Résumé— Cet article présente un module de CAO
microélectronique proposé dans le cadre de la formation de
5ème année en Génie Électrique à l'Institut National des
Sciences Appliquées de Strasbourg. Le contenu du cours
repose sur un projet de conception d'un circuit intégré mixte
devant remplir la fonction de « wattmètre ». Le module se
compose d'une partie théorique portant sur l'introduction au
langage de modélisation VHDL-AMS et la définition du cahier
des charges du projet, et d'une partie pratique de réalisation
du projet jusqu'au prototypage sur cible FPGA. Au delà du
cadre de l'initiation au langage de modélisation VHDL-AMS,
ce cours aborde des notions plus larges sur les méthodologies
de conception en microélectronique, le prototypage,
l'organisation et la gestion d'un projet et le travail d'équipe.
Mots clés— CAO microélectronique, modélisation, VHDL-
AMS, circuit intégré mixte, système sur puce, prototypage,
FPGA.
I.INTRODUCTION
E le pôle de MIcro et nanoélectronique du Grand-EST
(MIGREST) du CNFM propose un module de CAO
microélectronique aux étudiants en dernière année de
formation d'ingénieurs de l'Institut National des Sciences
Appliquées (INSA) de Strasbourg. Ce module s'inscrit dans
le cadre des projets de fin d'étude que doivent réaliser les
étudiants ayant choisi la spécialité Génie Électrique avec
option « Systèmes ».
L
La première partie de cet article présente le sujet du
projet. Les notions théoriques nécessaires à la réalisation de
ce projet, en l'occurrence le contenu du cours et
l'organisation des séances de cours et pratiques, sont
proposées dans la seconde partie. La troisième partie traite
de l'organisation du travail des étudiants, création de
groupes de travail, découpe hiérarchique, analyse du cahier
des charges. La dernière partie tente une analyse des
résultats avec quelques exemples de réalisation.
II.PRÉSENTATION DU SUJET DU PROJET
A.Contexte
Le sujet du projet, inspiré d'une problématique
industrielle réelle, porte sur la conception d'un « wattmètre »
intégré. Le principe de fonctionnement des compteurs
électriques conventionnels, utilisés par exemple pour la
tarification de la consommation électrique domestique,
repose sur l'utilisation de capteurs de courant et de tension
Manuscrit proposé aux Journées Pédagogiques de la Coordination
Nationale pour la Formation en Micro et nanoélectronique 2008.
associés à une électronique de conditionnement et
directement connectés à un microprocesseur. Ce dernier est
alors chargé d'effectuer tout à la fois la conversion
analogique-numérique et les opérations de calcul
(puissances actives et réactives, cos(ϕ), etc.). Une telle
structure montre très vite ses limites lorsqu'il s'agit de
produire à faible coût un compteur performant. Le corollaire
à ceci est un coût élevé lorsque des objectifs de
performances (précision et fonctionnalités) sont visés
puisque celles-ci sont conditionnées par l'utilisation d'un
processeur plus puissant (plus grande résolution du
convertisseur A/N, vitesse de calcul plus importante, etc.).
L'idée sous-jacente de ce projet consistait donc à
développer un circuit intégré en technologie CMOS
standard, et bas coût car produit en grand nombre, dédié au
pré-traitement des grandeurs électriques. Ce concept permet
d'augmenter les performances globales du compteur tout en
contenant les coûts du processeur puisque celui-ci peut
afficher des performances plus modestes, les données étant
pré-traitées en amont, et le cas échéant d'obtenir un produit
fini extrêmement versatile en terme de fonctionnalités. La
figure 1 montre la structure d'un tel compteur.
B.Structure du circuit intégré
Il s'agit d'un circuit de type ASIC (Application Specific
Integrated Circuit) mixte aux caractéristiques d'un système
sur puce. Son fonctionnement de base consiste dans un
premier temps à convertir en données numériques les
tensions provenant de deux capteurs placés sur un réseau
électrique monophasé. Ces capteurs ont pour rôle de fournir
des informations analogiques sur le courant et la tension de
ce réseau. Dans un second temps, les données numériques
servent à calculer la puissance sous une forme initialement
simplifiée (U∙I) puis à fournir le résultat également sous
forme numérique pour un traitement en aval par exemple au
moyen d'un DSP et/ou d'un microprocesseur. Des fonctions
annexes doivent permettre d'augmenter la souplesse
Fig. 1. Schéma bloc du compteur électrique.
V. Frick, Maître de conférences, Université Louis Pasteur – Strasbourg I