METHODE DE LOCALISATION ET SYNOPTIQUE D’ACQUISITION

Un système tactile est souvent composé de deux grandes parties : La surface sensitive et le système de localisation. La première partie du système proposé est présentée dans le chapitre précédent (chapitre 2). C’est une ligne de transmission qui détecte le toucher et qui peut être connectée via un unique port. C’est au circuit d’acquisition qu’elle doit être connectée, le second bloc du système tactile. Comment localiser le toucher suite à sa détection ? Quel algorithme permet de calculer sa position sur la ligne ? Et quel circuit électronique compact est déployé ? Ce chapitre a pour objectif de donner des réponses à ces trois questions en suivant cette démarche. Il est démontré (dans le chapitre 2) que le toucher engendre une désadaptation locale de la ligne qui crée une onde réfléchie. L’objectif est alors d’établir une méthode de localisation à partir d’une mesure de réflectométrie en entrée de ligne. A partir de la théorie des lignes, le système (ligne désadaptée par le toucher) est modélisé sous la forme quadripolaire qui permet d’établir les expressions théoriques nécessaires. Un algorithme de localisation est déduit. Ensuite, une méthode de localisation nécessitant une fréquence faible et une bande étroite est proposée. C’est la méthode nommée HDL (Harmonic Detection and Location). Elle satisfait à ces deux critères de base qui représentent ses points forts par rapport à la méthode traditionnelle de localisation TDR (Tab.1.5). Un système d’acquisition intégrable et compact est associé à cette méthode de localisation. Les critères qu’il doit satisfaire sont la simplicité, la réactivité et le faible coût qui sont tous reliés à la fréquence d’utilisation ainsi qu’à la bande passante. Pour la conception de ce circuit d’acquisition, des solutions matérielles sont évaluées pour l’implémentation de chaque fonction définie par l’algorithme de localisation. Le développement de méthodes de correction des défauts et des imperfections de l’électronique d’acquisition est aussi détaillé.

Principe d’acquisition

Coefficient de réflexion à l’entrée de la ligne

La dalle tactile est une ligne de transmission d’impédance caractéristique 50Ω. Elle est terminée par une charge ayant la même valeur de résistance (50Ω). Au repos (sans toucher), aucun signal n’est réfléchi puisque la condition d’adaptation est satisfaite. Mais, le toucher de la ligne engendre une désadaptation locale qui est la cause de création d’une onde réfléchie. (2.2.3. Notion d’adaptation et effet du toucher). Le coefficient de réflexion à l’entrée de la ligne est alors le paramètre qui contient des informations concernant le toucher. L’objectif de cette partie est d’établir l’expression de ce coefficient pour une ligne désadaptée par un toucher. Cette dernière est modélisée par la fig.3.1.Quand le doigt touche la ligne, son impédance en parallèle avec Zc est traduite par une charge Zl placée à une distance égale à d comme représenté dans la figure 3.1.a. C’est la distance qui sépare le doigt de l’entrée de la ligne de transmission. La seconde partie de la ligne, de longueur (l-d) reste bien adaptée à Zc . Elle peut, alors, simplement, être remplacée par une charge d’impédance Zc . La figure 3.1.b. montre la version simplifiée d’une ligne avec toucher. Elle présente deux charges Zl et Zc en parallèle à une distance d de l’entrée de la ligne. Ces charges peuvent être remplacées par une charge parallèle équivalente Zp qui satisfait la relation (3.1): (3.1) Il s’agit, alors, d’étudier une cascade formée de deux composants (fig.3.1.b) : – Une ligne de transmission d’impédance caractéristique Zc . – Et une charge parallèle Zp. C’est là où apparait l’intérêt d’utiliser la matrice « chaine » appelée aussi matrice ABCD. C’est une méthode de calcul spécialement dédiée aux problèmes où plusieurs (N) quadripôles sont mis en cascade (fig.3.2). La matrice chaine de l’ensemble des N quadripôles est simplement le produit des N matrices chaines. 

Principe de la méthode HDL (Harmonic Detection and Location) 

La phase du coefficient de réflexion est proportionnelle à la valeur de la fréquence f. Une représentation de la courbe de phase φ en fonction de f permet alors d’extraire d (la position du toucher) à partir de la pente de cette courbe (3.27). Un balayage en fréquence est alors proposé. La méthode (HDL) proposée est une méthode de réflectométrie fréquentielle « Annexe A » qui consiste à exploiter des signaux harmoniques dont les valeurs de fréquences couvrent la bande de fréquence de travail choisie [1,300] MHz. Un générateur de signaux sinusoïdaux est alors utilisé pour la commande du système de localisation. Ce dernier fonctionne dans une bande de fréquence étroite. Il ne nécessite ni une électronique à très haute vitesse ni extrêmement couteuse pour assurer la localisation du toucher. C’est ce qui permet d’établir l’analyse comparative entre la méthode HDL et TDR (tab.1.5). Et extraire les avantages de la méthode proposée. Cela est souligné par la simplicité de l’algorithme de localisation associé qui est présenté dans la partie suivante. 

Algorithme de localisation

 A la différence de la méthode PDFDR « Annexe A » dont la localisation est basée sur le calcul de FFT, notre méthode HDL s’appuie sur la représentation de la courbe de phase en fonction de la fréquence (fig.3.5)Cette courbe montre, d’une part, une pente négative (3.27). D’autre part, une périodicité en fonction d’une certaine valeur f0 est notée. C’est la valeur de φ modulo 2 qui est représentée. 

Validation du principe avec les simulations

Pour former le banc de simulation, une ligne de transmission adaptée à 50Ω et terminée par une charge de la même valeur est utilisée. C’est une ligne de type micro-ruban. Dans la bibliothèque du simulateur, elle est appelée « MLIN ». Pour ce type de ligne, une valeur d’impédance caractéristique de 50Ω est assurée en fixant la largeur du conducteur W à 3mm pour le cas d’un substrat FR4. Pour chaque ligne de transmission correspond un type prédéfini de substrat. Pour les lignes microruban, c’est le substrat MSUB. Tous ses paramètres peuvent être introduits. L’épaisseur du substrat (H), sa permittivité relative (εr), sa constante de perte (TanD) ainsi que l’épaisseur du conducteur (t) et sa conductivité (cond) (tous présents dans la fig.3.6). Pour la simulation des paramètres S, un boitier spécifique existe sous ADS. C’est le boitier « Sparameters » dans lequel la bande de fréquence (dans cas [10,300] MHz) est définie..La ligne de transmission est de longueur totale « dligne » fixée à 170 cm. Elle est divisée en deux morceaux (fig.3.6). A la position « dtouche », une perturbation locale de l’adaptation est émulée par la connexion d’un boitier « S1P_Eqn » qui remplace l’effet du toucher sur la ligne en présentant une impédance dont son coefficient de réflexion « Gammad » peut être imposé dans la simulation. Pour la localisation du toucher, la phase du paramètre S11 (coefficient de réflexion) est simulée, ensuite, l’équation (3.34) est appliquée.