Réalisation de systèmes de capteurs
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Réalisation de systèmes de capteurs une approche pratique Germán Fabregat Universitat Jaume I – Castellón – Espagne Sommaire • Présentation • Laboratoire et projets • Conception et réalisation de systèmes de capteurs • Microcontrôleurs • Interfaçage avec l’extérieur • Réalisation matériel • Exemples pratiques • Carte InfoInd • Capteur pour Javalambre Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Présentation Germán Fabregat • Profesor Titular, domaine : Arquitectura y Tecnología de Computadores • Plus de 20 ans d’expérience en conception de systèmes embarqués • Responsable du Laboratoire de Systèmes Numériques Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Le Laboratoire de Systèmes Numériques Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Le Laboratoire de Systèmes Numériques • Outils pour la fabrication de circuits électroniques • Projets de recherche, projets industriels, stages d’étudiants Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Quelques projets récents Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Mesure de la consommation Microcontrôleur PIC18 avec 2 MSSP et EUSART Stockage en MicroSD et communication WiFi Mesure de paramètres électriques par circuit spécialisé (ADE7953) Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Mesure de la consommation Origine de la société Energy Apps issue de l’Université Jaume I Aides du Venture Support Program et autres programmes Actuellement en processus de fabrication Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Pont de télephonie analogique-numérique Processeur dsPIC33 pour traitement du signal CODEC audio avec bus DCI WM8510 CAN, USB, module SLIC, audio et téléphonie Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Pont de télephonie analogique-numérique Prototypage pour la société Nayar Systems SL Communication audio dans les ascenseurs Environ 1000 unités installées par mois Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Carte InfoInd : Informatique industrielle Carte développement avec PIC18 Relais, drivers, CAN. Dispositifs industriels Dispositifs SPI et I2C. Convertisseurs, mémoire, RTC… Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Carte InfoInd : Informatique industrielle Conçue pour les TP d’Informatique Industrielle Plusieurs dispositifs et possibilités de configuration 2 filières, 4 matières, plus de 100 étudiants par an Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Réseau de capteurs Nœud capteur pour le réseau de Javalambre Carte Arduino Mini Pro et module sans fil nRF24L01+ Carte système avec RTC, alimentation, capteurs… Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Réseau de capteurs Projet de recherche, personnel et familial Intérêt de la Consejería de Medio Ambiente de Aragón Système base pour plusieurs applications Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Conception et réalisation de systèmes de capteurs • Microcontrôleurs • Interfaçage avec l’extérieur • Réalisation matériel Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Microcontrôleurs Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Microcontrôleurs • Computer on a chip • Unité centrale de traitement • Mémoire RAM et ROM (Flash) • Unités et dispositifs - E/S • Ventes annuelles par milliards • Moins coût, plus puissance • Adaptés aux nouvelles applications • Plusieurs architectures et familles • Atmel AVR – Microchip PIC18 Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Microcontrôleurs Architecture Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Microcontrôleurs Architecture • Architecture Harvard, exécution d’instructions en 1 cycle • Jeu d’instructions spécialisé, adapté a l’entrée/sortie • Unités additionnelles, dispositifs d’entrée/sortie, circuits analogiques… Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Microcontrôleurs Mémoire Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Microcontrôleurs Mémoire • RAM pour données et ROM Flash pour instructions • Registres de l’architecture et des dispositifs • Mémoire dans la puce, suffisante mais limitée Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Microcontrôleurs • Le compilateur/système de développement gère cette complexité-là • Il faut la connaître pour bien maîtriser nos applications Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Microcontrôleurs Entrée/sortie Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Microcontrôleurs Entrée/sortie • Interruptions, temps, GPIO, dispositifs… • Relation du microcontrôleur avec le monde extérieur • Noyau du système capteur Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur • Configuration des pins • Entrée, sortie numérique • Entrée analogique • Plusieurs fonctions multiplexées • Caractéristiques électriques • • • • Haute impédance, grand courant Résistance de rappel (pull-up) Collecteur ou drain ouvert Bascule de Schmitt Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur Paramètre Min. Max. Unité VIL VSS 0.15 VDD V VIH 0.25 VDD + 0.8 VDD V IIL -- ±1 μA VOL -- 0.6 V VOH VDD - 0.7 -- V IOL -- 25 mA IOH -- -25 mA Maximum current sunk by all ports Maximum current sourced by all ports 200mA 200mA Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur Il suffit avec la loi d’Ohm Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur ∞ Allumé avec 1 Allumé avec 0 Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur VOH VDD - 0.7 -- V VDD = 5V .. Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur • Il n’existe pas une intensité infinie • VOH descend au-dessous du niveau logique acceptable • On risque de brûler les circuits du pin Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur DD Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur Transistor bipolaire Collecteur Base Saturation VCE < 0.3V Linéaire IC = hFE IB IC IB Émetteur Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur CMAX B C B Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur CMAX BMIN !" #$ B BMIN 0.6 - 0.7 V BC546B B %& Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur Solutions intégrées Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur Traitement des entrées Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur • Traitement des entrées • Intensité d’entrée négligeable • Résistance de rappel (pull-up) pour fixer le niveau logique • Intégrée souvent dans le circuit • Traitements spécialisés • Adaptation de niveaux électriques et protection • Bascule de Schmitt Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur Adaptation de niveaux électriques et protection Diviseur de tension Parfois intégrée VPIN = VEXT R2 R1 + R2 0.6 < VPIN < VCC + 0.6 Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur Bascule de Schmitt • Sortie numérique pour une entrée analogique quelconque • Signaux de synchronisation, horloge, interruptions… Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur Plusieurs applications, besoins et dispositifs Interfaçage avec 220V CA Triac Optocoupleurs divers Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur Plusieurs applications, besoins et dispositifs Pont en H pour contrôle de moteurs CC Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur • Dispositifs numériques plus ou moins intelligents • Réseaux, bus haut niveau (CAN) • Communication série RS232 avec niveaux logiques (USART) • USB dispositif (device), maître (host) ou OTG. • Bus d’E/S SPI et I2C • Implémentation logiciel du protocole Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur Implémentation logiciel du protocole Protocole standard de 4 ou 8 bits pour écrans alphanumériques LCD (Hitachi) Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur • Bus d’entrée/sortie SPI et I2C • Bus simples, série et synchrones, à niveau de carte de circuit • Protocole gère par le matériel et le logiciel à niveau de registres E/S • Implémentés en la plupart des microcontrôleurs • Dispositifs: capteurs, RTC, modules de communications, écrans… Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur • Le bus SPI • Un maître et plusieurs esclaves • Full-duplex obligatoire. On émet et reçoit au même temps • Protocole très simple • Trois lignes (plus sélections): • • • SDI – MISO (entrée du maître) SDO – MOSI (sortie du maître) SCK (horloge) Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur Le bus SPI Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur • Le bus I2C • Plusieurs maîtres, plusieurs esclaves • Half-duplex, protocole matériel compliqué • Deux lignes partagées drain-ouvert • • SDA (données) SCL (horloge) Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur Le bus I2C Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Interfaçage avec l’extérieur Le bus I2C Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Réalisation matériel • Conception du système • Choix du microcontrôleur • • Expérience avec l’architecture Mémoire, pins, dispositifs… • Périphériques • • • Nécessités de l’application Expérience Essai • Autres circuits • • Alimentation … Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Réalisation matériel Schéma électronique Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Réalisation matériel • Choix de la technologie • Composants montés en surface • • • Prototypage plus difficile Fabrication plus économique Besoin pour certains composants • Composants traversants ou trad • • Plus faciles à manipuler et pour prototyper avec eux Ne pas possible avec nombreux circuits Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Réalisation matériel Carte de circuit imprimé Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Réalisation matériel • Outils de prototypage de cartes • Perceuse fraiseuse • • Dispositif cher Maintenance simple • Méthodes chimiques • • Problème avec les réactifs Besoin de percer les trous • Plus d’une couche • Métallisation des trous difficile Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Réalisation matériel Perceuse fraiseuse Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Réalisation matériel Perceuse fraiseuse Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Réalisation matériel • Fabrication externe des cartes • • • • • Délais en la réalisation Numéro minimal d’unités Correction des erreurs Prix chaque fois moins chers Offre de fabricants plus grande (ne pas tous en Chine) Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Réalisation matériel Fabrication externe Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Réalisation matériel Fabrication externe Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Réalisation matériel • Prototypage manuel • Cartes commerciales avec pistes régulières • Capacités et habilités requises • Problèmes avec les composants en surface et les ne pas standard • Solution économique et rapide Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Réalisation matériel Prototypage manuel Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Réalisation matériel Prototypage manuel (composants en surface) Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Réalisation matériel Prototypage manuel Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Exemples pratiques • Carte InfoInd • Capteur pour Javalambre Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Carte InfoInd • Spécification de l’application • Carte pour les TP d’Informatique Industrielle • Diversité d’applications • Caractéristiques de la carte • Usable et configurable • Entrée/sortie industrielle • Dispositifs et systèmes ordinaires Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Carte InfoInd • Conception de la carte • PIC18F4685 avec bus CAN • Dispositifs industriels • • Deux relais 4 sorties de 1.5A avec ULN2065B • Dispositifs SPI et I2C • • DAC, microSD et module nRF24L01 RTC MCP7940M • Régulateur à 5V et source à 3V3 Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Carte InfoInd • Technologie de la carte • Choix de composants traversants • • Taille de la carte pour son manipulation Évidence des composants • Composants discrets • • Transistors, LEDs, diodes Faciliter la vérification des aspects de la conception électronique Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Carte InfoInd Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Carte InfoInd Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Capteur pour Javalambre • Spécification de l’application • Nœud capteur dans un réseau • Caractéristiques de la carte • • • • Petite taille Communication sans fil Mesure de diverses capteurs Nœud autonome • • Basse consommation Alimentation avec batterie et solaire Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Capteur pour Javalambre • Conception de la carte (I) • Module Arduino Pro Mini • • Économique et petit Développement rapide • Dispositifs capteurs • • • Humidité et température Humidité du sol Irradiation solaire Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Capteur pour Javalambre • Conception de la carte (II) • Alimentation • • Chargeur solaire du batterie Régulateur à 3V3 • Consommation • • Horloge temps réel comme réveille du mode de basse consommation Mesure de la consommation • Technologie en surface pour taille Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Capteur pour Javalambre Capteur RHT03 Température humidité Arduino Pro Mini HTR MCP7940 Panneau solaire Batterie LiPo Chargeur de batterie MCP73832 Module nRF24L01 Humidité du sol (diviseur et amplificateur) Régulateur MCP1725 Consommation (externe) Mesure d’intensité ZXCT1022 Réalisation de systèmes de capteurs - une approche pratique Réalisation de systèmes de capteurs une approche pratique Merci pour votre attention Questions?
