Conception et intégration configurable d’architectures embarquées pour des applications de micro-pesage

Design and configurable integration of embedded architectures for micro-weighing applications

• Auteur / Autrice : Adrien Bourennane
• Direction : Camel Tanougast, Camille Diou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Systèmes électroniques
• Date : Soutenance le 11/01/2024
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Conception, Optimisation et Modélisation des Systèmes (Metz)
• Jury : Président / Présidente : Toufik Bakir
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Camel Tanougast, Camille Diou, Cédric Killian, Lionel Trojman, Harry Ramenah, Virginie Fresse
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cédric Killian, Lionel Trojman

Mots clés

Mots clés contrôlés

Temps réel (informatique)

Microbalances

Réseaux logiques programmables par l'utilisateur

Instruments de mesure

Systèmes embarqués (informatique)

Mots clés libres

Architecture électronique embarquée

Instrumentation temps-réel

FPGA

Mesure capacitive et fréquentielle

Microbalance à cristaux de quartz (QCM)

Microbalance à ressorts céramiques

Embedded electronic architecture

Real-Time instrumentation

FPGA

Capacitive and frequency measurement

Quartz Crystal Microbalance

Ceramic spring microbalance

Résumé

L'augmentation de la complexité des dispositifs de micro-pesage nécessite l'étude de nouveaux systèmes électroniques. La recherche d'instruments plus performants en termes de précision et de vitesse de mesure motive l'innovation technologique dans divers domaines. Les systèmes embarqués et reconfigurables en font irrémédiablement définitivement partie. Ils jouent un rôle essentiel dans l'interfaçage et dans la chaine d'acquisition des capteurs en permettant une meilleure exploitation des données et une plus grande aptitude au parallélisme. Dans cette thèse, on propose le développement et l'intégration de la mesure précise embarquée de masse à faible coût avec deux technologies différentes. Dans un premier temps, nous présentons un dispositif qui repose sur un capteur capacitif reflétant le déplacement micrométrique de ressorts en céramique dont nous avons élaboré le système d'acquisition embarqué. Dans un second temps, nous avons concentré nos recherches sur la mesure fréquentielle d'oscillateurs à base de QCM (Quartz Crystal Microbalance) avec un FPGA. Des modèles de simulations ont été élaborés permettant de trouver des règles génériques afin d'améliorer la mesure de fréquence. Dans le but d'aboutir à une solution à faible coût répondant au critère d'embarquabilité ; ces travaux ont abouti à la proposition d'une solution compacte, optimisée en termes de ressources et de composants permettant la mesure de plusieurs QCM en parallèle avec une précision inférieure à 1 Hz. Pour les deux dispositifs de mesure développés, nous exposons la composition matérielle et logicielle ainsi que les tests mis en œuvre avec l'analyse de leurs résultats expérimentaux.

The increasing complexity of micro-weighing devices calls for the study of new electronic systems. The search for more efficient instruments in terms of accuracy and measurement speed motivates technological innovation in various fields. Embedded and reconfigurable systems are inevitably an integral part of this. They play a vital role in interfacing and the sensor acquisition chain by allowing better data usage and a greater ability for parallelism. In this thesis, we propose the development and integration of precise, low-cost onboard mass measurement with two different technologies. Firstly, we introduce a device based on a capacitive sensor that reflects the micrometric displacement of ceramic springs for which we have developed the embedded acquisition system. Secondly, we focused our research on the frequency measurement of oscillators based on QCM (Quartz Crystal Microbalance) with an FPGA. Simulation models were created to establish generic rules to enhance frequency measurement. Aiming to conclude with a low-cost solution meeting embeddability criteria, these efforts have led to the proposition of a compact solution, optimized in terms of resources and components, enabling the measurement of several QCMs in parallel with precision less than 1 Hz. For the two measurement devices developed, we present the hardware and software composition, as well as the implemented tests, with an analysis of their experimental results.