Acquisition de données à haute résolution et faible latence dédiée aux capteurs avioniques de position

The communication network and the detection mechanisms are two critical systems in a plane. Their performance has a direct impact on aircrafts. This is of particular interest for avionics designers, who have increasingly invested more and more in the development of these elements. As a part of a project in this domain, we introduce the design and the development of a smart interface for position sensors dedicated to flights (Smart Sensor Interface - SSI). This interface will serve to connect sensors of different technologies (electromagnetic, optical and MEMS) to the new communication network, AFDX. The role of this interface is to generate an appropriate excitation signal for certain types of sensors (R/LVDT), and to treat, demodulate, and digitize their output signals. The proposed interface is thus composed of a Signal Acquisition Path (SAP) and an Excitation Signal Generation (ESG). By adopting the Integrated Modular Avionics architecture (IMA), we can minimize the size of the classic interface, reduce its energy consumption and improve its reliability and its performance. The focus of our design is particularly on the Data Acquisition Path (DAP). An Architecture characterized by a high resolution (14 bits) and a low latency (1.2 ms) of this module is introduced and developed in this prestigious work. This architecture was developed after a well-conducted study of existing solutions found in literature work and a detailed analysis of the problems arise in the design and implementation of this system (DAP). The conversion of the sensor signal into a digital signal is the most important step in acquiring data, as it sets the resolution of the acquired information and generates the majority of its latency. This module can also affect the reliability and stability of the system. Among different models and architectures, the Delta-Sigma analog-to-digital converter (ADC) is preferred for this application (for better resolution). This converter is formed by an analog circuit (modulator) followed by digital filters. The complexity of the implementation, the processing delay and the output resolution are all susceptible to change depending on the architecture of these filters. Thus, the main problem while designing such a system arises in the opposing evolution of the resolution and latency parameters; the improvement or evolution of one, results in the destruction of the other. Therefore, our work aims to provide one or more method to optimize the latency caused by the CAN while maintaining the same resolution of the desired data (14 bits).

Résumé

Le réseau de communication et les mécanismes de détection sont des systèmes critiques dans un avion. Leurs performances ont un impact direct sur celles de l‟aéronef. Cela suscite l‟intérêt des concepteurs avioniques qui s‟investissent de plus en plus dans le développement de ces éléments. Dans le cadre d‟un projet couvrant ce domaine, nous proposons la conception et le développement d‟une interface générique pour les capteurs de position dédiés aux avions (Smart Sensor Interface - SSI). Cette interface permet de connecter les capteurs de position de différentes technologies (Électromagnétique, Microelectromechanical System (MEMS) et optique) au nouveau réseau de communication AFDX (Avionics Full DupleX). Son rôle consiste à générer un signal d‟excitation approprié pour certains types de capteurs (Variable Differential Transformer VDT) et à acquérir, démoduler et numériser leurs signaux de sortie. Ainsi, l‟interface présentée est composée d‟un Chemin d‟Acquisition des Données (CAD) et d‟un générateur de signaux d‟excitation (GSE). En adoptant une architecture modulaire (Integrated Modular Avionics, IMA), nous pouvons minimiser les dimensions de l‟interface utilisée actuellement, réduire sa consommation d‟énergie et améliorer sa fiabilité et ses performances. On s'intéresse dans ce mémoire en particulier au Chemin d'Acquisition des Données (CAD). Une architecture à haute résolution (14 bits) et de faible latence (1.2 ms) de ce module y est proposée et réalisée. Cette architecture a été élaborée suite à une étude des solutions déjà existantes dans la littérature de même qu‟une analyse des problèmes actuellement présente dans la conception et la réalisation de ce Chemin d'Acquisition des Données (CAD). La conversion du signal analogique reçu du capteur en un signal numérique est l‟étape la plus importante dans l‟acquisition des données puisqu‟elle définit la résolution des informations acquises tout en engendrant la majeure partie de la latence. Ce module peut aussi affecter la fiabilité et la stabilité du système. Parmi différents modèles (différentes architectures), le choix d‟un convertisseur analogique-numérique (CAN) de type ΣΔ est privilégié pour cette application (meilleure résolution et plus simple à intégrer que les autres CAN concurents). Il est formé par un circuit analogique (modulateur) suivi par des filtres numériques. La complexité de l‟implémentation, le délai de traitement de même que la résolution à la sortie sont susceptibles au changement selon l'architecture de ces filtres.