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index eb96b5e2868f16e55dc71e3dd178d716f2155f96..0c00ee0fdbaa7dfde3bde6414f23d19261524caf 100644 (file)
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-
 \begin{document}
 
 \begin{document}
 
+\title{A new approach based on a least square method for real-time estimation of cantilever array deflections 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 \and 
+\{raphael.couturier,stephane.domas\}@univ-fcomte.fr} 
+\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}FEMTO-ST, Time-Frequency, University of Franche-Comte, Besançon, France \and 
+\{michel.lenczner@utbm.fr,gwenhael.goavec@trabucayre.com} }
+
+\begin{abstract}
+Atomic force microscopes (AFM) provide high resolution images of surfaces.
+In this paper, we focus our attention on an interferometry method for
+deflection estimation of cantilever arrays in quasi-static regime. In its
+original form, spline interpolation was used to determine interference
+fringe phase, and thus the deflections. Computations were performed on a PC.
+Here, we propose a new complete solution with a least square based algorithm
+and an optimized FPGA implementation. Simulations and real tests showed very
+good results and open perspective for real-time estimation and control of
+cantilever arrays in the dynamic regime.
+\end{abstract}
 
 %% \author{\IEEEauthorblockN{Authors Name/s per 1st Affiliation (Author)}
 %% \IEEEauthorblockA{line 1 (of Affiliation): dept. name of organization\\
 
 %% \author{\IEEEauthorblockN{Authors Name/s per 1st Affiliation (Author)}
 %% \IEEEauthorblockA{line 1 (of Affiliation): dept. name of organization\\
 %% line 4: Email: name@xyz.com}
 %% }
 
 %% line 4: Email: name@xyz.com}
 %% }
 
-
-
-\title{Using FPGAs for high speed and real time cantilever deflection estimation}
-\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}
-\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}FEMTO-ST, Time-Frequency, University of Franche-Comte, Besançon, France\\
-\{michel.lenczner@utbm.fr,gwenhael.goavec@trabucayre.com}
-}
-
-
-
-
-
-
-\maketitle
+%\maketitle
 
 \thispagestyle{empty}
 
 
 \thispagestyle{empty}
 
-\begin{abstract}
-
-  
+\begin{IEEEkeywords}
+FPGA, cantilever arrays, interferometry.
+\end{IEEEkeywords}
 
 
-{\it keywords}: FPGA, cantilever, interferometry.
-\end{abstract}
+\IEEEpeerreviewmaketitle
 
 \section{Introduction}
 
 
 \section{Introduction}
 
-Cantilevers  are  used  inside  atomic  force  microscope  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. 
-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 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
-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.
-%%RAPH : ce qui est génant c'est qu'ils ne parlent pas de spline dans ce papier...
-   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 remainder  of the paper  is organized as  follows. Section~\ref{sec:measure}
-describes  more precisely  the measurement  process. Our  solution based  on the
-least  square   method  and   the  implementation  on   FPGA  is   presented  in
-Section~\ref{sec:solus}.       Experimentations      are       described      in
-Section~\ref{sec:results}.  Finally  a  conclusion  and  some  perspectives  are
-presented.
-
-
-
-%% quelques ref commentées sur les calculs basés sur l'interférométrie
-
-\section{Measurement principles}
-\label{sec:measure}
-
-
-
-
+Cantilevers are used in atomic force microscopes (AFM) which provide high
+resolution surface images. Several techniques have been reported in
+literature for cantilever displacement measurement. In~\cite{CantiPiezzo01},
+authors have shown how a piezoresistor can be integrated into a cantilever
+for deflection measurement. Nevertheless this approach suffers from the
+complexity of the microfabrication process needed to implement the sensor.
+In~\cite{CantiCapacitive03}, authors have presented a cantilever mechanism
+based on capacitive sensing. These techniques require cantilever
+instrumentation resulting in\ complex fabrication processes.
+
+In this paper  our attention is focused on a method  based on interferometry for
+cantilever  displacement  measurement in  quasi-static  regime. Cantilevers  are
+illuminated  by an  optical  source.  Interferometry  produces fringes  enabling
+cantilever displacement computation. A high  speed camera is used to analyze the
+fringes. In view of real time  applications, images need to be processed quickly
+and then a  fast estimation method is required to  determine the displacement of
+each  cantilever. In~\cite{AFMCSEM11},  an algorithm  based on  spline  has been
+introduced  for  cantilever  position  estimation.  The  overall  process  gives
+accurate results  but computations  are performed on  a standard  computer using
+LabView      \textsuperscript{\textregistered}     \textsuperscript{\copyright}.
+Consequently, the main drawback of this implementation is that the computer is a
+bottleneck. In this  paper we pose the problem  of real-time cantilever position
+estimation and  bring a  hardware/software solution. It  includes a  fast method
+based on least squares and its FPGA implementation.
+
+The remainder of the paper is organized as follows. Section~\ref{sec:measure}
+describes the measurement process. Our solution based on the least square
+method and its implementation on a FPGA is presented in Section~\ref{sec:solus}. Numerical experimentations are described in Section~\ref{sec:results}. Finally a conclusion and some perspectives are drawn.
+
+\section{Architecture and goals}
 
 
+\label{sec:measure}
 
 
+In order to build simple, cost effective and user-friendly cantilever
+arrays, authors of ~\cite{AFMCSEM11} have developed a system based on
+interferometry.
 
 
+\subsection{Experimental setup}
 
 
-\subsection{Architecture}
 \label{sec:archi}
 \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
-interferometry. In opposition to other optical based systems, using a laser beam
-deflection scheme and  sentitive to the angular displacement  of the cantilever,
-interferometry  is sensitive  to  the  optical path  difference  induced by  the
-vertical displacement of the cantilever.
-%%RAPH : est ce qu'on pique une image? génant ou non?
-The system build  by authors of~\cite{AFMCSEM11} has been  developped based on a
-Linnick interferomter~\cite{Sinclair:05}.   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 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.
-
 
 
+In opposition to other optical based system\textbf{s u}sing a laser beam
+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 is based on a Linnick interferometer~\cite{Sinclair:05}.
+It is illustrated in Figure~\ref{fig:AFM} \footnote{by courtesy of
+  CSEM}. A laser diode is first split (by the splitter) into a
+reference beam and a sample beam both reaching the cantilever array.
+The complete system including a cantilever array\ and the optical
+system can be moved thanks to a translation and rotational hexapod
+stage with five degrees of freedom. 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. Then, cantilever motion in
+the transverse direction produces movements in the fringes. They are
+detected with the CMOS camera which images are analyzed by a Labview
+program to recover the cantilever deflections.
+
+\begin{figure}[tbp]
+\begin{center}
+\includegraphics[width=\columnwidth]{AFM}
+\end{center}
+\caption{AFM Setup}
+\label{fig:AFM}
+\end{figure}
 
 %% image tirée des expériences.
 
 
 %% image tirée des expériences.
 
-\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.\\
-
-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.
+\subsection{Inteferometric based cantilever deflection estimation}
 
 
-The pixels intensity $I$ (in gray level) of each profile is modelized by :
+\label{sec:deflest}
 
 
+\begin{figure}[tbp]
+\begin{center}
+\includegraphics[width=\columnwidth]{lever-xp}
+\end{center}
+\caption{Portion of a camera image showing moving interferometric fringes in
+cantilevers}
+\label{fig:img-xp}
+\end{figure}
+
+As shown in Figure \ref{fig:img-xp} \footnote{by courtesy of CSEM}, each
+cantilever is covered by several interferometric fringes. The fringes
+distort when cantilevers are deflected.  In \cite{AFMCSEM11}, a novel
+method for interferometric based cantilever deflection measurement was
+reported. For each cantilever, the method uses three segments of pixels,
+parallel to its section, to determine phase shifts.  The first is
+located just above the AFM tip (tip profile), it provides the phase
+shift modulo $2\pi $. The second one is close to the base junction
+(base profile) and is used to determine the exact multiple of $2\pi $
+through an operation called unwrapping where it is assumed that the
+deflection means along the two measurement segments are linearly
+dependent.  The third is on the base and provides a reference for
+noise suppression.  Finally, deflections are simply derived from phase
+shifts.
+
+The pixel gray-level intensity $I$ of each profile is modelized by%
 \begin{equation}
 \begin{equation}
-\label{equ:profile}
-I(x) = ax+b+A.cos(2\pi f.x + \theta)
-\end{equation}
-
-where $x$ is the position of a pixel in its associated segment.
+I(x)=A\text{ }\cos (2\pi fx+\theta )+ax+b  \label{equ:profile}
+\end{equation}%
+where $x$ denotes the position of a pixel in a segment, $A$, $f$ and $\theta 
+$ are the amplitude, the frequency and the phase of the light signal when
+the affine function $ax+b$ corresponds to the cantilever array surface tilt
+with respect to the light source. 
+
+The method consists in two main sequences.  In the first one
+corresponding to precomputation, the frequency $f$ of each profile is
+determined using a spline interpolation (see section \ref%
+{sec:algo-spline}) and the coefficient used for phase unwrapping is
+computed. The second one, that we call the \textit{acquisition loop,}
+is done after images have been taken at regular time steps. For each
+image, the phase $\theta $ of all profiles is computed to obtain,
+after unwrapping, the cantilever deflection. The phase determination
+in \cite{AFMCSEM11} is achieved by a spline based algorithm which is
+the most consuming part of the computation. In this article, we
+propose an alternate version based on the least square method which is
+faster and better suited for FPGA implementation.
+
+\subsection{Computation design goals}
 
 
-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
-computes the coefficient used for unwrapping the phase. The second one
-is the acquisition loop, while 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.
-
-\subsection{Design goals}
 \label{sec:goals}
 
 \label{sec:goals}
 
-If we put aside some hardware issues like the speed of the link
+To evaluate the solution performances, we choose a goal which consists
+in designing a computing unit able to estimate the deflections of
+a $10\times 10$%
+-cantilever array, faster than the camera image stream. In addition,
+the result accuracy must be close to 0.3nm, the maximum precision
+reached in \cite{AFMCSEM11}. Finally, the latency between the entrance
+of the first pixel of an image and the end of deflection computation
+must be as small as possible. All these requirement are
+stated in the perspective of implementing real-time active control for
+each cantilever, see~\cite{LencznerChap10,Hui11}.
+
+If we put aside other hardware issues like the speed of the link
 between the camera and the computation unit, the time to deserialize
 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
-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
-(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.
+pixels and to store them in memory, the phase computation is the
+bottleneck of the whole process. For example, the camera in the setup
+of \cite{AFMCSEM11} provides $%
+1024\times 1204$ pixels with an exposition time of 2.5ms. Thus, if we
+the pixel extraction time is neglected, each phase calculation of a
+100-cantilever array should take no more than 12.5$\mu$s. 
+
+In fact, this timing is a very hard constraint. To illustrate this point, we
+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. 
+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 is using 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. Solutions would be to use a real-time operating system or
+to search for a more efficient algorithm.
+
+However, the main drawback is the latency of such a solution because each
+profile must be treated one after another and the deflection of 100
+cantilevers takes about $200\times 10.5=2.1$ms. This would be inadequate
+for real-time requirements as for individual cantilever active 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.
+
+We remark that when possible, it is more efficient to pipeline the
+computation. For example, supposing that 200 profiles of 20 pixels
+could be pushed sequentially in a 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. Such a solution would be meeting our requirements and
+would be 50 times faster than our C code, and even more compared to
+the LabView version use in \cite{AFMCSEM11}. FPGAs are appropriate for
+such implementation, so they turn out to be the computation units of
+choice to reach our performance requirements. Nevertheless, passing
+from a C code to a pipelined version in VHDL is not obvious at all. It
+can even be impossible because of FPGA hardware constraints. All these
+points are discussed in the following sections.
+
+\section{An hardware/software solution}
 
 
-%% to be continued ...
-
-%% � faire : timing de l'algo spline en C avec atan et tout le bordel.
-
-
-
-
-\section{Proposed solution}
 \label{sec:solus}
 
 \label{sec:solus}
 
+In  this  section we  present  parts  of the  computing  solution  to the  above
+requirements. The  hardware part consists in  a high-speed camera,  linked on an
+embedded board hosting  two 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 profiles and computes the deflection.
+
+We first give some general information about FPGAs, then we
+describe the FPGA board we use for implementation and finally the two
+algorithms for phase computation are detailed. Presentation of VHDL
+implementations is postponned until Section \ref{Experimental tests}. 
+
+
+
+\subsection{Elements of FPGA architecture and programming}
+
+A field-programmable gate array (FPGA) is an integrated circuit designed to
+be 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 and
+other functions like trigonometric functions are not available and must be
+built by configuring a set of CLBs. Since this is not an obvious task at
+all, tools like ISE~\cite{ISE} have been built to do this operation. Such a
+software can synthetize a design written in a hardware description language
+(HDL), maps it onto CLBs, place/route them for a specific FPGA, and finally
+produces 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
+into 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 be executed
+concurrently. Signals may be combined with basic logic operations to
+produce new states that are assigned 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 pipelines 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. We observe that the
+components of a task are not reusable by another one. Nevertheless, this is
+the most efficient technique on FPGAs. Because of their architecture, it is
+also very easy to process several data concurrently. Finally, the best
+performance can be reached when several pipelines are operating on multiple
+data streams in parallel.
+
+\subsection{The FPGA board}
+
+The architecture we use is designed by the Armadeus Systems
+company. It consists in a development board called APF27 \textsuperscript{\textregistered}, hosting a
+i.MX27 ARM processor (from Freescale) and a Spartan3A (from
+XIlinx). This board includes all classical connectors as USB and
+Ethernet for instance. A Flash memory contains a Linux kernel that can
+be launched after booting the board via u-Boot. The processor is
+directly connected to the Spartan3A via its special interface called
+WEIM. The Spartan3A is itself connected to an extension board called
+SP Vision \textsuperscript{\textregistered}, that hosts a Spartan6 FPGA. Thus, it is
+possible to develop programs that communicate between i.MX and
+Spartan6, using Spartan3 as a tunnel. A clock signal at 100MHz (by
+default) is delivered to dedicated FPGA pins. The Spartan6 of our
+board is an LX100 version. It has 15,822 slices, each slice containing
+4 LUTs and 8 flip/flops. It is equivalent to 101,261 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 for any purpose as to be connected to the
+interface of a camera.
+
+\subsection{Two algorithms for phase computation}
+
+In \cite{AFMCSEM11}, $f$ the frequency and $\theta $\ the phase of the
+light wave are computed thanks to spline interpolation. As said in
+section \ref{sec:deflest}, $f$ is computed only once time but the
+phase needs to be computed for each image. This is why, in this paper,
+we focus on its computation.
+
+\subsubsection{Spline algorithm (SPL)}
 
 
-\subsection{FPGA constraints}
-
-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, ...
-
-
-\subsection{Considered algorithms}
-
-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
-known.
-
-\subsubsection{Spline algorithm}
 \label{sec:algo-spline}
 \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 $x
-\in [0,M[$. 
-
-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
-intensities. Splines are used to interpolate $N = k\times M$ points
-(typically $k=3$ is sufficient), within $[0,M[$. Let call $x^s$ 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.
-
-The phase is computed via the equation :
+
+We denote by $M$ the number of pixels in a segment used for phase
+computation. For the sake of simplicity of the notations, we consider
+the light intensity $I$ to be a mapping of the physical segment in the
+interval $[0,M[$. The pixels are assumed to be regularly spaced and
+centered at the positions $x^{p}\in\{0,1,\ldots,M-1\}.$ We use the simplest
+definition of a pixel, namely the value of $I$ at its center. The
+pixel intensities are considered as pre-normalized so that their
+minimum and maximum have been resized to $-1$ and $1$. 
+
+The first step consists in computing the cubic spline interpolation of
+the intensities. This allows for interpolating $I$ at a larger number
+$L=k\times M$ of points (typically $k=4$ is sufficient) $%
+x^{s}$ in the interval $[0,M[$. During the precomputation sequence,
+the second step is to determin the afine part $a.x+b$ of $I$. It is
+found with an ordinary least square method, taking account the $L$
+points. Values of $I$ in $x^s$ are used to compute its intersections
+with $a.x+b$. The period of $I$ (and thus its frequency) is deduced
+from the number of intersections and the distance between the first
+and last.
+
+During the acquisition loop, the second step is the phase computation, with
 \begin{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]
+\theta =atan\left[ \frac{\sum_{i=0}^{N-1}\text{sin}(2\pi fx_{i}^{s})\times
+I(x_{i}^{s})}{\sum_{i=0}^{N-1}\text{cos}(2\pi fx_{i}^{s})\times I(x_{i}^{s})}%
+\right] .
 \end{equation}
 
 \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 $\theta$.
-
-\subsubsection{Least square algorithm}
-
-Assuming that we compute the phase during the acquisition loop,
-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
-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
-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 :
-
-\[I^{corr}(x^p) = I(x^p) - a.x^p - b\]
-
-Since linear equation coefficients are searched, a classical least
-square method can be used to determine $a$ and $b$ :
+\textit{Remarks: }
 
 
-\[a = \frac{covar(x^p,I(x^p))}{var(x^p)} \]
-
-Assuming an overlined symbol means an average, then :
-
-\[b = \overline{I(x^p)} - a.\overline{{x^p}}\]
-
-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 :
-
-\[\sum_{i=0}^{M-1} \left[ cos(2\pi f.i + \theta) - \frac{I^{corr}(i)}{A} \right]^2\]
-
-It is equivalent to derivate this expression and to solve the following equation :
-
-\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{itemize}
 \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 $\theta$ :
-
-\[ \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i), \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i) \] 
+\item The frequency could also be obtained using the derivates of spline
+equations, which only implies to solve quadratic equations but certainly
+yields higher errors.
 
 
-\item Lookup tables for $sin(2\pi f.i)$ and $cos(2\pi f.i)$ can also be
-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 :
-
-\[ sin \theta, cos \theta, \left[ cos 2\theta \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i) + sin 2\theta \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)\right] \]
+\item Profile frequency are computed during the precomputation step,
+  thus the values sin$(2\pi fx_{i}^{s})$ and cos$(2\pi fx_{i}^{s})$
+  can be determined once for all.
+\end{itemize}
 
 
-\item This search can be very fast using a dichotomous process in $log_2(N)$ 
+\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 $\theta $, $f$ and $x$
+being already known. Since $I$ is non-linear, a least square method based on
+a Gauss-newton algorithm can be used to determine these four parameters.
+This kind of iterative process ends with a convergence criterion, so it is
+not suited to our design goals. Fortunately, it is quite simple to reduce
+the number of parameters to only $\theta $. Firstly, the afine part $ax+b$
+is estimated from the $M$ values $I(x^{p})$ to determine the rectified
+intensities,%
+\begin{equation*}
+I^{corr}(x^{p})\approx I(x^{p})-a.x^{p}-b.
+\end{equation*}%
+To find $a$ and $b$ we apply an ordinary least square method (as in SPL but on $M$ points)%
+\begin{equation*}
+a=\frac{covar(x^{p},I(x^{p}))}{\text{var}(x^{p})}\text{ and }b=\overline{%
+I(x^{p})}-a.\overline{{x^{p}}}
+\end{equation*}%
+where overlined symbols represent average. Then the amplitude $A$ is
+approximated by%
+\begin{equation*}
+A\approx \frac{\text{max}(I^{corr})-\text{min}(I^{corr})}{2}.
+\end{equation*}%
+Finally, the problem of approximating $\theta $ is reduced to minimizing%
+\begin{equation*}
+\min_{\theta \in \lbrack -\pi ,\pi ]}\sum_{i=0}^{M-1}\left[ \text{cos}(2\pi
+f.i+\theta )-\frac{I^{corr}(i)}{A}\right] ^{2}.
+\end{equation*}%
+An optimal value $\theta ^{\ast }$ of the minimization problem is a zero of
+the first derivative of the above argument,%\begin{eqnarray*}{l}
+\begin{equation*}
+2\left[ \text{cos}\theta ^{\ast }\sum_{i=0}^{M-1}I^{corr}(i).\text{sin}(2\pi
+f.i)\right.
+\end{equation*}%
+\begin{equation*}
+\left. +\text{sin}\theta ^{\ast }\sum_{i=0}^{M-1}I^{corr}(i).\text{cos}(2\pi
+f.i)\right] -
+\end{equation*}%
+\begin{equation*}
+A\left[ \text{cos}2\theta ^{\ast }\sum_{i=0}^{M-1}\sin (4\pi f.i)+\text{sin}%
+2\theta ^{\ast }\sum_{i=0}^{M-1}\cos (4\pi f.i)\right] =0
+\end{equation*}%
+%
+%\end{eqnarray*}
+
+Several points can be noticed:
 
 
+\begin{itemize}
+\item The terms $\sum_{i=0}^{M-1}$sin$(4\pi f.i)$ and$\sum_{i=0}^{M-1}$cos$%
+(4\pi f.i)$ are independent of $\theta $, they can be precomputed.
+
+\item Lookup tables (namely lut$_{sfi}$ and lut$_{cfi}$ in the following algorithms) can be
+  set with the $2.M$ values $\sin (2\pi f.i)$ and $\cos (2\pi f.i)$.
+
+\item A simple method to find a zero $\theta ^{\ast }$ of the optimality
+condition is to discretize the range $[-\pi ,\pi ]$ with a large number $%
+nb_{s}$ of nodes and to find which one is a minimizer in the absolute value
+sense. Hence, three other lookup tables (lut$_{s}$, lut$_{c}$ and lut$_{A}$) can be set with the $%
+3\times nb_{s}$ values $\sin \theta ,$ $\cos \theta ,$ 
+\begin{equation*}
+\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] .
+\end{equation*}
+
+\item The search algorithm can be very fast using a dichotomous process in $%
+log_{2}(nb_{s}).$
 \end{itemize}
 
 \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]
+The overall method is synthetized in an algorithm (called LSQ in the
+following) divided into the precomputing part and the acquisition loop:
+
+\begin{algorithm}[htbp]
 \caption{LSQ algorithm - before acquisition loop.}
 \label{alg:lsq-before}
 
    $M \leftarrow $ number of pixels of the profile\\
 \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\\
    $s4i \leftarrow \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i)$\\
    $c4i \leftarrow \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)$\\
    $f \leftarrow $ frequency of the profile\\
    $s4i \leftarrow \sum_{i=0}^{M-1} sin(4\pi f.i)$\\
    $c4i \leftarrow \sum_{i=0}^{M-1} cos(4\pi f.i)$\\
@@ -366,15 +489,15 @@ Finally, the whole summarizes in an algorithm (called LSQ in the following) in t
 
    \For{$i=0$ to $nb_s $}{
      $\theta  \leftarrow -\pi + 2\pi\times \frac{i}{nb_s}$\\
 
    \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}
 
    }
 \end{algorithm}
 
-\begin{algorithm}[h]
+\begin{algorithm}[htbp]
 \caption{LSQ algorithm - during acquisition loop.}
 \label{alg:lsq-during}
 
 \caption{LSQ algorithm - during acquisition loop.}
 \label{alg:lsq-during}
 
@@ -391,47 +514,298 @@ 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 $M-1$}{
    $slope \leftarrow \frac{xy_{covar}}{x_{var}}$\\
    $start \leftarrow y_{moy} - slope\times \bar{x}$\\
    \For{$i=0$ to $M-1$}{
-     $I[i] \leftarrow I[i] - start - slope\times i$\tcc*[f]{slope removal}\\
+     $I[i] \leftarrow I[i] - start - slope\times i$\\
    }
    }
-   
+
    $I_{max} \leftarrow max_i(I[i])$, $I_{min} \leftarrow min_i(I[i])$\\
    $amp \leftarrow \frac{I_{max}-I_{min}}{2}$\\
 
    $Is \leftarrow 0$, $Ic \leftarrow 0$\\
    \For{$i=0$ to $M-1$}{
    $I_{max} \leftarrow max_i(I[i])$, $I_{min} \leftarrow min_i(I[i])$\\
    $amp \leftarrow \frac{I_{max}-I_{min}}{2}$\\
 
    $Is \leftarrow 0$, $Ic \leftarrow 0$\\
    \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{$\delta >= 1$}{
+
+     $v_r \leftarrow 2.[ Is.$lut$_c$[$b_r$]$ + Ic.$lut$_s$[$b_r$]$ ] - amp.$lut$_A$[$b_r$]\\
 
 
-     \lIf{$val_1 < 0$ et $val_2 >= 0$}{
-       $\theta_s \leftarrow \theta - \left[ \frac{val_2}{val_2-val_1}\times \frac{\pi}{n_s} \right]$\\
+     \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 {
+     $b_r \leftarrow b_l + 1$\\
    }
 
    }
 
+   \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}
 
 \end{algorithm}
 
+\subsubsection{Algorithm comparison}
 
 
-\subsubsection{Comparison}
+We compared the two algorithms on the base of three criteria:
 
 
-\subsection{VHDL design paradigms}
+\begin{itemize}
+\item precision of results on a cosines profile, distorted by noise,
 
 
-\subsection{VHDL implementation}
+\item number of operations,
 
 
-\section{Experimental results}
-\label{sec:results}
+\item complexity of FPGA implementation
+\end{itemize}
 
 
+For the first item, we produced a matlab version of each algorithm,
+running in double precision. The profile was generated for about
+34,000 different quadruplets of periods ($\in \lbrack 3.1,6.1]$, step
+= 0.1), phases ($\in \lbrack -3.1,3.1]$, steps = 0.062) and slope
+($\in \lbrack -2,2]$, step = 0.4). Obviously, the discretization of
+$[-\pi ,\pi ]$ introduces an error in the phase estimation. It is at
+most equal to $\frac{\pi}{nb_s}$. From some experiments on a $17\times
+4$ array, authors of \cite{AFMCSEM11} noticed a average ratio of 50
+between phase variation in radians and lever end position in
+nanometers. Assuming such a ratio and $nb_s = 1024$, the maximum lever
+deflection error would be 0.15nm which is smaller than 0.3nm, the best
+precision achieved with the setup used in \cite{AFMCSEM11}. 
+
+Moreover, pixels have been paired and the paired intensities have been
+perturbed by addition of a random number uniformly picked in
+$[-N,N]$. Notice that we have observed that perturbing each pixel
+independently yields too weak profile distortion. We report
+percentages of errors between the reference and the computed phases
+out of $2\pi ,$%
+\begin{equation*}
+err=100\times \frac{|\theta _{ref}-\theta _{comp}|}{2\pi }.
+\end{equation*}%
+Table \ref{tab:algo_prec} gives the maximum and the average errors for both
+algorithms and for increasing values of $N$ the noise parameter.
+
+\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 (N)& 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}%
+\end{center}
+\caption{Error (in \%) for cosines profiles, with noise.}
+\label{tab:algo_prec}
+\end{table}
+
+The results show that the two algorithms yield close results, with a slight
+advantage for LSQ. Furthermore, both behave very well against noise.
+Assuming an average 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.
+
+It is very hard to predict which level of noise will be present in
+real experiments and how it will distort the profiles. Authors of
+\cite{AFMCSEM11} gave us the authorization to exploit some of their
+results on a $17\times 4$ array. It allowed us to compare experimental
+profiles to simulated ones. 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. In fact, it is
+very close to some of the worst experimental profiles. Figure
+\ref{fig:noise60} shows a sample of worst profile for $N=30$. It is
+completely distorted, largely beyond any experimental ones. Obviously,
+these comparisons are a bit subjectives and experimental profiles
+could also be completly distorted on other experiments. Nevertheless,
+they give an idea about the possible error.
+
+\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 the use of the arctangent function. In both cases, the number
+of operation is proportional to $M$ the numbers of pixels. For LSQ, it also
+depends on $nb_{s}$ and for SPL on $L=k\times M$ the number of interpolated
+points. We assume that $M=20$, $nb_{s}=1024$ and $k=4$, that all possible
+parts are already in lookup tables and that 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 fully relevant for FPGA
+implementation which time and space consumption depends not only on the type
+of operations but also of their ordering. The final evaluation is thus very
+much driven by the third criterion.
+
+The Spartan 6 used in our architecture has a hard constraint since it
+has no built-in floating point units. Obviously, it is possible to use
+some existing "black-boxes" for double precision operations. But they
+require a lot of clock cycles to complete. It is much simpler to
+exclusively use integers, with a quantization of all double precision
+values. It should be chosen in a manner that does not alterate result
+precision. 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 since a DSP48 takes inputs of 18 bits
+maximum. So, for larger multiplications, several DSP must be combined
+which increases the overall latency.
+
+In the present algorithms, the hardest constraint does not come from the
+FPGA characteristics but from the algorithms. Their VHDL implementation can
+be efficient only if they can be fully (or near) pipelined. We observe that
+only a small part of SPL can be pipelined, indeed, the computation of spline
+coefficients implies to solve a linear tridiagonal system which matrix and
+right-hand side are 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 since all parts, except the dichotomic search, work
+on the same amount of data, i.e. the profile size. Furthermore, LSQ requires
+less operations than SPL, implying a smaller output latency. In total, LSQ
+turns out to be the best candidate for phase computation on any architecture
+including FPGA.
+
+\section{VHDL implementation and experimental tests}
+
+\label{Experimental tests} 
 
 
+\subsection{VHDL implementation}
 
 
+From the LSQ algorithm, we have written a C program that uses only
+integer values. We used a very simple quantization which consists in
+multiplying each double precision value by a factor power of two and
+by keeping the integer part. For an accurate evaluation of the
+division in the computation of $a$ the slope coefficient, we also
+scaled the pixel intensities by another power of two. The main problem
+was to determin these factors. Most of the time, they are chosen to
+minimize the error induced by the quantization. But in our case, we
+also have some hardware constraints, for example the size and depth of
+RAMs or the input size of DSPs. Thus, having a maximum of values that
+fit in these sizes is a very important criterion to choose the scaling
+factors.
+
+Consequently, we have determined the maximum value of each variable as
+a function of the scale factors and the profile size involved in the
+algorithm. It gave us the the maximum number of bits necessary to code
+them. We have chosen the scale factors so that any variable (except
+the covariance) fits in 18 bits, which is the maximum input size of
+DSPs. In this way, all multiplications, except one, could be done with
+a single DSP, in a single clock cycle. Moreover, assuming that $nb_s =
+1024$, all LUTs could fit in the 18Kbits RAMs. Finally, we compared
+the double and integer versions of LSQ and found a nearly perfect
+agreement between their results.
+
+As mentionned above, some operations like divisions must be
+avoided. But when the denominator is fixed, a division can be replaced
+by its multiplication/shift counterpart. This is always the case in
+LSQ. For example, assuming that $M$ is fixed, $x_{var}$ is known and
+fixed. Thus, $\frac{xy_{covar}}{x_{var}}$ can be replaced by
+
+\[ (xy_{covar}\times \left \lfloor\frac{2^n}{x_{var}} \right \rfloor) \gg n\]
+
+where $n$ depends on the desired precision (in our case $n=24$).
+
+Obviously, multiplications and divisions by a power of two can be
+replaced by left or right bit shifts. Finally, the code only contains
+shifts, additions, subtractions and multiplications of signed integers, which
+are perfectly adapted to FGPAs.
+
+
+We built two versions of VHDL codes, namely one directly by hand
+coding and the other with Matlab using the Simulink HDL coder feature~\cite%
+{HDLCoder}. Although the approaches are completely different we obtained
+quite comparable VHDL codes. Each approach has advantages and drawbacks.
+Roughly speaking, hand coding provides beautiful and much better structured
+code while Simulind HDL coder produces allows for fast code production. In
+terms of throughput and latency, simulations show that the two approaches
+yield close results with a slight advantage for hand coding.
+
+\subsection{Simulation}
+
+Before experimental tests on the FPGA board, we simulated our two VHDL
+codes with GHDL and GTKWave (two free tools with linux). We built a
+testbench based on experimental profiles and compared the results to
+values given by the SPL algorithm. Both versions lead to correct
+results. Our first codes were highly optimized, indeed 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, 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 routed
+with ISE on the Spartan6 with a 100MHz clock. The main problems were
+encountered with series of arthmetic operations and more especially
+with RAM outputs used in DSPs. So, we needed to decompose some parts
+of the pipeline, which added few clock cycles. Finally, we obtained a
+bitstream that has been successfully tested on the board.
+
+Its latency is 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. It corresponds to about 12300 images
+per second, which is largely beyond the camera capacities and the
+possibility to extract a new profile from an image every 40
+cycles. Nevertheless, it also largely fits our design goals.
+
+\label{sec:results}
 
 \section{Conclusion and perspectives}
 
 
 \section{Conclusion and perspectives}
 
+In this paper we have presented a full hardware/software solution for
+real-time cantilever deflection computation from interferometry images.
+Phases are computed thanks to a new algorithm based on the least square
+method. It has been quantized and pipelined to be mapped into a FPGA, the
+architecture of our solution. Performances have been analyzed through
+simulations and real experiments on a Spartan6 FPGA. The results meet our
+initial requirements. In future work, the algorithm quantization will be
+better analyzed and an high speed camera will be introduced in the
+processing chain so that to process real images. Finally, we will address
+real-time filtering and control problems for AFM arrays in dynamic regime.
+
+\section{Acknowledgments}
+We would like to thank A. Meister and M. Favre, from CSEM, for sharing all the
+material we used to write this article and for the time they spent to
+explain us their approach.
 
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