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index 4aea93c2df363f89d3324ada59bb5d236f40e7a5..fb6d7d0a61c8bd5006735c3b81936e6ef0805b1f 100644 (file)
@@ -1,5 +1,5 @@
 
-\documentclass[10pt, conference, compsocconf]{IEEEtran}
+\documentclass[10pt, peerreview, compsocconf]{IEEEtran}
 %\usepackage{latex8}
 %\usepackage{times}
 \usepackage[utf8]{inputenc}
@@ -26,7 +26,6 @@
 \newcommand{\tab}{\ \ \ }
 
 
-
 \begin{document}
 
 
@@ -45,7 +44,7 @@
 
 
 
-\title{Using FPGAs for high speed and real time cantilever deflection estimation}
+\title{A new approach based on least square methods to estimate in real time cantilevers deflection with a FPGA}
 \author{\IEEEauthorblockN{Raphaël Couturier\IEEEauthorrefmark{1}, Stéphane Domas\IEEEauthorrefmark{1}, Gwenhaël Goavec-Merou\IEEEauthorrefmark{2} and Michel Lenczner\IEEEauthorrefmark{2}}
 \IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}FEMTO-ST, DISC, University of Franche-Comte, Belfort, France\\
 \{raphael.couturier,stephane.domas\}@univ-fcomte.fr}
 
 
 
-\maketitle
+%\maketitle
 
 \thispagestyle{empty}
 
 \begin{abstract}
 
-  
+Atomics force  microscope (AFM) provide  high resolution images of  surfaces. In
+this paper, we  focus our attention on an interferometry  method to estimate the
+cantilevers deflection.   The initial method  was based on splines  to determine
+the phase  of interference fringes,  and thus the deflection.  Computations were
+performed on a  PC with LabView.  Here,  we propose a new approach  based on the
+least square  methods and its implementation  that we have developed  on a FPGA,
+using the pipelining  technique. Simulations and real tests  showed us that this
+implementation is  very efficient and should  allow us to  control a cantilevers
+array in real time.
+
 
-{\it keywords}: FPGA, cantilever, interferometry.
 \end{abstract}
 
+\begin{IEEEkeywords}
+FPGA, cantilever, interferometry.
+\end{IEEEkeywords}
+
+
+\IEEEpeerreviewmaketitle
+
 \section{Introduction}
 
-Cantilevers  are  used  inside  atomic  force  microscope (AFM) which  provides  high
-resolution images of  surfaces.  Several technics have been  used to measure the
-displacement  of cantilevers  in litterature.   For example,  it is  possible to
-determine  accurately  the  deflection  with different  mechanisms. 
+Cantilevers are  used inside atomic  force microscopes (AFM) which  provide high
+resolution images of surfaces.  Several techniques have been used to measure the
+displacement  of cantilevers  in literature.   For  example, it  is possible  to
+determine    accurately    the    deflection    with    different    mechanisms.
 In~\cite{CantiPiezzo01},   authors  used   piezoresistor  integrated   into  the
 cantilever.   Nevertheless this  approach  suffers from  the  complexity of  the
 microfabrication  process needed  to  implement the  sensor  in the  cantilever.
-In~\cite{CantiCapacitive03},  authors  have  presented an  cantilever  mechanism
-based on  capacitive sensing. This kind  of technic also  involves to instrument
-the cantiliver which result in a complex fabrication process.
+In~\cite{CantiCapacitive03},  authors  have  presented a  cantilever  mechanism
+based on capacitive sensing. This  kind of technique also involves to instrument
+the cantilever which results in a complex fabrication process.
 
 In this  paper our attention is focused  on a method based  on interferometry to
 measure cantilevers' displacements.  In  this method cantilevers are illuminated
-by  an optic  source. The  interferometry produces  fringes on  each cantilevers
-which enables to  compute the cantilever displacement.  In  order to analyze the
+by an optic source. The interferometry produces fringes on each cantilever which
+enables  us to compute  the cantilever  displacement.  In  order to  analyze the
 fringes a  high speed camera  is used. Images  need to be processed  quickly and
-then  a estimation  method is  required to  determine the  displacement  of each
-cantilever.  In~\cite{AFMCSEM11},  the authors have  used an algorithm  based on
-spline to estimate the cantilevers' positions.
+then  an estimation method  is required  to determine  the displacement  of each
+cantilever.  In~\cite{AFMCSEM11}, authors have used an algorithm based on spline
+to estimate the cantilevers' positions.
 
-   The overall  process gives
-accurate results  but all the computation  are performed on  a standard computer
-using labview.  Consequently,  the main drawback of this  implementation is that
-the computer is a bootleneck in the overall process. In this paper we propose to
-use a  method based on least  square and to  implement all the computation  on a
-FGPA.
+The  overall  process  gives  accurate  results but  all  the  computations  are
+performed on a standard computer using LabView.  Consequently, the main drawback
+of this  implementation is that the computer  is a bottleneck. In  this paper we
+propose  to use  a  method  based on  least  squares and  to  implement all  the
+computation on a FPGA.
 
 The remainder  of the paper  is organized as  follows. Section~\ref{sec:measure}
 describes  more precisely  the measurement  process. Our  solution based  on the
@@ -107,48 +120,39 @@ presented.
 
 
 
-%% quelques ref commentées sur les calculs basés sur l'interférométrie
+
 
 \section{Measurement principles}
 \label{sec:measure}
 
-
-
-
-
-
-
-
 \subsection{Architecture}
 \label{sec:archi}
-%% description de l'architecture générale de l'acquisition d'images
-%% avec au milieu une unité de traitement dont on ne précise pas ce
-%% qu'elle est.
+
 
 In order to develop simple,  cost effective and user-friendly cantilever arrays,
-authors   of    ~\cite{AFMCSEM11}   have   developped   a    system   based   of
+authors   of    ~\cite{AFMCSEM11}   have   developed   a    system   based   on
 interferometry. In opposition to other optical based systems, using a laser beam
-deflection scheme and  sentitive to the angular displacement  of the cantilever,
+deflection scheme and  sensitive to the angular displacement  of the cantilever,
 interferometry  is sensitive  to  the  optical path  difference  induced by  the
 vertical displacement of the cantilever.
 
-The system build  by authors of~\cite{AFMCSEM11} has been  developped based on a
-Linnick interferomter~\cite{Sinclair:05}. It is illustrated in Figure~\ref{fig:AFM}.  A
-laser beam is first  split (by the splitter) into a reference  beam and a sample
-beam  that reachs  the  cantilever  array.  In  order  to be  able  to move  the
-cantilever array, it is mounted on  a translation and rotational stage with five
-degrees of  freedom. The optical  system is also  fixed to the stage.  Thus, the
-cantilever  array  is centered  in  the optical  system  which  can be  adjusted
-accurately.  The  beam illuminates the array  by a microscope  objective and the
-light reflects  on the  cantilevers. Likewise the  reference beam reflects  on a
-movable mirror.  A CMOS camera chip records the reference and sample beams which
-are recombined in  the beam splitter and the interferogram.  At the beginning of
-each experiment,  the movable mirror  is fitted manually  in order to  align the
-interferometric  fringes   approximately  parallel  to   the  cantilevers.  When
-cantilevers  move  due  to  the  surface, the  bending  of  cantilevers  produce
+The    system   built    by   these    authors   is    based   on    a   Linnick
+interferometer~\cite{Sinclair:05}.   It is illustrated  in Figure~\ref{fig:AFM}.
+A laser  diode is  first split  (by the splitter)  into a  reference beam  and a
+sample beam that reach the cantilever array.   In order to be able to move the
+cantilever array,  it is mounted on  a translation and  rotational hexapod stage
+with five  degrees of freedom.  The optical system  is also fixed to  the stage.
+Thus,  the cantilever  array is  centered  in the  optical system  which can  be
+adjusted accurately.  The  beam illuminates the array by  a microscope objective
+and the light reflects on the cantilevers.  Likewise the reference beam reflects
+on a movable mirror.  A CMOS  camera chip records the reference and sample beams
+which  are  recombined in  the  beam splitter  and  the  interferogram.  At  the
+beginning of each experiment, the movable  mirror is fitted manually in order to
+align  the interferometric  fringes approximately  parallel to  the cantilevers.
+When cantilevers  move due  to the surface,  the bending of  cantilevers produce
 movements in the fringes that can be detected with the CMOS camera.  Finally the
-fringes need  to be  analyzed. In~\cite{AFMCSEM11}, the  authors used  a LabView
-program to compute the cantilevers' movements from the fringes.
+fringes need to be analyzed. In~\cite{AFMCSEM11}, authors used a LabView program
+to compute the cantilevers' deflections from the fringes.
 
 \begin{figure}    
 \begin{center}
@@ -164,23 +168,31 @@ program to compute the cantilevers' movements from the fringes.
 \subsection{Cantilever deflection estimation}
 \label{sec:deflest}
 
-As shown on image \ref{img:img-xp}, each cantilever is covered by
-interferometric fringes. The fringes will distort when cantilevers are
-deflected. Estimating the deflection is done by computing this
-distortion. For that, (ref A. Meister + M Favre) proposed a method
-based on computing the phase of the fringes, at the base of each
-cantilever, near the tip, and on the base of the array. They assume
-that a linear relation binds these phases, which can be use to
-"unwrap" the phase at the tip and to determine the deflection.\\
+\begin{figure}    
+\begin{center}
+\includegraphics[width=\columnwidth]{lever-xp}
+\end{center}
+\caption{Portion of an image picked by the camera}
+\label{fig:img-xp}   
+\end{figure}
 
-More precisely, segment of pixels are extracted from images taken by a
-high-speed camera. These segments are large enough to cover several
-interferometric fringes and are placed at the base and near the tip of
-the cantilevers. They are called base profile and tip profile in the
-following. Furthermore, a reference profile is taken on the base of
-the cantilever array.
+As shown on image \ref{fig:img-xp}, each cantilever is covered by
+several interferometric fringes. The fringes will distort when
+cantilevers are deflected. Estimating the deflection is done by
+computing this distortion. For that, authors of \cite{AFMCSEM11}
+proposed a method based on computing the phase of the fringes, at the
+base of each cantilever, near the tip, and on the base of the
+array. They assume that a linear relation binds these phases, which
+can be used to "unwrap" the phase at the tip and to determine the deflection.\\
 
-The pixels intensity $I$ (in gray level) of each profile is modelized by :
+More precisely, segments of pixels are extracted from images taken by
+the camera. These segments are large enough to cover several
+interferometric fringes. As said above, they are placed at the base
+and near the tip of the cantilevers. They are called base profile and
+tip profile in the following. Furthermore, a reference profile is
+taken on the base of the cantilever array.
+
+The pixels intensity $I$ (in gray level) of each profile is modelized by:
 
 \begin{equation}
 \label{equ:profile}
@@ -190,73 +202,162 @@ I(x) = ax+b+A.cos(2\pi f.x + \theta)
 where $x$ is the position of a pixel in its associated segment.
 
 The global method consists in two main sequences. The first one aims
-to determin the frequency $f$ of each profile with an algorithm based
-on spline interpolation (see section \ref{algo-spline}). It also
+to determine the frequency $f$ of each profile with an algorithm based
+on spline interpolation (see section \ref{sec:algo-spline}). It also
 computes the coefficient used for unwrapping the phase. The second one
-is the acquisition loop, while which images are taken at regular time
+is the acquisition loop, during which images are taken at regular time
 steps. For each image, the phase $\theta$ of all profiles is computed
-to obtain, after unwrapping, the deflection of cantilevers.
+to obtain, after unwrapping, the deflection of
+cantilevers. Originally, this computation was also done with an
+algorithm based on spline. This article proposes a new version based
+on a least square method.
 
 \subsection{Design goals}
 \label{sec:goals}
 
+The main goal is to implement a computing unit to estimate the
+deflection of about $10\times10$ cantilevers, faster than the stream of
+images coming from the camera. The accuracy of results must be close
+to the maximum precision ever obtained experimentally on the
+architecture, i.e. 0.3nm. Finally, the latency between an image
+entering in the unit and the deflections must be as small as possible
+(NB: future works plan to add some control on the cantilevers).\\
+
 If we put aside some hardware issues like the speed of the link
 between the camera and the computation unit, the time to deserialize
 pixels and to store them in memory, ... the phase computation is
 obviously the bottle-neck of the whole process. For example, if we
 consider the camera actually in use, an exposition time of 2.5ms for
-$1024\times 1204$ pixels seems the minimum that can be reached. For a
-$10\times 10$ cantilever array, if we neglect the time to extract
-pixels, it implies that computing the deflection of a single
+$1024\times 1204$ pixels seems the minimum that can be reached. For
+100 cantilevers, if we neglect the time to extract pixels, it implies
+that computing the deflection of a single
 cantilever should take less than 25$\mu$s, thus 12.5$\mu$s by phase.\\
 
-In fact, this timing is a very hard constraint. Let consider a very
-small programm that initializes twenty million of doubles in memory
-and then does 1000000 cumulated sums on 20 contiguous values
+In fact, this timing is a very hard constraint. Let us consider a very
+small program that initializes twenty million of doubles in memory
+and then does 1,000,000 cumulated sums on 20 contiguous values
 (experimental profiles have about this size). On an intel Core 2 Duo
-E6650 at 2.33GHz, this program reaches an average of 155Mflops. It
-implies that the phase computation algorithm should not take more than
-$240\times 12.5 = 1937$ floating operations. For integers, it gives
-$3000$ operations.
-
-%% to be continued ...
-
-%% � faire : timing de l'algo spline en C avec atan et tout le bordel.
-
-
+E6650 at 2.33GHz, this program reaches an average of 155Mflops. 
+
+%%Itimplies that the phase computation algorithm should not take more than
+%%$155\times 12.5 = 1937$ floating operations. For integers, it gives $3000$ operations. 
+
+Obviously, some cache effects and optimizations on
+huge amount of computations can drastically increase these
+performances: peak efficiency is about 2.5Gflops for the considered
+CPU. But this is not the case for phase computation that used only a few
+tenth of values.\\
+
+In order to evaluate the original algorithm, we translated it in C
+language. As stated before, for 20 pixels, it does about 1,550
+operations, thus an estimated execution time of $1,550/155
+=$10$\mu$s. For a more realistic evaluation, we constructed a file of
+1Mo containing 200 profiles of 20 pixels, equally scattered. This file
+is equivalent to an image stored in a device file representing the
+camera. We obtained an average of 10.5$\mu$s by profile (including I/O
+accesses). It is under our requirements but close to the limit. In
+case of an occasional load of the system, it could be largely
+overtaken. A solution would be to use a real-time operating system but
+another one to search for a more efficient algorithm.
+
+But the main drawback is the latency of such a solution: since each
+profile must be treated one after another, the deflection of 100
+cantilevers takes about $200\times 10.5 = 2.1$ms, which is inadequate
+for an efficient control. An obvious solution is to parallelize the
+computations, for example on a GPU. Nevertheless, the cost of transferring
+profile in GPU memory and of taking back results would be prohibitive
+compared to computation time. It is certainly more efficient to
+pipeline the computation. For example, supposing that 200 profiles of
+20 pixels can be pushed sequentially in the pipelined unit cadenced at
+a 100MHz (i.e. a pixel enters in the unit each 10ns), all profiles
+would be treated in $200\times 20\times 10.10^{-9} =$ 40$\mu$s plus
+the latency of the pipeline. This is about 500 times faster than
+actual results.\\
+
+For these reasons, a FPGA as the computation unit is the best choice
+to achieve the required performance. Nevertheless, passing from
+a C code to a pipelined version in VHDL is not obvious at all. As
+explained in the next section, it can even be impossible because of
+some hardware constraints specific to FPGAs.
 
 
 \section{Proposed solution}
 \label{sec:solus}
 
+Project Oscar aims  to provide a hardware and  software architecture to estimate
+and  control the  deflection of  cantilevers. The  hardware part  consists  in a
+high-speed camera, linked  on an embedded board hosting FPGAs.  In this way, the
+camera output stream can be pushed  directly into the FPGA. The software part is
+mostly the VHDL  code that deserializes the camera  stream, extracts profile and
+computes  the deflection. Before  focusing on  our work  to implement  the phase
+computation, we give some general information about FPGAs and the board we use.
 
-\subsection{FPGA constraints}
+\subsection{FPGAs}
 
 A field-programmable gate  array (FPGA) is an integrated  circuit designed to be
-configured by  the customer.  A hardware  description language (HDL)  is used to
-configure a  FPGA. FGPAs are  composed of programmable logic  components, called
-logic blocks.  These blocks can be  configured to perform simple (AND, XOR, ...)
-or  complex  combinational  functions.    Logic  blocks  are  interconnected  by
-reconfigurable  links. Modern  FPGAs  contains memory  elements and  multipliers
-which enables to simplify the design and increase the speed. As the most complex
-operation operation on FGPAs is the  multiplier, design of FGPAs should not used
-complex operations. For example, a divider  is not an available operation and it
-should be programmed using simple components.
-
-FGPAs programming  is very different  from classic processors  programming. When
-logic block are programmed and linked  to performed an operation, they cannot be
-reused anymore.  FPGA  are cadenced slowly than classic  processors but they can
-performed pipelined as  well as pipelined operations. A  pipeline provides a way
-manipulate data quickly  since at each clock top to handle  a new data. However,
-using  a  pipeline  consomes more  logics  and  components  since they  are  not
-reusable,  nevertheless it  is probably  the most  efficient technique  on FPGA.
-Parallel  operations   can  be  used   in  order  to  manipulate   several  data
-simultaneously. When  it is  possible, using  a pipeline is  a good  solution to
-manipulate  new  data  at  each  clock  top  and  using  parallelism  to  handle
-simultaneously several data streams.
-
-%% contraintes imposées par le FPGA : algo pipeline/parallele, pas d'op math complexe, ...
-
+configured by the customer. FGPAs are composed of programmable logic components,
+called  configurable logic  blocks (CLB).  These blocks  mainly  contain look-up
+tables  (LUT), flip/flops (F/F)  and latches,  organized in  one or  more slices
+connected together. Each CLB can be configured to perform simple (AND, XOR, ...)
+or complex  combinational functions.  They are  interconnected by reconfigurable
+links.  Modern  FPGAs contain  memory elements and  multipliers which  enable to
+simplify the  design and  to increase the  performance. Nevertheless,  all other
+complex  operations, like  division, trigonometric  functions, $\ldots$  are not
+available  and  must  be  done  by  configuring  a  set  of  CLBs.   Since  this
+configuration  is not  obvious at  all, it  can be  done via  a  framework, like
+ISE~\cite{ISE}. Such  a software can synthetize  a design written  in a hardware
+description language  (HDL), map it onto  CLBs, place/route them  for a specific
+FPGA, and finally produce a bitstream  that is used to configure the FPGA. Thus,
+from  the developer's  point of  view, the  main difficulty  is to  translate an
+algorithm in HDL  code, taking into account FPGA  resources and constraints like
+clock signals and I/O values that drive the FPGA.
+
+Indeed, HDL programming is very different from classic languages like
+C. A program can be seen as a state-machine, manipulating signals that
+evolve from state to state. Moreover, HDL instructions can executed
+concurrently. Basic logic operations are used to aggregate signals to
+produce new states and assign it to another signal. States are mainly
+expressed as arrays of bits. Fortunately, libraries propose some
+higher levels representations like signed integers, and arithmetic
+operations.
+
+Furthermore, even if FPGAs are cadenced more slowly than classic
+processors, they can perform pipeline as well as parallel
+operations. A pipeline consists in cutting a process in a sequence of
+small tasks, taking the same execution time. It accepts a new data at
+each clock top, thus, after a known latency, it also provides a result
+at each clock top. However, using a pipeline consumes more logics
+since the components of a task are not reusable by another
+one. Nevertheless it is probably the most efficient technique on
+FPGA. Because of its architecture, it is also very easy to process
+several data concurrently. Whenever possible, the best performance
+is reached using parallelism to handle simultaneously several
+pipelines in order to handle multiple data streams.
+
+\subsection{The board}
+
+The board we use is designed by the Armadeus company, under the name
+SP Vision. It consists in a development board hosting a i.MX27 ARM
+processor (from Freescale). The board includes all classical
+connectors: USB, Ethernet, ... A Flash memory contains a Linux kernel
+that can be launched after booting the board via u-Boot.
+
+The processor is directly connected to a Spartan3A FPGA (from Xilinx)
+via its special interface called WEIM. The Spartan3A is itself
+connected to a Spartan6 FPGA. Thus, it is possible to develop programs
+that communicate between i.MX and Spartan6, using Spartan3 as a
+tunnel. By default, the WEIM interface provides a clock signal at
+100MHz that is connected to dedicated FPGA pins.
+
+The Spartan6 is an LX100 version. It has 15822 slices, each slice
+containing 4 LUTs and 8 flip/flops. It is equivalent to 101261 logic
+cells. There are 268 internal block RAM of 18Kbits, and 180 dedicated
+multiply-adders (named DSP48), which is largely enough for our
+project.
+
+Some I/O pins of Spartan6 are connected to two $2\times 17$ headers
+that can be used as user wants. For the project, they will be
+connected to the interface card of the camera.
 
 \subsection{Considered algorithms}
 
@@ -264,61 +365,64 @@ Two solutions have been studied to achieve phase computation. The
 original one, proposed by A. Meister and M. Favre, is based on
 interpolation by splines. It allows to compute frequency and
 phase. The second one, detailed in this article, is based on a
-classical least square method but suppose that frequency is already
+classical least square method which supposes that the frequency is already
 known.
 
-\subsubsection{Spline algorithm}
+\subsubsection{Spline algorithm (SPL)}
 \label{sec:algo-spline}
-Let consider a profile $P$, that is a segment of $M$ pixels with an
-intensity in gray levels. Let call $I(x)$ the intensity of profile in $x
+Let us consider a profile $P$, that is a segment of $M$ pixels with an
+intensity in gray levels. Let us call $I(x)$ the intensity of profile in $x
 \in [0,M[$. 
 
 At first, only $M$ values of $I$ are known, for $x = 0, 1,
-\ldots,M-1$. A normalisation allows to scale known intensities into
-$[-1,1]$. We compute splines that fit at best these normalised
+\ldots,M-1$. A normalization allows to scale known intensities into
+$[-1,1]$. We compute splines that fit at best these normalized
 intensities. Splines are used to interpolate $N = k\times M$ points
-(typically $k=3$ is sufficient), within $[0,M[$. Let call $x^s$ the
+(typically $k=4$ is sufficient), within $[0,M[$. Let  $x^s$ be the
 coordinates of these $N$ points and $I^s$ their intensities.
 
 In order to have the frequency, the mean line $a.x+b$ (see equation \ref{equ:profile}) of $I^s$ is
-computed. Finding intersections of $I^s$ and this line allow to obtain
-the period thus the frequency.
+computed. Finding intersections of $I^s$ and this line allows us to obtain
+the period and thus the frequency.
 
-The phase is computed via the equation :
+The phase is computed via the equation:
 \begin{equation}
 \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]
 \end{equation}
 
-Two things can be noticed. Firstly, the frequency could also be
-obtained using the derivates of spline equations, which only implies
-to solve quadratic equations. Secondly, frequency of each profile is
-computed a single time, before the acquisition loop. Thus, $sin(2\pi f
-x^s_i)$ and $cos(2\pi f x^s_i)$ could also be computed before the loop, which leads to a
-much faster computation of $\theta$.
+Two things can be noticed:
+\begin{itemize}
+\item the frequency could also be obtained using the derivates of
+  spline equations, which only implies to solve quadratic equations.
+\item frequency of each profile is computed only once, before the
+  acquisition loop. Thus, $sin(2\pi f x^s_i)$ and $cos(2\pi f x^s_i)$
+  could also be computed before the loop, which would lead to a much faster
+  computation of $\theta$.
+\end{itemize}
 
-\subsubsection{Least square algorithm}
+\subsubsection{Least square algorithm (LSQ)}
 
 Assuming that we compute the phase during the acquisition loop,
-equation \ref{equ:profile} has only 4 parameters :$a, b, A$, and
+equation \ref{equ:profile} has only 4 parameters$a, b, A$, and
 $\theta$, $f$ and $x$ being already known. Since $I$ is non-linear, a
-least square method based an Gauss-newton algorithm must be used to
+least square method based on a Gauss-newton algorithm can be used to
 determine these four parameters. Since it is an iterative process
 ending with a convergence criterion, it is obvious that it is not
 particularly adapted to our design goals.
 
-Fortunatly, it is quite simple to reduce the number of parameters to
+Fortunately, it is quite simple to reduce the number of parameters to
 only $\theta$. Let $x^p$ be the coordinates of pixels in a segment of
 size $M$. Thus, $x^p = 0, 1, \ldots, M-1$. Let $I(x^p)$ be their
-intensity. Firstly, we "remove" the slope by computing :
+intensity. Firstly, we "remove" the slope by computing:
 
 \[I^{corr}(x^p) = I(x^p) - a.x^p - b\]
 
 Since linear equation coefficients are searched, a classical least
-square method can be used to determine $a$ and $b$ :
+square method can be used to determine $a$ and $b$:
 
 \[a = \frac{covar(x^p,I(x^p))}{var(x^p)} \]
 
-Assuming an overlined symbol means an average, then :
+Assuming an overlined symbol means an average, then:
 
 \[b = \overline{I(x^p)} - a.\overline{{x^p}}\]
 
@@ -326,22 +430,25 @@ Let $A$ be the amplitude of $I^{corr}$, i.e.
 
 \[A = \frac{max(I^{corr}) - min(I^{corr})}{2}\]
 
-Then, the least square method to find $\theta$ is reduced to search the minimum of :
+Then, the least square method to find $\theta$ is reduced to search the minimum of:
 
 \[\sum_{i=0}^{M-1} \left[ cos(2\pi f.i + \theta) - \frac{I^{corr}(i)}{A} \right]^2\]
 
-It is equivalent to derivate this expression and to solve the following equation :
+It is equivalent to derivating this expression and to solving the following equation:
 
-\begin{eqnarray*}
-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] \\
-- 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
-\end{eqnarray*}
 
-Several points can be noticed :
+%\begin{eqnarray*}{l}
+$$2\left[ cos\theta \sum_{i=0}^{M-1} I^{corr}(i).sin(2\pi f.i) \right.$$
+$$\left. + sin\theta \sum_{i=0}^{M-1} I^{corr}(i).cos(2\pi f.i)\right]- $$
+$$ A\left[ cos2\theta \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i) + sin2\theta \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)\right]   = 0$$
+%\end{eqnarray*}
+
+
+Several points can be noticed:
 \begin{itemize}
 \item As in the spline method, some parts of this equation can be
   computed before the acquisition loop. It is the case of sums that do
-  not depend on $\theta$ :
+  not depend on $\theta$:
 
 \[ \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i), \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i) \] 
 
@@ -349,23 +456,25 @@ Several points can be noticed :
 computed.
 
 \item The simplest method to find the good $\theta$ is to discretize
-  $[-\pi,\pi]$ in $N$ steps, and to search which step leads to the
-  result closest to zero. By the way, three other lookup tables can
-  also be computed before the loop :
+  $[-\pi,\pi]$ in $nb_s$ steps, and to search which step leads to the
+  result closest to zero. Hence, three other lookup tables can
+  also be computed before the loop:
 
-\[ sin \theta, cos \theta, \left[ cos 2\theta \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i) + sin 2\theta \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)\right] \]
+\[ sin \theta, cos \theta, \]
 
-\item This search can be very fast using a dichotomous process in $log_2(N)$ 
+\[ \left[ cos 2\theta \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i) + sin 2\theta \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)\right] \]
+
+\item This search can be very fast using a dichotomous process in $log_2(nb_s)$ 
 
 \end{itemize}
 
-Finally, the whole summarizes in an algorithm (called LSQ in the following) in two parts, one before and one during the acquisition loop :
-\begin{algorithm}[h]
+Finally, this is synthetized in an algorithm (called LSQ in the following) in two parts, one before and one during the acquisition loop:
+\begin{algorithm}[htbp]
 \caption{LSQ algorithm - before acquisition loop.}
 \label{alg:lsq-before}
 
    $M \leftarrow $ number of pixels of the profile\\
-   I[] $\leftarrow $ intensities of pixels\\
+   I[] $\leftarrow $ intensity of pixels\\
    $f \leftarrow $ frequency of the profile\\
    $s4i \leftarrow \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i)$\\
    $c4i \leftarrow \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)$\\
@@ -373,15 +482,15 @@ Finally, the whole summarizes in an algorithm (called LSQ in the following) in t
 
    \For{$i=0$ to $nb_s $}{
      $\theta  \leftarrow -\pi + 2\pi\times \frac{i}{nb_s}$\\
-     lut\_sin[$i$] $\leftarrow sin \theta$\\
-     lut\_cos[$i$] $\leftarrow cos \theta$\\
-     lut\_A[$i$] $\leftarrow cos 2 \theta \times s4i + sin 2 \theta \times c4i$\\
-     lut\_sinfi[$i$] $\leftarrow sin (2\pi f.i)$\\
-     lut\_cosfi[$i$] $\leftarrow cos (2\pi f.i)$\\
+     lut$_s$[$i$] $\leftarrow sin \theta$\\
+     lut$_c$[$i$] $\leftarrow cos \theta$\\
+     lut$_A$[$i$] $\leftarrow cos 2 \theta \times s4i + sin 2 \theta \times c4i$\\
+     lut$_{sfi}$[$i$] $\leftarrow sin (2\pi f.i)$\\
+     lut$_{cfi}$[$i$] $\leftarrow cos (2\pi f.i)$\\
    }
 \end{algorithm}
 
-\begin{algorithm}[h]
+\begin{algorithm}[htbp]
 \caption{LSQ algorithm - during acquisition loop.}
 \label{alg:lsq-during}
 
@@ -398,7 +507,7 @@ Finally, the whole summarizes in an algorithm (called LSQ in the following) in t
    $slope \leftarrow \frac{xy_{covar}}{x_{var}}$\\
    $start \leftarrow y_{moy} - slope\times \bar{x}$\\
    \For{$i=0$ to $M-1$}{
-     $I[i] \leftarrow I[i] - start - slope\times i$\tcc*[f]{slope removal}\\
+     $I[i] \leftarrow I[i] - start - slope\times i$\\
    }
    
    $I_{max} \leftarrow max_i(I[i])$, $I_{min} \leftarrow min_i(I[i])$\\
@@ -406,39 +515,277 @@ Finally, the whole summarizes in an algorithm (called LSQ in the following) in t
 
    $Is \leftarrow 0$, $Ic \leftarrow 0$\\
    \For{$i=0$ to $M-1$}{
-     $Is \leftarrow Is + I[i]\times $ lut\_sinfi[$i$]\\
-     $Ic \leftarrow Ic + I[i]\times $ lut\_cosfi[$i$]\\
+     $Is \leftarrow Is + I[i]\times $ lut$_{sfi}$[$i$]\\
+     $Ic \leftarrow Ic + I[i]\times $ lut$_{cfi}$[$i$]\\
    }
 
-   $\theta \leftarrow -\pi$\\
-   $val_1 \leftarrow 2\times \left[ Is.\cos(\theta) + Ic.\sin(\theta) \right] - amp\times \left[ c4i.\sin(2\theta) + s4i.\cos(2\theta) \right]$\\
-   \For{$i=1-n_s$ to $n_s$}{
-     $\theta \leftarrow \frac{i.\pi}{n_s}$\\
-     $val_2 \leftarrow 2\times \left[ Is.\cos(\theta) + Ic.\sin(\theta) \right] - amp\times \left[ c4i.\sin(2\theta) + s4i.\cos(2\theta) \right]$\\
+   $\delta \leftarrow \frac{nb_s}{2}$, $b_l \leftarrow 0$, $b_r \leftarrow \delta$\\
+   $v_l \leftarrow -2.I_s - amp.$lut$_A$[$b_l$]\\
+
+   \While{$\delta >= 1$}{
 
-     \lIf{$val_1 < 0$ et $val_2 >= 0$}{
-       $\theta_s \leftarrow \theta - \left[ \frac{val_2}{val_2-val_1}\times \frac{\pi}{n_s} \right]$\\
+     $v_r \leftarrow 2.[ Is.$lut$_c$[$b_r$]$ + Ic.$lut$_s$[$b_r$]$ ] - amp.$lut$_A$[$b_r$]\\
+
+     \If{$!(v_l < 0$ and $v_r >= 0)$}{
+       $v_l \leftarrow v_r$ \\
+       $b_l \leftarrow b_r$ \\
      }
-     $val_1 \leftarrow val_2$\\
+     $\delta \leftarrow \frac{\delta}{2}$\\
+     $b_r \leftarrow b_l + \delta$\\
+   }
+   \uIf{$!(v_l < 0$ and $v_r >= 0)$}{
+     $v_l \leftarrow v_r$ \\
+     $b_l \leftarrow b_r$ \\
+     $b_r \leftarrow b_l + 1$\\
+     $v_r \leftarrow 2.[ Is.$lut$_c$[$b_r$]$ + Ic.$lut$_s$[$b_r$]$ ] - amp.$lut$_A$[$b_r$]\\
+   }
+   \Else {
+     $b_r \leftarrow b_l + 1$\\
    }
 
-\end{algorithm}
+   \uIf{$ abs(v_l) < v_r$}{
+     $b_{\theta} \leftarrow b_l$ \\
+   }
+   \Else {
+     $b_{\theta} \leftarrow b_r$ \\
+   }
+   $\theta \leftarrow \pi\times \left[\frac{2.b_{ref}}{nb_s}-1\right]$\\
 
+\end{algorithm}
 
 \subsubsection{Comparison}
 
-\subsection{VHDL design paradigms}
+We compared the two algorithms on the base of three criteria:
+\begin{itemize}
+\item precision of results on a cosines profile, distorted by noise,
+\item number of operations,
+\item complexity of implementating an FPGA version.
+\end{itemize}
+
+For the first item, we produced a matlab version of each algorithm,
+running with double precision values. The profile was generated for
+about 34000 different values of period ($\in [3.1, 6.1]$, step = 0.1),
+phase ($\in [-3.1 , 3.1]$, step = 0.062) and slope ($\in [-2 , 2]$,
+step = 0.4). For LSQ, $nb_s = 1024$, which leads to a maximal error of
+$\frac{\pi}{1024}$ on phase computation. Current A. Meister and
+M. Favre's experiments show a ratio of 50 between the variation of a phase and
+the deflection of a lever. Thus, the maximal error due to
+discretization corresponds to an error of 0.15nm on the lever
+deflection, which is smaller than the best precision they achieved,
+i.e. 0.3nm.
+
+For each test, we add some noise to the profile: each group of two
+pixels has its intensity added to a random number picked in $[-N,N]$
+(NB: it should be noticed that picking a new value for each pixel does
+not distort enough the profile). The absolute error on the result is
+evaluated by comparing the difference between the reference and
+computed phase, out of $2\pi$, expressed in percentage. That is: $err =
+100\times \frac{|\theta_{ref} - \theta_{comp}|}{2\pi}$.
+
+Table  \ref{tab:algo_prec}  gives  the   maximum  and  average  error  for  both
+algorithms and increasing values of $N$.
+
+\begin{table}[ht]
+  \begin{center}
+    \begin{tabular}{|c|c|c|c|c|}
+      \hline
+  & \multicolumn{2}{c|}{SPL} & \multicolumn{2}{c|}{LSQ} \\ \cline{2-5}
+  noise & max. err. & aver. err. & max. err. & aver. err. \\ \hline
+  0 & 2.46 & 0.58 & 0.49 & 0.1 \\ \hline
+  2.5 & 2.75 & 0.62 & 1.16 & 0.22 \\ \hline
+  5 & 3.77 & 0.72 & 2.47 & 0.41 \\ \hline
+  7.5 & 4.72 & 0.86 & 3.33 & 0.62 \\ \hline
+  10 & 5.62 & 1.03 & 4.29 & 0.81 \\ \hline
+  15 & 7.96 & 1.38 & 6.35 & 1.21 \\ \hline
+  30 & 17.06 & 2.6 & 13.94 & 2.45 \\ \hline
+
+\end{tabular}
+\caption{Error (in \%) for cosines profiles, with noise.}
+\label{tab:algo_prec}
+\end{center}
+\end{table}
+
+These results show that the two algorithms are very close, with a
+slight advantage for LSQ. Furthermore, both behave very well against
+noise. Assuming the experimental ratio of 50 (see above), an error of
+1 percent on the phase corresponds to an error of 0.5nm on the lever
+deflection, which is very close to the best precision.
+
+Obviously, it is very hard to predict which level of noise will be
+present in real experiments and how it will distort the
+profiles. Nevertheless, we can see on figure \ref{fig:noise20} the
+profile with $N=10$ that leads to the biggest error. It is a bit
+distorted, with pikes and straight/rounded portions, and relatively
+close to experiments. Figure \ref{fig:noise60}
+shows a sample of worst profile for $N=30$. It is completely distorted,
+largely beyond the worst experimental ones. 
+
+\begin{figure}[ht]
+\begin{center}
+  \includegraphics[width=\columnwidth]{intens-noise20}
+\end{center}
+\caption{Sample of worst profile for N=10}
+\label{fig:noise20}
+\end{figure}
+
+\begin{figure}[ht]
+\begin{center}
+  \includegraphics[width=\columnwidth]{intens-noise60}
+\end{center}
+\caption{Sample of worst profile for N=30}
+\label{fig:noise60}
+\end{figure}
+
+The second criterion is relatively easy to estimate for LSQ and harder
+for SPL because of $atan$ operation. In both cases, it is proportional
+to the numbers of pixels $M$. For LSQ, it also depends on $nb_s$ and for
+SPL on $N = k\times M$, i.e. the number of interpolated points. 
+
+We assume that $M=20$, $nb_s=1024$, $k=4$, all possible parts are
+already in lookup tables and a limited set of operations (+, -, *, /,
+$<$, $>$) is taken into account. Translating both algorithms in C code, we
+obtain about 430 operations for LSQ and 1,550 (plus a few tenth for
+$atan$) for SPL. This result is largely in favor of LSQ. Nevertheless,
+considering the total number of operations is not really pertinent for
+an FPGA implementation: it mainly depends on the type of operations
+and their
+ordering. The final decision is thus driven by the third criterion.\\
+
+The Spartan 6 used in our architecture has a hard constraint: it has no built-in
+floating  point  units.   Obviously,  it   is  possible  to  use  some  existing
+"black-boxes"  for double  precision operations.   But  they have  quite a  long
+latency. It is much simpler to  exclusively use integers, with a quantization of
+all double  precision values. Obviously,  this quantization should  not decrease
+too much the  precision of results. Furthermore, it should not  lead to a design
+with  a huge  latency because  of operations  that could  not complete  during a
+single or  few clock  cycles. Divisions fall  into that category  and, moreover,
+they need a varying number of clock cycles to complete. Even multiplications can
+be a problem: a DSP48 takes inputs of 18 bits maximum.  For larger multiplications,
+several DSP must be combined, increasing the latency.
+
+Nevertheless, the hardest constraint does not come from the FPGA characteristics
+but from  the algorithms.  Their VHDL implementation  will be efficient  only if
+they can be fully (or near) pipelined.  Thus, the choice is quickly made: only a
+small  part  of  SPL  can  be  pipelined.  Indeed,  the  computation  of  spline
+coefficients implies to solve a tridiagonal  system $A.m = b$. Values in $A$ and
+$b$ can  be computed  from incoming pixels  intensity but after,  the back-solve
+starts with the latest values,  which breaks the pipeline.  Moreover, SPL relies
+on interpolating far  more points than profile size. Thus, the  end of SPL works
+on a larger amount of data than at the beginning, which also breaks the pipeline.
+
+LSQ has  not this problem: all parts  except the dichotomial search  work on the
+same  amount  of  data, i.e.  the  profile  size.  Furthermore, LSQ  needs  less
+operations than SPL, implying a  smaller output latency. Consequently, it is the
+best candidate for phase  computation. Nevertheless, obtaining a fully pipelined
+version supposes that  operations of different parts complete  in a single clock
+cycle. It is  the case for simulations but it completely  fails when mapping and
+routing the design  on the Spartan6. Thus,  extra-latency is generated and
+there must be idle times between two profiles entering into the pipeline.
+
+%%Before obtaining the least bitstream, the crucial question is: how to
+%%translate the C code the LSQ into VHDL ?
+
+
+%\subsection{VHDL design paradigms}
+
+\section{Experimental tests}
+
+%In this section we explain what  we have done yet. Until now, we could not perform
+%real experiments  since we just have  received the FGPA  board. Nevertheless, we
+%will include real experiments in the final version of this paper.
 
 \subsection{VHDL implementation}
 
-\section{Experimental results}
+From the LSQ algorithm, we have written a C program that uses only
+integer values. We use a very simple quantization by multiplying
+double precision values by a power of two, keeping the integer
+part. For example, all values stored in lut$_s$, lut$_c$, $\ldots$ are
+scaled by 1,024. Since LSQ also computes average, variance, ... to
+remove the slope, the result of implied Euclidean divisions may be
+relatively wrong. To avoid that, we also scale the pixel intensities
+by a power of two. Furthermore, assuming $nb_s$ is fixed, these
+divisions have a known denominator. Thus, they can be replaced by
+their multiplication/shift counterpart. Finally, all other
+multiplications or divisions by a power of two have been replaced by
+left or right bit shifts. Thus, the code only contains
+additions, subtractions and multiplications of signed integers, which
+are perfectly adapted to FGPAs.
+
+As  mentioned above, hardware  constraints have  a great  influence on  the VHDL
+implementation. Consequently, we searched the  maximum value of each variable as
+a function of the different scale  factors and the size of profiles, which gives
+their maximum size in bits. That  size determines the maximum scale factors that
+allow to  use the  least possible  RAMs and DSPs.  Actually, we  implemented our
+algorithm  with  this  maximum  size  but  current works  study  the  impact  of
+quantization on  the results precision  and design complexity. We  have compared
+the result of  the LSQ version using integers and doubles  and observed that the
+precision of both were similar.
+
+Then we built two versions of VHDL codes: one directly by hand coding
+and the other with Matlab using the Simulink HDL coder
+feature~\cite{HDLCoder}. Although the approach is completely different
+we obtained VHDL codes that are quite comparable. Each approach has
+advantages and drawbacks.  Roughly speaking, hand coding provides
+beautiful and much better structured code while Simulink enables us to
+produce a code faster.  In terms of throughput and latency,
+simulations show that the two approaches are close with a slight
+advantage for hand coding.  We hope that real experiments will confirm
+that.
+
+\subsection{Simulation}
+
+Before experimental tests on the board, we simulated our two VHDL
+codes with GHDL and GTKWave (two free tools with linux). For that, we
+built a testbench based on profiles taken from experimentations and
+compared the results to values given by the SPL algorithm. Both
+versions lead to correct results.
+
+Our first codes were highly optimized : the pipeline could compute a
+new phase each 33 cycles and its latency was equal to 95 cycles. Since
+the Spartan6 is clocked at 100MHz, it implies that estimating the
+deflection of 100 cantilevers would take about $(95 + 200\times 33).10
+= 66.95\mu$s, i.e. nearly 15,000 estimations by second.
+
+\subsection{Bitstream creation}
+
+In order to test our code on the SP Vision board, the design was
+extended with a component that keeps profiles in RAM, flushes them in
+the phase computation component and stores its output in another
+RAM. We also added a wishbone : a component that can "drive" signals
+to communicate between i.MX and other components. It is mainly used
+to start to flush profiles and to retrieve the computed phases in RAM.
+
+Unfortunately, the first  designs could not be placed and route  with ISE on the
+Spartan6 with  a 100MHz clock. The  main problems came from  routing values from
+RAMs to DSPs and obtaining a result  under 10ns. So, we needed to decompose some
+parts of  the pipeline, which  adds some cycles.  For example, some  delays have
+been introduced between  RAMs output and DSPs. Finally,  we obtained a bitstream
+that has a latency  of 112 cycles and computes a new  phase every 40 cycles. For
+100 cantilevers, it takes $(112 + 200\times 40).10 = 81.12\mu$s to compute their
+deflection.
+
+This bitstream has been successfully tested on the board.
+
+
+
 \label{sec:results}
 
 
 
 
 \section{Conclusion and perspectives}
-
+In this paper we have presented a new method to estimate the
+cantilevers deflection in an AFM.  This method is based on least
+square methods.  We have used quantization to produce an algorithm
+based exclusively on integer values, which is adapted to a FPGA
+implementation. We obtained a precision on results similar to the
+initial version based on splines.  Our solution has been implemented
+with a pipeline technique.  Consequently, it enables to handle a new
+profile image very quickly. Currently we have performed simulations
+and real tests on a Spartan6 FPGA.
+
+In future work,  we plan to study  the quantization. Then we want  to couple our
+algorithm with a high speed camera and we plan to control the whole AFM system.
 
 \bibliographystyle{plain}
 \bibliography{biblio}