Mise en place d’un démonstrateur grand public

de multiplexage en longueur d’onde

Asservissement de la phase d’un laser

DUT Génie électrique et informatique industrielle Tuteur en entreprise Tutrice pédagogique

M. Villemejane Michel Notarangelo Mme Guihard julien.villemejane@institutoptique.fr micheljr.notarangelo@gmail.com guihard@u-pec.fr

Semestre 4 - Stage Avril-Juin 2015 - Département GEII - IUT Créteil-Vitry

2

Remerciement

De nombreuses personnes m'ont aidé durant ces dix semaines, certaines plus que

d'autres mais je tiens à toutes les remercier pour leur soutien.

Je tiens à remercier M. AVIGNON ainsi que M. LEJEUNE pour leur disponibilité tout au

long du stage. Je tiens également à remercier Mme GUIHARD, ma tutrice pédagogique,

ainsi que l'IUT de Créteil-Vitry pour m'avoir formé pendant ces deux années de DUT. Je

remercie l'Institut d'Optique pour avoir mis à ma disposition tout le matériel

nécessaire à mes projets.

Enfin je tiens tout particulièrement à remercier M. VILLEMEJANE de la confiance

qu'il a su m'accordé et qui m'a permis de suivre ce stage dans de bonnes conditions, de

découvrir une prestigieuse école d'ingénieurs ainsi que ses enseignants et étudiants très

accueillants, de découvrir de nouveaux domaines : l'optique et la photonique, de

participer à la vie de l'école, mais surtout pour ses précieux conseils et astuces

d'électronicien et informaticien confirmé.

3

Abstract

My ten weeks training I spent at the Optical Intitute in Palaiseau were dedicated

to two separate projects. The first one was to come in help of a researcher team who

needed to accelerate their application which was the optimization of the phase of a laser.

My second project was the setting up of a wavelength-division multiplexing public

demonstrator. The main goal of that project was to build an application in order to be

able to demonstrate the use of light in high speed data transmissions. For both of those

projects, I had to program a Microchip PIC microcontroller - a commonly used

component in embedded systems - and make good use of my electronic skills. At the end

of my internship I could get to the design, implementation and test the printed circuit

that will be used in the final design of the model.

(145 words)

Résumé technique

Au cours de ce stage de dix semaines, effectué à l’Institut d’Optique de Palaiseau,

j’ai été amené à travailler sur deux projets différents. Le premier était en collaboration

avec un laboratoire de recherche de l’Institut. Il consistait à maximiser la puissance

optique d’un laser en modifiant la phase des faisceaux incidents via un asservissement

par microcontrôleur. Le second projet était la mise en place d’un démonstrateur « Grand

public » qui vise à faciliter la compréhension du rôle de la lumière dans la transmission

de données. Pour ces deux projets j’ai dû développer la partie électronique, programmer

un microcontrôleur Microchip PIC, utiliser des convertisseurs numérique/analogique

ainsi que mes connaissances en électronique. A la fin de ce stage, les objectifs des deux

projets ont en partie été atteints :

Pour la partie asservissement, la vitesse de la rétro-action a été améliorée par

rapport au système précédent d’un facteur 10 permettant ainsi une réponse du

système plus efficace. Il reste à compacter le système et lui ajouter une interface

plus intuitive.

Pour la partie démonstrateur, une première version fonctionnelle a permis de

prouver la faisabilité de la maquette et des premiers circuits ont été testés. Il faut

à présent réaliser le conditionnement de l’ensemble du système afin de le rendre

transportable.

4

Introduction

Dans le cadre de ma formation de DUT GEII, j'ai eu l'opportunité de suivre un

stage d'une durée de dix semaines à l'Institut d'Optique Graduate School (IOGS), une

école d'ingénieurs en photonique. Ce stage m'a permis de mettre en pratique

l'enseignement que j'ai reçu durant mes deux années de DUT GEII au profit de

l'enseignement de haut niveau proposé par cette école.

L’optique est omniprésente dans l’industrie. Elle s’étend rapidement, depuis les

industries dont elle constitue un cœur de métier (Essilor, Thales, Sagem, ONERA, CEA,

CNES…) vers de nouveaux secteurs où elle est une composante innovante au sein de

systèmes complexes. Elle pénètre ainsi de nombreux domaines nouveaux comme le

transport (fabricants automobiles : PSA ou équipementiers : Valeo), l’agroalimentaire

(sécurité alimentaire et traçabilité) ou la santé et les biotechnologies (imagerie

médicale, diagnostics, analyses). Les technologies de l'optique deviennent

omniprésentes dans des systèmes dont le caractère quotidien cache la complexité

(appareils photos dans la téléphonie mobile, traitement d’image en milieu industriel,

capteur optique en domotique, etc.). Son rôle est croissant dans l'environnement et les

éco-industries (analyse et traitement de l'eau, de l'air, des déchets). Son impact sur la

société devient de plus en plus important.

L'IOGS a pour but de former des ingénieurs et des docteurs dans le domaine de

l'optique depuis presque un siècle. Mais depuis sa création, où l'école avait pour mission

de développer des instruments d'optique, les technologies ont beaucoup progressé et

l'électronique et l'informatique sont dorénavant omniprésentes dans les systèmes

optiques : acquisition d'images et leur traitement par exemple. Aussi, il est important

pour une formation d'un si haut niveau, de connaître les outils disponibles dans ces

domaines, et plus particulièrement dans les systèmes embarqués.

Durant ce stage j'ai été amené développer deux projets :

l’asservissement de la phase d'un laser dans le but d'en maximiser sa puissance

optique, le tout piloté par un microcontrôleur ;

la mise en place d'un démonstrateur "Grand public" de modulation de longueur

d'onde, visant à illustrer des travaux pratiques de transmission de l’information

par la lumière et à montrer les concepts associés à travers une maquette du type

« Fête de la Science ».

Après une brève présentation de l’Institut d’Optique, je présenterai les deux projets

qui m'ont été confié, puis rentrerai plus profondément dans le détail des missions qui

m'ont été proposé pendant ces dix semaines.

5

Sommaire

Introduction ....................................................................................................................................................... 4

I. L'institut d'Optique ............................................................................................................................... 6

II. Projet d'asservissement de la phase d'un Laser ........................................................................ 9

A. Présentation ......................................................................................................................................... 9

1) Principe .............................................................................................................................................. 9

2) Caractéristiques du système « lasers » ............................................................................... 10

3) Application..................................................................................................................................... 11

4) Algorithme ..................................................................................................................................... 12

B. Résultats sous LabVIEW ............................................................................................................... 14

C. Utilisation d'un microcontrôleur............................................................................................... 15

1) Présentation des composants et protocoles de communication utilisés .............. 15

2) Mise en place de la partie électronique .............................................................................. 16

3) Programmation de l'algorithme sur le microcontrôleur ............................................. 18

D. Résultats avec le PIC16F1509 ................................................................................................ 20

E. Comparaison des résultats .......................................................................................................... 22

III. Mise en place d’un démonstrateur « grand public » de modulation en longueur

d’onde ................................................................................................................................................................ 23

A. Présentation ...................................................................................................................................... 23

1) Principe ........................................................................................................................................... 23

B. Module d’émission des données ................................................................................................ 25

1) Emission Analogique ................................................................................................................. 26

2) Emission numérique asynchrone, protocole RS232 ..................................................... 27

3) Emission numérique synchrone, protocole SPI .............................................................. 28

C. Module réception des données .................................................................................................. 29

1) Réception analogique ................................................................................................................ 29

2) Réception numérique Asynchrone, protocole RS232 ................................................... 30

3) Réception numérique synchrone, protocole SPI ............................................................ 32

Conclusion ....................................................................................................................................................... 33

Annexes ............................................................................................................................................................ 34

6

I. L'Institut d'Optique L’Institut d’Optique Graduate School (IOGS)

est une grande école d'ingénieurs dans le domaine

de la photonique, basée sur trois sites : Bordeaux,

Saint-Étienne ainsi que sur le plateau de Saclay à

Palaiseau. Elle fait partie d’un groupe d’écoles ayant

un rayonnement international qui repose à la fois

sur la qualité de la formation qui y est dispensée et

sur les contributions scientifiques majeures de son centre de recherche. Cet institut

forme des ingénieurs physiciens, des étudiants en master et des docteurs parmi les plus

innovants du monde de l’entreprise et du secteur académique dans le domaine de

l'optique et de la photonique. Sa centaine d’enseignants, enseignants-chercheurs,

ingénieurs et techniciens propose à ses 350 étudiants un large choix de cursus ainsi que

des liens privilégiés avec d'autres grandes écoles (HEC, ESPCI).

Figure 1: Programme de formation de l'IOGS

L’IOGS est un établissement d’enseignement supérieur et de recherche reconnu

d’utilité publique. Il est placé sous la tutelle du Ministère de l’Enseignement Supérieur et

de la Recherche. Il est géré par un Conseil d’Administration et dirigé par Jean-Louis

Martin depuis 2006. Afin de simplifier la gestion de l’établissement, celle-ci est

décomposée en 4 unités différentes (voir organigramme ci-après).

7

En plus de la filière classique, l'IOGS propose

une voie par l'apprentissage (CEA, Horiba, Essilor) et

une filière Innovation Entrepreneuriale (FIE), résidant

au bâtiment 503 d'Orsay et bénéficiant des conseils de

jeunes start-ups (DAMAE Medical, Iteox, StereoLab) et

d'un FabLab (prototypage rapide).

Figure 2: Organigramme de la structure de l'établissement

8

En outre, l'IOGS a développé depuis des décennies des liens avec l’industrie. Ces

liens sont généralement tissés au niveau des laboratoires par les collaborations

classiques telles que les travaux de thèse. Ils ont été renforcés par la présence d’une

Direction des Relations aux Entreprises et de la Valorisation disposant de forces

d’ingénierie propres capables de répondre aux sollicitations industrielles dans les délais

et les contraintes généralement imposées dans ce milieu.

L’IOGS de Palaiseau intègre également un laboratoire performant de grande

réputation, le Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d'Optique (LCFIO) qui couvre les

différents domaines de l’optique, du plus fondamental (optique quantique) au plus

appliqué (composants optiques spécifiques).

J’ai été amené au cours de mon stage à cotoyer et à travailler pour des chercheurs

du groupe Laser, qui développent de nouvelles sources basées sur le principe du laser.

Figure 3:Organigramme du Laboratoire Charles Fabry

9

II. Projet d'asservissement de la phase d'un Laser

A. Présentation

Lors de mon stage, j'ai été amené à travailler avec une équipe de chercheur au

sein du laboratoire de recherche Charles Fabry de l'institut. Cette équipe est constituée,

entre autres, du thésard Guillaume Schimmel et de l'enseignante-chercheuse Gaëlle

Lucas-Leclin. Ils ont développé une application ayant pour but de maximiser la

puissance optique d'un laser en modifiant sa phase.

1) Principe

Dans un premier temps, cinq faisceaux lasers

monochromatiques sont amplifiés par un semi-

conducteur (appelé dans le schéma ci-contre

barrette laser), nécessitant une alimentation

externe. Ils sont optiquement focalisés en un seul et

même faisceau dans le but d’obtenir un faisceau

combiné de forte puissance et de diamètre réduit,

pour des applications de découpe de matériaux par

exemple.

Il est en effet plus facile de réaliser des sources lasers peu intenses et de les

focaliser en un seul faisceau que de produire un seul laser très énergétique. Cependant,

pour pouvoir obtenir un signal puissant sans interférence entre chacune des sources, il

est indispensable de pouvoir contrôler la phase de chacun des faisceaux

indépendamment. C’est l’objectif du module développé par cette équipe (voir partie

optique présentée en figure 4).

Afin de pouvoir mesurer le flux lumineux de sortie celui-ci est dirigé vers une

photodiode qui renvoie un courant proportionnel à la puissance du faisceau. Ce courant

est converti en tension puis analysé à l’aide d’un programme et d’une carte d’acquisition

pilotée sous Labview. Ce programme permet ensuite de contrôler le courant injecté dans

les lasers afin d’en modifier la phase.

Lorsque tous les lasers sont en phase, leur puissance optique est alors optimisée.

Figure 4:Photo de la partie optique de l'application

10

2) Caractéristiques du système « lasers »

Le module permettant d’amplifier le signal laser entrant est décomposé en 5 blocs

identiques qui sont alimentés de deux façons indépendantes qui n’influent pas l’une avec

l’autre:

Une alimentation dite de "Puissance" générée par une alimentation externe de

l'ordre de plusieurs ampère. (max: 6A) – Arroyo Instruments modèle 4320

Une alimentation dite de "Phase" générée par une alimentation pouvant être

modulée de manière externe par une tension de 0-10V et un gain de 200mA/V -

Arroyo Instruments modèle 4220

Figure 5: Vue de dessus des cinq amplificateurs lasers utilisés dans l'application

La figure 5 présente le module développé par ce groupe de recherche. On peut

remarquer que les lasers en question sont de petite taille (échelle en haut à gauche de

l’image). Ils peuvent être alimentés jusqu'à 6A (pour la partie puissance), ce qui dégage

beaucoup de pertes thermique. Ce dégagement de chaleur entraine des modifications

rapides de la phase des faisceaux lasers, pouvant modifier le comportement global du

système. Ci-après le graphique des charges thermiques dissipées en fonction du courant

d’alimentation.

Figure 6: Charge thermique dissipée en fonction du courant

11

3) Application

Figure 7: Schéma de l'application

La figure 7 montre le système actuel d’asservissement de la phase des 5 faisceaux

lasers d’entrée. La puissance optique, captée par la photodiode, est traduite en tension

qui est ensuite envoyée et traitée par Labview. Ensuite, l’algorithme augmente ou

diminue le courant introduit dans l’alimentation dite de phase d’un des lasers afin d’en

modifier sa phase par rapport aux autres faisceaux, à tour de rôle. La déstabilisation de

la phase entraîne alors une augmentation ou une diminution de la puissance optique. La

figure 8 montre l’évolution de la puissance optique combinée en sortie du système en

fonction du courant injecté pour piloter sa phase.

Figure 8: Puissance optique combinée en fonction du courant de phase pour un faisceau laser

Sur le graphique précédent, on peut facilement constater que la puissance du

laser est directement liée à la phase d’un faisceau laser par rapport aux autres et donc au

courant modulant la phase. L'objectif de l'algorithme, développé par cette équipe, est de

pouvoir atteindre l’optimal de cette puissance et rester à cette valeur crête.

12

4) Algorithme

Figure 9 : Algorithme d’asservissement

13

Tout d’abord nous initialisons la phase des lasers à une certaine valeur, puis pour

chacun des lasers :

- nous effectuons une première mesure de la tension sur la photodiode, pour

obtenir le niveau de puissance optique en sortie du système

- nous venons perturber le signal en augmentant légèrement le courant injecté

dans l’alimentation des phases

- nous faisons une seconde mesure de la tension sur la photodiode.

La valeur de la seconde mesure est alors retranchée à la première. Si le résultat

est négatif, c’est-à-dire une perte de puissance en sortie, cela veut dire que nous

« descendons » sur le sinus (voir Figure 8: ). Il faut alors réduire le courant injecté dans

la phase afin de repartir dans l’autre sens et ainsi augmenter la puissance optique en

sortie. En revanche, si le résultat de la soustraction est positif, il faut continuer à

augmenter le courant.

Ce programme est alors réitéré en continu pour tous les faisceaux lasers.

14

B. Résultats sous LabVIEW

Grâce à l'algorithme décrit précédemment, nous pouvons à présent asservir la

phase afin de maximiser la puissance des lasers. La figure 10 représente le

fonctionnement de l'application avec les lasers alimentés à 3A sur la partie puissance

(travaux de G. Schimmel).

Figure 10: Temps de montée sous LabVIEW, lasers alimentés en 3A

Nous constatons que l'asservissement du laser prend entre 20 et 30 secondes

avant d'atteindre son maximum et de s'y stabiliser. La fréquence d'exécution de

l'algorithme sous LabVIEW est de moins de 10Hz.

Ci-après les résultats du fonctionnement de l'application à courant maximum sur

la partie puissance, 6A, où les fluctuations de phase sont très grandes à causes des

charges thermiques dissipées (travaux de G. Schimmel).

Figure 11: Asservissement sous LabVIEW, lasers alimentés en 6A

Nous remarquons que l'asservissement n'est pas assez rapide pour faire face au

bruit généré par la dissipation thermique. C'est pourquoi l'équipe de chercheur souhaite

accélérer l'exécution de leur algorithme. Mon projet est donc de trouver une solution

pour augmenter la vitesse d'exécution de l'algorithme afin de pouvoir contrebalancer les

fluctuations apportées par les charges thermique.

15

C. Utilisation d'un microcontrôleur

Le système que nous avons développé pour cette application est basé sur

l’utilisation d’un microcontrôleur de type PIC16F1509 (Microchip). Le schéma du

système est donné dans la figure suivante.

Figure 12: Schéma électrique du montage

1) Présentation des composants et protocoles de communication utilisés

L'intérêt de l'utilisation du microcontrôleur PIC16F1509 est qu’il peut-être dédié à l’exécution d’une tâche en particulier contrairement à un ordinateur sur lequel tourne LabVIEW (non temps-réel). Ce microcontrôleur possède un convertisseur analogique/numérique 10 bits intégré, qui permettra l’acquisition du signal provenant de la photodiode.

Afin de convertir les données envoyées par le microcontrôleur, nous utiliserons le convertisseur numérique/analogique 8bits DAC7303. Ce convertisseur renvoie une tension proportionnelle à l'octet de données qui lui est envoyée. Il permettra alors de moduler les alimentations de « phase » des lasers.

16

Ces deux composants communiqueront via le protocole de communication SPI

(Serial Peripheral Interface). La liaison SPI est un bus de données série synchrone en

mode full duplex. Il s'agit d'un protocole opérant sur une relation maitre-esclave. Ce

mode de communication a besoin de 4 signaux afin de communiquer (voir figure 13) :

L’horloge (CLK) : Permettant à l’esclave de se synchroniser par rapport à l’envoi

des données du maître.

Le Chip Select(CS) : Actif à l’état bas, celui sert à avertir l’esclave qu’il rentre en

communication avec le maitre du bus. Si le composant n’est pas sélectionné, il ne

peut donc pas dialoguer avec le maitre, ce qui permet à un maitre d’avoir

plusieurs esclaves.

Les fils de données (SDI/SDO) : C’est par ces fils que les données sont transférées

sur le bus, de l’esclave vers le maître et inversement.

Figure 13: Schéma liaison SPI

Dans notre cas, l’esclave n’enverra pas de données vers le maître, et nous

n’utiliserons donc que 3 fils.

2) Mise en place de la partie électronique

La photodiode renvoie un courant proportionnel à la puissance optique reçue. Ce

courant est converti en tension d'amplitude 0-12V par le module associé à la

photodiode. Or, le PIC16F1509 n'accepte pas de tension supérieure à 5V sur ces bornes.

En réponse à ce problème, nous mettons un diviseur de tension entre ces deux

composants.

Il faut alors avoir un rapport de 5

12= 0.41. Nous utiliserons les résistances de la

série E24, les valeurs de résistances les plus proches sont alors R1=24kΩ et R2=39kΩ,

nous avons donc:𝑉𝑆 =𝑅2

𝑅1+𝑅2𝑉𝑒 𝑎𝑣𝑒𝑐

𝑅2

𝑅1+𝑅2= 0.38.

Figure 14: Schéma du diviseur de tension utilisé

17

La tension Vs est alors connectée à une des entrées du convertisseur

numérique/analogique (CAN) du PIC16F1509, où l'algorithme sera ensuite exécuté. En

sortie du microcontrôleur nous plaçons alors 6 convertisseurs numérique/analogique

(CNA) : 5 sont consacrés aux phases des faisceaux lasers et 1 sera la référence des

convertisseurs, afin de limiter le courant maximal fourni par les alimentations et ainsi

augmenter la dynamique de sortie des autre CNA.

La tension des CNA s'exprime: 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 2 × 𝑉𝑅𝑒𝑓 × (𝑁

256), nous pouvons donc

déterminer la valeur maximale de Vout en fixant Vref. Nous prendrons Vref=1V, donc

Vout_max=2V. La plage de sortie des CNA est donc de 0-2V par pas de

2V*(1/256*Vref)=7.8mV. Un pas du CNA correspond alors à la variation minimale de

tension que l’on peut appliquer sur la modulation des alimentaions dites de « phase »

des faisceaux lasers, ce qui correspond à un pas en courant de 1,6mA sur ces

alimentations.

De cette manière, nous pouvons facilement changer l’échelle maximale des 5 CNA en

ne modifiant uniquement que leur référence.

Référence des CNA : 1V

Tension maximale de sorties des CNA : 2V

Valeur des pas du CNA : 7,8mV correspondant à 1,6mA

Figure 15:Organigramme de fonctionnement

18

3) Programmation de l'algorithme sur le microcontrôleur

Afin de programmer le microcontrôleur, nous utiliserons l’environnement de

développement MPLAB X. Nous utiliserons le langage de programmation C et le

compilateur XC8.

De manière à communiquer avec le microcontrôleur, il faut relier celui-ci à un ordinateur. L’ordinateur est connecté à un système de débogage (ICD3) qui est lui-même raccordé au PIC16F1509. Ce module sert à implémenter le programme préalablement programmer en langage C et compiler sur MPLAB X.

Figure 16: Schéma entrées/sorties du microcontrôleur

L’algorithme du programme est donné dans la figure 17, les programmes en

langage C sont donnés en annexe.

Nous commençons par initialiser les entrées et les sorties du microcontrôleur

(protocole SPI, entrée analogique, sorties numériques) puis nous configurons le premier

CNA qui servira de référence aux autres convertisseurs. Les 5 autres CNA sont ensuite

successivement sélectionnées grâce à un signal de sélection spécifique pour chacun, noté

CS. L’algorithme de calcul reste le même que celui évoqué précédemment sous LabVIEW

mais adapté au fonctionnement de ce microcontroleur.

19

Figure 17: Organigramme du programme sur microcontrôleur

20

D. Résultats avec le PIC16F1509

Lors des essais de notre système nous avons fait varier plusieurs paramètres :

le pas du CNA : en augmentant ou diminuant le pas, nous pouvons faire varier la

vitesse de montée de la puissance des lasers. (i.e. la déviation en courant de la

phase des lasers)

la vitesse d’exécution du programme : notre programme peut aller à une vitesse

maximale de 1.4kHz, que nous pouvons facilement ralentir en rajoutant les lignes

de code adaptées (délais).

Sur les figures suivantes, le front montant de couleur rouge (CH2) est le signal de

démarrage de l’algorithme (synchronisation). Des premiers essais à vitesse élevée

(1.4kHz) n’ont pas été concluants. La cause possible viendrait d’une bande passante

limitée par les photodiodes utilisées.

En effet, la photodiode étant un semi-conducteur, il existe un condensateur parasite

à ses bornes. Le courant qui en sort transite par une résistance afin de créer une tension

proportionnelle au courant (loi d’Ohms). Cela a pour effet de créer un circuit RC passe-

bas avec comme fréquence de coupure une valeur basse (<1kHz). Nous avons donc

nous-même brider la fréquence de l’application afin de conclure à des essais.

La figure 18 montre l’établissement du signal de sortie du système, relevé à l’aide

de la photodiode et d’un oscilloscope LeCroy WaveAce 1001, en fonction du temps.

L’essai a été réalisé avec un courant de puissance égale à 3A. Le pas utilisé était de

1,6mA, et la fréquence d’exécution de 50Hz.

Figure 18 : Temps de montée avec microcontrôleur, alimenté en 3A, par pas de 1,6 mV

21

Sur la figure 19, l’essai a été réalisé avec un courant de puissance égale à 4A. Le

pas utilisé était de 1,6mA, et la fréquence d’exécution de 50Hz.

Figure 19 : Figure Temps de montée avec microcontrôleur, alimenté en 3A, par pas de 3,2 mV

Sur la figure 20, l’essai a été réalisé avec un courant de puissance égale à 4A. Le

pas utilisé était de 3,2mA, et la fréquence d’exécution de 50Hz.

Figure 20:Figure Temps de montée avec microcontrôleur, alimenté en 4A, par pas de 3,2 mV

Ici, la tension de la photodiode maximale est inférieure aux autres essais car une

lentille avait été placée devant la photodiode de manière à réduire le flux lumineux pour

ne pas endommager le matériel.

Malheureusement, dû à un problème optique (mauvais alignement du système),

les lasers ne pouvaient pas être alimentés au-delà de 5A, aucun test n’a donc pu être

effectué à 5A et 6A.

22

E. Comparaison des résultats

Méthode d’asservissement

Pas (mv) Fréquence (Hz)

Courant de « puissance » (A)

Fluctuation à V crête (%)

Temps de montée (s)

Labview 0,5 10 3 1 25

Microcontrôleur 1,6 50 3 1 0,600

Microcontrôleur 3,2 50 3 1 0,300

Microcontrôleur 3,2 50 4 2 0,400

Nous remarquons que le temps de montée à l’aide de notre système est 40 à 80

fois plus rapide que les essais effectués sous LabVIEW. De plus la fréquence d’exécution

de l’algorithme s’avère être aussi 5 fois plus élevée. Cette différence de fréquence est dû

au faite que LabVIEW est un logiciel qui s’exécute sur un ordinateur, or le processeur de

l’ordinateur n’alloue pas l’intégralité de ses ressources de calcul à cette application, qui

ne s’exécute qu’au second plan. De son côté, le PIC16F1509 exécute en continu

l’algorithme, ce qui augmente la vitesse de l’asservissement.

Malgré l’impossibilité de tester notre circuit à pleine puissance, l’équipe de

chercheur fut très surprise et contente des résultats obtenus : d’une part, par la vitesse

d’exécution du programme qui se remettait à jour en temps réel (lors du changement

des alimentations) ; d’autre part, par le cout de l’application par microcontrôleur, celle-ci

ne dépassant pas les quelques dizaines d’euro, au lieu des quelques milliers d’euro pour

la version LabVIEW.

23

III. Mise en place d’un démonstrateur « grand public » de

modulation en longueur d’onde

A. Présentation

Durant ces dix semaines, j’ai été chargé d’un second projet. Celui-ci consistait à

réaliser un démonstrateur grand public de modulation en longueur d’onde, comprenez

une maquette pédagogique qui permet de montrer simplement des transmissions de

données via la lumière et en particulier celles véhiculant par fibres optiques comme les

télécommunications actuelles (voir figure suivante).

Figure 21: Principe de la transmission par fibre optique avec modulation en longueur d'ondes

Ce projet était d’abord un projet des étudiants de première et deuxième année de

l’IOGS dans le cadre de leur cursus scolaire, limité à l’utilisation de trois longueurs

d’onde différentes. À terme, ce démonstrateur aura pour but d’être amené dans divers

salons, écoles et expositions afin d’avoir un support ludique dans l’explication du rôle de

la lumière dans les transmissions de données actuelles. Elle se veut donc facilement

transportable ayant pour idéal de tenir dans une mallette.

Les sources de données seront ici trois systèmes de diffusion audio qui seront

transmis à travers une fibre optique à l’aide de trois canaux de couleur différente

multiplexés.

1) Principe

Le banc optique (sources à LED et lasers, système de multiplexage optique, fibre

optique…) était déjà présent et fonctionnel. Afin de faciliter la mise en place de la partie

électronique, qui était mon objectif dans ce projet, nous avons fait le choix de passer

directement des lasers aux photodiodes de réception des données. Néanmoins, le

principe de transmission reste le même qu’avec l’utilisation de la fibre optique, à

l’atténuation près de la fibre (2m de longueur).

Figure 22: Organigramme de fonctionnement maquette WDM

24

Deux modules seront créés autour du banc optique (voir figure précédente) :

- un module d’émission, qui devra pouvoir moduler le flux lumineux des lasers

grâce aux données d’entrée reçues via des jacks audios ;

- un module de réception qui recevra les données captées par les photodiodes

et devra renvoyer les données adéquates vers les haut-parleurs.

Notre application utilisera trois types de transmission de données :

- analogique, par modulation d’amplitude

- numérique synchrone, basé sur le protocole SPI

- numérique asynchrone, basé sur le protocole RS232

En numérique, deux possibilités de transmission de données sont possibles : la

transmission synchrone et la transmission asynchrone. La transmission synchrone doit

pouvoir transporter le signal de données, l’horloge ainsi que le signal de début de

transmission, donc au minimum 3 fils. La transmission asynchrone ne transporte

uniquement les données, et, par conséquent, n’utilise qu’un seul fil.

Sur la maquette comportant trois canaux différents de communication (via les

trois couleurs prévues), il sera alors possible de transmettre une seule donnée à la fois

dans le mode synchrone contre trois pour le mode asynchrone.

Le débit nécessaire à l’envoi des données sera limité par la vitesse du

PIC16F1509 dont voici les caractéristiques :

Fréquence d’oscillation : 16MHz

Fréquence d’échantillonnage : 17kHz

Vitesse de transmission en asynchrone : 250kbits/s

Vitesse de transmission en synchrone : 1Mbits/s

Les sources lasers utilisées (marque Coherent) sont alimentées et modulées en 0-

5V et possèdent trois longueurs d’ondes différentes, à savoir : 525(vert), 650(rouge),

590(orange). La modulation peut atteindre une fréquence de 1MHz.

25

B. Module d’émission des données

Ce module est composé de trois cartes identiques, chacune contrôlant une des

trois sources laser. Chacune de ces cartes accueillent les composants nécessaires aux

trois types de transmissions décrites précédemment ainsi qu’une entrée Jack pour le

signal d’entrée. En fonction du type de transmission sélectionnée, le système de mise en

forme et de modulation ne sera pas le même (voir figure 23). Les chemins de données

seront sélectionnés par des multiplexeurs analogiques.

Figure 23: Diagramme de fonctionnement

26

1) Emission Analogique

La transmission analogique se trouve être purement de l’électronique analogique

(voir schéma en figure 24), celle-ci consiste à amplifier le signal d’entrée afin d’avoir une

tension comprise entre 0 et 5V. Le signal d’entrée provenant de la prise jack est compris

entre -250mV et 250mV, or les lasers n’acceptent pas de tension négative. Pour palier à

cela, nous devons utiliser le montage approprié, en ajoutant un offset positif sur la

tension de modulation.

Figure 24: Schéma carte émission analogique

Pour ce faire on place un montage amplificateur non inverseur en entrée avec

l’amplification 𝐴 = 1 +𝑅2

𝑅1 = 2. Puis, nous ajoutons un offset via un diviseur de

tension 𝑅3

𝑅2+𝑅3𝑉𝑐𝑐 = 0,87𝑉. Le condensateur C1 sert à supprimer la composante

continue pouvant provenir de l’étage d’amplification.

La figure 25 (capture d’écran d’oscilloscope) a été réalisée avec un signal d’entrée

sinusoïdal, généré avec un générateur Agilent 33220A, réglé à une fréquence de 1kHz,

d’amplitude crête à crête de 2V et de valeur moyenne nulle. En bleu (CH1) le signal

d’entrée et en rouge (CH2) le signal qui va être envoyé dans le laser.

Figure 25: Mise en forme du signal avant d'être envoyé vers le signal

27

2) Emission numérique asynchrone, protocole RS232

Le protocole RS232 est un protocole asynchrone, cela veut dire que les

transmissions de données n’utilisent pas de signal d’horloge afin de synchroniser

l’émission et la réception des données. Ce type de transmission se révèle être très utile

lorsque l’on traite un grand nombre de données, mais on fait face à des pertes

éventuelles de données. Dans notre cas, cela ne se trouve pas être un danger.

La vitesse d’échantillonnage étant limité à environ 17kHz, il faut filtrer le signal

d’entrée à environ 8kHz (critère de Shannon). L’acuité auditive de l’homme étant de

20Hz à 20kHz, cela n’entravera pas énormément l’expérience auditive.

Pour effectuer ce passe-bas, nous utiliserons le composant MF4AF qui est un filtre

du 4eme ordre de type Butterworth à capacité commutée. Sa fréquence de coupure est

déterminée par un signal externe qui lui est envoyé, celui-ci sera généré par le

microcontrôleur et devra être cinquante fois plus élevée que la fréquence de coupure

souhaitée.

Une fois filtré, nous supprimons la composante continue du signal puis nous

ajoutons un offset de 2,5V afin d’obtenir un signal compris entre 0 et 5V sur l’une des

entrées du CAN du PIC16F1509. Une fois le microcontrôleur configuré en liaison RS232,

il effectue une conversion du signal d’entrée à fréquence régulière. Les 8 bits de poids

fort de la conversion sont envoyés vers le module d’émission (voir annexes pour le code

du microcontrôleur).

Figure 26: Schéma carte émission numérique asynchrone RS232

Le module USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) du

microcontrôleur est configuré pour obtenir un débit maximal de :

𝐷𝑎𝑠𝑦𝑛𝑐 = 𝐹𝑜𝑠𝑐

64⁄ = 250𝑘𝑏𝑖𝑡𝑠/𝑠

Le temps d’envoi d’un octet est alors de 𝑡 =8

250 000= 32µ𝑠.

28

3) Emission numérique synchrone, protocole SPI

Pour plus d’information sur le protocole SPI, voir page 15.

Figure 27: Schéma carte émission numérique synchrone SPI

Le fonctionnement est le même que l’envoi avec le protocole RS232, mais ici les 3

lasers envoient 3 informations différentes, à savoir : l’horloge, le Slave Select (SS) ainsi

que la donnée envoyée par paquet de 8 bits en série (voir annexe pour le code du

microcontrôleur).

Le module MSSP (Master Synchronous Serial Port) du microcontrôleur est

configuré en mode SPI avec une horloge de transmission de FOSC/16 et une fréquence

d’oscillation de 16MHz, on obtient alors un débit maximal de :

𝐷𝑠𝑦𝑛𝑐 =𝐹𝑂𝑆𝐶

16⁄ = 1𝑀𝑏𝑖𝑡𝑠/𝑠

Le temps d’envoi d’un octet est alors de : 𝑡 =8

106 = 8µ𝑠.

29

C. Module réception des données

Ce module est également composé de trois cartes identiques. Chacune de ces

cartes accueille les composants nécessaires aux trois types de transmissions ainsi

qu’une photodiode. La photodiode utilisée est la SFH206, sa fonction de transfert est de

80nA/lx. L’éclairement lumineux reçu par la photodiode sera d’environ 380 lx. Le

courant de sortie sera donc d’environ 30µA au maximum.

1) Réception analogique

Le schéma de la figure 28 montre le module de réception analogique utilisé.

Le courant sortant de la photodiode passe dans une résistance de 10kΩ. La

tension aux bornes du montage amplificateur suiveur est donc de 300mV au maximum.

Le condensateur C1 sert à supprimer la composante continue. On amplifie ensuite le

signal grâce montage amplificateur inverseur suivant avec une amplification :

𝐴 = −𝑅2

𝑅1= 10.

Figure 28: Schéma carte de réception analogique

La tension de sortie envoyée vers les haut-parleurs sera donc de 3V maximum.

L’oreille humaine n’étant pas sensible à la phase du signal, nous aurons donc le même

signal en sortie du montage qu’en entrée du module émetteur.

Suite à nos essais, nous obtenons via cette transmission analogique un signal

relativement propre en sortie. Le bruit généré par le montage est quasiment inexistant.

30

2) Réception numérique Asynchrone, protocole RS232

Le schéma du montage utilisé est présenté en figure 30.

La photodiode peut recevoir deux types de données lors de cette transmission :

- 0 logique (0L) : pas de lumière, 0A ;

- 1 logique (1L) : présence de lumière, 30µA.

Le courant passe alors par une résistance de 100kΩ, la tension au borne de 𝑉−est

alors de 3V (Voir Figure 29: Illustration de l'utilisation du comparateur). Cette tension

est alors comparée à l’aide d’un comparateur de type LM311 à une valeur de 2,5V créé

grâce à un diviseur de tension. Deux cas sont alors possible en sortie du comparateur :

- 𝑉− < 𝑉+ 𝑎𝑙𝑜𝑟𝑠 𝑉𝑆 = 𝑉𝐶𝐶 = 5𝑉, 1𝐿

- 𝑉− > 𝑉+ 𝑎𝑙𝑜𝑟𝑠 𝑉𝑆 = 𝐺𝑁𝐷 = 5𝑉, 0𝐿

De cette manière, nous pouvons facilement distinguer le 1L du 0L, comme on

peut le voir sur la figure suivante qui montre une transmission numérique :

Figure 29: Illustration de l'utilisation du comparateur

En bleu (CH1), le signal reçu par la photodiode qui a été amplifié. On peut d’ores

et déjà y distinguer les états logiques. En rouge (CH2), le signal sortant du comparateur,

on y distingue clairement les deux différents états.

Figure 30: Schéma carte de réception asynchrone RS232

31

La figure 31 montre le signal émis par le PIC16F1509 depuis le module

d’émission (signal bleu – CH1) et le signal reçu et traité par le module de réception

(signal rouge – CH2). On peut facilement y voir un octet émis et reçu. Le décalage entre

l’émission et la réception est dû au temps de modulation interne du laser, ce temps peut

être grandement réduit avec de meilleurs composants.

Figure 31: Emission/réception des données par la lumière

Le PIC16F1509 de réception reçoit alors la trame envoyée par le microcontrôleur

d’émission. Ces bits sont ensuite envoyés sur le CNA de type DAC7303. Nous utiliserons

la référence interne du convertisseur qui est de 2,5V. Sa tension de sortie

s’exprime : 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 2 × 𝑉𝑅𝑒𝑓 × (𝑁

256), où N est la valeur à convertir.

Suite à nos essais, nous obtenons via ce montage, un son en sortie à l’image de

celui envoyé en entrée. Néanmoins, un bruit très important est généré par le montage.

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3) Réception numérique synchrone, protocole SPI

La conversion du flux lumineux reçu par chaque laser est réalisée par le même

étage d’amplification/comparaison que pour le mode asynchrone. Les signaux CLK, CS et

SDO sont alors reçus par le PIC16F1509 de réception. Ces bits sont alors envoyés sur un

CNA de type DAC7303. La figure 32 montre le montage utilisé.

Figure 32: Carte réception carte synchrone SPI

Suite à nos essais, nous obtenons via ce montage, les mêmes résultats que pour la

transmission asynchrone au niveau des données. Le grand changement vient alors de la

vitesse de transmission qui est ici plus élevée.

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Conclusion

Durant ces dix semaines de stage, j’ai pu mettre en avant et développer mes

compétences en électronique et informatique, notamment au sujet des

microcontrôleurs, apprises durant mes deux années de formation à l’IUT. Les deux

projets auxquels j’ai pu participé m’ont permis, d’une part d’en apprendre plus sur la

recherche en laboratoire, et d’autre part d’en apprendre plus sur le rôle que joue

l’optique dans la transmission de données à haut débit.

Sur le premier projet sur lequel j’ai eu à travailler, j’ai pu montrer l’intérêt du

passage à un système totalement embarqué sur l’asservissement en temps réel d’un

module laser développé dans le cadre d’un projet de recherche. En effet l’utilisation de

logiciels tels que LabVIEW ou Matlab, très couramment utilisés par les chercheurs pour

leur facilité de mise en œuvre, ne se révèle pas adaptée à ce type de contrôle « rapide »

d’un système. A travers ce projet, j’ai pu en savoir plus sur le monde de la recherche,

développer mes compétences en programmation et ma connaissance en optique.

Pour la mise en place du démonstrateur « Grand public » de multiplexage en

longueur d’onde, j’ai été amené à reprendre un projet déjà existant mais non abouti. J’ai

dû programmer des composants en langage C, ainsi qu’approfondir mes connaissances

dans différents protocoles de transmissions. J’ai pu arriver à la conception, la réalisation

et le test des circuits imprimés qui serviront dans le modèle définitif de la maquette.

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Annexes