Développement d'un système de conversion et de transmission de données haute fréquence pour applications en milieux électromagnétiquement perturbés

Development of a high frequency data conversion and transmission system for applications in electromagnetically disturbed environments

• Auteur / Autrice : Roman Leduc
• Direction : Jean-Marc Diénot, Robert Ruscassie
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• Etablissement(s) : Pau
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Exactes et leurs Applications
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences pour l'Ingénieur Appliquées à la Mécanique et au génie électrique - Laboratoire des Sciences de l'Ingénieur Appliquées à la Mécanique et au génie Electrique / SIAME
• Jury : Président / Présidente : Sonia Ben Dhia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marc Diénot, Robert Ruscassie, Pierre Bonnet, Christophe Guiffaut, Geneviève Duchamp, Laurent Courtois, Antoine Chauloux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Bonnet, Christophe Guiffaut

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électromagnétisme

Réseaux logiques programmables par l'utilisateur

Mots clés libres

Acquisition

Électromagnetisme

Fpga

Blindage

Haute fréquence

Embarqué

Acquisition

Electromagnetism

Fpga

Shielding

High frequency

Embedded

Résumé

Ces dernières décennies ont été marquées par une importante progression technologique s'appuyant principalement sur l'électronique et qui semble aujourd'hui inéluctable. Dans un contexte ou la révolution électronique a la mainmise sur de nombreux et vastes domaines tels que dans l'industrie, le médical, la recherche, la défense, ou encore la domotique, la complexité des systèmes constitutifs en vue d'une application souhaitée est devenue une contrainte pouvant affecter sa facilité d'utilisation, son encombrement, sa maintenance, ou même sa fiabilité. Plus particulièrement, la supervision des divers signaux employés nécessaires pour s'assurer du bon fonctionnement du système implique souvent la mise en œuvre de multiples outils typiques dédiés à la mesure, à la conversion, au contrôle, à la transmission, ou à l'interaction des données avec l'utilisateur. Les travaux de thèse présentés ici contribuent au développement d'un système unique pouvant intégrer l'ensemble de ces fonctionnalités, grâce à une technologie récente, le FPGA-SoC. Cette technologie, par l'intégration d'un FPGA et d'un microprocesseur au sein d'une même puce, permet d'envisager une gamme d'applications faisant intervenir de nombreux niveaux de fonctionnalités tout en simplifiant leur mise en œuvre. La technologie FPGA-SoC a pu être tout d'abord employée dans la conception d'un système de surveillance de signaux pour la protection des équipements de radiographie éclair, EPURE, en collaboration avec le CEA CESTA. Ce projet a été une opportunité pour répondre à un besoin de rapidité d'opération et d'application concrète en temps réel, qui aura été largement satisfait grâce aux performances que peut offrir la technologie FPGA-SoC. Dans un second temps, nos travaux ont été concentrés sur deux aspects essentiels pour garantir la fiabilité d'un système d'acquisition lors de son développement : le développement de cartes électroniques haute vitesse, et l'immunité électromagnétique (EM) du système. En effet, l'étude se positionne dans un contexte où les perturbations électromagnétiques environnantes (moteurs de forte puissance, générateurs de puissances pulsées) peuvent présenter un risque de fiabilité et de fonctionnement du système. À l'aide de solveurs 2D et 3D EM, et en appui avec une étude des règles de dimensionnement de cartes électriques haute fréquence, diverses méthodes de modélisation numérique et de visualisation de la bonne intégrité des signaux de la carte d'acquisition ont été élaborées et présentées. Une solution de blindage innovante et compacte, appelée multicouches, permet d'optimiser l'immunité EM de systèmes embarqués à forte contrainte de poids, et a été étudiée analytiquement et numériquement. Des modèles de simulations plus complets incluant la source d'agression EM et le système électronique ciblé, pourvu de nos solutions de blindages multicouche, ont été conçus et permettent ainsi la validation du déploiement d'une méthodologie de caractérisation de l'immunité EM de systèmes plus complexes.

The last few decades have been marked by a major technological advance, mainly based on electronics, which now seems unstoppable. In a context where the electronic revolution has taken hold of many vast domains such as industry, medical, research, defence, or even the IoT (Internet of Things), the complexity of the constituent systems for a desired application has become a constraint that can affect its ease of use, its size, its maintenance, or even its reliability. In particular, the supervision of the various signals used to ensure the proper functioning of the system often involves the implementation of multiple typical tools dedicated to the measurement, conversion, control, transmission, or interaction of data with the user. The thesis work presented here contributes to the development of a single system that can integrate all these functionalities, thanks to a recent technology, the FPGA-SoC. This technology, by integrating an FPGA and a microprocessor within the same chip, makes it possible to envisage a range of applications involving many levels of functionality while simplifying their implementation. The FPGA-SoC technology was first used in the design of a signal monitoring system for the protection of flash radiography equipment, EPURE, in collaboration with CEA CESTA. This project was an opportunity to respond to a need for speed of operation and real time application, which was largely satisfied thanks to the performance that FPGA-SoC technology can offer. Secondly, our work focused on two essential aspects to guarantee the reliability of an acquisition system during its development: the development of high-speed electronic boards, and the electromagnetic (EM) immunity of the system. Indeed, the study is positioned in a context where the surrounding electromagnetic disturbances (high power motors, pulsed power generators) can present a risk to the reliability and operation of the system. Using 2D and 3D EM solvers, and in support of a study of the sizing rules for high-frequency electrical boards, various methods of numerical modelling and visualisation of the good integrity of the acquisition board signals were developed and presented. An innovative and compact shielding solution, called multi-layers, allows to optimise the EM immunity of embedded systems with high weight constraint, and has been studied analytically and numerically. More comprehensive simulation models including the source of EM aggression and the targeted electronic system with our multilayer shielding solutions have been designed and thus allow the validation of the deployment of a methodology for characterising the EM immunity of more complex systems.