Brevet FR2982019A1 — publié le 20130503

Domaine de l'invention La présente invention se rapporte à un dispositif et à un procédé de correction d'un signal de capteur ainsi qu'à un produit-programme d'ordinateur appliquant le procédé. Etat de la technique La non-linéarité de la force de réaction dans un capteur micromécanique MRM réduit les caractéristiques de bruit dans un tel capteur à compensation de force. La ou les non-linéarités peuvent résulter de différents effets, par exemple en utilisant plusieurs électrodes de réaction ou encore la réaction par tension avec plusieurs niveaux de tension dans le cas d'un élément convertisseur capacitif. Dans le cas de convertisseurs capacitifs, cette difficulté est en général éliminée en utilisant une réaction PWM (réaction à modulation de largeur d'impulsions PWM) à la place d'une réaction en tension ce qui ne donne que deux états de la force qui sont toujours naturellement en relation linéaire. Cette solution a l'inconvénient de nécessiter des pas de temps très petits pour une quantification élevée. Si par exemple la force de réaction doit être quantifiée par 10 bits, pour une fréquence de détection de 400 kHz, la sous-cadence sera d'environ 400 MHz. Cela n'est pas tech- niquement intéressant et limite la quantification à la réaction à quelques bits pour la modulation PWM. L'étude "Dynamische Regelung mikroelektromechani- scher Systeme (MEMS) mit Hilfe kapazitiver Signalwandlung und Kraftrückkopplung" Martin Handtmann, TU Munich 1. Octobre 2002, présente différentes solutions de régulation dynamique de système mi- cromécaniques. Exposé et avantages de l'invention Dans ce contexte, la présente invention a pour objet un dispositif de correction d'un signal de capteur comprenant : - une interface de capteur pour lire un signal de capteur représentant une grandeur physique, - une unité de traitement de signal pour obtenir un signal de traitement à partir du signal de capteur, - une unité de réaction pour fournir un signal de réaction au capteur, selon une prescription de traitement non-linéaire appliquée au signal de traitement, et * une unité de correction de signal pour fournir un signal corrigé à partir du signal de traitement, en appliquant la prescription de traitement non-linéaire ou une prescription déduite de la prescription de traitement non-linéaire. Le dispositif selon l'invention est un appareil électrique qui traite des signaux de capteur et fournit en fonction de ceux-ci des signaux de commande et/ou de données. Le dispositif comporte une interface réalisée sous la forme de circuit et/ou de programme. Dans le cas d'une réalisation sous la forme d'un circuit, l'interface fait par exemple partie d'un système ASIC qui contient différentes fonctions du dispositif. Il est également possible de réaliser la ou les interfaces sous forme de circuits intégrés ou du moins avec en partie des composants discrets. Dans le cas d'une réalisation sous la forme d'un programme, les interfaces sont des modules de programme présents par exemple dans un microcontrôleur à côté des autres modules de programme. L'invention a également pour objet un procédé de correc- tion du signal de capteur comportant les étapes suivantes consistant à : - lire le signal de capteur de l'interface, ce signal de capteur représentant une grandeur physique, - traiter le signal de capteur par l'unité de traitement de signal en fournissant un signal de traitement en utilisant le signal de capteur, - émettre un signal de réaction par une unité de réaction, ce signal étant fourni au capteur et l'unité de réaction fournit le signal de réaction en appliquant une prescription de traitement non-linéaire au signal de traitement, et - corriger le signal de traitement par une unité de correction de signal pour obtenir un signal corrigé en utilisant le signal de traitement. * l'unité de correction de signal déterminant le signal corrigé en utilisant la prescription de traitement non-linéaire ou une prescription de traitement déduite de la prescription de traitement linéaire. Ainsi, l'invention développe un procédé réalisé par un dispositif de correction d'un signal de capteur, le dispositif comportant des installations pour exécuter ou appliquer les étapes du procédé. Cette variante de l'invention sous la forme d'un procédé résout rapide- ment et efficacement le problème à la base de l'invention. L'invention a également pour objet un produit programme d'ordinateur avec un code-programme enregistré sur un support lisible par une machine tel qu'une mémoire semi-conductrice, un disque dur ou une mémoire optique pour appliquer le procédé tel que défini ci-dessus lorsque le programme est exécuté par un ordinateur ou un calculateur. Une prescription de traitement non-linéaire selon l'inven- tion est une relation non-linéaire entre un signal à traiter et le signal traité. Le signal corrigé est le signal corrigé du capteur. La grandeur physique est par exemple une tension, une intensité, une force, une ac- célération, une vitesse de rotation ou autre grandeur à mesurer et qui peuvent être captées par un capteur fournissant un signal correspondant à la grandeur mesurée. L'invention repose sur la considération que l'utilisation de l'unité de correction qui fournit le signal corrigé en appliquant une prescription de traitement non-linéaire ou une prescription de traitement déduite d'une prescription de traitement non-linéaire, permet une compensation rapide et efficace de la non-linéarité introduite par la réaction dans le circuit de régulation de réaction. Cela évite d'une part une correction complexe de la distorsion du signal dans l'unité de trai- tement et d'autre part évite l'utilisation de fréquences élevées comme dans le cas d'une modulation à largeur d'impulsions ce qui se traduit par une moindre perte de puissance et en même temps permet d'obtenir une résolution plus élevée. Selon un développement, l'unité de réaction et/ou l'unité de correction de signal appliquent une prescription de traitement non-linéaire ou une prescription de traitement déduite de la prescription de traitement non-linéaire fondée sur une relation quadratique entre la grandeur d'entrée et la grandeur de sortie. Par exemple, dans le cas d'une réaction capacitive, la prescription de traitement non-linéaire copie la courbe de tension quadratique du capteur selon laquelle le signal de capteur subit une modification de capacité sous l'effet d'une grandeur physique. Ce mode de réalisation de l'invention a l'avantage d'utiliser une prescription de trai- tement non-linéaire, simple, pour améliorer la résolution et qui peut également s'implémenter en technique numérique. Il est en outre avantageux selon un mode de réalisation de l'invention, que l'unité de traitement de signal détermine le signal de traitement comme signal discret en valeur et/ou en temps. Cette carac- téristique de l'invention offre l'avantage d'utiliser une unité de correction implémentée sous forme numérique qui peut se configurer simplement par le développement du filtre selon les solutions indiquées ci-dessus. Le dispositif de correction de signal de capteur sera parti- culièrement robuste et fiable si l'unité de traitement de signal fournit le signal de traitement en outre en utilisant directement le signal de traitement. Une telle réalisation de l'invention permet de traiter une information dans l'unité de traitement disponible aussi directement que possible avant l'application de la prescription non-linéaire. Il est en outre avantageux selon l'invention que l'unité de traitement de signal comporte un filtre numérique et un quantificateur en aval du filtre numérique dans le chemin du signal. Le quantificateur en aval du filtre numérique offre une excellente possibilité de fournir le signal de traitement appliqué à l'unité de réaction utilisant la prescrip- tion de traitement non-linéaire. L'unité de correction de signal s'implémente très simple- ment si, selon un développement de l'invention, l'unité de correction de signal est un filtre numérique. Un tel mode de réalisation de l'invention a l'avantage d'implémenter très simplement et de manière très écono- mique, une prescription de traitement non-linéaire ou une prescription de traitement déduite de la prescription de traitement non-linéaire. De façon particulièrement avantageuse, selon un développement de l'invention, le capteur est couplé à l'interface et à l'unité de réaction et ce capteur fournit son signal sous l'action de la grandeur physique et du signal de réaction. Cette caractéristique de l'invention a l'avantage que le capteur et l'unité de réaction et spécialement la prescription de traitement non-linéaire utilisée dans l'unité de réaction puissent être accordés réciproquement. En particulier, si le capteur est destiné à saisir le mou- vement d'un élément micromécanique, notamment par la saisie d'une variation de la capacité du signal de capteur, les avantages de la solution selon l'invention sont particulièrement grands. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide d'exemples de réalisation d'un dispositif et d'un procédé de correction d'un signal de capteur représentés dans les dessins annexé dans lesquels les mêmes éléments portent la même référence. Ainsi : - la figure 1 est un schéma par blocs d'un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention, - la figure 2 est un diagramme montrant le résultat de simulation de la qualité d'un signal pour différentes fréquences selon un mode de réalisation sans appliquer la correction du signal de capteur propo- sée, - la figure 3 est un diagramme représentant un résultat de simulation de la qualité du signal pour différentes fréquences selon un mode de réalisation appliquant la correction du signal de capteur, - la figure 4 montre un ordinogramme d'un exemple de réalisation du procédé de correction du signal de capteur selon l'invention. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 est un schéma par blocs d'un exemple de réa- lisation de l'invention sous la forme d'un dispositif 100 pour corriger le signal d'un capteur. Le dispositif 100 comporte une interface 110 pour lire le signal (x) fourni par un capteur 120. Le capteur 120 est par exemple un capteur de vitesse de rotation dans le domaine automobile ou de l'électronique domestique. Le capteur comporte un transducteur pour fournir son signal sous une forme numérique. L'interface 110 applique le signal de capteur (x) à une unité de traitement 130 qui ap- plique tout d'abord le signal (x) à un filtre numérique 133 dans l'unité de traitement 130 ; le signal de capteur, filtré par le filtre numérique 133 est appliqué à un circuit de quantification 135 donnant en sortie le signal traité (y). Le filtre numérique 133 stabilise le circuit de régulation et le développement du bruit dans la bande du signal concernée. Le quantificateur 135 a pour fonction de numériser le signal fourni par le filtre numérique 133, c'est-à-dire de le transformer en des valeurs discrètes dans le temps. Le filtre numérique neutralise le bruit de quantification généré par la numérisation dans la bande intéressante du signal de façon à donner en sortie du convertisseur, un plus fort rapport si- gnal/bruit. Le signal traité (y) est ensuite d'une part envoyé de nouveau au filtre numérique 133 de l'unité de traitement 130 et d'autre part appliqué à l'unité de réaction 140. L'unité de réaction 140 applique au signal traité (y), une prescription de traitement non linéaire pour obtenir le signal de réaction (y) fourni par une autre interface 150 au capteur 120. Le signal de réaction (y) est le signal de sortie de l'unité de réaction 140, par exemple selon une relation quadratique entre le signal traité (y) constituant le signal d'entrée de l'unité de réaction 140 et son signal de réaction (y). Le transducteur du capteur 120 utilise en- suite le signal de réaction (y) pour influencer une valeur de mesure de la grandeur physique (u) telle que par exemple une accélération, une force ou une vitesse de rotation. Si le capteur 120 est un capteur micromécanique pour la saisie capacitive du mouvement d'une petite masse oscillante, on peut utiliser le signal de réaction pour précontraindre la masse oscillante de manière capacitive, c'est-à-dire de manière électros- tatique et modifier la fréquence de résonance de la masse oscillante et ainsi optimiser la résolution de certaines plages de fréquences d'oscillation à exploiter pour la masse oscillante. La relation non-linéaire, notamment la relation quadratique entre la capacité et la tension, permet de transformer un signal traité (y) appliqué sous la forme d'un signal de tension, par l'unité de réaction 140 en un signal de réaction (y) utilisé alors pour charger la capacité du capteur 120. Le signal de capteur (x) a toutefois une distorsion non-linéaire par l'action du signal de réaction (y). Pour compenser cette distorsion non-linéaire du signal de capteur (x) par l'action du signal de réaction (y), on utilise contrairement à l'état de la technique, non pas une conception particulière du filtre numérique 133 et/ou du quantificateur 135, mais une unité de correction 160 implémentée selon l'exemple de réalisation du schéma par blocs de la figure 1 de l'invention par un filtre numérique. Cette unité de correc- tion 160 reçoit le signal traité (y) qui est transformé en un signal corrigé (y) par l'application d'une prescription de traitement non-linéaire ou d'une prescription de traitement déduite d'une prescription de traitement non-linéaire dans l'unité de correction 160. Il faut veiller à ce que la prescription de traitement appliquée par l'unité de correction 160, corresponde à la prescription de traitement non-linéaire appliquée par l'unité de réaction 140 ou à une prescription déduite de cette prescription non-linéaire pour avoir une distorsion aussi bonne que possible du signal de capteur (x) ou du signal traité (y) donnant le signal corrigé (y). Si par exemple la prescription de traitement non-linéaire se présente sous la forme d'une relation quadratique entre le signal d'entrée (y) de l'unité de réaction 140 et son signal de sortie (y), la prescription de traitement appliquée par l'unité de correction 160 doit également une relation quadratique entre le signal d'entrée (v) appliqué à cette unité de correction 160 et son signal de sortie (y) ou sous la forme d'une relation quadratique inverse entre l'entrée de signal (v) appliqué à l'unité de cor- rection 160 et son signal de sortie (y). Cela permet de très bien compenser la non-linéarité appliquée par le signal de réaction (y) au signal de capteur (x) et d'obtenir un signal corrigé (y). En outre, de manière avantageuse, non seulement l'unité de réaction 140 reçoit le signal traité (y) mais ce signal (y) est également appliqué à l'unité de traitement 130 elle-même, notamment au filtre numérique 133. Ainsi, l'unité de traitement 130 dispose non seulement de l'effet du signal de réaction (y) par le signal de capteur (x) à distorsion non-linéaire mais également directement du signal traité (y), ce qui fournit une quantité plus grande d'informations de compensation de la réaction non-linéaire. La figure 1 montre ainsi un modèle de système utilisant un dispositif de correction d'un signal de capteur ; le modèle de système comprend un capteur 120, un filtre 133, une réaction non-linéaire 140, un quantificateur 135 et un filtre de correction numérique 160. Le filtre 133 fournit des valeurs qui sont continues ou discrètes dans le temps et/ou discrètes en valeur. Le filtre numérique de correction 160 calcule le signal corrigé (y) à partir du signal de sortie (y) du quantificateur 135. A titre de modèle, le capteur 120, l'unité de traitement 130 et l'unité de réaction 140 ainsi que leur installation dans le chemin du signal, peuvent être considérés comme un convertisseur Delta/Sigma. Dans le cas d'un convertisseur Delta/Sigma, la sortie du quantificateur (y) correspond normalement au signal d'entrée u = v dans la bande de signal intéressante. Du fait de la non-linéarité de la réaction 140, la sortie du quantificateur (y) ne correspond plus à l'entrée f(v) = u. Mais dans le traitement suivant du signal, on ne dispose que du signal traité (v) de sorte que l'on a ainsi un défaut qui réduit de manière considérable les caractéristiques du capteur. Ce défaut peut être corrigé de manière numérique en déterminant une grandeur corrigée v = f(v) de sorte que la grandeur corrigée correspond de nouveau au signal d'entrée u = y. Cette situation est présentée à titre d'exemple dans le cas d'un capteur MEM 120 à réaction capacitive, la solution pouvant être étendue à des procédés quelconques non-linéaires et/ou aléatoires. La figure 1 montre le schéma par blocs de l'ensemble du système composé du capteur 120, du filtre 133, du quantificateur 135, de la réaction non-linéaire 140 et du filtre de correction numérique 160. Toutes les variables qui correspondent aux signaux sont sous forme scalaire. La propriété d'une réaction capacitive implémentée par l'unité de réaction 140, est la fonction quadratique de la tension (par exemple du signal v). Ainsi, la réaction se présente sous la forme de la relation f(v) = v2 et la fonction de transfert DAC a une caractéristique linéaire ; on utilise deux électrodes distinctes pour le signe algébrique, par exemple le capteur 120. L'amplitude de l'amplification en boucle dans le chemin amont (du circuit de régulation composé des unités, capteur 120, filtre 133, quantificateur 135 et unité de réaction 140) dans la bande de signal intéressante, permet de supposer que la réaction f(v) = v2 correspond au signal d'entrée u = v2. Pour déterminer le signal (u) proprement dit, il faut ainsi corriger la sortie (y) du quantificateur 135 avec la même fonction de transfert non-linéaire y = v2 = u. Ainsi, le filtre de correction numérique 160 réalise la fonction de correction f(x) = x2. La figure 2 est un diagramme montrant le résultat de la simulation de la qualité du signal pour différentes fréquences selon un mode de réalisation n'appliquant pas la proposition présentée ci-dessus à un capteur MEM avec une force de réaction quadratique. Pour la représentation selon la figure 2, on a simulé la qualité du signal pour un convertisseur capacitif à relation quadratique de la caractéristique de la force et le signal de sortie (c'est-à-dire le signal (v) à la sortie du quanti- ficateur) selon une représentation spectrale. Selon la figure 2, le signal de sortie (y), non-corrigé a un rapport IBN fort dans la bande de signal intéressante 200 à la fréquence 210 (IBN = Bruit dans la bande du signal) ; le signal de mesure, (c'est-à-dire le signal de capteur (x) qui, selon la figure 2, correspond à une courbe de force non-linéaire), est fortement déformé dans la bande de fréquence intéressante 210. La figure 3 montre un diagramme représentant le résultat de la simulation de la qualité du signal pour différentes fréquences selon un mode de réalisation utilisant la proposition présentée ci-dessus d'une correction numérique (y ) du signal de sortie (y) du quantifica- teur ; le capteur MEM à force de réaction quadratique a été utilisé comme cela a également été supposé pour la simulation de la figure 2. Le signal corrigé y = v2 a le même rapport IBN qu'un convertisseur sans réaction non-linéaire et la puissance du signal correspond à un signal (u) de -10dBFS. Il apparaît clairement que la correction de signal (y ) du signal de sortie (y) du quantificateur se traduit par une amélioration si- gnificative du rapport IBN qui, dans ce cas, se situe à 40 dB. La figure 4 montre un ordinogramme d'un exemple de réalisation de l'invention sous la forme d'un procédé 400 de correction d'un signal de capteur. Le procédé 400 comporte une étape de lecture 410 du signal de capteur en amont d'une interface ; le signal de capteur représente une grandeur physique. Le procédé 400 comporte également une étape de traitement 420 du signal de capteur par une unité de traitement de signal pour obtenir un signal traité à partir du signal de capteur. Le procédé 400 comporte également une étape d'émission 430 d'un signal de réaction par une unité de couplage en réaction sur le capteur ; l'unité de réaction fournit le signal de réaction selon une prescription de traitement non-linéaire et l'applique au signal de capteur et/ou au signal de traitement. Enfin, le procédé 400 comporte une étape de correction 440 du signal de traitement par une unité de correc- tion de signal pour obtenir un signal corrigé en utilisant le signal de traitement ; l'unité de correction de signal corrige le signal corrigé en utilisant la prescription de traitement non-linéaire ou une prescription de traitement déduite de la prescription de traitement non-linéaire. La solution présentée ci-dessus a pour objectif de corriger la non-linéarité d'un signal numérique dans la réaction qui peut se faire de manière déterminée (par exemple avec réaction en tension par un convertisseur capacitif) et/ou de façon aléatoire (par exemple par une dispersion de procédé et aussi à cause des variations aléatoires connues). On évite ainsi par exemple une réaction PWM dans des conver- tisseurs capacitifs et on augmente la quantification de la force de réaction à 6-10 bits. Une caractéristique importante de l'invention réside dans l'utilisation d'une unité de correction (par exemple d'un filtre de correction numérique) qui donne la fonction de non-linéarité dans le domaine numérique, par exemple pour une réaction capacitive, il s'agit de la courbe de tension quadratique. Cela permet d'éviter les fréquences élevées d'une réaction PWM, ce qui aboutit à un système de capteurs à puissance perdue réduite ou plus forte résolution. D'autre part, on évite d'utiliser des convertisseurs DAC complexes (DAC = convertisseur nu- mérique/analogique) avec une fonction de transfert de racine, et qui ont une très grande surface et une perte de puissance importante. Un autre avantage de la solution proposée est la possibilité de corriger des variations aléatoires si celles-ci sont soit connues, soit non-variables et qui augmenteraient par ailleurs le bruit IBN (IBN = Bruit dans la bande du signal). L'implémentation numérique totale d'une correction de non-linéarité qui se réalise par la proposition présentée ci-dessus, simplifie le projet de circuit analogique et permet des avantages de coût par la mise à l'échelle avec des procédés ASIC futurs. De plus, la solution par implantation numérique est indépendante des dispersions du procédé. En variante de la solution présentée ci-dessus, on peut également compenser les erreurs systématiques de la réaction PWM. On peut également adapter le filtre de correction numérique à l'extrémité de la bande. Enfin, l'utilisation d'un algorithme d'apprentissage adaptatif permet d'envisager une détermination en ligne/hors-ligne du filtre de correction numérique.10 NOMENCLATURE 100 dispositif de correction de signal de capteur 110 interface 120 capteur 130 unité de traitement 133 filtre numérique 135 quantificateur 140 unité de réaction 150 interface 160 unité de correction 400 procédé de correction 410-440 étapes du procédé de correction x signal de capteur y signal de réaction y signal de traitement/ signal traité y_ signal corrigé20 REVENDICATIONS1°) Dispositif (100) de correction d'un signal de capteur (x) comprenant : - une interface de capteur (110) pour lire un signal de capteur (x) représentant une grandeur physique (u), - une unité de traitement de signal (130) pour obtenir un signal de traitement (y) à partir du signal de capteur (x), - une unité de réaction (140) pour fournir un signal de réaction (y) au capteur (120), l'unité de réaction (140) fournissant le signal de réaction (y) selon une prescription de traitement non-linéaire appliquée au signal de traitement (y), et - une unité de correction de signal (160) pour fournir un signal corrigé (v) à partir du signal de traitement (y), * l'unité de correction de signal (160) fournissant le signal corrigé (v) en appliquant la prescription de traitement non-linéaire ou une prescription déduite de la prescription de traitement non- linéaire. 2°) Dispositif (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de réaction (140) et/ou l'unité de correction de signal (160) ap- pliquent une prescription de traitement non-linéaire ou une prescription de traitement déduite de la prescription de traitement non-linéaire fondée sur une relation quadratique entre la grandeur d'entrée (v) et la grandeur de sortie (y, v). 3°) Dispositif (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de traitement (130) fournit le signal de traitement (y) comme signal discret dans le temps et/ou en valeur. 4°) Dispositif (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de traitement de signal (130) fournit en outre le signal de traitement (y) en utilisant ce même signal de traitement (y).355°) Dispositif (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de traitement de signal (130) comporte un filtre numérique (133) et un quantificateur (135) en aval du filtre numérique (133) dans le chemin du signal. 6°) Dispositif (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de correction de signal (160) est un filtre numérique. 7°) Dispositif (100) selon la revendication 1, caractérisé par un capteur (120) couplé à l'interface (110) et à l'unité de réaction (140, 150), - le capteur (120) fournissant le signal de capteur (x) sous l'action de la grandeur physique (u) et du signal de réaction (y). 8°) Dispositif (100) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le capteur (120) détecte le mouvement d'un élément micromécanique, notamment par la variation de la capacité du signal de capteur (x). 9°) Procédé (400) de correction du signal de capteur (x) comportant les étapes suivantes consistant à : - lire (410) le signal de capteur (x) de l'interface, ce signal de capteur (x) représentant une grandeur physique (u), - traiter (420) le signal de capteur (x) par l'unité de traitement de signal en fournissant un signal de traitement (y) en utilisant le signal de capteur (x) , - émettre (430) un signal de réaction (y) par une unité de réaction, ce signal étant fourni au capteur et l'unité de réaction fournit le signal de réaction (y) en appliquant une prescription de traitement non-linéaire au signal de traitement (y), et- corriger (440) le signal de traitement (y) par une unité de correction de signal pour obtenir un signal corrigé (y) en utilisant le signal de traitement (y), * l'unité de correction de signal déterminant le signal corrigé (y ) en utilisant la prescription de traitement non-linéaire ou une pres- cription de traitement déduite de la prescription de traitement linéaire. 10°) Produit-programme d'ordinateur comportant un code-programme pour la mise en oeuvre du procédé (400) selon la revendication 9 lorsque le programme est appliqué par un dispositif (100).15