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Effet des radiations cosmiques sur les systèmes numériques embarqués dans les véhicules automobiles

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Hajji, Thaweb (2021). Effet des radiations cosmiques sur les systèmes numériques embarqués dans les véhicules automobiles. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’utilisation de l’électronique embarquée dans le domaine de l’automobile ne cesse d’augmenter et surtout avec l’apparition des véhicules autonomes. Ce domaine se caractérise par des requis très sévères au niveau de la fiabilité des circuits intégrés, dont les circuits de type FPGA. Ces requis de fiabilité sont tels qu’il devient pertinent de s’interroger de l’effet de certaines sources de corruption habituellement négligées, comme les radiations cosmiques, sachant que les FPGA les plus répandus, ceux basés sur le mémoire statique, y sont particulièrement sensibles. Ceci oblige les chercheurs à développer des stratégies permettant à ces circuits de tolérer l’effet des radiations et d’améliorer leur fiabilité. Le développement de telles stratégies demande qu’elles soient validées tout au long du processus de conception, et idéalement le plus tôt possible.

Dans ce mémoire, nous validons des modèles structuraux de pannes à haut niveau d’abstraction, permettant d’imiter l’effet des événements singuliers (Single Event Upset, SEU) induits par les radiations cosmiques, et ainsi constater leurs influences très tôt dans le processus de conception. De manière plus spécifique, nous validons une stratégie qui suppose que l’injection de pannes aux entrées/sorties d’un bloc de haut niveau, à l’aide des modèles structuraux, mène à des résultats fautifs qui sont représentatifs de ceux qui seraient obtenus sur le même bloc, implémenté au niveau matériel, était soumis au rayonnement cosmique. Pour effectuer cette validation, un montage expérimental a été développé, selon une approche de type matériel dans la boucle (Hardware In the Loop, HIL). Ce montage implique un modèle de simulation Matlab/Simulink et une plaquette électronique contenant un circuit FPGA basé sur la mémoire statique. Dans ce dernier est implémenté un filtre de Sobel, pris pour la détection des obstacles dans le contexte de véhicules autonomes. Le circuit FPGA contient également un module commercial, le SEM, permettant l’émulation de SEU. Le modèle Matlab/Simulink permet de mesurer et comparer l’effet aux sorties du filtre des deux types de perturbations (SEU et modèles structuraux de pannes de haut-niveau). Ces mêmes effets sont mesurés et comparées à la sortie d’un bloc habituellement placé en aval du filtre de Sobel dans la détection des obstacles, à savoir une transformée de Hough. Des métriques de comparaison ont été décrites à cette fin. Cette étude a permis d’obtenir des résultats validant la stratégie d’injection des pannes à l’aide de modèles structuraux affectant les entrées/sorties d’un bloc, qui permet de couvrir les SEU injectés par le SEM.

Titre traduit

Effect of cosmic radiation on digital systems in automotive vehicles Effect of cosmic

Résumé traduit

The use of on-board electronics in the automotive field continues to increase and especially with the appearance of autonomous vehicles. This domain is characterized by very stringent reliability requirements for integrated circuits, including field-programmable gate arrays (FPGAs). These reliability requirements are such that it becomes relevant to investigate infield error sources that are usually neglected, such as cosmic radiation, knowing that the most popular FPGAs, the SRAM-based ones, are particularly sensitive to this error source. This requires researchers to develop strategies that allow these circuits to tolerate the effect of radiation and improve their reliability. The development of such strategies requires that they be validated throughout the design process, and ideally as early as possible.

In this thesis, we validate high-level structural fault models, allowing to mimic the effect of singular events (SEU: Single Event Upset) induced by cosmic radiation, and thus observe their influences very early in the design process. More specifically, we validate a strategy that assumes that applying these high-level structural fault models only at the inputs/outputs of a given block leads to faulty results similar to those obtained by bombarding the block with ionizing particles. An experimental setup has been developed to perform this validation. The setup is based on a Harware-In-the-Loop (HIL) approach. It contains a Matlab/Simulink simulation model as well as a SRAM-based FPGA board. The FPGA is used to implement a Sobel filter, which is often utilized in the detection of obstacles for autonomous cars. It is also used to implement an IP core, called SEM, allowing SEU emulation. The Matlab/Simulink model allows measuring and comparing the effects of both error sources (emulated SEUs and high-level structural fault models) at the Sobel filter output. The same effects are also measured and compared at the output of a block usually found downstream of the Sobel filter for obstacle detection, namely a Hough transform. The metrics used for these comparisons are described. The results validate the high-level fault injection strategy targeting block I/Os.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie électrique". Comprend des références bibliographiques (pages 132-137).
Mots-clés libres: injection de pannes, FPGA, rayons cosmiques, collé-à, Filtre de Sobel, transformée de Hough, Matlab/Simulink, saboteur, émulation
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Thibeault, Claude
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt: 10 janv. 2022 16:49
Dernière modification: 10 janv. 2022 16:49
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2811

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