Spectromètre RQN à base d’un SoC-FPGA : Conception numérique, vérification fonctionnelle et validation expérimentale

SoC FPGA based NQR spectrometer

• Auteur / Autrice : Noreddine Kachkachi
• Direction : Hassan Rabah, Axel Gansmüller
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Systèmes électroniques
• Date : Soutenance le 08/07/2024
• 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 : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Bertrand Granado
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hassan Rabah, Axel Gansmüller, Virginie Fresse, Christian Bonhomme, Camel Tanougast
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Virginie Fresse, Christian Bonhomme

Mots clés

Mots clés contrôlés

Instruments de mesure

Réseaux logiques programmables par l'utilisateur

Systèmes sur puce

Spectroscopie de la résonance quadrupolaire nucléaire

Design

Spectromètres

Mots clés libres

Soc FPGA

Spectromètre RQN

Instrumentation RQN

Soc FPGA

NQR Spectrometer

NQR instrumentation

Résumé

La Résonance quadrupolaire Nucléaire (RQN) est une technique de spectroscopie radio fréquence très utile pour l'identification non invasive et l'analyse de produits chimiques. Cependant cette technique souffre de plusieurs problèmes, notamment de la faible sensibilité et pose beaucoup de défis quand à la conception de l'instrumentation RQN. Afin de relever ces défis techniques et d'améliorer davantage les performances, nous proposons de développer ici, une nouvelle approche qui consiste en la numérisation et l'optimisation de l'architecture électronique en vue d'améliorer la sensibilité. Ainsi, j'ai réalisé dans le cadre de cette thèse, la conception, la vérification fonctionnelle ainsi que la validation expérimentale d'un spectromètre RQN à base d'un SoC-FPGA où l'essentiel de la fonctionnalité matérielle et logicielle est intégré sur une seule puce. Les modules que j'ai conçus et intégrés sur le SoC-FPGA sont: un générateur d'impulsions haute résolution, un module d'acquisition entièrement numérique avec un traitement de signal temps réel et FID stocké sur mémoire externe DDR, un module d'émission numérique entièrement contrôlé et un module de débogage. En plus de la partie logique programmable, j'ai développé et intégré sur le processeur embarqué du SoC-FPGA deux applications Linux pour piloter le spectromètre. La conception de cette architecture, numérique et optimisée, a permis ainsi de se doter d'un nouveau spectromètre de performances et de fonctionnalités remarquables par rapport à l'état de l'art et par rapport aux spectromètres portables commerciaux. La miniaturisation et la numérisation ont permis aussi de réaliser la compacité du système et ainsi d'ouvrir la porte à de nouvelles applications industrielles. En plus, la réalisation de cette nouvelle architecture à base de SoC-FPGA, a apporté une amélioration de la sensibilité grâce à une meilleure immunité aux bruits et à une chaîne d'acquisition entièrement numérique avec un traitement de signal performant. Le spectromètre réalisé a été testé avec succès sur plusieurs échantillons de référence ainsi que sur des échantillons à applications pharmaceutiques tels que le paracétamol et le nitroprussiate de sodium.

Nuclear Quadrupolar Resonance (NQR) is a radio frequency spectroscopy technique that is very useful for non-invasive identification and analysis of chemical products. However, it suffers from low sensitivity which makes its instrumentation very challenging. In order to tackle these challenges and enhance the performances, especially sensitivity,we present in this thesis a solution which consists in a SoC-FPGA based compact spectrometer, where all the major digital hardware and software modules are integrated on a single System On Chip, including : a high pulse width resolution pulse programmer, a fully controllable transmitter, an acquisition module with real time digital signal processing, and storage of the acquired signal in an external memory, and a hardware debugger, in addition to embedded Linux applications that drive the spectrometer functionalities. This digital integration and miniaturisation brought noticeable performances of the spectrometers' overall functionality, especially in terms of sensitivity and portability. The designed spectrometer was successfully tested on several representative samples.