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

Private GIT Repository
fb6d7d0a61c8bd5006735c3b81936e6ef0805b1f
[dmems12.git] / dmems12.tex
1
2 \documentclass[10pt, peerreview, 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 \begin{document}
30
31
32 %% \author{\IEEEauthorblockN{Authors Name/s per 1st Affiliation (Author)}
33 %% \IEEEauthorblockA{line 1 (of Affiliation): dept. name of organization\\
34 %% line 2: name of organization, acronyms acceptable\\
35 %% line 3: City, Country\\
36 %% line 4: Email: name@xyz.com}
37 %% \and
38 %% \IEEEauthorblockN{Authors Name/s per 2nd Affiliation (Author)}
39 %% \IEEEauthorblockA{line 1 (of Affiliation): dept. name of organization\\
40 %% line 2: name of organization, acronyms acceptable\\
41 %% line 3: City, Country\\
42 %% line 4: Email: name@xyz.com}
43 %% }
44
45
46
47 \title{A new approach based on least square methods to estimate in real time cantilevers deflection with a FPGA}
48 \author{\IEEEauthorblockN{Raphaël Couturier\IEEEauthorrefmark{1}, Stéphane Domas\IEEEauthorrefmark{1}, Gwenhaël Goavec-Merou\IEEEauthorrefmark{2} and Michel Lenczner\IEEEauthorrefmark{2}}
49 \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}FEMTO-ST, DISC, University of Franche-Comte, Belfort, France\\
50 \{raphael.couturier,stephane.domas\}@univ-fcomte.fr}
51 \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}FEMTO-ST, Time-Frequency, University of Franche-Comte, Besançon, France\\
52 \{michel.lenczner@utbm.fr,gwenhael.goavec@trabucayre.com}
53 }
54
55
56
57
58
59
60 %\maketitle
61
62 \thispagestyle{empty}
63
64 \begin{abstract}
65
66 Atomics force  microscope (AFM) provide  high resolution images of  surfaces. In
67 this paper, we  focus our attention on an interferometry  method to estimate the
68 cantilevers deflection.   The initial method  was based on splines  to determine
69 the phase  of interference fringes,  and thus the deflection.  Computations were
70 performed on a  PC with LabView.  Here,  we propose a new approach  based on the
71 least square  methods and its implementation  that we have developed  on a FPGA,
72 using the pipelining  technique. Simulations and real tests  showed us that this
73 implementation is  very efficient and should  allow us to  control a cantilevers
74 array in real time.
75
76
77 \end{abstract}
78
79 \begin{IEEEkeywords}
80 FPGA, cantilever, interferometry.
81 \end{IEEEkeywords}
82
83
84 \IEEEpeerreviewmaketitle
85
86 \section{Introduction}
87
88 Cantilevers are  used inside atomic  force microscopes (AFM) which  provide high
89 resolution images of surfaces.  Several techniques have been used to measure the
90 displacement  of cantilevers  in literature.   For  example, it  is possible  to
91 determine    accurately    the    deflection    with    different    mechanisms.
92 In~\cite{CantiPiezzo01},   authors  used   piezoresistor  integrated   into  the
93 cantilever.   Nevertheless this  approach  suffers from  the  complexity of  the
94 microfabrication  process needed  to  implement the  sensor  in the  cantilever.
95 In~\cite{CantiCapacitive03},  authors  have  presented a  cantilever  mechanism
96 based on capacitive sensing. This  kind of technique also involves to instrument
97 the cantilever which results in a complex fabrication process.
98
99 In this  paper our attention is focused  on a method based  on interferometry to
100 measure cantilevers' displacements.  In  this method cantilevers are illuminated
101 by an optic source. The interferometry produces fringes on each cantilever which
102 enables  us to compute  the cantilever  displacement.  In  order to  analyze the
103 fringes a  high speed camera  is used. Images  need to be processed  quickly and
104 then  an estimation method  is required  to determine  the displacement  of each
105 cantilever.  In~\cite{AFMCSEM11}, authors have used an algorithm based on spline
106 to estimate the cantilevers' positions.
107
108 The  overall  process  gives  accurate  results but  all  the  computations  are
109 performed on a standard computer using LabView.  Consequently, the main drawback
110 of this  implementation is that the computer  is a bottleneck. In  this paper we
111 propose  to use  a  method  based on  least  squares and  to  implement all  the
112 computation on a FPGA.
113
114 The remainder  of the paper  is organized as  follows. Section~\ref{sec:measure}
115 describes  more precisely  the measurement  process. Our  solution based  on the
116 least  square   method  and   the  implementation  on   FPGA  is   presented  in
117 Section~\ref{sec:solus}.       Experimentations      are       described      in
118 Section~\ref{sec:results}.  Finally  a  conclusion  and  some  perspectives  are
119 presented.
120
121
122
123
124
125 \section{Measurement principles}
126 \label{sec:measure}
127
128 \subsection{Architecture}
129 \label{sec:archi}
130
131
132 In order to develop simple,  cost effective and user-friendly cantilever arrays,
133 authors   of    ~\cite{AFMCSEM11}   have   developed   a    system   based   on
134 interferometry. In opposition to other optical based systems, using a laser beam
135 deflection scheme and  sensitive to the angular displacement  of the cantilever,
136 interferometry  is sensitive  to  the  optical path  difference  induced by  the
137 vertical displacement of the cantilever.
138
139 The    system   built    by   these    authors   is    based   on    a   Linnick
140 interferometer~\cite{Sinclair:05}.   It is illustrated  in Figure~\ref{fig:AFM}.
141 A laser  diode is  first split  (by the splitter)  into a  reference beam  and a
142 sample beam that reach the cantilever array.   In order to be able to move the
143 cantilever array,  it is mounted on  a translation and  rotational hexapod stage
144 with five  degrees of freedom.  The optical system  is also fixed to  the stage.
145 Thus,  the cantilever  array is  centered  in the  optical system  which can  be
146 adjusted accurately.  The  beam illuminates the array by  a microscope objective
147 and the light reflects on the cantilevers.  Likewise the reference beam reflects
148 on a movable mirror.  A CMOS  camera chip records the reference and sample beams
149 which  are  recombined in  the  beam splitter  and  the  interferogram.  At  the
150 beginning of each experiment, the movable  mirror is fitted manually in order to
151 align  the interferometric  fringes approximately  parallel to  the cantilevers.
152 When cantilevers  move due  to the surface,  the bending of  cantilevers produce
153 movements in the fringes that can be detected with the CMOS camera.  Finally the
154 fringes need to be analyzed. In~\cite{AFMCSEM11}, authors used a LabView program
155 to compute the cantilevers' deflections from the fringes.
156
157 \begin{figure}    
158 \begin{center}
159 \includegraphics[width=\columnwidth]{AFM}
160 \end{center}
161 \caption{schema of the AFM}
162 \label{fig:AFM}   
163 \end{figure}
164
165
166 %% image tirée des expériences.
167
168 \subsection{Cantilever deflection estimation}
169 \label{sec:deflest}
170
171 \begin{figure}    
172 \begin{center}
173 \includegraphics[width=\columnwidth]{lever-xp}
174 \end{center}
175 \caption{Portion of an image picked by the camera}
176 \label{fig:img-xp}   
177 \end{figure}
178
179 As shown on image \ref{fig:img-xp}, each cantilever is covered by
180 several interferometric fringes. The fringes will distort when
181 cantilevers are deflected. Estimating the deflection is done by
182 computing this distortion. For that, authors of \cite{AFMCSEM11}
183 proposed a method based on computing the phase of the fringes, at the
184 base of each cantilever, near the tip, and on the base of the
185 array. They assume that a linear relation binds these phases, which
186 can be used to "unwrap" the phase at the tip and to determine the deflection.\\
187
188 More precisely, segments of pixels are extracted from images taken by
189 the camera. These segments are large enough to cover several
190 interferometric fringes. As said above, they are placed at the base
191 and near the tip of the cantilevers. They are called base profile and
192 tip profile in the following. Furthermore, a reference profile is
193 taken on the base of the cantilever array.
194
195 The pixels intensity $I$ (in gray level) of each profile is modelized by:
196
197 \begin{equation}
198 \label{equ:profile}
199 I(x) = ax+b+A.cos(2\pi f.x + \theta)
200 \end{equation}
201
202 where $x$ is the position of a pixel in its associated segment.
203
204 The global method consists in two main sequences. The first one aims
205 to determine the frequency $f$ of each profile with an algorithm based
206 on spline interpolation (see section \ref{sec:algo-spline}). It also
207 computes the coefficient used for unwrapping the phase. The second one
208 is the acquisition loop, during which images are taken at regular time
209 steps. For each image, the phase $\theta$ of all profiles is computed
210 to obtain, after unwrapping, the deflection of
211 cantilevers. Originally, this computation was also done with an
212 algorithm based on spline. This article proposes a new version based
213 on a least square method.
214
215 \subsection{Design goals}
216 \label{sec:goals}
217
218 The main goal is to implement a computing unit to estimate the
219 deflection of about $10\times10$ cantilevers, faster than the stream of
220 images coming from the camera. The accuracy of results must be close
221 to the maximum precision ever obtained experimentally on the
222 architecture, i.e. 0.3nm. Finally, the latency between an image
223 entering in the unit and the deflections must be as small as possible
224 (NB: future works plan to add some control on the cantilevers).\\
225
226 If we put aside some hardware issues like the speed of the link
227 between the camera and the computation unit, the time to deserialize
228 pixels and to store them in memory, ... the phase computation is
229 obviously the bottle-neck of the whole process. For example, if we
230 consider the camera actually in use, an exposition time of 2.5ms for
231 $1024\times 1204$ pixels seems the minimum that can be reached. For
232 100 cantilevers, if we neglect the time to extract pixels, it implies
233 that computing the deflection of a single
234 cantilever should take less than 25$\mu$s, thus 12.5$\mu$s by phase.\\
235
236 In fact, this timing is a very hard constraint. Let us consider a very
237 small program that initializes twenty million of doubles in memory
238 and then does 1,000,000 cumulated sums on 20 contiguous values
239 (experimental profiles have about this size). On an intel Core 2 Duo
240 E6650 at 2.33GHz, this program reaches an average of 155Mflops. 
241
242 %%Itimplies that the phase computation algorithm should not take more than
243 %%$155\times 12.5 = 1937$ floating operations. For integers, it gives $3000$ operations. 
244
245 Obviously, some cache effects and optimizations on
246 huge amount of computations can drastically increase these
247 performances: peak efficiency is about 2.5Gflops for the considered
248 CPU. But this is not the case for phase computation that used only a few
249 tenth of values.\\
250
251 In order to evaluate the original algorithm, we translated it in C
252 language. As stated before, for 20 pixels, it does about 1,550
253 operations, thus an estimated execution time of $1,550/155
254 =$10$\mu$s. For a more realistic evaluation, we constructed a file of
255 1Mo containing 200 profiles of 20 pixels, equally scattered. This file
256 is equivalent to an image stored in a device file representing the
257 camera. We obtained an average of 10.5$\mu$s by profile (including I/O
258 accesses). It is under our requirements but close to the limit. In
259 case of an occasional load of the system, it could be largely
260 overtaken. A solution would be to use a real-time operating system but
261 another one to search for a more efficient algorithm.
262
263 But the main drawback is the latency of such a solution: since each
264 profile must be treated one after another, the deflection of 100
265 cantilevers takes about $200\times 10.5 = 2.1$ms, which is inadequate
266 for an efficient control. An obvious solution is to parallelize the
267 computations, for example on a GPU. Nevertheless, the cost of transferring
268 profile in GPU memory and of taking back results would be prohibitive
269 compared to computation time. It is certainly more efficient to
270 pipeline the computation. For example, supposing that 200 profiles of
271 20 pixels can be pushed sequentially in the pipelined unit cadenced at
272 a 100MHz (i.e. a pixel enters in the unit each 10ns), all profiles
273 would be treated in $200\times 20\times 10.10^{-9} =$ 40$\mu$s plus
274 the latency of the pipeline. This is about 500 times faster than
275 actual results.\\
276
277 For these reasons, a FPGA as the computation unit is the best choice
278 to achieve the required performance. Nevertheless, passing from
279 a C code to a pipelined version in VHDL is not obvious at all. As
280 explained in the next section, it can even be impossible because of
281 some hardware constraints specific to FPGAs.
282
283
284 \section{Proposed solution}
285 \label{sec:solus}
286
287 Project Oscar aims  to provide a hardware and  software architecture to estimate
288 and  control the  deflection of  cantilevers. The  hardware part  consists  in a
289 high-speed camera, linked  on an embedded board hosting FPGAs.  In this way, the
290 camera output stream can be pushed  directly into the FPGA. The software part is
291 mostly the VHDL  code that deserializes the camera  stream, extracts profile and
292 computes  the deflection. Before  focusing on  our work  to implement  the phase
293 computation, we give some general information about FPGAs and the board we use.
294
295 \subsection{FPGAs}
296
297 A field-programmable gate  array (FPGA) is an integrated  circuit designed to be
298 configured by the customer. FGPAs are composed of programmable logic components,
299 called  configurable logic  blocks (CLB).  These blocks  mainly  contain look-up
300 tables  (LUT), flip/flops (F/F)  and latches,  organized in  one or  more slices
301 connected together. Each CLB can be configured to perform simple (AND, XOR, ...)
302 or complex  combinational functions.  They are  interconnected by reconfigurable
303 links.  Modern  FPGAs contain  memory elements and  multipliers which  enable to
304 simplify the  design and  to increase the  performance. Nevertheless,  all other
305 complex  operations, like  division, trigonometric  functions, $\ldots$  are not
306 available  and  must  be  done  by  configuring  a  set  of  CLBs.   Since  this
307 configuration  is not  obvious at  all, it  can be  done via  a  framework, like
308 ISE~\cite{ISE}. Such  a software can synthetize  a design written  in a hardware
309 description language  (HDL), map it onto  CLBs, place/route them  for a specific
310 FPGA, and finally produce a bitstream  that is used to configure the FPGA. Thus,
311 from  the developer's  point of  view, the  main difficulty  is to  translate an
312 algorithm in HDL  code, taking into account FPGA  resources and constraints like
313 clock signals and I/O values that drive the FPGA.
314
315 Indeed, HDL programming is very different from classic languages like
316 C. A program can be seen as a state-machine, manipulating signals that
317 evolve from state to state. Moreover, HDL instructions can executed
318 concurrently. Basic logic operations are used to aggregate signals to
319 produce new states and assign it to another signal. States are mainly
320 expressed as arrays of bits. Fortunately, libraries propose some
321 higher levels representations like signed integers, and arithmetic
322 operations.
323
324 Furthermore, even if FPGAs are cadenced more slowly than classic
325 processors, they can perform pipeline as well as parallel
326 operations. A pipeline consists in cutting a process in a sequence of
327 small tasks, taking the same execution time. It accepts a new data at
328 each clock top, thus, after a known latency, it also provides a result
329 at each clock top. However, using a pipeline consumes more logics
330 since the components of a task are not reusable by another
331 one. Nevertheless it is probably the most efficient technique on
332 FPGA. Because of its architecture, it is also very easy to process
333 several data concurrently. Whenever possible, the best performance
334 is reached using parallelism to handle simultaneously several
335 pipelines in order to handle multiple data streams.
336
337 \subsection{The board}
338
339 The board we use is designed by the Armadeus company, under the name
340 SP Vision. It consists in a development board hosting a i.MX27 ARM
341 processor (from Freescale). The board includes all classical
342 connectors: USB, Ethernet, ... A Flash memory contains a Linux kernel
343 that can be launched after booting the board via u-Boot.
344
345 The processor is directly connected to a Spartan3A FPGA (from Xilinx)
346 via its special interface called WEIM. The Spartan3A is itself
347 connected to a Spartan6 FPGA. Thus, it is possible to develop programs
348 that communicate between i.MX and Spartan6, using Spartan3 as a
349 tunnel. By default, the WEIM interface provides a clock signal at
350 100MHz that is connected to dedicated FPGA pins.
351
352 The Spartan6 is an LX100 version. It has 15822 slices, each slice
353 containing 4 LUTs and 8 flip/flops. It is equivalent to 101261 logic
354 cells. There are 268 internal block RAM of 18Kbits, and 180 dedicated
355 multiply-adders (named DSP48), which is largely enough for our
356 project.
357
358 Some I/O pins of Spartan6 are connected to two $2\times 17$ headers
359 that can be used as user wants. For the project, they will be
360 connected to the interface card of the camera.
361
362 \subsection{Considered algorithms}
363
364 Two solutions have been studied to achieve phase computation. The
365 original one, proposed by A. Meister and M. Favre, is based on
366 interpolation by splines. It allows to compute frequency and
367 phase. The second one, detailed in this article, is based on a
368 classical least square method which supposes that the frequency is already
369 known.
370
371 \subsubsection{Spline algorithm (SPL)}
372 \label{sec:algo-spline}
373 Let us consider a profile $P$, that is a segment of $M$ pixels with an
374 intensity in gray levels. Let us call $I(x)$ the intensity of profile in $x
375 \in [0,M[$. 
376
377 At first, only $M$ values of $I$ are known, for $x = 0, 1,
378 \ldots,M-1$. A normalization allows to scale known intensities into
379 $[-1,1]$. We compute splines that fit at best these normalized
380 intensities. Splines are used to interpolate $N = k\times M$ points
381 (typically $k=4$ is sufficient), within $[0,M[$. Let  $x^s$ be the
382 coordinates of these $N$ points and $I^s$ their intensities.
383
384 In order to have the frequency, the mean line $a.x+b$ (see equation \ref{equ:profile}) of $I^s$ is
385 computed. Finding intersections of $I^s$ and this line allows us to obtain
386 the period and thus the frequency.
387
388 The phase is computed via the equation:
389 \begin{equation}
390 \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]
391 \end{equation}
392
393 Two things can be noticed:
394 \begin{itemize}
395 \item the frequency could also be obtained using the derivates of
396   spline equations, which only implies to solve quadratic equations.
397 \item frequency of each profile is computed only once, before the
398   acquisition loop. Thus, $sin(2\pi f x^s_i)$ and $cos(2\pi f x^s_i)$
399   could also be computed before the loop, which would lead to a much faster
400   computation of $\theta$.
401 \end{itemize}
402
403 \subsubsection{Least square algorithm (LSQ)}
404
405 Assuming that we compute the phase during the acquisition loop,
406 equation \ref{equ:profile} has only 4 parameters: $a, b, A$, and
407 $\theta$, $f$ and $x$ being already known. Since $I$ is non-linear, a
408 least square method based on a Gauss-newton algorithm can be used to
409 determine these four parameters. Since it is an iterative process
410 ending with a convergence criterion, it is obvious that it is not
411 particularly adapted to our design goals.
412
413 Fortunately, it is quite simple to reduce the number of parameters to
414 only $\theta$. Let $x^p$ be the coordinates of pixels in a segment of
415 size $M$. Thus, $x^p = 0, 1, \ldots, M-1$. Let $I(x^p)$ be their
416 intensity. Firstly, we "remove" the slope by computing:
417
418 \[I^{corr}(x^p) = I(x^p) - a.x^p - b\]
419
420 Since linear equation coefficients are searched, a classical least
421 square method can be used to determine $a$ and $b$:
422
423 \[a = \frac{covar(x^p,I(x^p))}{var(x^p)} \]
424
425 Assuming an overlined symbol means an average, then:
426
427 \[b = \overline{I(x^p)} - a.\overline{{x^p}}\]
428
429 Let $A$ be the amplitude of $I^{corr}$, i.e. 
430
431 \[A = \frac{max(I^{corr}) - min(I^{corr})}{2}\]
432
433 Then, the least square method to find $\theta$ is reduced to search the minimum of:
434
435 \[\sum_{i=0}^{M-1} \left[ cos(2\pi f.i + \theta) - \frac{I^{corr}(i)}{A} \right]^2\]
436
437 It is equivalent to derivating this expression and to solving the following equation:
438
439
440 %\begin{eqnarray*}{l}
441 $$2\left[ cos\theta \sum_{i=0}^{M-1} I^{corr}(i).sin(2\pi f.i) \right.$$
442 $$\left. + sin\theta \sum_{i=0}^{M-1} I^{corr}(i).cos(2\pi f.i)\right]- $$
443 $$ A\left[ cos2\theta \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i) + sin2\theta \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)\right]   = 0$$
444 %\end{eqnarray*}
445
446
447 Several points can be noticed:
448 \begin{itemize}
449 \item As in the spline method, some parts of this equation can be
450   computed before the acquisition loop. It is the case of sums that do
451   not depend on $\theta$:
452
453 \[ \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i), \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i) \] 
454
455 \item Lookup tables for $sin(2\pi f.i)$ and $cos(2\pi f.i)$ can also be
456 computed.
457
458 \item The simplest method to find the good $\theta$ is to discretize
459   $[-\pi,\pi]$ in $nb_s$ steps, and to search which step leads to the
460   result closest to zero. Hence, three other lookup tables can
461   also be computed before the loop:
462
463 \[ sin \theta, cos \theta, \]
464
465 \[ \left[ cos 2\theta \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i) + sin 2\theta \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)\right] \]
466
467 \item This search can be very fast using a dichotomous process in $log_2(nb_s)$ 
468
469 \end{itemize}
470
471 Finally, this is synthetized in an algorithm (called LSQ in the following) in two parts, one before and one during the acquisition loop:
472 \begin{algorithm}[htbp]
473 \caption{LSQ algorithm - before acquisition loop.}
474 \label{alg:lsq-before}
475
476    $M \leftarrow $ number of pixels of the profile\\
477    I[] $\leftarrow $ intensity of pixels\\
478    $f \leftarrow $ frequency of the profile\\
479    $s4i \leftarrow \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i)$\\
480    $c4i \leftarrow \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)$\\
481    $nb_s \leftarrow $ number of discretization steps of $[-\pi,\pi]$\\
482
483    \For{$i=0$ to $nb_s $}{
484      $\theta  \leftarrow -\pi + 2\pi\times \frac{i}{nb_s}$\\
485      lut$_s$[$i$] $\leftarrow sin \theta$\\
486      lut$_c$[$i$] $\leftarrow cos \theta$\\
487      lut$_A$[$i$] $\leftarrow cos 2 \theta \times s4i + sin 2 \theta \times c4i$\\
488      lut$_{sfi}$[$i$] $\leftarrow sin (2\pi f.i)$\\
489      lut$_{cfi}$[$i$] $\leftarrow cos (2\pi f.i)$\\
490    }
491 \end{algorithm}
492
493 \begin{algorithm}[htbp]
494 \caption{LSQ algorithm - during acquisition loop.}
495 \label{alg:lsq-during}
496
497    $\bar{x} \leftarrow \frac{M-1}{2}$\\
498    $\bar{y} \leftarrow 0$, $x_{var} \leftarrow 0$, $xy_{covar} \leftarrow 0$\\
499    \For{$i=0$ to $M-1$}{
500      $\bar{y} \leftarrow \bar{y} + $ I[$i$]\\
501      $x_{var} \leftarrow x_{var} + (i-\bar{x})^2$\\
502    }
503    $\bar{y} \leftarrow \frac{\bar{y}}{M}$\\
504    \For{$i=0$ to $M-1$}{
505      $xy_{covar} \leftarrow xy_{covar} + (i-\bar{x}) \times (I[i]-\bar{y})$\\
506    }
507    $slope \leftarrow \frac{xy_{covar}}{x_{var}}$\\
508    $start \leftarrow y_{moy} - slope\times \bar{x}$\\
509    \For{$i=0$ to $M-1$}{
510      $I[i] \leftarrow I[i] - start - slope\times i$\\
511    }
512    
513    $I_{max} \leftarrow max_i(I[i])$, $I_{min} \leftarrow min_i(I[i])$\\
514    $amp \leftarrow \frac{I_{max}-I_{min}}{2}$\\
515
516    $Is \leftarrow 0$, $Ic \leftarrow 0$\\
517    \For{$i=0$ to $M-1$}{
518      $Is \leftarrow Is + I[i]\times $ lut$_{sfi}$[$i$]\\
519      $Ic \leftarrow Ic + I[i]\times $ lut$_{cfi}$[$i$]\\
520    }
521
522    $\delta \leftarrow \frac{nb_s}{2}$, $b_l \leftarrow 0$, $b_r \leftarrow \delta$\\
523    $v_l \leftarrow -2.I_s - amp.$lut$_A$[$b_l$]\\
524
525    \While{$\delta >= 1$}{
526
527      $v_r \leftarrow 2.[ Is.$lut$_c$[$b_r$]$ + Ic.$lut$_s$[$b_r$]$ ] - amp.$lut$_A$[$b_r$]\\
528
529      \If{$!(v_l < 0$ and $v_r >= 0)$}{
530        $v_l \leftarrow v_r$ \\
531        $b_l \leftarrow b_r$ \\
532      }
533      $\delta \leftarrow \frac{\delta}{2}$\\
534      $b_r \leftarrow b_l + \delta$\\
535    }
536    \uIf{$!(v_l < 0$ and $v_r >= 0)$}{
537      $v_l \leftarrow v_r$ \\
538      $b_l \leftarrow b_r$ \\
539      $b_r \leftarrow b_l + 1$\\
540      $v_r \leftarrow 2.[ Is.$lut$_c$[$b_r$]$ + Ic.$lut$_s$[$b_r$]$ ] - amp.$lut$_A$[$b_r$]\\
541    }
542    \Else {
543      $b_r \leftarrow b_l + 1$\\
544    }
545
546    \uIf{$ abs(v_l) < v_r$}{
547      $b_{\theta} \leftarrow b_l$ \\
548    }
549    \Else {
550      $b_{\theta} \leftarrow b_r$ \\
551    }
552    $\theta \leftarrow \pi\times \left[\frac{2.b_{ref}}{nb_s}-1\right]$\\
553
554 \end{algorithm}
555
556 \subsubsection{Comparison}
557
558 We compared the two algorithms on the base of three criteria:
559 \begin{itemize}
560 \item precision of results on a cosines profile, distorted by noise,
561 \item number of operations,
562 \item complexity of implementating an FPGA version.
563 \end{itemize}
564
565 For the first item, we produced a matlab version of each algorithm,
566 running with double precision values. The profile was generated for
567 about 34000 different values of period ($\in [3.1, 6.1]$, step = 0.1),
568 phase ($\in [-3.1 , 3.1]$, step = 0.062) and slope ($\in [-2 , 2]$,
569 step = 0.4). For LSQ, $nb_s = 1024$, which leads to a maximal error of
570 $\frac{\pi}{1024}$ on phase computation. Current A. Meister and
571 M. Favre's experiments show a ratio of 50 between the variation of a phase and
572 the deflection of a lever. Thus, the maximal error due to
573 discretization corresponds to an error of 0.15nm on the lever
574 deflection, which is smaller than the best precision they achieved,
575 i.e. 0.3nm.
576
577 For each test, we add some noise to the profile: each group of two
578 pixels has its intensity added to a random number picked in $[-N,N]$
579 (NB: it should be noticed that picking a new value for each pixel does
580 not distort enough the profile). The absolute error on the result is
581 evaluated by comparing the difference between the reference and
582 computed phase, out of $2\pi$, expressed in percentage. That is: $err =
583 100\times \frac{|\theta_{ref} - \theta_{comp}|}{2\pi}$.
584
585 Table  \ref{tab:algo_prec}  gives  the   maximum  and  average  error  for  both
586 algorithms and increasing values of $N$.
587
588 \begin{table}[ht]
589   \begin{center}
590     \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
591       \hline
592   & \multicolumn{2}{c|}{SPL} & \multicolumn{2}{c|}{LSQ} \\ \cline{2-5}
593   noise & max. err. & aver. err. & max. err. & aver. err. \\ \hline
594   0 & 2.46 & 0.58 & 0.49 & 0.1 \\ \hline
595   2.5 & 2.75 & 0.62 & 1.16 & 0.22 \\ \hline
596   5 & 3.77 & 0.72 & 2.47 & 0.41 \\ \hline
597   7.5 & 4.72 & 0.86 & 3.33 & 0.62 \\ \hline
598   10 & 5.62 & 1.03 & 4.29 & 0.81 \\ \hline
599   15 & 7.96 & 1.38 & 6.35 & 1.21 \\ \hline
600   30 & 17.06 & 2.6 & 13.94 & 2.45 \\ \hline
601
602 \end{tabular}
603 \caption{Error (in \%) for cosines profiles, with noise.}
604 \label{tab:algo_prec}
605 \end{center}
606 \end{table}
607
608 These results show that the two algorithms are very close, with a
609 slight advantage for LSQ. Furthermore, both behave very well against
610 noise. Assuming the experimental ratio of 50 (see above), an error of
611 1 percent on the phase corresponds to an error of 0.5nm on the lever
612 deflection, which is very close to the best precision.
613
614 Obviously, it is very hard to predict which level of noise will be
615 present in real experiments and how it will distort the
616 profiles. Nevertheless, we can see on figure \ref{fig:noise20} the
617 profile with $N=10$ that leads to the biggest error. It is a bit
618 distorted, with pikes and straight/rounded portions, and relatively
619 close to experiments. Figure \ref{fig:noise60}
620 shows a sample of worst profile for $N=30$. It is completely distorted,
621 largely beyond the worst experimental ones. 
622
623 \begin{figure}[ht]
624 \begin{center}
625   \includegraphics[width=\columnwidth]{intens-noise20}
626 \end{center}
627 \caption{Sample of worst profile for N=10}
628 \label{fig:noise20}
629 \end{figure}
630
631 \begin{figure}[ht]
632 \begin{center}
633   \includegraphics[width=\columnwidth]{intens-noise60}
634 \end{center}
635 \caption{Sample of worst profile for N=30}
636 \label{fig:noise60}
637 \end{figure}
638
639 The second criterion is relatively easy to estimate for LSQ and harder
640 for SPL because of $atan$ operation. In both cases, it is proportional
641 to the numbers of pixels $M$. For LSQ, it also depends on $nb_s$ and for
642 SPL on $N = k\times M$, i.e. the number of interpolated points. 
643
644 We assume that $M=20$, $nb_s=1024$, $k=4$, all possible parts are
645 already in lookup tables and a limited set of operations (+, -, *, /,
646 $<$, $>$) is taken into account. Translating both algorithms in C code, we
647 obtain about 430 operations for LSQ and 1,550 (plus a few tenth for
648 $atan$) for SPL. This result is largely in favor of LSQ. Nevertheless,
649 considering the total number of operations is not really pertinent for
650 an FPGA implementation: it mainly depends on the type of operations
651 and their
652 ordering. The final decision is thus driven by the third criterion.\\
653
654 The Spartan 6 used in our architecture has a hard constraint: it has no built-in
655 floating  point  units.   Obviously,  it   is  possible  to  use  some  existing
656 "black-boxes"  for double  precision operations.   But  they have  quite a  long
657 latency. It is much simpler to  exclusively use integers, with a quantization of
658 all double  precision values. Obviously,  this quantization should  not decrease
659 too much the  precision of results. Furthermore, it should not  lead to a design
660 with  a huge  latency because  of operations  that could  not complete  during a
661 single or  few clock  cycles. Divisions fall  into that category  and, moreover,
662 they need a varying number of clock cycles to complete. Even multiplications can
663 be a problem: a DSP48 takes inputs of 18 bits maximum.  For larger multiplications,
664 several DSP must be combined, increasing the latency.
665
666 Nevertheless, the hardest constraint does not come from the FPGA characteristics
667 but from  the algorithms.  Their VHDL implementation  will be efficient  only if
668 they can be fully (or near) pipelined.  Thus, the choice is quickly made: only a
669 small  part  of  SPL  can  be  pipelined.  Indeed,  the  computation  of  spline
670 coefficients implies to solve a tridiagonal  system $A.m = b$. Values in $A$ and
671 $b$ can  be computed  from incoming pixels  intensity but after,  the back-solve
672 starts with the latest values,  which breaks the pipeline.  Moreover, SPL relies
673 on interpolating far  more points than profile size. Thus, the  end of SPL works
674 on a larger amount of data than at the beginning, which also breaks the pipeline.
675
676 LSQ has  not this problem: all parts  except the dichotomial search  work on the
677 same  amount  of  data, i.e.  the  profile  size.  Furthermore, LSQ  needs  less
678 operations than SPL, implying a  smaller output latency. Consequently, it is the
679 best candidate for phase  computation. Nevertheless, obtaining a fully pipelined
680 version supposes that  operations of different parts complete  in a single clock
681 cycle. It is  the case for simulations but it completely  fails when mapping and
682 routing the design  on the Spartan6. Thus,  extra-latency is generated and
683 there must be idle times between two profiles entering into the pipeline.
684
685 %%Before obtaining the least bitstream, the crucial question is: how to
686 %%translate the C code the LSQ into VHDL ?
687
688
689 %\subsection{VHDL design paradigms}
690
691 \section{Experimental tests}
692
693 %In this section we explain what  we have done yet. Until now, we could not perform
694 %real experiments  since we just have  received the FGPA  board. Nevertheless, we
695 %will include real experiments in the final version of this paper.
696
697 \subsection{VHDL implementation}
698
699 From the LSQ algorithm, we have written a C program that uses only
700 integer values. We use a very simple quantization by multiplying
701 double precision values by a power of two, keeping the integer
702 part. For example, all values stored in lut$_s$, lut$_c$, $\ldots$ are
703 scaled by 1,024. Since LSQ also computes average, variance, ... to
704 remove the slope, the result of implied Euclidean divisions may be
705 relatively wrong. To avoid that, we also scale the pixel intensities
706 by a power of two. Furthermore, assuming $nb_s$ is fixed, these
707 divisions have a known denominator. Thus, they can be replaced by
708 their multiplication/shift counterpart. Finally, all other
709 multiplications or divisions by a power of two have been replaced by
710 left or right bit shifts. Thus, the code only contains
711 additions, subtractions and multiplications of signed integers, which
712 are perfectly adapted to FGPAs.
713
714 As  mentioned above, hardware  constraints have  a great  influence on  the VHDL
715 implementation. Consequently, we searched the  maximum value of each variable as
716 a function of the different scale  factors and the size of profiles, which gives
717 their maximum size in bits. That  size determines the maximum scale factors that
718 allow to  use the  least possible  RAMs and DSPs.  Actually, we  implemented our
719 algorithm  with  this  maximum  size  but  current works  study  the  impact  of
720 quantization on  the results precision  and design complexity. We  have compared
721 the result of  the LSQ version using integers and doubles  and observed that the
722 precision of both were similar.
723
724 Then we built two versions of VHDL codes: one directly by hand coding
725 and the other with Matlab using the Simulink HDL coder
726 feature~\cite{HDLCoder}. Although the approach is completely different
727 we obtained VHDL codes that are quite comparable. Each approach has
728 advantages and drawbacks.  Roughly speaking, hand coding provides
729 beautiful and much better structured code while Simulink enables us to
730 produce a code faster.  In terms of throughput and latency,
731 simulations show that the two approaches are close with a slight
732 advantage for hand coding.  We hope that real experiments will confirm
733 that.
734
735 \subsection{Simulation}
736
737 Before experimental tests on the board, we simulated our two VHDL
738 codes with GHDL and GTKWave (two free tools with linux). For that, we
739 built a testbench based on profiles taken from experimentations and
740 compared the results to values given by the SPL algorithm. Both
741 versions lead to correct results.
742
743 Our first codes were highly optimized : the pipeline could compute a
744 new phase each 33 cycles and its latency was equal to 95 cycles. Since
745 the Spartan6 is clocked at 100MHz, it implies that estimating the
746 deflection of 100 cantilevers would take about $(95 + 200\times 33).10
747 = 66.95\mu$s, i.e. nearly 15,000 estimations by second.
748
749 \subsection{Bitstream creation}
750
751 In order to test our code on the SP Vision board, the design was
752 extended with a component that keeps profiles in RAM, flushes them in
753 the phase computation component and stores its output in another
754 RAM. We also added a wishbone : a component that can "drive" signals
755 to communicate between i.MX and other components. It is mainly used
756 to start to flush profiles and to retrieve the computed phases in RAM.
757
758 Unfortunately, the first  designs could not be placed and route  with ISE on the
759 Spartan6 with  a 100MHz clock. The  main problems came from  routing values from
760 RAMs to DSPs and obtaining a result  under 10ns. So, we needed to decompose some
761 parts of  the pipeline, which  adds some cycles.  For example, some  delays have
762 been introduced between  RAMs output and DSPs. Finally,  we obtained a bitstream
763 that has a latency  of 112 cycles and computes a new  phase every 40 cycles. For
764 100 cantilevers, it takes $(112 + 200\times 40).10 = 81.12\mu$s to compute their
765 deflection.
766
767 This bitstream has been successfully tested on the board.
768
769
770
771 \label{sec:results}
772
773
774
775
776 \section{Conclusion and perspectives}
777 In this paper we have presented a new method to estimate the
778 cantilevers deflection in an AFM.  This method is based on least
779 square methods.  We have used quantization to produce an algorithm
780 based exclusively on integer values, which is adapted to a FPGA
781 implementation. We obtained a precision on results similar to the
782 initial version based on splines.  Our solution has been implemented
783 with a pipeline technique.  Consequently, it enables to handle a new
784 profile image very quickly. Currently we have performed simulations
785 and real tests on a Spartan6 FPGA.
786
787 In future work,  we plan to study  the quantization. Then we want  to couple our
788 algorithm with a high speed camera and we plan to control the whole AFM system.
789
790 \bibliographystyle{plain}
791 \bibliography{biblio}
792
793 \end{document}