
479    $\bar{y} \leftarrow \frac{\bar{y}}{M}$\\
480    \For{$i=0$ to $M-1$}{
481      $xy_{covar} \leftarrow xy_{covar} + (i-\bar{x}) \times (I[i]-\bar{y})$\\
482    }
483    $slope \leftarrow \frac{xy_{covar}}{x_{var}}$\\
484    $start \leftarrow y_{moy} - slope\times \bar{x}$\\
485    \For{$i=0$ to $M-1$}{
486      $I[i] \leftarrow I[i] - start - slope\times i$\\
487    }
488    
489    $I_{max} \leftarrow max_i(I[i])$, $I_{min} \leftarrow min_i(I[i])$\\
490    $amp \leftarrow \frac{I_{max}-I_{min}}{2}$\\
491
492    $Is \leftarrow 0$, $Ic \leftarrow 0$\\
493    \For{$i=0$ to $M-1$}{
494      $Is \leftarrow Is + I[i]\times $ lut$_{sfi}$[$i$]\\
495      $Ic \leftarrow Ic + I[i]\times $ lut$_{cfi}$[$i$]\\
496    }
497
498    $\delta \leftarrow \frac{nb_s}{2}$, $b_l \leftarrow 0$, $b_r \leftarrow \delta$\\
499    $v_l \leftarrow -2.I_s - amp.$lut$_A$[$b_l$]\\
500
501    \While{$\delta >= 1$}{
502
503      $v_r \leftarrow 2.[ Is.$lut$_c$[$b_r$]$ + Ic.$lut$_s$[$b_r$]$ ] - amp.$lut$_A$[$b_r$]\\
504
505      \If{$!(v_l < 0$ and $v_r >= 0)$}{
506        $v_l \leftarrow v_r$ \\
507        $b_l \leftarrow b_r$ \\
508      }
509      $\delta \leftarrow \frac{\delta}{2}$\\
510      $b_r \leftarrow b_l + \delta$\\
511    }
512    \uIf{$!(v_l < 0$ and $v_r >= 0)$}{
513      $v_l \leftarrow v_r$ \\
514      $b_l \leftarrow b_r$ \\
515      $b_r \leftarrow b_l + 1$\\
516      $v_r \leftarrow 2.[ Is.$lut$_c$[$b_r$]$ + Ic.$lut$_s$[$b_r$]$ ] - amp.$lut$_A$[$b_r$]\\
517    }
518    \Else {
519      $b_r \leftarrow b_l + 1$\\
520    }
521
522    \uIf{$ abs(v_l) < v_r$}{
523      $b_{\theta} \leftarrow b_l$ \\
524    }
525    \Else {
526      $b_{\theta} \leftarrow b_r$ \\
527    }
528    $\theta \leftarrow \pi\times \left[\frac{2.b_{ref}}{nb_s}-1\right]$\\
529
530 \end{algorithm}
531
532 \subsubsection{Comparison}
533
534 We compared the two algorithms on the base of three criterions :
535 \begin{itemize}
536 \item precision of results on a cosinus profile, distorted with noise,
537 \item number of operations,
538 \item complexity to implement an FPGA version.
539 \end{itemize}
540
541 For the first item, we produced a matlab version of each algorithm,
542 running with double precision values. The profile was generated for
543 about 34000 different values of period ($\in [3.1, 6.1]$, step = 0.1),
544 phase ($\in [-3.1 , 3.1]$, step = 0.062) and slope ($\in [-2 , 2]$,
545 step = 0.4). For LSQ, $nb_s = 1024$, which leads to a maximal error of
546 $\frac{\pi}{1024}$ on phase computation. Current A. Meister and
547 M. Favre experiments show a ratio of 50 between variation of phase and
548 the deflection of a lever. Thus, the maximal error due to
549 discretization correspond to an error of 0.15nm on the lever
550 deflection, which is smaller than the best precision they achieved,
551 i.e. 0.3nm.
552
553 For each test, we add some noise to the profile : each group of two
554 pixels has its intensity added to a random number picked in $[-N,N]$
555 (NB: it should be noticed that picking a new value for each pixel does
556 not distort enough the profile). The absolute error on the result is
557 evaluated by comparing the difference between the reference and
558 computed phase, out of $2\pi$, expressed in percents. That is : $err =
559 100\times \frac{|\theta_{ref} - \theta_{comp}|}{2\pi}$.
560
561 Table \ref{tab:algo_prec} gives the maximum and average error for the two algorithms and increasing values of $N$.
562
563 \begin{table}[ht]
564   \begin{center}
565     \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
566       \hline
567   & \multicolumn{2}{c|}{SPL} & \multicolumn{2}{c|}{LSQ} \\ \cline{2-5}
568   noise & max. err. & aver. err. & max. err. & aver. err. \\ \hline
569   0 & 2.46 & 0.58 & 0.49 & 0.1 \\ \hline
570   2.5 & 2.75 & 0.62 & 1.16 & 0.22 \\ \hline
571   5 & 3.77 & 0.72 & 2.47 & 0.41 \\ \hline
572   7.5 & 4.72 & 0.86 & 3.33 & 0.62 \\ \hline
573   10 & 5.62 & 1.03 & 4.29 & 0.81 \\ \hline
574   15 & 7.96 & 1.38 & 6.35 & 1.21 \\ \hline
575   30 & 17.06 & 2.6 & 13.94 & 2.45 \\ \hline
576
577 \end{tabular}
578 \caption{Error (in \%) for cosinus profiles, with noise.}
579 \label{tab:algo_prec}
580 \end{center}
581 \end{table}
582
583 These results show that the two algorithms are very close, with a
584 slight advantage for LSQ. Furthemore, both behave very well against
585 noise. Assuming the experimental ratio of 50 (see above), an error of
586 1 percent on phase correspond to an error of 0.5nm on the lever
587 deflection, which is very close to the best precision.
588
589 Obviously, it is very hard to predict which level of noise will be
590 present in real experiments and how it will distort the
591 profiles. Nevertheless, we can see on figure \ref{fig:noise20} the
592 profile with $N=10$ that leads to the biggest error. It is a bit
593 distorted, with pikes and straight/rounded portions, and relatively
594 close to most of that come from experiments. Figure \ref{fig:noise60}
595 shows a sample of worst profile for $N=30$. It is completly distorted,
596 largely beyond the worst experimental ones. 
597
598 \begin{figure}[ht]
599 \begin{center}
600   \includegraphics[width=9cm]{intens-noise20-spl}
601 \end{center}
602 \caption{Sample of worst profile for N=10}
603 \label{fig:noise20}
604 \end{figure}
605
606 \begin{figure}[ht]
607 \begin{center}
608   \includegraphics[width=9cm]{intens-noise60-lsq}
609 \end{center}
610 \caption{Sample of worst profile for N=30}
611 \label{fig:noise60}
612 \end{figure}
613
614 The second criterion is relatively easy to estimate for LSQ and harder
615 for SPL because of $atan$ operation. In both cases, it is proportional
616 to numbers of pixels $M$. For LSQ, it also depends on $nb_s$ and for
617 SPL on $N = k\times M$, i.e. the number of interpolated points. 
618
619 We assume that $M=20$, $nb_s=1024$, $k=4$, all possible parts are
620 already in lookup tables and a limited set of operations (+, -, *, /,
621 <, >) is taken account. Translating the two algorithms in C code, we
622 obtain about 430 operations for LSQ and 1550 (plus few tenth for
623 $atan$) for SPL. This result is largely in favor of LSQ. Nevertheless,
624 considering the total number of operations is not really pertinent for
625 an FPGA implementation : it mainly depends on the type of operations
626 and their
627 ordering. The final decision is thus driven by the third criterion.\\
628
629 The Spartan 6 used in our architecture has hard constraint : it has no
630 built-in floating point units. Obviously, it is possible to use some
631 existing "black-boxes" for double precision operations. But they have
632 a quite long latency. It is much simpler to exclusively use integers,
633 with a quantization of all double precision values. Obviously, this
634 quantization should not decrease too much the precision of
635 results. Furthermore, it should not lead to a design with a huge
636 latency because of operations that could not complete during a single
637 or few clock cycles. Divisions are in this case and, moreover, they
638 need an varying number of clock cycles to complete. Even
639 multiplications can be a problem : DSP48 take inputs of 18 bits
640 maximum. For larger multiplications, several DSP must be combined,
641 increasing the latency.
642
643 Nevertheless, the hardest constraint does not come from the FPGA
644 characteristics but from the algorithms. Their VHDL implentation will
645 be efficient only if they can be fully (or near) pipelined. By the
646 way, the choice is quickly done : only a small part of SPL can be.
647 Indeed, the computation of spline coefficients implies to solve a
648 tridiagonal system $A.m = b$. Values in $A$ and $b$ can be computed
649 from incoming pixels intensity but after, the back-solve starts with
650 the lastest values, which breaks the pipeline. Moreover, SPL relies on
651 interpolating far more points than profile size. Thus, the end
652 of SPL works on a larger amount of data than the beginning, which
653 also breaks the pipeline.
654
655 LSQ has not this problem : all parts except the dichotomial search
656 work on the same amount of data, i.e. the profile size. Furthermore,
657 LSQ needs less operations than SPL, implying a smaller output
658 latency. Consequently, it is the best candidate for phase
659 computation. Nevertheless, obtaining a fully pipelined version
660 supposes that operations of different parts complete in a single clock
661 cycle. It is the case for simulations but it completely fails when
662 mapping and routing the design on the Spartan6. By the way,
663 extra-latency is generated and there must be idle times between two
664 profiles entering into the pipeline.
665
666 %%Before obtaining the least bitstream, the crucial question is : how to
667 %%translate the C code the LSQ into VHDL ?
668
669
670 %\subsection{VHDL design paradigms}
671
672 \section{Experimental tests}
673
674 \subsection{VHDL implementation}
675
676 % - ecriture d'un code en C avec integer
677 % - calcul de la taille max en bit de chaque variable en fonction de la quantization.
678 % - tests de quantization : équilibre entre précision et contraintes FPGA
679 % - en parallèle : simulink et VHDL à la main
680 %
681 \subsection{Simulation}
682
683 % ghdl + gtkwave
684 % au mieux : une phase tous les 33 cycles, latence de 95 cycles.
685 % mais routage/placement impossible.
686 \subsection{Bitstream creation}
687
688 % pas fait mais prévision d'une sortie tous les 480ns avec une latence de 1120
689
690 \label{sec:results}
691
692
693
694
695 \section{Conclusion and perspectives}
696
697
698 \bibliographystyle{plain}
699 \bibliography{biblio}
700
701 \end{document}