RAPPORT DE STAGE

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CANIVET Gaëtan Juillet 2004 RAPPORT DE STAGE REALISATION D'UNE CARTE GENERATRICE DE SIGNAUX IUP3 GEII GRENOBLE
  • concepteur de système de larges possibilités d'optimisation
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Publié le : lundi 26 mars 2012
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Nombre de pages : 82
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CANIVET Gaëtan Juillet 2004





RAPPORT DE STAGE
REALISATION D’UNE CARTE GENERATRICE
DE SIGNAUX






















IUP3 GEII GRENOBLE Remerciements


Je tiens à remercier Johann Collot de m'avoir accueilli dans son laboratoire. Mais également
Joël BOUVIER, mon maître de stage et toute l’équipe du service Acquisition de Données du LPSC à
savoir Georges Barbier, Fabrice Pancher, Olivier Bourrion et Bernard Boyer pour leur encadrement
durant ces 16 semaines de stage. Et les membres du service CAO tels que Jean-Luc Bouly et
Mafhoud Yamouni qui m’ont permis de réaliser toute la partie saisie de schéma et routage de la carte.
Enfin, je ne voudrais pas oublier toutes les personnes travaillant au laboratoire qui ont fait,
par leur bonne humeur et leur sympathie, que ce stage reste pour moi une excellente expérience. 1. LE LABORATOIRE DE PHYSIQUE SUBATOMIQUE ET DE COSMOLOGIE. ........................ 1
1.1. PRESENTATION DU LPSC. ............................................................................................................................1
1.2. DOMAINES D’ACTIVITES...............................1
1.3. VOCATION DU LPSC.....................................2
1.4. CONSTITUTION DU LABORATOIRE...............................................................................3
2. LE BUS VME........................................................................................ 4
2.1. ORIGINE...........................................................................................4
2.2. OBJECTIFS.......................4
2.3. SPECIFICATIONS.............................................................................................................................................5
2.3.1. Les spécifications mécaniques......... 5
2.3.2. Les spécifications électriques........... 5
2.3.3. Les spécifications fonctionnelles. .................................................................................................... 5
2.4. CYCLES D’ECRITURE ET DE LECTURE..........................................6
2.4.1. La lecture............................................. 6
2.4.2. L’écriture................................................................. 7
3. LA CARTE GENERATRICE D’HORLOGES........................................................... 8
3.1. POURQUOI UNE CARTE GENERATRICE D’HORLOGES ?..............8
3.2. CAHIER DES CHARGES...................................................................................................8
3.3. CONCEPTION ...................................................................................................................................................9
3.3.1. Les solutions apportées..................... 9
3.3.2. Le synoptique de la carte................10
3.3.3. Le choix des composants.................12
3.3.4. La saisie de schéma..........................................................................................................................12
3.3.5. Le placement routage......................14
3.3.6. Le module de programmation ISP Flash.....................14
3.4. PROGRAMMATION VHDL..........................15
3.4.1. Le synoptique du programme.........................................................................................................15
3.4.2. Les différentes fonctions..................17
3.4.2.1.La fonction “générateur de fréquence”..........17
3.4.2.2.La fonction “générateur aléatoire”.................................................................................18
3.4.2.3.La fonction “générateur arbitraire”...............19
3.4.2.4.La fonction fréquence.........................................19
3.4.2.5.La fonction ADC.................20
3.4.2.6.La fonction configuration..................................................................21
3.4.2.7.La fonction VME. ................................................21
3.4.3. L’adressage mémoire.......................................................22
3.5. TESTS.............................................................................................24
3.5.1. Les tests Hardware...........................................................24
3.5.2. Les tests Software.................................24
4. CARACTERISTIQUES...................................................................27
5. CONCLUSION...................................................................................................................................................28
6. ANNEXES............................29
6.1. NORMES DE PLACEMENT – ROUTAGE........................................................................................................29
6.2. COUT ..............................................................................................30
6.3. EVOLUTION SPARTAN_II VERS SPARTAN_II-E.......................................................................................31
6.4. MODIFICATEURS D’ADRESSES....................32
6.5. COEFFICIENTS POUR LE SYNTHETISEUR....................................33
6.6. CCHOIX DE LA FREQUENCE..................35
6.7. SAISIE DE SCHEMA.......................................................................................................36
6.8. PLACEMENT MANUEL DES COMPOSANTS..42

6.9. PLACEMENT – ROUTAGE.............................................................................................................................43
6.9.1. Le placement des composants........................................43
6.9.2. La couche TOP.44
6.9.3. La couche BOTTOM........................45
6.10. REPRESENTATION DE LA FACE AVANT .....................................................................46
6.11. PROGRAMME VHDL. ..................................................................47
6.12. DOCUMENTATIONS CONSTRUCTEURS.......66
6.12.1. L’ADC. ...............................................................................................................................................66
6.12.2. Le synthétiseur..69
6.13. SIMULATIONS...............74
6.13.1. La machine d’état de l’ADC...........................................................................................................74
6.13.2. La machine d’état du synthétiseur.74
6.13.3. Le train d’impulsions.......................74
6.14. RELEVES D’OSCILLOSCOPE.........................................................................................................................75
6.14.1. ..........................................................................................................75
6.14.2. 75
6.14.3. Le train d’impulsions.......................76
7. BIBILOGRAPHIE. ...........................................................................................................................................77

1. Le Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie.
1.1. Présentation du LPSC.
En 1963, la faculté des Sciences de Grenoble décide d’acquérir un cyclotron à énergie
variable, et de créer un laboratoire de Physique Nucléaire. En 1966, l’Institut des Sciences Nucléaires
(ISN) voit le jour. Afin de regrouper ses activités dans le secteur nucléaire, l’université crée un
laboratoire mixte entre l’université Joseph FOURIER et l’Institut National de Physique Nucléaire et
de Physique des Particules (IN2P3). En 1968, le cyclotron entre en service. En 1982, un deuxième
accélérateur est mis en service, lequel fut entièrement conçu et construit par l’ISN. C’est alors la
naissance de SARA (Système Accélérateur de Rhône-Alpes) et de plusieurs grands instruments qu’il a
fallut installer autours.
Jusqu’à l’ouverture de l’ISN, les enseignants étaient dispersés au CEA (Centre à l’Energie Atomique)
de Grenoble et à l’INPG (Institut National de Polytechnique de Grenoble).

En Avril 2003, l’Institut des Sciences Nucléaires changea de nom pour devenir le Laboratoire
de Physique Subatomique et de Cosmologie. Cette procédure fut entamée pour rendre compte de la
diversification des activités au cours de ces dix dernières années.

1.2. Domaines d’activités.
Les domaines de recherche du LPSC se subdivisent en trois grands axes expérimentaux et
théoriques, correspondant à des échelles de plus en plus fines de la matière et des énergies de plus en
plus grandes des " accélérateurs-microscopes ".
Ces axes sont la matière nucléaire et hadronique, la physique des particules et l’astroparticules. Alors
que les axes " Physique des particules et astroparticules " sont essentiellement des activités de
recherche fondamentale, souvent liées à la cosmologie, l’axe " Matière Nucléaire " participe à l’effort
de réflexion sur les énergies du futur, en particulier dans la recherche de solutions innovantes pour
l’électronucléaire. La maîtrise des techniques " Accélérateurs ", où le laboratoire a une longue
expérience et une renommée internationale, a permis d’apporter des contributions importantes d’une
part aux grands projets de physique subatomique, d’autre part à d’autres domaines aussi variés que les
implanteurs d’ions pour la microélectronique, les traitements de surface ou la médecine.
Le laboratoire participe à de nombreuses expériences réalisées en collaboration internationale
avec parfois plusieurs milliers d’intervenants. Chaque réalisation technique est effectuée dans un
contexte de compétition.
En voici quelques-unes unes :
- conception et fabrication du détecteur de particules du calorimètre électromagnétique du détecteur
ATLAS.
- étude des réacteurs nucléaires hybrides.
- expérience GRAAL à l’ESRF.
- le projet AMS : spectromètre spatial.
- le projet D0 au Fermilab à Chicago.
- le projet Planck Surveyor : observatoire spatial.

Physique des particules
L'effort d'unification des quatre interactions fondamentales a conduit à la recherche de
particules très lourdes, comme le boson de Higgs ou les neutralinos, particules supersymétriques,
auprès de collisionneurs d'électrons ou de protons comme le CERN en Europe ou Fermilab aux
USA. L'ISN, d'abord avec sa participation à DELPHI au LEP à D˘ au Tevatron et surtout au projet
1
ATLAS auprès du CERN/LHC a entrepris un effort important, tant sur le plan expérimental que
théorique pour jouer un rôle majeur dans ces recherches qui mobilisent plusieurs centaines de
laboratoires dans le monde.

Astroparticules et Neutrinos
L'Univers constitue une puissante source de rayonnement couvrant un vaste domaine
21d'énergie, des plus hautes énergies (10 eV) aux plus basses, rayonnement dont souvent seule une
faible fraction atteint la Terre. Ce rayonnement peut être utilisé, souvent de façon complémentaire à
ceux fournis par les accélérateurs, pour tenter de résoudre quelques grandes énigmes de la physique :
disparition de l'antimatière, nature de la matière noire, déficit des neutrinos solaires... Avec une
participation à deux grandes expériences spatiales, AMS et PLANCK, et une grande expertise dans le
domaine des neutrinos, le laboratoire de physique subatomique et de cosmologie entend jouer un rôle
de tout premier plan dans ce domaine en pleine expansion.

Physique hadronique
C'est une des activités où le laboratoire a acquis une grande notoriété tant sur le point
théorique qu'expérimental. Les nucléons constituant le noyau de l'atome sont des objets composites
extrêmement complexes décrits en termes de quarks et de gluons. L'étude de la structure fine des
nucléons et la modification de celle-ci quand ceux-ci sont immergés dans un milieu nucléaire
3constituent quelques-uns des thèmes développés dans les deux expériences du laboratoire : G0/ He à
Jefferson Lab (USA) et GRAAL à l'ESRF.

Matière nucléaire et systèmes innovants de l'électronucléaire
Fort de son savoir-faire en physique nucléaire fondamentale, notamment dans le domaine
des noyaux exotiques riches en neutrons, le laboratoire a aussi ouvert une voie originale dans le
domaine des réacteurs sous critiques pilotés par accélérateurs. Partenaire de C. Rubbia dans le
domaine des premières expériences FEAT et TARC au CERN, l'équipe du LPSC joue un rôle majeur
au sein du CNRS dans les études de systèmes sous critiques, tant sur le plan expérimental (MUSE à
Cadarache) que théorique.

1.3. Vocation du LPSC.
La vocation principale du LPSC est la recherche fondamentale en Physique Nucléaire, qui est
consacrée à l’étude des interactions et arrangements des protons et neutrons (nucléons) à l’intérieur
du noyau. Malgré l’énorme complexité du noyau composé de 2 à 240 nucléons en interactions, le
LPSC a pu observer et interpréter des règles simples régissant ces interactions et arrangements. Par
exemple, il a été constaté que les nucléons s’arrangent en couches analogues à celles des électrons
dans l’atome.
Le noyau a aussi beaucoup de propriétés analogues à celles d’une goutte liquide. Ces
propriétés ont pu être décrites à partir de l’interaction des nucléons constituant le noyau. L’étude des
propriétés de ce fluide nucléaire (compressibilité, température d’ébullition, vitesse du son, limites de
cohésion et de stabilités …) est possible grâce à l’étude des collisions entre un faisceau de noyaux
accélérés et de noyaux aux repos. Les nouveaux accélérateurs tels que SARA conçu pour
l’accélération de noyaux, dits aussi ions lourds, permettent l’étude de la matière nucléaire jusque dans
ses états les plus extrêmes de compression, de cohésion, de température, etc.
Toutes ces recherches sont effectuées car la matière nucléaire constitue plus de 99% de la matière qui
nous entoure. Cette matière nucléaire est régie par des forces spéciales : les forces nucléaires.
La compréhension et le contrôle de son comportement sont essentiels à la démarche générale de la
recherche en physique.

2
1.4. Constitution du laboratoire.
Le LPSC est un laboratoire mixte de l’Université Joseph FOURIER et de l’IN2P3. Il est géré par son
directeur Johann Collot, et supplée par un conseil de laboratoire, un conseil scientifique et des
commissions spécialisées.

Le LPSC comprend 200 personnes réparties de la manière suivante :
Chercheurs CNRS : 37.
Enseignants Chercheurs : 26.
Personnel Administratif et technique : 100.
Visiteurs étrangers : 3.
Ater : 2.
Étudiants en thèse : 23.
Stagiaires universitaires : environ 60/an.


3
2. Le Bus VME.
2.1. Origine.
Le VMEbus (Versa Module Eurocard) révision A a été annoncée pour la première fois en
octobre 1981 à Munich. Cette présentation a été faite conjointement par Mostek, Motorola et
Philips/Signetics. Ce bus fut immédiatement adopté par Thomson/Efcis pour le développement de
ses cartes 68000.
En 1982, la révision B a affiné les spécifications électriques des émetteurs et récepteurs de
ligne, et a modifié les spécifications mécaniques afin de les rendre compatibles avec le format des
cartes Europe IEC 297-3 (International Electrotechnical Commission).
En mars 1983, une standardisation IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)
a été programmée et le groupe de travail P1014 a été créé.
En collaboration avec l’IEC, un nouveau document, connu sous le nom de révision C1, a été
publié. Les principales améliorations apportées sont une meilleure définition de certains
chronogrammes, l’adjonction de nouveaux cycles, la redéfinition des accès en mode bloc, la création
de nouveaux blocs fonctionnels.
Les raisons de cette évolution sont au nombre de quatre au minimum :
* amélioration des performances en terme de vitesse et de fiabilité,
* prise en compte de nouveaux processeurs,
* adjonction de nouvelles fonctionnalités,
* amélioration de la compatibilité entre cartes de différentes sources.

Suite à cette révision, le comité IEEE a rendu obligatoires, et non pas optionnelles, certaines
caractéristiques afin de garantir la compatibilité entre cartes, et la norme 1014 a été approuvé le 12
mars 1987 par l’IEEE, puis le 11 septembre de la même année par l’ANSI (American National
Standards Institute).
Récemment la révision D est apparue, et elle apporte notamment les possibilités d’adressage sur 64
bits, le transferts de données sur 64 bits, le transferts de données en mode diffusé et le cycle de
réessaie.

2.2. Objectifs.
Le VMEbus définit un protocole d’interfaçage permettant de connecter des dispositifs de
traitement et de stockage des données, et des contrôleurs de périphériques au sein d’une
configuration matérielle cohérente. Pour parvenir à ce résultat, plusieurs objectifs doivent être
atteints :
* rendre possible la communication entre deux dispositifs connectés au bus sans perturber les
activités internes des autres dispositifs présents ;
* définir les attributs mécaniques et électriques qui permettent de concevoir des dispositifs capables
d’échanger, de manière totalement fiable et univoque, des informations avec d’autres éléments d’un
système ;
* spécifier le séquencement des interactions entre le bus et les dispositifs qui lui sont connectés ;
* préciser la terminologie et les définitions décrivant les protocoles du système ;
* offrir au concepteur de système de larges possibilités d’optimisation (coût, performances, ou les
deux combinés), sans toutefois altérer la compatibilité du système ;
* définir un système aux performances limitées en premier lieu par les capacités intrinsèques des
dispositifs, plutôt que par celles de l’interface elle-même.

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2.3. Spécifications.
2.3.1. Les spécifications mécaniques.
Les cartes du VMEbus sont dimensionnées de manière à prendre place dans un châssis dont
la largeur est limitée à 19 pouces (482,6 mm) et la capacité à 21 emplacements. Les cartes doivent
mesurer :
* en profondeur : 160 mm,
* en hauteur soit 100 mm pour un format simple, soit 233.35 mm pour un double.
Un système peut ainsi réunir des cartes d’un même format (simple ou double) ou un mélange des
deux. La caractéristique fondamentale du VMEbus est de définir un connecteur principal,
comportant les broches requises pour effectuer les opérations de base du VMEbus, et un connecteur
secondaire nécessaire pour étendre les possibilité de base. Le connecteur principal permet d’effectuer
des transferts sur 16 bits dans un espace d’adressage de 24 bits. L’usage du connecteur secondaire
permet d’étendre les chemins d‘accès jusqu’à 32 bits (données et adresses). D’autre part, il fournit au
concepteur de systèmes 2 rangs de 32 broches servant de lignes d’entrées sorties ou à d’autres usages.
Ces connecteurs sont désignés par la lettre P du coté carte, et la lettre J du coté du fond de
panier. Les cartes de format simple comportent donc un connecteur principal P1 s’enfichant sur le
connecteur J1, celles au format double comportent un connecteur principal P1 et un secondaire P2,
et leurs connecteurs correspondants J1 et J2. Les 96 broches des connecteurs sont réparties en trois
rangs de 32 broches, désignés par les lettres A, B et C.

Il existe également un châssis VME CERN type 430, qui possède les mêmes caractéristiques
mécaniques sauf qu’il possède un connecteur supplémentaire positionné entre les deux autres
connecteurs. Il possède 30 broches également réparties en trois rangs de 10 broches.

2.3.2. Les spécifications électriques.
Les signaux nécessaires à l’accomplissement des transferts sont soumis à des contraintes qui
assurent un séquencement correct des opérations, une minimalisation des bruits de fond et des
interférences sur les organes de transmission.
Les tensions requises sont :
* +5 Volts, pour la majorité de la circuiterie, la logique TTL, les processeurs MOS et CMOS, les
mémoires, etc. ;
* +/-12 Volts, pour l’alimentation des interfaces RS232-C, et certains dispositifs analogiques ;
* +5 Volts, pour l’alimentation de secours (horloge, mémoire, etc.) ;
* - 2 Volts, +/-15 Volts, -5 Volts, fournit par le connecteur CERN.
De nombreuses règles permettent de définir l’impédance des lignes, leurs terminaisons, la dimension
des conducteurs (longueur limitée à 500 mm), les limites de variations des voltages, et toutes les
autres caractéristiques électriques, et parfois les emplacements des composants systèmes.

2.3.3. Les spécifications fonctionnelles.
Le VMEbus constitue une entité physiquement indivisible, à l’intérieur de laquelle quatre
groupes fonctionnels peuvent être distingués :
* Le bus de transfert de données : c’est par l’intermédiaire de ce bus que les transferts parallèles à
haut débit s’effectuent. Les signaux permettent des échanges asynchrones, dans lesquels l’instigateur
du transfert (le maître) attend que son interlocuteur désigné (l’esclave) lui renvoie l’acceptation de
l’échange (DATCK) avant d’accomplir le transfert proprement dit. Ce protocole rend possible les
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