LQTMY-Tanger M.SALMANI Capteurs analogiques 1. Définition Un capteur est un transducteur qui permet de convertir une grandeur physique à mesurer (température, vitesse, humidité, pression, niveau, débit, ...) en une autre grandeur physique mesurable. Un capteur est dit analogique s’il fournit un signal de sortie, courant ou tension, de type analogique. Ce signal évolue continuellement dans le temps et suit les variations de la grandeur physique d’entrée. Il peut prendre une infinité de valeurs entre deux valeurs limites. Figure 1 Grandeur physique à mesurer Capteur Grandeur physique mesurable 2. Classification Les capteurs analogiques sont classés en deux familles : les capteurs passifs et les capteurs actifs. 21. Capteurs passifs Il s'agit généralement d'impédance dont l'un des paramètres déterminants est sensible à la grandeur mesurée. La figure 2 résume les paramètres caractéristiques pour chaque type de capteur passif. Figure 2 Grandeur de traduction R C L Transformations possibles Résistance R : R=f(, L, S). résistivité, L longueur, S section. Capacité C : C=f(S, e, ). S surface des armatures, e distance entre armatures, permittivité. Inductance L : L=f(L, S, n, ). L longueur de la bobine, S surface d’une spire, n nombre de spires, perméabilité. Remarque : Les capteurs passifs sont souvent associés aux conditionneurs pour réaliser la mesure de la grandeur physique sous forme d’un signal électrique. Les conditionneurs les plus généralement utilisés sont : Pont diviseur de tension (montage potentiométrique). Pont de « Wheatstone ». Circuit oscillant dont la fréquence d’oscillations est fonction de l’impédance du capteur. Amplificateur dont le gain est paramétré par l’impédance du capteur. 22. Capteurs actifs Fonctionnant en générateur, un capteur actif est généralement fondé dans son principe sur un effet physique qui assure la conversion en énergie électrique de la forme d'énergie propre à la grandeur physique à mesurer : énergie thermique, mécanique ou de rayonnement. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 1 LQTMY-Tanger M.SALMANI Capteurs analogiques 3. Effets physiques les plus classiques 31. Effet piézoélectrique : Figure 3a L'application d'une force et plus généralement d'une contrainte mécanique sur une lame de quartz entraîne une déformation du cristal qui donne naissance à une tension électrique e=k.F. Cet effet est exploité pour la mesure de force, pression, etc. 32. Effet photoélectrique : Figure 3b Le principe se base sur la libération de charges électriques dans la matière sous l'influence d'un rayonnement lumineux (éclairement) ou plus généralement d'une onde électromagnétique e=k.Φ. Cet effet est exploité pour la mesure du flux lumineux. 33. Effet thermoélectrique : Figure 3c Le principe de la mesure est basé sur l’association de deux fils en métaux de nature différente (fer et cuivre par exemple) connectés à leurs deux extrémités. Un courant continu circulera dans la boucle ainsi formée s’il y a une différence de température entre les extrémités appelées « jonctions » ou « soudures ». On distingue la jonction chaude portée à la température Tc et la jonction froide portée à la température Tf. La tension obtenue e est directement liée à la différence de température et un coefficient dépendant de la nature des deux métaux constituant le thermocouple e=.(Tc-Tf)=.T L’application directe de l’effet est la mesure de la température Tc dans le cas où Tf=0 °C thermocouple. 34. Effet Hall : Figure 3d Un barreau de semi-conducteur soumis à un champ magnétique uniforme B et traversé par un courant I, est le siège d'une force électromotrice e sur deux de ses faces. C’est la tension de Hall définie par la relation e=(RH.I.B)/d avec : RH : Constante de Hall (dépend du semi-conducteur). I : Intensité du courant(A). B : Intensité du champ magnétique(T). d : Epaisseur du barreau de silicium(m). Si on maintient le courant I constant, on a donc une tension proportionnelle au champ magnétique B : e=k.B avec k=RH.I/d d’où la mesure de l’intensité du champ magnétique. 35. Effet d’induction électromagnétique : Figure 3e Lorsqu’un conducteur se déplace dans un champ d’induction fixe B, il est le siège d'une force électromotrice e proportionnelle au flux magnétique coupé par unité de temps, donc à sa vitesse de déplacement : e=k.. La mesure de la tension d’induction e permet de connaître la vitesse du déplacement qui est à son origine. Figure 3 Eclairement Φ 3a i 3b 3c Fer 3d Force Matière e e Cuivre Cristal I Jonction Tc Jonction Tf V e Cuivre d B B I e 3e B e Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 2 LQTMY-Tanger M.SALMANI Capteurs analogiques 4. Capteurs de température 41. Résistances thermoélectriques RTD 411. Principe Les capteurs de température RTD (Resistance Temperature Detector) sont basés sur la variation de la résistivité de certains matériaux en fonction de la température : C’est l’effet thermorésistif. 412. Classification Selon la nature du matériau utilisé, Les capteurs de température RTD sont classés en deux familles : Les thermistances et les résistances thermoélectriques métalliques. 413. Thermistances Les thermistances sont des composants semi-conducteurs. La valeur nominale de la résistance d’une thermistance est donnée pour la température nominale de 25 °C. On distingue deux types de thermistances : Thermistances CTN (Coefficient de Température Négatif) ou NTC : leur résistance diminue lorsque la température augmente et vice versa. Thermistances CTP (Coefficient de Température Positif) ou PTC : leur résistance augmente lorsque la température croît et inversement. La figure 4a représente un exemple de caractéristique d’une thermistance CTN. Pour traduire la température mesurée sous forme d’un signal électrique, on utilise, à titre d’exemple, le montage conditionneur de la figure 4b. On aura ainsi une tension Vs image de la température mesurée VS=VCC.[RCTN/(RCTN+R)] Figure 4 T : Température en °K R0 : Résistance à T0=298 °K : Constante en °K CTN R (K) - 100 +VCC 4a 4b R CTP RCTN 20 + Symboles 1 -50 25 - VS T (°C) 200 0V 414. Résistances thermoélectriques métalliques Ce sont des composants à base des métaux tels que le platine, le cuivre, ou le nickel. La sonde Pt100 est le modèle le plus répondu. Elle offre une résistance de 100 pour T=0 °C. L’expression approchée de la résistance d’une sonde métallique en fonction de la température T en °C est : R(T)=R0.(1+.T) avec : R0 valeur de référence en et coefficient de température du matériau en /°C La figure 5a montre un exemple de caractéristique d’une sonde Pt100 Figure 5 R () 5a 350 293 216 + Pt100 100 Symbole 23 -200 -100 Sciences et technologies électriques Niveau 2ème 0 100 200 300 400 500 600 650 Sciences de l’ingénieur T (°C) Unité ATC 3 LQTMY-Tanger M.SALMANI Capteurs analogiques 42. Circuits intégrés spécialisés IL existe des composants électroniques spécialisés, conçus pour la mesure de température. Ces circuits permettent d’avoir une tension qui varie linéairement avec la température. On propose le LM335, à titre d’exemple, qui se loge dans des différents types de boîtiers comme l’indique la figure 6a. La figure 6b illustre la caractéristique du LM335 donnant la tension Vz image de la température T. Pour mettre en œuvre le LM335, on propose le montage de la figure 6c avec : La résistance R doit être déterminée de telle sorte que Iz soit compris entre 0,4 mA et 5 mA. Le potentiomètre P est facultatif. Il permet d’ajuster la tension du 0 °C (décalage). Figure 6 Iz 6a Vz Symbole VCC 6b Vz (V) 3,73 6c R 2,73 2,33 T (°C) -40 0 100 Iz Vz P 0V 43. Thermocouples Ce sont des couples de métaux qui exploitent le principe de l’effet thermoélectrique pour la mesure de température dans une large gamme. Ils sont normalisés et codifiés par des lettres : K, J, T, N, E, S, R et B. La figure 7a montre un exemple de caractéristiques de quelques thermocouples. Figure 7 fem (mV) 7a Symbole T (°C) 5. Capteurs de lumière 51. Photorésistance LDR Pour certains matériaux, la résistivité dépend du flux lumineux incident sur le matériau : C’est l’effet photorésistif. La LDR (Light Dependent Resistor) est un résistor qui possède une résistance qui varie en fonction de l’intensité lumineuse reçue : Elle est très élevée dans l’obscurité (de 1 à 100 M), puis elle diminue pour atteindre quelques centaines d’Ohms sous un éclairement intense (103 lux par ex). La figure 8a représente un exemple de caractéristique d’une photorésistance donnant sa résistance en fonction de l’éclairement E. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 4 LQTMY-Tanger M.SALMANI Capteurs analogiques Figure 8 R (K) 8a 100 LDR 1 0,3 Symbole 1 E (lux) 1000 100 52. Photodiode PD C’est une diode à jonction qui fonctionne en polarisation inverse. Son boîtier est transparent à une de ses extrémités et comporte une lentille convergente pour la concentration des rayons lumineux. Ces rayons éclairent la jonction, créant un courant inverse, appelé courant photoélectrique, qui est proportionnel à l’intensité lumineuse reçue. La figure 9a représente un exemple de caractéristique d’une photodiode donnant le courant qui la traverse en fonction du rayonnement. Figure 9 I 9a I (µA) V 200 PD Symbole 0 55 E (Klux) 6. Capteurs potentiométriques de déplacement Les potentiomètres permettent de réaliser des capteurs simples pour la mesure de déplacements linéaires ou angulaires d’un objet. Pour aboutir à cette fin, il suffit de relier l’objet mécaniquement au curseur C d’un potentiomètre et d’appliquer une tension continue VCC entre ses extrémités A et B (conditionneur). Pour la mesure de déplacements rectilignes, on utilise les potentiomètres linéaires (voir figure 10a) : R1=R.(L/L0), R2=R.(L0-L/L0) et VS=VCC.L/L0=k.L avec k=VCC/L0 : sensibilité du capteur en Volt/mètre. La mesure d’angles de rotations utilise les potentiomètres rotatifs monotour ou multitours (figure 10b) : R1=R.(θ/θ0), R2=R.(θ0-θ/θ0) et VS=VCC.θ/θ0=k.θ avec k=VCC/θ0 : sensibilité du capteur en Volt/degré. L’inconvénient majeur de ce type de capteurs est l’usure dûe aux frottements mécaniques, ce qui limite leur durée de vie étroitement liée au nombre de manœuvres. Figure 10a VCC R A L C L0 R2 R1 B A C B R : Résistance totale du potentiomètre L : Déplacement relatif à la position du curseur L0 : Course totale du potentiomètre Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur R2 R1 VS 0V Unité ATC 5 LQTMY-Tanger M.SALMANI Capteurs analogiques Figure 10b VCC R θ0 θ A B A R2 R1 C C R : Résistance totale θ : Angle de rotation θ0 : Course totale R2 B R1 VS 0V 7. Capteurs à base de jauges d’extensiométrie 71. Présentation Les jauges extensiométriques, dites aussi jauges de contrariantes, permettent de déterminer les efforts dans les matériaux. Elles sont à l’origine de toutes sortes de capteurs de force, de couple, de pression, etc. Figure 11 R+R R-R Symboles Modèle d’une jauge simple Modèle à deux jauges Modèle à quatre jauges jauge à membrane 72. Constitution La jauge est constituée d'une piste résistive miniaturisée collée sur un support isolant (substrat) en résine, le tout est collé sur le corps d’épreuve qui subira la déformation à mesurer. La jauge consiste en des spires jointives généralement fabriquées à partir d’une mince feuille métallique (quelques µm d’épaisseur). Le support et le corps d’épreuve doivent être souples et élastiques. Figure 12 Support Piste résistive Corps d’épreuve 73. Principe de base La résistance d’un conducteur est donnée par la relation R=(.l)/s. La déformation du conducteur (jauge), modifie la longueur l entraînant une variation de la résistance R. La relation générale pour les jauges est (R/R0)=k.(l/l) où k est le facteur de la jauge qui dépend du matériau de celle-ci et de la température, il caractérise la sensibilité de la jauge. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 6 LQTMY-Tanger M.SALMANI Capteurs analogiques 74. Fonctionnement d’une jauge simple La figure 13 illustre le fonctionnement d’une jauge de déformation lors d’un effort de traction. Remarque : Dans le cas d'une contraction, la résistance de la jauge serait (R0-R). Figure 13 Résistance mesurée R0 Support Corps déformable Résistance mesurée R0+R Piste résistive Longueur l Longueur l+l Corps ayant subi un étirement (effort de traction) Corps au repos (pas d’allongement) 75. Conditionneur du signal : Pont de Wheatstone Qu’elle soit métallique ou en matériau semi-conducteur, une jauge reste un composant purement résistif, il faut l'associer à un circuit électrique pour obtenir une tension image de la déformation. Le circuit souvent utilisé est appelé pont de Wheatstone dont le schéma du montage est celui de la figure 14a avec : R0 : Résistance réglée à la valeur R0 de la jauge au repos. RJ : Résistance de la jauge de valeur égale à R0+R. R : Résistances quelconques mais identiques. On démontre que VS=VCC.R/(4R0+2R). Généralement, la variation R est très petite devant R0, la relation se simplifie alors pour devenir quasi-linéaire VS=VCC.R/4R0=k.R. La tension de sortie est par conséquent proportionnelle aux variations de résistance et donc à celles de la contrainte. Remarque : On peut améliorer la sensibilité et la linéarité du dispositif en utilisant un pont à deux résistances et deux jauges symétriques (voir figure 14b) : La 1ère jauge RJ1=(R0+R) et la 2ème jauge RJ2=(R0-R). Il est même possible d'utiliser un pont à quatre jauges symétriques pour avoir une parfaite linéarité et éviter le problème de dérive avec la température (voir figure 14c). Figure 14 14a R0 VS VCC R0 R0 14b R0 VS VCC RJ Montage en quart de pont RJ2 14c RJ1 VCC R0 RJ1 Montage en demi pont RJ2 VS RJ3 RJ4 Montage en pont complet 76. Applications Parmi les capteurs construits à base des jauges extensiométriques, on cite à titre d’exemple les capteurs de force (figure 15a), de couple (figure 15b) et de pression (figure 15c). Figure 15 15a 15c 15b Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 7 LQTMY-Tanger M.SALMANI Amplification 1. Amplificateur opérationnel 11. Présentation Un amplificateur opérationnel « AOP » est circuit linéaire intégré. C’est un composant constitué principalement de transistors et d’éléments électroniques de base (diodes, résistances,…). Son symbole est celui de la figure 1a. Un AOP est caractérisé par : Une entrée non inverseuse V+. Une entée inverseuse V-. Une sortie Vs. Le fonctionnement de l’AOP nécessite souvent deux tensions d’alimentation symétriques +Vcc et –Vcc. Ces deux tensions sont appliquées sur deux bornes du circuit(voir figure 1b). Figure 1 V+ Vs - V V+ V- 1a +Vcc Vs Vd ∞ Vs V+ 1b -Vcc V- 12. Brochage L’AOP se matérialise par un circuit intégré et se trouve dans un boîtier standard de 8 broches qui contient 1 seul AOP(voir figure 2a). On cite à titre d’exemple le TL081 et le TL071. Il existe aussi des boîtiers standards qui contiennent : 2 AOP(voir figure 2b) tels que le TL082 et le TL072. 4 AOP(voir figure 2c) tels que le TL084 et le TL074. Figure 2 2a 2b 2c 13. Modèle équivalent d’un AOP Un amplificateur opérationnel peut être modélisé conformément au schéma de la figure 3 : Red : Résistance d’entrée différentielle. Rs : Résistance de sorite. Ad : Amplification différentielle. Dans le cas réel, Red et Ad sont généralement très grandes et Rs très faible. Pour le TL081 par exemple, le constructeur donne Ad=2.105, Red=106MΩ et Rs=50Ω. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 11 LQTMY-Tanger M.SALMANI Amplification Figure 3 I+ V+ Red Vd Rs Ad.Vd - I Vs V- 14. Caractéristique de transfert Vs=f(Vd) De façon générale, on peut écrire : Vs=Ad.(V+-V-)=Ad.Vd où : Ad présente l’amplification différentielle. Vd est la tension différentielle Vd=V+-V-. L'examen de la caractéristique de transfert donnée à la figure 4a fait apparaître deux modes de fonctionnements : Régime linéaire d'amplification où Vs=Ad.Vd. Régime non linéaire de saturation où Vs peut prendre deux valeurs : Vs=+Vsat si Vd > +Vsat/Ad. Vs=-Vsat si Vd < -Vsat/Ad. +Vsat et –Vsat présentent respectivement la tension de saturation positive et négative de l’AOP. Elles dépendent des tensions d’alimentation de l’AOP et on a toujours Vsat<Vcc. Pour le TL081, on a Ad=2.105. Si on suppose que Vcc=15V ⇒ Vsat=13V, l’intervalle du régime linéaire est tel que -65µV<Vd<+65µV. 15. Amplificateur opérationnel parfait Un amplificateur opérationnel parfait est caractérisé par : Une amplification différentielle Ad infinie(Ad=∞). Une résistance d’entrée différentielle Red infinie(Red=∞). Une résistance de sorite Rs nulle(Rs=0). Les conséquences pratiques de l'AOP parfait seront les suivantes : Dans le régime linéaire spécifique à l’amplification, on a Ad=∞ ⇒ Vd=Vs/Ad=0 ⇒ V+=V-. Dans les deux régimes, linéaire et non linéaire, on a Red=∞ ⇒ I+=I-=0. La caractéristique de transfert Vs=f(Vd) est celle de la figure 4b. Figure 4 Vs 4b 4a +Vsat -Vsat/Ad Ad +Vsat/Ad Vd Vs +Vsat -Vsat Vd -Vsat Zone non linéaire Zone linéaire Zone non linéaire Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 12 LQTMY-Tanger M.SALMANI Amplification 2. Modes de Fonctionnement de l’AOP 21. Fonctionnement en régime linéaire ou d’amplification Ce mode de fonctionnement s’effectue avec un bouclage(contre réaction) de la sortie Vs sur l’entrée inverseuse V-. Ce bouclage est réalisé soit par un composant(R, L, C, diode, transistor,…), soit par une liaison directe. En considérant l’AOP parfait, les relations à tenir en compte sont V+=V- et I+=I-=0. 22. Fonctionnement en régime non linéaire ou de commutation Ce régime s’établit lorsque l’entrée non inverseuse V+ est reliée à la sortie Vs(réaction positive) ou tout simplement quand l’AOP fonctionne en boucle ouverte(comparateur). En considérant l’AOP parfait, les relations à tenir en compte sont I+=I-=0, Vs=+Vsat si V+>V- et Vs=-Vsat si V+<V-. 3. Limites d’utilisation de l’AOP 31. Limite en tension Un accroissement abusif de la tension d’entrée provoque la saturation de la tension de sortie et se traduit par un écrêtage de cette dernière. La valeur limite ou maximale de la tension de sortie est Vsat qui dépend fortement de la tension d’alimentation(Vsat est estimée à 90 % de Vcc). La figure 5a illustre le phénomène d’écrêtage pour une entrée sinusiodale. Si par exemple Vs=Av.Ve alors on veuille à ce que Ve soit inférieure à Vemax tel que Vemax=Vsat/Av. Exemple : Vsat=13V, Av=10 ⇒ Vemax=1,3V. 32. Limite en courant Le constructeur précise la valeur maximale du courant de sortie Ismax que peut débiter un AOP en sortie. En général, le courant Ismax est de l’ordre de 20mA à 30mA. Cette valeur limite la charge RL que peut alimenter l’AOP. Une diminution de RL cause la saturation du courant de sortie et se traduit par un écrêtage de la tension de sortie à une valeur Vsmax inférieure à Vsat. Donc, on veuille à ce que RL soit supérieure à la valeur minimale RLmin telle que Ismax=Vsmax/RLmin. Exemple : Vsmax=5 V, Ismax=20mA ⇒ RLmin=250Ω. 33. Limite en fréquence La rapidité d’un signal périodique est chiffrée par sa fréquence : un signal est d’autant plus rapide que sa fréquence est élevée. Un AOP est limité en fréquence. Cette contrainte est dûe aux deux paramètres caractéristiques de l’AOP : Vitesse de balayage ou de montée (slew rate) : Cette vitesse limite la montée et la descente rapide du signal de sortie et exprimée en V/µS. Exemple : Pour le TL081, le constructeur fixe le slew rate à 13V/µS. Donc, on veuille à ce que la vitesse d’évolution en tension de sortie soit inférieure à la valeur imposée par le fabriquant(∆Vs/∆t<slew rate), sinon il y aura une déformation du signal de sortie comme l’indique la figure 5b. Bande passante (Bandwith) : C’est l’intervalle de fréquence dans lequel l’AOP est supposé fonctionner correctement. Le constructeur définit le facteur de mérite qui est égale au produit gain*bande passante de l’AOP. Donc, on peut définir le paramètre Bw par l’expression suivante : Bw= Av.Fc avec Av étant l’amplification de l’AOP et Fc présente la fréquence de coupure(fréquence maximale d’utilisation de l’AOP). Exemple : Pour le TL081, le constructeur fixe Bw à 3MHz. Si on choisit une amplification Av=10, la fréquence maximale d’utilisation de l’AOP est telle que Fc=Bw/Av, soit Fc=3 106/10=300 KHz. On déduit alors que en augmentant Av, Fc diminue et inversement. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 13 LQTMY-Tanger M.SALMANI Amplification Figure 5 Ve 5a Ve 5b t Vs +Vsat t Vs Vs t Vs Vs t t t -Vsat t Cas d’une entrée sinusiodale Cas d’une entrée de forme carré 4. Applications linéaires de l’AOP 41. Montage suiveur (figure 6a) On a : V+=Ve et V-=Vs. AOP parfait ⇒ V+=V- ⇒ Vs=Ve ⇒ Av=1. Le montage suiveur présente un cas particulier d’amplification qui est égale à l’unité. Un tel montage sert pour l’adaptation d’impédances. 42. Montage convertisseur courant/tension (figure 6b) En appliquant la loi d’Ohm, on a R.Ie=V--Vs. AOP parfait ⇒ V+=V-=0 ⇒ R.Ie=-Vs ⇒ Vs=-R.Ie ⇒ Vs=k.Ie avec k=-R présente le coefficient de conversion. La tension de sortie Vs est bien une image du courant d’entrée Ie. 43. Montage convertisseur tension/courant (figure 6c) AOP parfait ⇒ V+=V-=Ve et I+=I-=0. En appliquant la loi d’Ohm, on a R.Is=Ve ⇒ Is=Ve/R ⇒ Is=k.Ve avec k=1/R. Le courant de sortie Is est d’une part indépendant de la charge RL, et d’autre part il est image de la tension d’entrée Ve. 44. Montage amplificateur inverseur (figure 6d) En appliquant le théorème de la superposition, on a V-=[(Ve.R2)+(Vs.R1)]/(R1+R2). AOP parfait ⇒ V+=V-=0 ⇒ (Ve.R2)+(Vs.R1)=0 ⇒ Vs=(-R2/R1).Ve ⇒ Av=-R2/R1. Figure 6 R 6a A Ve Ve A Vs A RL Is R Sciences et technologies électriques 6b Ie Vs R2 6c R1 Ve Niveau 2ème 6d A Vs Sciences de l’ingénieur Unité ATC 14 LQTMY-Tanger M.SALMANI Amplification 45. Montage amplificateur non inverseur (figure 7a) En appliquant le pont diviseur de tension, on a V-=Vs.R1/(R1+R2). AOP parfait ⇒ V+=V-=Ve ⇒ Ve=Vs.R1/(R1+R2) ⇒ Vs=[1+(R2/R1)].Ve ⇒ Av=1+(R2/R1). 46. Montage soustracteur (figure 7b) En appliquant le théorème de superposition, on a V-=[(Ve2.R2)+(Vs.R1)]/(R1+R2). En appliquant le pont diviseur de tension, on a V+=Ve1.R2/(R1+R2). AOP parfait ⇒ V+= V- ⇒ Ve2.R2+Vs.R1= Ve1.R2 ⇒ Vs=(R2/R1).(Ve1-Ve2) ⇒ Av=R2/R1 Si on suppose que R2=R1 on aura Vs=Ve1-Ve2 ⇒ Le montage réalise ainsi la fonction mathématique soustraction. 47. Montage additionneur inverseur (figure 7c) En appliquant le théorème de Millman, on a V-=[(∑ (Vei/Ri))+(Vs/R0)]/[(∑(1/Ri))+(1/R0)]. AOP parfait ⇒ V+=V-=0 ⇒ (∑ (Vei/Ri))+(Vs/R0)]=0 ⇒ Vs=-R0.[(Ve1/R1)+(Ve2/R2)+…+(Ven/Rn)] Si on suppose que : R1=R2=…=Rn=R alors Vs=(-R0/R).[Ve1+Ve2+…+Ven] ⇒ Av=-R0/R Si de plus on suppose que R0=R on aura bien Vs=-(Ve1+Ve2+…+Ven) ⇒ Le montage réalise ainsi la fonction mathématique addition avec inversion de signe. 48. Montage additionneur non inverseur (figure 7d) En appliquant le théorème de Millman, on a V+=∑ (Vei/Ri)/∑(1/Ri). En appliquant le pont diviseur de tension, on a V-=Vs.R0/(R+R0). AOP parfait ⇒ V+=V ⇒ ∑ (Vei/Ri)/∑(1/Ri)=Vs.R0/(R+R0) ⇒ Vs=[1+(R/R0)].[∑ (Vei/Ri)/∑(1/Ri)] ⇒ Vs=[1+(R/R0)].[[(Ve1/R1)+(Ve2/R2)+…+(Ven/Rn)]/[(1/R1)+(1/R2)+…+(1/Rn)]] Si on suppose que : R1=R2=…=Rn alors Vs=[[1+(R/R0)]/n].[Ve1+Ve2+…+Ven] ⇒ Av=[1+(R/R0)]/n Si de plus on suppose que R0=R on aura bien Vs=(2/n).(Ve1+Ve2+…+Ven) ⇒ Le montage réalise ainsi la fonction mathématique addition sans inversion de signe. Figure 7 A R2 Ve Ve1 Ve2 Ven 7c Sciences et technologies électriques R1 Ve1 Vs Ve2 Vs R2 7d A R2 A Rn Ve1 7b A R1 Ve2 R0 R2 R1 Vs R1 R1 R2 7a R Rn R0 Vs Ven Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 15 LQTMY-Tanger M.SALMANI Mise en forme 1. Comparateur à un seul seuil à base de l’AOP 11. Comparateur inverseur Le schéma du montage est celui de la figure 1a. Si Vréf>Ve alors Vs=+Vsat. Si Vréf<Ve alors Vs=-Vsat. La caractéristique de transfert Vs=f(Ve) est donnée à la figure 1b. Vb représente le seuil du basculement du comparateur : Vb=Vréf. Figure 1 1a A Vréf Vs +Vsat Vs Ve 1b Vb Ve -Vsat 12. Comparateur non inverseur Le schéma du montage est celui de la figure 2a. Si Vréf>Ve alors Vs=-Vsat. Si Vréf<Ve alors Vs=+Vsat. La caractéristique de transfert Vs=f(Ve) est donnée à la figure 2b. Vb représente le seuil du basculement du comparateur : Vb=Vréf. Figure 2 2a A Ve Vréf Vs +Vsat Vs 2b Vb Ve -Vsat 2. Comparateur à deux seuils à base de l’AOP : Trigger de Schmitt 21. Trigger inverseur Le schéma du montage est celui de la figure 3a. En appliquant le théorème de la superposition, on a : V+=[(Vréf.R2)+(Vs.R1)]/(R1+R2). Deux cas se manifestent : Vs=+Vsat ou Vs=-Vsat. Cas où Vs=+Vsat : Vs=+Vsat Ve<V+ avec V+=[(Vréf.R2)+(Vsat.R1)]/(R1+R2). Si Ve croît et atteint la valeur Vb+ telle que Vb+=[(Vréf.R2)+(Vsat.R1)]/(R1+R2), alors l’AOP bascule à –Vsat. Cas où Vs=-Vsat : Vs=-Vsat Ve>V+ avec V+=[(Vréf.R2)+(-Vsat.R1)]/(R1+R2). Si Ve décroît et atteint la valeur Vb- telle que Vb-=[(Vréf.R2)+(-Vsat.R1)]/(R1+R2), alors l’AOP rebascule à +Vsat. On obtient ainsi la caractéristique de transfert Vs=f(Ve) de la figure 3b qui représente un cycle d’hystérésis. Vb+ et Vb- sont respectivement les seuils de basculement haut et bas du trigger On définit les paramètres caractéristiques du trigger suivants : La largeur du cycle Ve : Ve=(Vb+)-(Vb-) Ve=(2.Vsat.R1)/(R1+R2). La tension relative à la position du centre du cycle Vc : Vc=[(Vb+)+(Vb-)/2] Vc=(Vréf.R2)/(R1+R2). Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 21 LQTMY-Tanger M.SALMANI Mise en forme Figure 3 A Vs 3a +Vsat R2 Ve Vs R1 3b Vb- Vréf Vb+ Ve -Vsat Remarque : Cas particulier d’un trigger centré Lorsque Vréf=0, alors le trigger est dit centré. Le schéma du montage et la caractéristique de transfert sont donnés respectivement par la figure 4a et 4b. Dans ce cas on aura les résultas suivants : Vb+=-Vb-=(Vsat.R1)]/(R1+R2) les seuils de basculement sont symétriques. Ve=(2.Vsat.R1)/(R1+R2) pas de changement. Vc=0 le centre du cycle coïncide avec l’origine. Figure 4 A R2 Ve R1 Vs 4a 4b +Vsat Vs Vb- Vb+ Ve -Vsat 22. Trigger non inverseur Le schéma du montage est celui de la figure 5a. En appliquant le théorème de la superposition, on a : V+=[(Ve.R2)+(Vs.R1)]/(R1+R2). Deux cas se manifestent : Vs=+Vsat ou Vs=-Vsat. Cas où Vs=+Vsat : Vs=+Vsat Vréf<V+ avec V+=[(Ve.R2)+(Vsat.R1)]/(R1+R2). Si Ve décroît et atteint une valeur Vb- telle que V+=Vréf alors l’AOP bascule à -Vsat. Cette valeur est calculée comme suit : Vréf=[(Vb-.R2)+(Vsat.R1)]/(R1+R2) Vb-=Vréf.[1+(R1/R2)]-Vsat.(R1/R2). Cas où Vs=-Vsat : Vs=-Vsat Vréf>V+ avec V+=[(Ve.R2)+(-Vsat.R1)]/(R1+R2). Si Ve croît et atteint une valeur Vb+ telle que V+=Vréf alors l’AOP rebascule à +Vsat. Cette valeur est calculée comme suit : Vréf=[(Vb+.R2)+(-Vsat.R1)]/(R1+R2) Vb+=Vréf.[1+(R1/R2)]+Vsat.(R1/R2). On obtient ainsi la caractéristique de transfert Vs=f(Ve) de la figure 5b qui représente aussi un cycle d’hystérésis. Vb+ et Vb- sont respectivement les seuils de basculement haut et bas du trigger. Les paramètres caractéristiques du trigger sont les suivants : La largeur du cycle Ve : Ve=(Vb+)-(Vb-) Ve=2.Vsat.(R1/R2). La tension relative à la position du centre du cycle Vc : Vc=[(Vb+)+(Vb-)/2] Vc=Vréf.[1+(R1/R2)]. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 22 LQTMY-Tanger M.SALMANI Mise en forme Figure 5 5a A +Vsat R2 Vréf R1 5b Vs Vs Vb- Vb+ Ve -Vsat Ve Remarque : Cas particulier d’un trigger centré Lorsque Vréf=0, alors le trigger est dit centré. Le schéma du montage et la caractéristique de transfert sont donnés respectivement par la figure 6a et 6b. Dans ce cas on aura les résultas suivants : Vb+=-Vb-=Vsat.(R1/R2) les seuils de basculement sont symétriques. Ve=2.Vsat.(R1/R2) pas de changement. Vc=0 le centre du cycle coïncide avec l’origine. Figure 6 A 6b +Vsat R2 R1 Vs 6a Vs Ve Vb- Vb+ Ve -Vsat 3. Comparateur à deux seuils à base des circuits logiques spécialisés Il existe des circuits logiques spécialisés, aussi bien en technologie TTL que CMOS, remplissant la fonction du trigger de Schmitt. On cite, à titre d’exemple, les circuits logiques 7414 et 4093. 31. Circuit logique 7414 Il comporte 6 portes logiques inverseuses et triggérisées. La figure 7a représente le brochage du circuit alors que la figure 7b illustre sa caractéristique de transfert. 32. Circuit logique 4093 Il comporte 4 portes logiques NAND triggérisées. La figure 8a représente le brochage du circuit alors que la figure 8b illustre sa caractéristique de transfert pour différentes valeurs de la tension d’alimentation. Remarque : Les seuils de basculement dépendent fortement du constructeur et les conditions du test (tension d’alimentation, température, etc). Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 23 LQTMY-Tanger M.SALMANI Mise en forme Figure 7 7a 7b 8a 8b Figure 8 Exemple d’application : Pour réinitialiser un système numérique (remise à 0 : Reset ou Clear), on utilise le montage de la figure 9a. Les chronogrammes qui décrivent le fonctionnement du montage sont tracés à la figure 9b. L’appui sur le bouton poussoir Raz permet de générer une impulsion de la remise à 0 du système. Figure 9 Vcc 9a R Raz C Ve Vs Ve Vcc VT+ 0V t Appui sur Raz Vs VOH VOL Sciences et technologies électriques 9b Niveau 2ème Mise sous tension t Sciences de l’ingénieur Unité ATC 24 LQTMY-Tanger M.SALMANI Filtrage 1. Nombres complexes 11. Définition Un nombre complexe s’écrit sous la forme Z=a+jb avec (a,b) Є lR2 et j2=-1. a présente la partie réelle de Z a=Re(Z). b présente la partie imaginaire de Z b=Img(Z). Remarque : Le nombre complexe Z*=a-jb s’appelle le conjugué de Z. Exemple : Z=1+j et Z*=1-j. 12. Module et argument de Z Le module de Z est tel que Z=Z=(a2+b2). L’argument de Z est tel que Arg(Z)==Arctg(b/a). Exemple : Z=1+j Z=2 et =/4. 13. Représentation de Z dans le plan complexe Un nombre complexe est représenté dans le plan complexe conformément à la figure 1a. La figure 1b illustre un exemple de représentation de quelques nombres complexes remarquables. Figure1 Img(Z) 1a Img(Z) b Z Z=-1 Z Re(Z) a 1b Z=j Z=1 Re(Z) Z=-j 14. Ecriture d’un nombre complexe Un nombre complexe peut être écrit sous différentes formes, à savoir : Forme algébrique : Z=a+jb. Forme trigonométrique : Z=Z.(cos+jsin) a=Z.cos et b=Z.sin. Forme polaire : Z=Z . Exemple : Z=1+j=2(cos/4+jsin/4)=2 /4 . 15. Propriétés 1 Soient Z1=Z1 2 et Z2=Z2 (1+2) Z1Z2=(Z1Z2) * . -1 Z1 =(Z1) -Z1=(Z1) . (1-2) Z1/Z2=(Z1/Z2) deux nombres complexes. . +1 n . n n1 (Z1) =[(Z1) ] avec n Є ZZ. Exemple : Soient Z1=2 Z1Z2=22 -/6 /6 , Z1/Z2=2 et Z2=2 /2 * , Z1 =2 -/3 -/6 Sciences et technologies électriques deux nombres complexes. , -Z1=2 7/6 , (Z1)3=8/2. Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 16 LQTMY-Tanger M.SALMANI Filtrage 2. Fonction de transfert 21. Définition Soit un système S représenté par la figure 2. La fonction de transfert T(j) du système est définie par le rapport T(j)= Grandeur de sortie/Grandeur d'entrée Exemple : T(j)= Vs/Ve , T(j)= Is/Ie ,etc. Figure 2 Entrée Sortie Système S 22. Représentation des fonctions de transfert La représentation graphique d’une fonction de transfert est obtenue par le diagramme de Bode. Le diagramme de Bode est constitué par deux courbes en fonction de la pulsation ou de la fréquence f : Celle du gain G en décibels(dB) : G=20.Log[T(j)]. Celle de l'argument en degré ou en radian : =Arg[T(j)]. 23. Echelle logarithmique Une échelle linéaire est mal adaptée pour la représentation d'une fréquence, il faut utiliser une échelle logarithmique. On réalise cette échelle en associant à toute fréquence un point M tel que OM=Log(f).u où u est le vecteur unitaire de l'axe. La figure 3 illustre un exemple d’un axe gradué en échelle logarithmique. Remarque : On remarque que l'axe est constitué par des sous ensembles de 10 appelés décades. Figure 3 0 1 2 1 u 10 102 3 10 4 3 104 Logf Fréquence(Hz) 3. Filtrage 31. Définitions Un filtre est un circuit qui ne transmet qu'une bande de fréquences et élimine les autres non souhaitées. Un filtre est dit passif s'il est constitué par des éléments RLC. Un filtre est dit actif s'il est constitué par des éléments RLC et fait appel à des étages amplificateurs. 32. Caractéristiques d’un filtre Un filtre passif ou actif est caractérisé par : Sa bande passante Bp à -3dB : C'est le domaine de fréquences dans lequel le gain G subit une atténuation maximale de 3dB. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 17 LQTMY-Tanger M.SALMANI Filtrage Son atténuation : C'est la pente du diagramme asymptotique de Bode du gain G dans le domaine des fréquences éliminées. Sa valeur dépend de la structure du filtre(ordre du filtre). Sa fréquence de coupure fc à -3dB : C'est la fréquence qui limite la bande passante. Elle est définie par Gc=Gmax-3dB ou T(jc)=Tmax/2 avec : Gmax=20.LogTmax où Gmax est le gain maximal et Tmax est le transfert maximal. c=2.fc où c est la pulsation de coupure et fc est la fréquence de coupure. 33 Classification des filtres On classe les filtres en quatre catégories : Passe-bas : Il ne laisse passer que les signaux de basses fréquences. Passe-haut : Il ne laisse passer que les signaux de hautes fréquences. Passe-bande : Il ne laisse passer qu’une gamme de fréquences. Réjecteur de bande : Il ne bloque qu’une gamme de fréquences. 34. Impédances des composants usuels Résistor de résistance R : ZR=R. Condensateur de capacité C : ZC=1/jC. Bobine d'inductance L : ZL=jL. 35. Etude des filtres fendamentaux 351. Filtre passe-bas La forme canonique de la fonction de transfert d'un filtre passe-bas du 1er ordre est : T(j)=T0/[1+(j/0)]. Pour ce filtre, on a fc=f0 et Bp=[0,f0]. Le diagramme de Bode d’une telle fonction de transfert est celui de la figure 4a. La figure 4b représente un exemple d’un filtre passe-bas passif et actif. Remarque : On pose G0=20Log T0 et on suppose que T0 > 0. Si T0 < 0 subit une translation de . Figure 4 G G0 G0-3 -20dB/Décade Log 0=c 4a Diagramme réel Diagramme asymptotique Log -/4 -/2 C T(j)=(-R2/R1)/[1+jR2C] T0=-R2/R1 , 0=1/R2C T(j)=1/[1+jRC] T0=1, 0=1/RC R2 R Ve C R1 Vs Sciences et technologies électriques A Ve Passe-bas passif Passe-bas actif Niveau 2ème 4b Sciences de l’ingénieur Vs Unité ATC 18 LQTMY-Tanger M.SALMANI Filtrage 252. Filtre passe-haut La forme canonique de la fonction de transfert d'un filtre passe-haut du 1er ordre est : T(j)=T0.(j/0)/[1+(j/0)]. Pour ce filtre, on a fc=f0 et Bp=[f0,+]. Le diagramme de Bode d’une telle fonction de transfert est celui de la figure 5a. La figure 5b représente un exemple d’un filtre passe-haut passif et actif. Remarque : On pose G0=20Log T0 et on suppose que T0 > 0. Si T0 < 0 subit une translation de . Figure 5 G G0 G0-3 5a Diagramme réel Diagramme asymptotique +20dB/D Log 0=c +/2 +/4 Log Passe-haut passif Passe-haut actif C R2 C Ve R R1 Vs T(j)= jRC/[1+jRC] T0=1, 0=1/RC 5b A Ve Vs T(j)=(-R2/R1).(jR1C)/[1+jR1C] T0=-R2/R1 , 0=1/R1C 353. Filtre passe-bande La forme canonique de la fonction de transfert d'un filtre passe-bande est : T(j)=T0/[1+jQ[(/0)-(0/)]]. Q est appelé facteur de qualité du filtre défini par la bande passante ∆=0/Q(plus Q est grand, plus la bande passante ∆ est étroite et plus le filtre est sélectif). Pour ce filtre, on démontre que les fréquences de coupure haute et basse sont respectivement fch=(f0/2Q).[(4Q2+1)+1] et fcb=(f0/2Q).[(4Q2+1)-1], ainsi la bade passante sera Bp=fch-fcb=f0/Q. Le diagramme de Bode d’une telle fonction de transfert est celui de la figure 6a. La figure 6b représente un exemple d’un filtre passe-bande passif et actif. Remarque : On pose G0=20Log T0 et on suppose que T0 > 0. Si T0 < 0 subit une translation de . Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 19 LQTMY-Tanger M.SALMANI Filtrage Figure 6 G G0 G0-3 6a Diagramme réel Diagramme asymptotique G0-20LogQ +20dB/D -20dB/D cb 0 Log ch +/2 Log -/2 Passe-bande passif C Ve Passe-bande actif 6b C R R C R C Vs R A Ve Vs 2 T(j)=(jRC)/[1+3jRC+(jRC) ] T0=1/3, Q=1/3, 0=1/RC Sciences et technologies électriques T(j)=-(jRC)/[1+2jRC+(jRC)2] T0=-1/2, Q=1/2, 0=1/RC Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 20 LQTMY-Tanger Conversion N/A et A/N M.SALMANI 1. Introduction Les signaux analogiques issus des capteurs sont l’image des variations des grandeurs physiques telles que : température, niveau, pression, etc. Il faut donc numériser ces signaux analogiques pour faciliter le traitement et le stockage des informations. De plus, si le traitement est numérique et les actionneurs doivent être commandés par des signaux analogiques, alors il faut procéder à une conversion numérique analogique. La fonction conversion permet de passer d’un signal analogique à un signal numérique et inversement. La figure 1 illustre l’organisation générale de la fonction conversion. Figure 1 Capteur : Grandeur physique Signal analogique Convertisseur analogique numérique Traitement et stockage de l’information Exploitation numérique Convertisseur numérique analogique Exploitation analogique 2. Conversion numérique analogique 21. Définition Un convertisseur numérique analogique (CNA ou DAC) reçoit une information numérique codée sur n bits et la transforme en un signal analogique (tension ou courant). Le symbole d’un tel CNA est celui de la figure 2. Figure 2 Information numérique N codée sur n bits A0 A1 # Signal analogique Vs An-1 Tension de référence Vréf 22. Caractéristiques d’un CNA 221. Quantum q C’est la petite variation de la tension de sortie. Il correspond donc à la valeur de la sortie quand seul le bit de poids faible (LSB) de N à l’état haut (N=1). Par définition q=Vréf/2n. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 25 LQTMY-Tanger Conversion N/A et A/N M.SALMANI Remarque : Le quantum q est appelé aussi le pas de progression ou l’incrément de sortie. Exemple : n=4, Vréf=10V q=625mV. Donc, si N augmente d’une unité, Vs augmente de la valeur du q. 222. Résolution R La résolution analogique est le quantum q : R=q. La résolution numérique est définie par : R=1/2n. Remarque : La résolution peut être donnée simplement par le nombre de bits n : R=n. Exemple : n=4, Vréf=10V R=625mV ou R=4. 223. Excursion E C’est la différence entre la plus grande valeur de Vs(pour N=Nmax=2n-1) et la plus petite(pour N=Nmin=0). Par définition E=q(2n-1)=Vréf-q. L’excursion E est appelée aussi la valeur en pleine échelle de Vs. Exemple : n=4, Vréf=10V E=9,375V. 224. Fonction et courbe de transfert La fonction de transfert exprime la relation entre la grandeur numérique d’entrée et celle analogique de sorite. On donne Vs=q.N=q.[20A0+21A1+22A2+…+2n-1An-1] où N est la valeur décimale du mot binaire à convertir. La courbe de transfert est le graphe qui donne la sortie Vs en fonction de N. Cette courbe est en forme d’escalier, car à chaque incrémentation de N, la sortie Vs augmente d’un quantum q. Exemple : La figure 3 illustre la courbe de transfert pour n=4. 225. Précision P Soit max l’erreur de la tension Vs définie comme étant l’écart entre la valeur théorique attendue et la valeur réellement fournie. La précision P peut s’exprimer en par la relation P=max/E ou en bit par la relation P=max/q. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 26 LQTMY-Tanger M.SALMANI Conversion N/A et A/N Remarque : En règle générale, les constructeurs annoncent des précisions minimales de (+/-) 0,5q. Exemple : n=4, Vréf=10V. Pour N=10 Vs=6,25V. Si on suppose que La tension Vs mesurée est égale à 6,30V, on aura alors =0.05V, soit alors une précision P=0,05/9,375=0,53. 226. Temps de conversion Tc C’est le temps minimum nécessaire au convertisseur pour que la sortie Vs se stabilise à la valeur théorique attendue lors d’une transition de l’entrée. Remarque : Certains constructeurs fournissent la fréquence maximale de conversion(cadence). 23. Réalisation du convertisseur numérique analogique 231. Convertisseur numérique analogique à réseau R-2R 2311. Schéma du montage Figure 4 Iréf D C R B R A R I3 I2 I1 I0 2R 2R 2R 2R K3 K2 K1 0 K0 1 2R R’ Is A Vréf A3 A2 A1 A0 Vs 2312. Fonctionnement L’AOP est monté en régime linéaire (réaction négative), on a V+=V-=0. Donc, quelle que soit la position des interrupteurs Ki, les courants Ii vont vers un potentiel 0V. Par conséquent, chaque résistor 2R correspondant aura toujours la même différence de potentiel à ses bornes. Ainsi, la valeur des courants Ii ne varie pas, et ceci quelque soit l’état des bits Ai. Un courant Ii transitera vers la sortie Is uniquement si le bit Ai est à l’état logique 1. 2313. Travail demandé 1. La position indiquée sur le schéma correspond au code binaire (A3 A2 A1 A0)=0000. Dans ces conditions, quelle est la valeur du courant Is ? 2. Déterminer la résistance équivalente Req située à droite du point D. 3. Exprimer Iréf puis I3 en fonction de Vréf et R. 4. De la même manière exprimer I2, I1 et I0 en fonction de Vréf et R. 5. Calculer la valeur du courant Is pour les codes binaires (1000) et (1101). 6. Montrer que ce courant peut se mettre sous la forme Is = (Vréf/R).[A3/2 +A2/4 +A1/8 +A0/16] 7. Exprimer Vs en fonction de Is et R’ et en déduire la fonction réalisée par l’AOP tel quel est monté. 8. Pour quelle valeur de R’ a-t-on Vs= -(Vréf/24).[23A3 +22A2 +21A1 +20A0] ? Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 27 LQTMY-Tanger Conversion N/A et A/N M.SALMANI 2314. Corrigé 1. (A3 A2 A1 A0)=0000 Is=0. 2. Req=2R. 3. Iréf= Vréf/R et I3= Vréf/2R. 4. I2=Vc/2R avec Vc= Vréf/2 I2= Vréf/4R , I1=Vb/2R avec Vb= Vc/2 I1= Vréf/8R, I0=Va/2R avec Va= Vb/2 I0= Vréf/16R 5. (A3 A2 A1 A0)=1000 Is=I3 et (A3 A2 A1 A0)=1101 Is=I3+I2+I0. 6. Quelleque soit la position des interrupteurs Ki , on a : Is=A3.I3+A2.I2+A1.I1+A0.I0. Is = (Vréf/R).[A3/2 +A2/4 +A1/8 +A0/16] 7. Vs=-R’.Is. C’est un convertisseur courant-tension. 8. Vs= -(Vréf/24).[23A3 +22A2 +21A1 +20A0] R=R’. 232. Convertisseur numérique analogique à circuit intégré On propose à titre d’exemple le circuit intégré DAC0800. 2321. Travail demandé 1. Relever de la documentation technique du constructeur les caractéristiques du convertisseur suivantes : la tension d’alimentation, la résolution, la précision et le temps de conversion. 2. La sortie du convertisseur est-elle de type courant ou tension ? Comment faut-il procéder pour avoir une tension comme sortie du convertisseur ? 3. Pourquoi les courants de sorite sont dits complémentaires ? 4. S’agit-il d’un convertisseur unipolaire ou bipolaire ? On rappelle qu’un convertisseur est dit : Unipolaire si la grandeur de sortie (courant ou tension) est toujours di même signe. Bipolaire si la grandeur de sortie (courant ou tension) est positive ou négative. 2322. Corrigé 1. D’après la documentation du constructeur National semiconductor, le convertisseur DAC0800 est caractérisé par : une tension d’alimentation de +/- 18V ou 36V, une résolution de 8 bits, une précision de (+/-) 1LSB et un temps de conversion de 100ns. 2. La sortie du convertisseur est de type courant. Pour avoir une tension en sortie, on doit convertir ce courant en tension, d’où l’utilisation d’un convertisseur courant-tension. 3. Les courant de sortie sont dits complémentaires car le courant I0 atteint la valeur de la pleine échelle IFS (FS : Full Scale) pour N=255 tandisque le courant /I0 atteint IFS pour N=0. De plus, quelques soient les états logiques des bits de l’entrée numérique B1 à B8, on a toujours la relation I0+/I0=IFS. 4. Il s’agit d’un convertisseur bipolaire. 3. Conversion analogique numérique 31. Définition Un convertisseur numérique analogique (CAN ou ADC) reçoit une grandeur analogique (tension ou courant) et la transforme en une information numérique N codée sur n bits. Son symbole est celui de la figure 5. Figure 5 Signal analogique Ve A0 A1 # An-1 Information numérique N codée sur n bits Tension de référence Vréf Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 28 LQTMY-Tanger M.SALMANI Conversion N/A et A/N 32. Caractéristiques d’un CAN 321. Quantum q C’est la petite variation de la tension d’entrée. Il correspond donc à la valeur d’entrée quand seul le bit de poids faible (LSB) de N à l’état haut (N=1). Par définition q=Vréf/2n. Exemple : n=4, Vréf=10V q=625mV. Donc, si Ve augmente de la valeur q, N augmente d’une unité. 322. Résolution R La résolution est exprimée par le nombre de bits n que peut fournir le convertisseur en sortie. Exemple : n=4 R=4. 323. Excursion E C’est la différence entre la plus grande valeur de Ve(pour N=Nmax=2n-1) et la plus petite(pour N=Nmin=0). Par définition E=q.(2n-1)=Vréf-q. L’excursion est la tension maximale d’entrée que peut convertir le CAN. Exemple : n=4, Vréf=10V E=9,375V. 324. Fonction et courbe de transfert La fonction de transfert exprime la relation entre la grandeur analogique d’entrée et celle numérique de sorite. On donne Ve=q.N=q.[20A0+21A1+22A2+…+2n-1An-1] N=Ve/q où N est la valeur décimale du mot binaire image de l’entrée Ve. La courbe de transfert est le graphe qui donne la valeur de la sortie numérique N en fonction de Ve. Cette courbe est en forme d’escalier, car lorsque Ve augmente d’un quantum q, N s’incrémente d’une unité (LSB). Exemple : La figure 6 illustre la courbe de transfert pour n=4. Figure 6 N 1111 1010 Pas q 0010 0001 1q 2q 10q 15q Ve 325. Précision P Soit max l’erreur de la tension Ve définie comme étant l’écart entre la valeur réelle de Ve et la valeur convertie. La précision P peut s’exprimer en , sans excéder +/- 50 de q (Pq/2), par la relation P=max/q. Exemple : n=4, Vréf=10V et Ve=1,7V. Si la valeur numérique N correspondante est de 2V, alors la précision P sera P=2-1,7/0,625=48. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 29 LQTMY-Tanger M.SALMANI Conversion N/A et A/N 326. Temps de conversion Tc C’est le temps minimum nécessaire au convertisseur pour présenter un nouveau mot binaire de sortie suite à une évolution d’un quantum du signal d’entrée Ve. 33. Réalisation du convertisseur analogique numérique 331. Convertisseur analogique numérique à approximations successives 3311. Schéma synoptique Figure 7 Horloge Ve Vex Logique de contrôle A Début de conversion Fin de conversion Registre de contrôle N LSB MSB CNA Vréf 3312. Fonctionnement Ce convertisseur est aussi appelé convertisseur à pesée, car il utilise la méthode employée pour les pesées des marchandises : La tension Ve à convertir est comparée à des tensions successives de référence un peu comme s’effectue la pesée d’une marchandise sur une balance par le choix de poids successifs dont on fait la somme. Chaque bit affecté à un poids retenu est considéré à l’état logique 1. Tous les bits avec leurs états logiques (0 ou 1) sont regroupés dans un mot binaire qui est l’expression numérique de la valeur analogique d’entrée. Le signal de contrôle début de conversion met à 0 par la logique de contrôle tous les bits du registre de contrôle. Le signal de contrôle fin de conversion est un drapeau(flag) qui indique que la valeur numérique équivalente au signal analogique d’entrée Ve est disponible dans le registre de contrôle. Dans le fonctionnement que l’on vient de décrire, la logique de contrôle met successivement chaque bit à 1 et décide si elle conserve ou non le 1. Le traitement de chaque bit exige un cycle d’horloge, ce qui se traduit par un temps de conversion total de n cycles d’horloges pour un CAN de n bits Tc=n.1cycle d’horloge=n.T où T est la période d’horloge. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 30 LQTMY-Tanger Conversion N/A et A/N M.SALMANI 3313. Travail demandé Soit un CAN qui présente les caractéristiques suivantes : Vréf=10V, la fréquence du signal d’horloge est F=500KHz et la valeur numérique de sortie est codée sur 8 bits. 1. Calculer le temps de conversion Tc. 2. On suppose que la valeur à convertir Ve=7V. En se basant sur le principe de la conversion à approximations successives, Compléter le tableau et le graphe de la figure 8. 3. En déduire alors la valeur numérique N correspondant à Ve=7V Figure 8 3314. Corrigé 1. Le temps de conversion est : Tc=8.T=8/(500.103)=16s. 2. Voir figure 9. 3. Ve=7V N=(10110011). 332. Convertisseur numérique analogique à circuit intégré On propose à titre d’exemple le circuit intégré ADC0800. 3321. Travail demandé 1. Relever de la documentation technique du constructeur les caractéristiques suivantes : la tension d’alimentation, la résolution, la précision, la plage de la fréquence d’horloge et le temps de conversion. 2. Quelle est la particularité des sorties du convertisseur ? 3. Quelle est la broche qui contrôle la liaison du convertisseur avec son environnement ? 4. Quelles sont les broches d’application de la tension de référence ? 5. Calculer le temps de conversion Tc pour une fréquence d’horloge de 500KHz. En déduire alors le temps nécessaire pour le traitement d’un seul bit. 6. Quelle est la durée d’impulsion du signal de début de conversion ? Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 31 LQTMY-Tanger Conversion N/A et A/N M.SALMANI 3322. Corrigé 1. D’après la documentation du constructeur National semiconductor, le convertisseur ADC0800 est caractérisé par : une tension d’alimentation typique de : Vss=+5V, Vgg=-12V, Vdd=0V, une résolution de 8 bits, une fréquence d’horloge de 50KHz à 800KHz, un temps de conversion égale à 40 périodes d’horloge et une précision de (+/-) 2LSB. 2. Les sorties du convertisseur sont complémentaires, trois états et comportent des bascules qui assurent la fonction mémoire 3. La broche 7 met le convertisseur en haute impédance et le déconnecte de son environnement. 4. Ce sont les broches 15 pour Vréf+ et 5 pour Vréf-. 5. Tc=40/500.103 Tc=80µs. Le temps nécessaire pour le traitement d’un seul bit=Tc/8 soit 10µs. 6. La durée d’impulsion du signal de début de conversion est comprise entre 1 et 3 1/2 périodes d’horloge. Figure 9 Vex 7,5 7,187 7 6,25 5 5 2,5 1,25 7,031 6,953 6,875 0,625 6,992 0,312 0,156 0,078 0,039 Sciences et technologies électriques Poids Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 32 LQTMY-Tanger M.SALMANI GRAFCET 1. Introduction Le GRAFCET (GRAphe Fonctionnel de Commande des Etapes et Transitions) est un outil de représentation graphique de tout système automatisé. C'est un langage clair qui permet de décrire sans ambiguïté le fonctionnement séquentiel du système. Il accompagne le système pendant toute sa durée de vie, de l’élaboration du cahier des charges à sa maintenance en passant par sa conception, sa mise au point et son exploitation. 2. Eléments graphiques de base Considérons le Grafcet de la figure 1. Figure 1 Etape initiale Transition 0 Action Liaison 1 Percer Réceptivité associée à la transition Fin de perçage Etape active 2 Déplacer 21. Etape Une étape représente une situation ayant un comportement stable : pendant une étape les organes de commande et les capteurs ne changent pas d’état. L’étape se représente par un carré qui porte un numéro d’ordre. Elle est soit active soit inactive. On peut associer à chaque étape i une variable Xi image de son activité. Exemple : Etape 2 active X2 = 1, Etape 2 inactive X2 = 0. Remarque : L’étape initiale s’active au début du fonctionnement et se représente par un double carré. 22. Transition Une transition indique une possibilité d'évolution d’activité entre deux ou plusieurs étapes. Cette évolution s'accomplit par le franchissement de la transition. 23. Liaisons orientées Les liaisons orientées relient les étapes aux transitions et les transitions aux étapes. Le sens général d’évolution est du haut vers le bas. Dans le cas contraire, des flèches doivent être employées. 24. Réceptivité Une réceptivité associée à une transition se traduit par une ou plusieurs conditions logiques. 25. Action Une action indique, dans un rectangle, comment agir sur la variable de sortie. Elle n’est effective que lorsque l’étape associée est active. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 1 LQTMY-Tanger M.SALMANI GRAFCET 3. Structures de base 31. Séquence linéaire Une séquence linéaire ou unique est composée d'un ensemble d'étapes successives où chaque étape est suivie d'une seule transition et chaque transition n'est validée que par une seule étape. 32. Séquences simultanées : Figure 2a 321. Divergence en ET Le système se dirige vers L’étape 2 ET l’étape 12 si a est franchie. Quand a est franchie, les étapes 2 ET 12 sont actives X2=X12=X1.a 322. Convergence en ET La transition d sera validée quand les étapes 3 ET 13 seront actives. Si la réceptivité associée à cette transition est vraie alors celle-ci est franchie X14=X3.X13.d 33. Sélection de séquences : Figure 2b 331. Divergence en OU Le système se dirige vers l’étape 2 si (a.b) est vraie OU vers l’étape 12 si (a.b) est vraie. X2=X1.(a.b) OU X12=X1.(a.b) 332. Convergence en OU Le système converge vers l’étape 14 si e est vraie OU si f est vraie X14=(X3.e)+(X13.f) Figure 2 1 1 Div en ET Div en OU a ab ab 2 2 12 3 13 c d c b 12 3 Conv en ET 13 e Conv en OU f d 14 14 2a 2b 34. Saut d’étapes et reprise de séquence 341. Saut d’étapes : Figure 3a Le saut d’étapes permet de sauter une ou plusieurs étapes lorsque les actions associées à ces étapes deviennent inutiles. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 2 LQTMY-Tanger M.SALMANI GRAFCET 342. Reprise de séquence : Figure 3b La reprise de séquence permet de recommencer plusieurs fois la même séquence tant qu’une condition n’est pas obtenue. Figure 3 3a 10 3b 10 a a a 11 11 b b 12 c 12 c c 13 13 4. Règles d’évolution 41. Règle 1 : Situation initiale L'initialisation précise l'étape ou les étapes actives au début du fonctionnement. Les étapes initiales sont activées inconditionnellement en début de cycle. 42. Règles 2 : Franchissement d’une transition Une transition est soit validée soit non validée, elle est validée lorsque toutes les étapes immédiatement précédentes sont actives, elle ne peut être franchie que : Si elle est validée. Et si la réceptivité associée à la transition est vraie. 43. Règles 3 : Evolution des étapes actives Le franchissement d’une transition provoque simultanément : L’activation de toutes les étapes immédiatement suivantes. La désactivation de toutes les étapes immédiatement précédentes. 44. Règle 4 : Evolutions simultanées Plusieurs transitions simultanément franchissables sont simultanément franchies. 45. Règle 5 : Activation et désactivation simultanée d’une même étape Si au cours d’une évolution, une même étape se trouve être à la fois activée et désactivée, elle reste active. 5. Règle de syntaxe L’alternance étape/transition et transition/étape doit être respectée quelle que soit la séquence parcourue. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 3 LQTMY-Tanger M.SALMANI GRAFCET 6. Réceptivités particulières 61. Réceptivité dépendante du temps : Figure 4a Pour faire intervenir le temps dans une réceptivité, il suffit d'indiquer après le repère "t" son origine et sa durée. L'origine sera l'instant du début de l'activation de l'étape déclenchant la temporisation. La notation t/1/5s signifie que la réceptivité sera vraie 5 secondes après l'activation de l'étape repérée 1. La notation normalisée s'écrit 5s/X1. 62. Réceptivité toujours vraie : Figure 4b Une telle réceptivité s'écrit "=1". Le franchissement de cette transition se fera dès que les étapes immédiatement antérieures seront actives sans autre condition. Le passage de l’étape 1 à l’étape 2 est toujours vrai. Figure 4 4a 1 t=5s 4b 1 =1 t/1/5s ou 5s/X1 2 2 7. Actions associées 71. Action continue : Figure 5a L'action est exécutée pendant le temps durant lequel l'étape reste active Action A=X1. 72. Action conditionnelle : Figure 5b Une proposition logique, appelée condition d'assignation, qui peut être vraie ou fausse, conditionne l’action continue Action A=X1.c 73. Action temporisée ou retardée : Figure 5c L'action retardée est une action continue dont la condition d'assignation n'est vraie qu'après une durée t spécifiée depuis l'activation de l’étape associée. L’action A sera exécutée 5s après l’activation de l’étape 1. 74. Action limitée dans le temps : Figure 5d L'action limitée dans le temps est une action continue dont la condition d'assignation n'est vraie que pendant une durée t spécifiée depuis l'activation de l’étape à laquelle elle est associée. L’action A sera exécutée 5s depuis l’activation de l’étape 1. 75. Action maintenue ou mémorisée Pour qu'une action reste maintenue lorsque l'étape qui l'a commandée vient d'être désactivée, il faut utiliser une action mémorisée. L'effet maintenu est réalisé soit : Par répétition de l'action ou ordre à toutes les étapes. Par mise en mémoire à l'étape de début (S pour Set), et mise hors mémoire à la dernière étape (R pour Reset). Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 4 LQTMY-Tanger M.SALMANI GRAFCET Figure 5 c Action A 1 Action A 1 a 5s/X1 1 a 5s/X1 Action A 1 a Action A a 2 2 X1 X1 X1 X1 A c A A 2 2 A 5a 5b 5c 5d 8. Macro-étape Une macro-étape M est la représentation unique d'un ensemble d'étapes Figure 6 et de transitions nommé "Expansion d'étapes" : La macro-étape se substitue à une étape du Grafcet. L'expansion de la macro-étape comporte une étape d'entrée repérée E et une étape de sortie repérée S. Tout franchissement de la transition amont de la macro-étape active l'étape E d'entrée de son Expansion. L’étape de sortie participe à la validation des transitions en aval de la macro-étape. La transition suivant la macro-étape n’est validée que lorsque la dernière étape de la macro-étape est active. L’utilisation de la macro-étape dans un Grafcet permet non seulement de simplifier la représentation mais aussi d’éviter les séquences linéaires trop longues. Une macro-étape peut elle-même comporter d’autres macro-étapes. 6a M E2 c 11 (1) a M2 (2) b Sciences et technologies électriques Niveau 2ème d 22 13 e S2 La figure 6a donne le symbole de la macro-étape alors que la figure 6b montre un exemple d’une macro-étape représentée avec son expansion : Le franchissement de la transition (1) active l’étape E2. La transition (2) ne sera validée que lorsque l’étape S2 sera active. Le franchissement de la transition (2) désactive l’étape S2. 21 6b Sciences de l’ingénieur Unité ATC 5 LQTMY-Tanger M.SALMANI GRAFCET 9. Tâche Une tâche est un sous-programme qui peut être appelé à plusieurs reprises dans un même Grafcet dit Grafcet principal. Le sous-programme est un Grafcet indépendant dont l’exécution et le déroulement sont synchronisés au Grafcet principal. Lorsque la tâche est terminée, une information d’état (fin de tâche) est retournée au Grafcet principal qui peut alors évoluer. La tâche est appelée en indiquant entre les guillemets le nom du sous-programme appelé. La figure 7 donne un exemple de tâche. Figure 7 Grafcet principal 10 20 " Entrée " ………………… 1er appel 11 "SP1:20–24" ……… 21 2ème appel 12 22 1ère réponse 13 "SP1:20–24" 23 2ème réponse ……… 14 24 " Sortie " Grafcet sous-programme SP1 Sciences et technologies électriques Niveau 2ème ………………… … Sciences de l’ingénieur Unité ATC 6 LQTMY-Tanger M.SALMANI GRAFCET 10. Grafcet synchronisé Le Grafcet synchronisé est généralement composé de deux Grafcets : Le premier, le Grafcet de coordination, gère la synchronisation des différentes fonctions du système automatisé. Chaque fonction est décrite par un Grafcet, sous-programme du premier. Il faut donc une synchronisation entre le 1er Grafcet et les seconds. C’est une étape du 1er Grafcet qui permettra de lancer un second Grafcet dédié à une fonction. Une étape de fin signalera l’exécution complète de ce dernier et permettra de faire évoluer le 1er Grafcet vers une autre étape. La structure d’un Grafcet synchronisé est basée sur la notion de tâche et apporte un échange d’informations entre le Grafcet appelant ou Grafcet maître et le Grafcet appelé ou Grafcet esclave. Ce dernier est un Grafcet de tâche qui peut être sollicité par le Grafcet maître, appelé aussi Grafcet de conduite, en plusieurs reprises. La figure 8 donne un exemple de synchronisation de Grafcets. Figure 8 Tâche T1 10 ………… Grafcet de conduite 110 "SP1:10–19" Appel au Grafcet de tâche T1 19 ……… ………… Retour au Grafcet principal 111 Appel au Grafcet de tâche T2 20 112 "SP2:20–29" ……… ………… 29 Retour au Grafcet principal ………… Tâche T2 Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 7 LQTMY-Tanger M.SALMANI Le µC PIC 16F84 : 1ère partie 1. Introduction Le contrôle d’un processus industriel fait appel à un dispositif de gestion et de traitement des informations. IL est souvent réalisé par un système électronique programmé. 2. Architecture d’un système programmé La structure matérielle d’un système programmé est essentiellement organisée autour d’un microprocesseur. Cependant, ce dernier ne peut fonctionner sans un environnement minimal. Une telle structure est représentée à la figure 1. Figure 1 Bus de données bidirectionnel Bus d’adresses unidirectionnel Décodeur d’adresses Microprocesseur Mémoire de données Mémoire du programme Interfaces d’entrées/sorties Horloge Bus de commandes Environnement minimal d’un système programmé Périphériques 21. Bus de données, d’adresses et de commandes 211. Notion de bus Un bus est un ensemble de fils destiné à la communication entre les différents composants du système minimal. On distingue 3 groupes de bus : bus de données, bus d’adresses et bus de commandes. 212. Bus de données : Data bus C’est un bus bidirectionnel qui assure le transfert des informations entre le microprocesseur et son environnement et inversement. Son nombre de lignes est égal à la capacité de traitement du µP : 8, 16, 32 ou 64 bits. 213. Bus d’adresses : Adress bus C’est un bus unidirectionnel qui permet la sélection du destinataire des informations à traiter dans un espace mémoire qui peut avoir 2n emplacements où n est le nombre de conducteurs du bus d’adresses. 314. Bus de commandes : Control bus C’est un bus constitué par quelques conducteurs qui assurent la synchronisation des flux d’informations sur le bus de données et d’adresse. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 18 LQTMY-Tanger M.SALMANI Le µC PIC 16F84 : 1ère partie Exemple : Le µP 6809 est doté d’un : Bus de données de 8 bits de D0 à D7. Bus d’adresses de 16 bits de A0 à A15. Bus de commandes de 10 bits : On cite à titre d’exemple les broches Read/Write, Halt et Reset. 22. Microprocesseur : CPU C’est l’unité centrale de traitement (UCT ou CPU). Il exécute séquentiellement le programme (ensemble d’instructions) situé en mémoire ROM. L’exécution d’une instruction est cadencée par une horloge. 23. Mémoires 231. Mémoire du programme : mémoire morte C’est une mémoire permanente et à lecture seule. Elle est destinée à stocker le programme. Il existe différents types, à savoir : ROM, PROM, EPROM ou UV EPROM, EEPROM et Flash EPROM. 232. Mémoire de données : mémoire vive C’est une mémoire volatile et à lecture/écriture. Elle est chargée de sauvegarder temporairement les données du programme (variables d’entrées, variables intermédiaires, variables de sorties, etc…). Il s’agit de la RAM. 24. Interfaces ou ports d’entrées/sorties L’interfaçage est un ensemble matériel permettant d’assurer la liaison entre le µP et les périphériques. On distingue les interfaces parallèles et les interfaces séries. 25. Périphériques C’est un ensemble matériel extérieur au système programmé. On cite à titre d’exemple les interfaces homme/machine (clavier, afficheurs, interrupteurs, boutons poussoirs, etc…), capteurs et actionneurs. 26. Décodeur d’adresses Le décodeur d’adresses est chargé d’aiguiller les données présentes sur le bus de données. En effet, le µP peut communiquer avec les différents composants de son environnement. Ceux-ci sont tous reliés sur le même bus de données et afin d’éviter des conflits, un seul composant doit être sélectionné à la fois. Ainsi, à une adresse présentée par le µP, devra répondre un seul composant du système (RAM, ROM, Interface). Remarque : Lorsqu’un composant n’est pas sélectionné, il est mis en état haute impédance. 3. Kit dadactique d’un système programmé à base du microprocesseur 6809 Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 19 LQTMY-Tanger M.SALMANI Le µC PIC 16F84 : 1ère partie 1. Introduction Le PIC (Programmable Interface Controler) 16F84 est un microcontrôleur produit par la société MicroChip. C’est un composant qui regroupe dans un même boîtier tous les éléments vitaux d’un système programmé : CPU, RAM, ROM, Interfaces d’entrées/sorties, etc. 2. Architecture du PIC 16F84 21. Organisation externe Le µC 16F84 est un circuit intégré de 18 broches : voir figure 1. Figure 1 RA2 1 18 RA3 RA4/T0CKI MCLR Vss RB0/INT RB1 RB2 RB3 µC 16F84 RA1 RA0 Osc1 Osc2 Vdd RB7 RB6 RB5 RB4 - Vss et Vdd : broches d’alimentation. - Osc1 et Osc2 : broches du circuit horloge. - MCLR : Reset (Master Clear). - RA0..RA4 : 5 entrées/sorties du port A. - RB0..RB7 : 8 entrées/sorties du port B. - T0CKI : entrée d’horloge externe du timer. - INT : entrée d’interruption externe. La tension nominale de l’alimentation du µC 16F84 est +5 V : Vdd=+5 V et Vss=0 V. Le Reset du µC 16F84 peut avoir plusieurs causes : Une mise sous tension POR (Power On Reset) : voir figure 2a Une mise à 0 de la broche MCLR (Reset manuelle) : voir figure 2b. Un débordement du timer du chien de garde WDT : voir plus tard. Figure 2 Vdd R Vdd 2a µC 16F84 2b µC 16F84 R MCLR MCLR Reset C Le fonctionnement du µC 16F84 nécessite une horloge qui rythme l’exécution des instructions du programme. On distingue trois modes d’horloge : Horloge interne à quartz (Figure 3a) : Avec l’oscillateur à quartz, on peut avoir des fréquences allant de 4 MHz jusqu’à 20 MHz selon le type du µC. Horloge interne à circuit RC (Figure 3b) : Avec un oscillateur à circuit RC, la fréquence de l’oscillation dépend de la tension Vdd et des éléments Rext et Cext. Horloge externe (Figure 3c) : Application d’un signal horloge externe. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 20 LQTMY-Tanger M.SALMANI Le µC PIC 16F84 : 1ère partie Figure 3 5K Rext 100K Cext 20pF 3a µC 16F84 µC 16F84 C1 Osc1 Vdd 3b 3c µC 16F84 Rext Osc1 Q Horloge externe Osc1 Cext Osc2 Osc2 C2 Osc2 Fosc/4 NC 22. Organisation interne La structure interne simplifiée du µC 16F84 peut être donnée par la figure 4. Figure 4 Flash ROM : Mémoire programme 1Kx14bits RAM système de 16 registres Registre de configuration de 14 bits RAM utilisateur de 68 octets EEPROM de données de 64 octets Horloge système W Timer TMR0 Prédiviseur Horloge WDT Timer WDT ALU PORTA PORTB 221. Horloge système L’horloge système ou horloge instruction, est la base du temps interne qui cadence le fonctionnement du µC. Quelque soit l'oscillateur utilisé, l'horloge système s’obtient en divisant la fréquence de l’oscillateur par 4. Exemple : Avec un quartz de 4 MHz, on obtient une horloge instruction de 1 MHz, soit le temps pour exécuter une instruction de 1 μs. 222. Mémoire Flash ROM Cette mémoire de 1024 mots de 14 bits stocke le programme. Elle est permanente et reprogrammable à souhait. Chaque position contient une instruction. Suite à un Reset ou lors d’une mise sous tension, le µC commence l’exécution du programme à l’adresse 0. De plus, lorsqu’il y a une interruption, il va à l’adresse 4. 223. Registre de configuration Pendant la phase de la programmation du µC, on programme aussi un registre de configuration logé dans la mémoire EEPROM. Ce registre est un mot de 14 bits qui permet de : Choisir le type de l'oscillateur pour l'horloge. Valider ou non le timer du watchdog WDT. Autoriser ou non une temporisation à la mise sous tension. Interdire ou non la lecture des mémoires de programme et de données. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 21 LQTMY-Tanger M.SALMANI Le µC PIC 16F84 : 1ère partie Registre de configuration CP CP CP CP CP CP CP CP CP CP PWRTE WDTE FOSC1 FOSC0 Bits FOSC0 et FOSC1 : Sélection du type d'oscillateur pour l'horloge. FOSC1FOSC0=11 Oscillateur à circuit RC jusqu'à 4 MHz. FOSC1FOSC0=10 Oscillateur HS, quartz haute fréquence, jusqu'à 20 MHz. FOSC1FOSC0=01 Oscillateur XT, quartz standard jusqu'à 4 MHz. FOSC1FOSC0=00 Oscillateur LP, quartz basse fréquence, jusqu'à 200 KHz. Bit WDTE : Validation du timer du watchdog WDT. WDTE=1 WDT validé et WDTE=0 WDT inhibé. Bit PWRTE : Validation d'une temporisation à la mise sous tension. Le µC possède un timer permettant de retarder de 72 ms le lancement du programme après la mise sous tension. Ce délai maintient le µC à l’arrêt et permet ainsi à la tension d'alimentation de bien se stabiliser. PWRTE=1 le µC démarre tout de suite et PWRTE=0 le µC attend 72 ms. Bits CP : Protection en lecture des mémoires de programme et de données. CP=1 pas de protection et CP=0 protection activée. Exemple : On désire configurer le registre pour répondre aux critères suivants : oscillateur à quartz de 4 MHz, le timer du watchdog n’est pas autorisé, une attente de 72 ms est souhaitée et le µC n’est pas protégé en lecture. Configuration requise 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 3FF1 en hexadécimal 224. Mémoire EEPROM de données Cette mémoire est constituée de 64 octets que l'on peut lire et écrire depuis un programme. Ces octets sont conservés même après une coupure de l’alimentation et sont très utiles pour conserver des paramètres semi permanents : code d’accès, version du programme, message d’accueil, valeur invariable, etc. Figure 5 225. Mémoire RAM La mémoire RAM est constituée de deux parties : voir figure 5. Une zone mémoire de 68 octets réservée à l’utilisateur pour stocker ses variables. Elle adressable de l’@ 0x0C à l’@ 0x4F ou de l’@ 0x8C 0xCF. Un fichier de 16 registres de contrôle répartis en 2 banques : Une banque 0 adressable de l’@ 0x00 à l’@ 0x0B. Une banque 1 adressable de l’@ 0x80 à l’@ 0x8B. L’accès à un registre s’effectue en se plaçant dans la banque où il se trouve. Ceci est réalisé en positionnant le bit RP0 du registre d’état STATUS : Registre STATUS RP0 TO PD Z DC C RP0=0 banque 0 et RP0=1 banque 1. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 22 LQTMY-Tanger Le µC PIC 16F84 : 1ère partie M.SALMANI 226. ALU et le registre W Le registre W, qui n’a pas d’adresse, est un registre de travail de 8 bits. L’ALU est une unité arithmétique et logique de 8 bits qui réalise les opérations entre W et n'importe quel autre registre f ou constante k. Le résultat de l'opération peut être placé soit dans W soit dans f. L’ALU est associée au registre d’état STATUS par les bits Z, C et DC : Registre STATUS RP0 TO PD Z DC C C : Ce bit flag passe à 1 lorsqu’il y a une retenue sur un octet. DC : Ce bit flag passe à 1 lorsqu’il y a une retenue sur un quartet. Z : Ce bit flag passe à 1 quand le résultat d’une opération est nul. 227. Port d’entrées/sorties PORTA Le port A désigné par PORTA est un port bidirectionnel de 5 bits (RA0 à RA4). La configuration de direction pour chaque bit du port est déterminée avec le registre TRISA : Bit i de TRISA=0 bit i du PORTA est configuré en sortie. Bit i de TRISA=1 bit i du PORTA est configuré en entrée. Les broches RA0 à RA3 sont des entrées/sorties compatibles TTL alors que la broche RA4 peut être utilisée soit comme entrée/sortie normale du port A, soit comme entrée horloge externe pour le Timer TMR0. Le choix se fait à l'aide du bit TOCS du registre OPTION : T0CS=0 RA4 est une entrée/sortie normale. T0CS=1 RA4 est une entrée horloge externe pour le timerTMR0. De plus, RA4 est une sortie à drain ouvert. Donc, il ne faut pas oublier de mettre une résistance externe vers Vdd. Chaque broche du port A configurée en sortie peut fournir un courant de 20 mA au maximum, mais tout le port A configuré en sortie ne peut pas débiter un courant total supérieur à 50 mA. Chaque broche du port A configurée en entrée peut accepter un courant de 25 mA au maximum, mais tout le port A configuré en entrée ne peut pas accepter un courant total supérieur à 80 mA. 228. Port d’entrées/sorties PORTB Le port B désigné par PORTB est un port bidirectionnel de 8 bits (RB0 à RB7). La configuration de direction se fait à l'aide du registre TRISB (identique à celle du PORTA : voir TRISA). Toutes les broches sont compatibles TTL. Les entrées du port B peuvent être pourvues de résistances de rappel à Vdd. Cette option est validée par le bit RBPU du registre OPTION : Registre OPTION RBPU INTEDG TOCS TOSE PSA PS2 PS1 PS0 RBPU=0 les broches configurées en entrées sont connectées à des résistances de rappel à Vdd et les broches configurées en sorties sont dépourvues automatiquement de ces résistances de rappel. En entrée, la broche RB0 appelée aussi INT peut déclencher l’interruption externe INT et une quelconque des broches RB4 à RB7 peut déclencher l'interruption RBI. Chaque broche du port B configurée en sortie peut fournir un courant de 20 mA au maximum, mais tout le port B configuré en sortie ne peut pas débiter un courant total supérieur à 100 mA. Chaque broche du port B configurée en entrée peut accepter un courant de 25 mA au maximum, mais tout le port B configuré en entrée ne peut pas accepter un courant total supérieur à 150 mA Remarque : Au Reset du µC, les ports PORTA et PORTB sont configurés en entrée. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 23 LQTMY-Tanger M.SALMANI Le µC PIC 16F84 : 3ème partie 1. Introduction Les étapes nécessaires permettant de voir un programme s'exécuter sur un µC 16F84 sont : 1. Ecrire un programme en langage assembleur dans un fichier texte et le sauvegarder avec l'extension asm. 2. Compiler ce programme avec l'assembleur MPASM fourni par MicroChip. Le résultat est un fichier avec l'extension hex contenant une suite d'instruction compréhensible par le µC. 3. Transférer le fichier hex dans la mémoire programme du µC (Flash ROM) à l'aide d'un programmateur adéquat. On peut utiliser les programmateurs de MicroChip ou tout autre programmateur acheté ou réalisé par soit même. 4. Mettre le µC dans son montage final, mettre sous tension et vérifier le fonctionnement. MicroChip propose gratuitement l'outil de développement MPLAB qui regroupe l'éditeur de texte, le compilateur MPASM, un outil de simulation et le logiciel de programmation. On utilisera MPLAB pour écrire, compiler et éventuellement simuler les programmes, ensuite on les transférera à l’aide du programmateur JDM piloté par le logiciel ICPROG, les deux sont disponibles gratuitement sur le Web. 2. Directives de MPASM Les directives de l'assembleur sont des instructions qu'on ajoute dans le programme et qui seront interprétées par l'assembleur MPASM. Ce ne sont pas des instructions destinées au µC. 21. Directives les plus utilisées LIST : Permet de définir un certain nombre de paramètres comme le processeur utilisé (p), la base par défaut pour les nombres (r) ainsi que d'autres paramètres. Exemple : LIST p=16F84, r=dec. #INCLUDE : Permet d'insérer un fichier source. Par exemple le fichier p16F84.inc contient la définition d'un certain nombre de constantes comme les noms des registres ainsi que les noms de certains bits du µC 16F84. Exemple : #INCLUDE "p16f84.inc" ou #INCLUDE p16f84.inc. __CONFIG : Permet de définir les 14 fusibles de configuration qui seront copiés dans le registre de configuration lors de l'implantation du programme dans le µC. Exemple : __CONFIG B'11111111111001' ou __CONFIG H'3FF9'. Remarque : Si le fichier p16f84.inc a été inséré, on peut utiliser les constantes prédéfinies : __CONFIG _CP_OFF & _XT_OSC & _PWRTE_OFF & _WDT_OFF EQU : Permet de définir une constante. Exemple : XX EQU 0x20. Chaque fois que le compilateur rencontrera la valeur XX, il la remplacera par la constante 0x20. Ça peut être une constante s'il s'agit d'une instruction avec adressage immédiat, ou d'une adresse s'il s'agit d'une instruction avec adressage direct. #DEFINE : Définit un texte de substitution. Exemple : #DEFINE monbit PORTA,1 Chaque fois que le compilateur rencontrera monbit, il le remplacera par PORTA,1. ORG : Définit la position dans la mémoire programme à partir de laquelle seront inscrites les instructions qui suivent cette directive ORG. Exemple : ORG 0 ; adresse du début du programme principal. ORG 4 ; adresse du début du sous-programme d’interruption. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 26 LQTMY-Tanger Le µC PIC 16F84 : 3ème partie M.SALMANI CBLOCK …ENDC : Définit un bloc de variables logé dans la zone mémoire RAM accessible par l’utilisateur. Exemple : CBLOCK 0x0C ; zone mémoire RAM accessible par l’utilisateur débute à l’adresse 0x0C Var1 : 1 ; zone de 1 octet Var2 : 8 ; zone de 8 octets ENDC END : Indique la fin du programme. 22. Format des nombres L'assembleur reconnaît les nombres en décimal, hexadécimal, binaire ou octal. Pour préciser la base il faut utiliser les préfixes précisés dans le tableau de la figure 1. On peut à l'aide de la directive LIST définir un format par défaut. Si par exemple on place l’instruction LIST r=dec au début du programme, tous les nombres sans préfixe seront interprétés en décimal. Figure 1 23. Structure d'un programme écrit en assembleur Un programme écrit en assembleur doit respecter une certaine syntaxe et un certain nombre de règles afin qu'il soit facile à lire et à débuguer : 1. Quelques lignes de commentaire précisant la fonction du programme. 2. Tout ce qui commence à la première colonne est considéré comme une étiquette (Label) permettant de faire des sauts et des appels aux sous-programmes. 3. Tout ce qui suit un point virgule est considéré comme un commentaire non interprété par le compilateur. 4. Un programme apparaît donc comme un texte écrit sur 3 colonnes : La colonne de gauche contient les étiquettes. La colonne du milieu contient les instructions. La colonne de droite contient les commentaires. 5. Si le programme utilise des interruptions, mettre à l'adresse 0, adresse du branchement du µC lors d’un Reset ou d’une mise sous tension, une instruction de branchement au début du programme principal. Exemple : ORG 0 GOTO début 6. Ecrire le sous-programme d'interruption à l'adresse 4 ou mettre à cette adresse un branchement au même sous-programme. Exemple : ORG 4 Ecrire le sous-programme d'interruption ici. RETFIE Remarque : Si le programme ne gère pas les interruptions, on peut se passer des étapes 5 et 6. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 27 LQTMY-Tanger Le µC PIC 16F84 : 3ème partie M.SALMANI 7. Ecrire les sous-programmes (s'il y en a). Chaque procédure commence par une étiquette qui représente son nom, et se termine par l'instruction Return. 8. Ecrire le programme principal (commençant par l'étiquette début : si les étapes 4 et 5 sont présentes). 9. Terminer avec la directive END. Exemple : La figure 2 montre un extrait du programme écrit en assembleur. Figure 2 Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 28 LQTMY-Tanger M.SALMANI Le µC PIC 16F84 : 4ème partie 1. Timer TMR0 C’est un compteur 8 bits ayant les caractéristiques suivantes : Il est incrémenté en permanence soit par l’horloge interne (mode timer) soit par une horloge externe appliquée à la broche RA4 du port PORTA (mode compteur). Le choix de l'horloge se fait à l'aide du bit TOCS du registre OPTION et la sélection du front actif de l’horloge externe s’effectue par le bit TOSE du même registre : Registre OPTION RBPU INTEDG TOCS TOSE PSA PS2 PS1 PS0 TOCS=0 TMR0 utilise l’horloge interne et TOCS=1 TMR0 utilise l’horloge externe (broche RA4). TOSE=0 front montant et TOSE=1 front descendant. Quelque soit l'horloge choisie, on peut la passer dans un prédiviseur de fréquence programmable dont le rapport est fixé par les bits PS0, PS1 et PS2 du registre OPTION (voir tableau de la figure 1a). L'affectation ou non du prédiviseur se fait à l'aide du bit PSA du même registre. Registre OPTION RBPU INTEDG TOCS TOSE PSA PS2 PS1 PS0 PSA=0 le prédiviseur est affecté au timer TMR0 PSA=1 le prédiviseur est affecté au timer WDT. Remarque : Pour ne pas avoir une prédivision de l’horloge du timer TMR0 il suffit d’affecter le prédiviseur au timer du chien de garde WDT. Au débordement de TMR0 (FF 00), le drapeau T0IF du registre INTCON est placé à 1. Ceci peut déclencher l'interruption T0IE si celle-ci est validée (voir plus tard). Le contenu du timer TMR0 est accessible dans le fichier de registres aussi bien en lecture qu’en écriture. La figure 1b explique le fonctionnement du registre TMR0. Figure 1 Fosc/4 T0IF=1 au débordement 0 Broche RA4/T0CKI 1 1 Registre TMR0 Prédiviseur programmable TOSE TOCS 0 PSA Bus de données 8 bits PS2 PS1 PS0 1a 1b Exemple : Supposons que le timer TMR0 utilise l’horloge interne à base d’un quartz de 4 MHz, Calculons alors le temps de débordement du timer correspondant à une prédivision de 2 : En effet, le timer TMR0 est un compteur de 8 bits qui compte 256 périodes d’horloge. Puisque la période d’horloge est multipliée par 2 alors le temps de débordement du timer est égal à 256*2*1 µs soit 512 µs. Avec un prédiviseur de 256 on aura un temps de débordement égal à 256*256*1 µs soit 65536 µs. Si ce temps est insuffisant on pourrait utiliser un compteur supplémentaire. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 29 LQTMY-Tanger M.SALMANI Le µC PIC 16F84 : 4ème partie 2. Watchdog Timer WDT C’est un compteur 8 bits incrémenté en permanence (même si le µC est en mode sleep) par une horloge RC intégrée indépendante de l'horloge système. Lorsqu’il déborde, (WDT Time Out), deux situations sont possibles : Si le µC est en fonctionnement normal, le WDT Time Out provoque un Reset. Ceci permet d’éviter le blocage du µC en cas de plantage du programme comme par exemple une boucle sans fin, un Reset répété,… Si le µC est en mode sleep, le WDT Time Out provoque un Wake-Up, l'exécution du programme continue normalement là où elle s'est arrêtée avant de rentrer en mode sleep. Cette situation est souvent exploitée pour réaliser des temporisations. L'horloge du WDT est ajustée pour que Le Time Out arrive toutes les 18 ms. Il est cependant possible d'augmenter cette durée en faisant passer le signal Time Out dans un prédiviseur programmable partagé avec le timer TMR0 (voir tableau de la figure 2a). L'usage du WDT doit se faire avec précaution pour éviter la réinitialisation inattendue et répétée du programme. Pour éviter un WDT time Out lors de l'exécution d'un programme, on a deux possibilités : Inhiber le WDT de façon permanente en mettant à 0 le bit WDTE dans le registre de configuration. Remettre le WDT à 0 périodiquement dans le programme principal à l'aide de l'instruction CLRWDT pour éviter qu'il ne déborde. On ne doit pas, en particulier, loger cette instruction dans un sous programme d’interruption. La figure 2b explique le fonctionnement du timer WDT. Figure 2 Horloge WDT WDT 0 WDT Time Out Prédiviseur programmable 1 PSA PS2 PS1 PS0 2a 2b Exemple : Le temps de débordement du timer WDT est estimé à 18 ms sans utiliser une prédivision. Cependant on pourrait prolonger ce temps en utilisant le prédiviseur. Avec une prédivision de 128 le débordement du timer WDT aura lieu tout les 128*18 ms soit 2304 ms. Remarque : Le constructeur du µC 16F84 donne trois temps pour le débordement du timer WDT : Le temps nominal ou typique de 18 ms : c’est le temps de réaction normal que met en général le watchdog pour provoquer un Reset du µC en cas de plantage du programme. Le temps minimal de 7 ms : c’est le délais maximum dont on dispose entre deux instructions CLRWDT pour éviter un Reset non désiré du µC. Le temps maximum de 33 ms : c’est le temps de réaction du watchdog dans le cas le plus défavorable en fonction du composant et des conditions d’utilisation. MicroChip garantit que le Reset s’effectuera au maximum en 33 ms. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 30 LQTMY-Tanger M.SALMANI Le µC PIC 16F84 : 5ème partie 1. Interruption Une interruption est un événement inattendu qui provoque l’arrêt du programme principal pour aller exécuter une procédure d'interruption. A la fin de cette procédure, le µC reprend le programme à l’endroit où il s’était arrêté. Le µC 16F84 possède 4 sources d'interruption. A chaque interruption sont associés deux bits : Un bit de validation : permet d'autoriser ou non l'interruption. Un bit de signalisation ou drapeau (flag) : permet au µC de savoir de quelle interruption il s'agit. Tous ces bits sont logés dans le registre INTCON à part le drapeau EEIF de l'interruption EEI qui se trouve dans le registre EECON1. Registre INTCON GIE EEIE T0IE INTE RBIE T0IF INTF RBIF GIE : ce bit autorise ou interdit globalement toutes les interruptions. GIE=1 toutes les interruptions sont autorisées. EEIE : ce bit permet de valider l’interruption de fin d’écriture en EEPROM. EEIE=1 interruption validée. T0IE : ce bit valide l’interruption générée par le débordement du timer TMR0. T0IE=1 interruption validée. INTE : ce bit valide l’interruption sur la broche RB0. INTE=1 interruption validée. RBIE : ce bit valide l’interruption sur l’une des broches RB4 à RB7. RBIE=1 interruption validée. T0IF : ce bit signale le débordement du timer TMR0. T0IF=1 débordement du timer TMR0. INTF : ce bit signale qu’une interruption a été provoquée par la broche RB0. INTF=1 interruption générée. RBIF : ce bit signale qu’une interruption a été provoquée par l’une des broches RB4 à RB7. RBIF=1 interruption générée. Registre EECON1 EEIF WRERR WREN WR RD EEIF : ce bit signale le déclenchement d’une interruption de fin d’écriture en EEPROM. EEIF=1 interruption générée. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 31 LQTMY-Tanger M.SALMANI Le µC PIC 16F84 : 5ème partie 2. Déroulement d’une interruption Lorsque l'événement déclencheur d'une interruption intervient, alors son drapeau est positionné à 1. Si de plus l'interruption correspondante a été validée, elle est alors déclenchée : le µC arrête ce qu'il est en train de faire et va exécuter la procédure d'interruption qui se trouve à l'adresse 4 en exécutant les étapes suivantes : L’adresse contenue dans le PC (Program Counter) est sauvegardée dans la pile, puis remplacée par la valeur 4 qui correspond à l’adresse de la routine d'interruption. Le bit GIE est positionné à 0 pour inhiber toutes les interruptions afin que le µC ne soit pas dérangé pendant l'exécution de la procédure d'interruption. A la fin de la procédure d'interruption (instruction RETFIE) : Le bit GIE est repositionné à 1 en autorisant ainsi un autre événement. Le contenu du PC est rechargé à partir de la pile ce qui permet au programme de reprendre là où il s'est arrêté. Remarques : Le drapeau reste à 1 même après le traitement de l’interruption. Par conséquent, il faut toujours le remettre à 0 à la fin de la routine d'interruption sinon l'interruption sera déclenchée de nouveau juste après l'instruction RETFIE. Seul le PC est empilé automatiquement. Si cela est nécessaire, les registres W et STATUS doivent être sauvegardés temporairement en RAM utilisateur puis restaurés à la fin de la routine d’interruption pour que le µC puisse reprendre le programme dans les mêmes conditions où il l'a laissé. 3. Sources d’interruption 31. Interruption INT : Entrée RB0 du PORTB Cette interruption est provoquée par un changement d'état sur l'entrée RB0 du PORTB quand elle est programmée en entrée. Elle est gérée par les bits : INTE et INTF du registre INTCON. INTEDG du registre OPTION : ce bit permet de choisir le front du déclenchement de l’interruption. INTEDG=1 front montant et INTEDG=0 front descendant. Registre OPTION RBPU INTEDG TOCS TOSE PSA PS2 PS1 PS0 32. Interruption RBI : Entrées RB4 à RB7 du PORTB Cette interruption est provoquée par un changement d'état sur l'une des entrées RB4 à RB7 du PORTB. Le front n'a pas d'importance. Les bits associés sont RBIE et RBIF du registre INTCON. 33. Interruption T0I : Débordement du Timer TMR0 Cette interruption est provoquée par le débordement du timer TMR0. Les bits associés sont T0IE et T0IF du registre INTCON. 34. Interruption EEI : Fin d'écriture dans l'EEPROM Cette interruption est déclenchée à la fin d'une écriture réussie dans l'EEPROM de données. Les bits associés sont EEIE du registre INTCON et EEIF du registre EECON1. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 32 LQTMY-Tanger M.SALMANI Systèmes asservis : 1ère partie 1. Généralités sur les systèmes 11. Définition Un système physique est un ensemble d'éléments liés entre eux dans le but de réaliser une tâche donnée. Ce système peut être de nature électrique, mécanique, pneumatique, hydraulique, électromécanique, etc. Ce processus soumis aux lois physiques est caractérisé par des grandeurs de deux types : les entrées et les sorties (voir figure 1a). 12. Transformée de LAPLACE A toute fonction f(t) on associe une fonction F(p) de la variable complexe p et on écrit : L[f(t)]=F(p) On a les propriétés suivantes : Dérivation : L[f’(t)]=p.F(p)-f(0), on a très souvent f(0)=0. Intégration : L[f(t).dt]=F(p)/p. Théorème de la valeur initiale : lim f(t)=lim [p.F(p)]. t0 p Théorème de la valeur finale : lim f(t)=lim [p.F(p)]. t p0 13. Fonction de transfert Soit le système de la figure 1b qui présente une entrée E(p) et une sortie S(p). Sa fonction de transfert est telle que : H(p)=S(p)/E(p) 14. Fonction échelon Une fonction f(t) est dite de type échelon si son allure est conforme à celle de la figure 1c. f(t) peut s’écrire : f(t)=F0.(t) avec (t)=0 pour t 0 et (t)=1 pour t 0. sa transformée de LAPLACE est : L[f(t)]=F0/p 15. Réponse indicielle L’évolution de la sortie s(t) suite à un échelon d’entrée e(t) s’appelle la réponse indicielle. Figure 1 1a e(t) Système s(t) 1b E(p) H(p) S(p) f(t) 1c F0 0 t 2. Système du premier ordre 21. Définition Un système physique d'entrée e (t) et de sortie s (t) est dit du premier ordre s'il est régi par une équation différentielle du premier ordre à coefficients constants de la forme : .[ds(t)/dt]+s(t)=e(t) avec constante du temps ( > 0), caractérise l'évolution de s (t). 22. Fonction de transfert L’expression générale de la fonction de transfert d’un système du premier ordre s’écrit : H(p)=H0/(1+p) avec H0 transfert statique de H(p). Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 33 LQTMY-Tanger Systèmes asservis : 1ère partie M.SALMANI 23 Solution de l’équation différentielle La solution générale de l’équation différentielle du 1er ordre est de la forme : s(t)=sf+[(si-sf).exp(-t/)]. si : valeur initiale de s(t) ou valeur à l’instant t=0 notée s(0). sf : valeur finale de s(t) ou valeur à l’instant t= notée s(). 24. Réponse indicielle de s(t) La réponse indicielle de la sortie s(t) suite à un échelon d’entrée est celle de la figure 2. La courbe s(t) possède les propriétés suivantes : L'asymptote horizontale coupe la tangente à l'origine à l'instant t=. A t= la sortie s(t) atteint 63% de s() : s()=0,63.s(). Le temps de réponse à 5 est le temps au bout duquel s(t) atteint 95 de s() : tr5=3. Figure 2 s(t) 95.s() s() 63.s() t 3 25. Exemples 251. Système électrique : Circuit RC de la figure 3 ve(t)=R.i(t)+vs(t) avec i(t)=C.[dvc(t)/dt]=C.[dvs(t)/dt] .[dvs(t)/dt]+vs(t)=ve(t) avec =RC. La fonction de transfert du circuit RC est telle que : H(p)=Vs(p)/Ve(p)=1/(1+RCp) avec H0=1 et =RC. ve(t) est un échelon d’amplitude E0 : ve(t)=E0.(t) On suppose que le condensateur est initialement déchargé : vs(0)=0V. vs(t)=E0.[1–exp(-t/)] avec vs()=E0 et vs(0)=0V. Figure 3 i(t) R vs(t) E0 ve(t) C vs(t) t 252. Système hydraulique : figure 4 Considérons un réservoir, de surface S, initialement vide : qe, grandeur d’entrée du système, présente le débit de remplissage du réservoir. C’est un échelon d’amplitude Q0 : débit constant à partir de t=0. qv constitue le débit de vidage du réservoir. Il est proportionnel au niveau n du liquide, grandeur de sortie du système, par la relation qv=k.n. Le volume v du liquide dans le réservoir s’écrit v=S.n alors que sa variation est dv(t)/dt=S[dn(t)/dt]. qe-qv=dv(t)/dt=S[dn(t)/dt] Q0-k.n=S[dn(t)/dt] Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 34 LQTMY-Tanger M.SALMANI Systèmes asservis : 1ère partie Q0/k=(S/k)[dn(t)/dt]+n Q0/k=.[dn(t)/dt]+n avec =S/k. n(t)= Q0/k.[1–exp(-t/)] avec n()=Q0/k et n(0)=0. La fonction de transfert liant le débit d’entrée Qe(p) et le niveau de sortie N(p) est telle que : H(p)=N(p)/Qe(p)=(1/k)/[1+(S/k)p] avec H0=1/k et =S/k. Figure 4 n(t) Q0/k t Niveau n 3. Système du second ordre 31. Définition Un système physique d'entrée e(t) et de sortie s(t) du 2ème ordre est régi par une équation différentielle du deuxième ordre à coefficients constants de la forme : (1/02).[d2s(t)/d2t]+(2m/0).[ds(t)/dt]+s(t)=e(t) 0 : pulsation propre du système. m : coefficient d’amortissement. Il est toujours positif (m0) et sans unité. 32. Fonction de transfert L’expression générale de la fonction de transfert d’un système du second ordre s’écrit : H(p)=H0/[1+(2mp/0)+(p/0)2] avec H0 transfert statique de H(p). 33 Solution de l’équation différentielle La solution générale de l’équation différentielle dépend de la valeur de m. La figure 5 illustre l’allure de s(t) suite à un échelon d’entrée e(t) et ceci pour trois cas particuliers des valeurs de m. Figure 5 s(t) smax m1 D s() m=0,7 m1 s(t) s(t) s() s() t t t Pour m1 : Le système est pseudo oscillant ou oscillatoire amorti avec un dépassement important. Pour m1 : Le système est lent et ne présente aucun dépassement. On n’a pas intérêt à avoir ni m1, ni m1. La valeur optimale de m est 0,7 : tr5=(0,44.2)/0 et un dépassement n’excédant pas 5. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 35 LQTMY-Tanger M.SALMANI Systèmes asservis : 1ère partie 34. Exemples 341. Système électrique : Circuit RLC de la figure 6 ve(t)=Ri(t)+Ldi(t)/dt+vs(t)=RC[dvs(t)/dt]+LC[d2vs(t)/dt]+vs(t) Pour une entrée échelon telle que ve(t)=E0.(t), on aura : LC[d2vs(t)/dt]+RC[dvs(t)/dt]+vs(t)=E0 Par identification, on trouve : 0=1/(LC)1/2 , m=(R/2)(C/L)1/2 et s()=E0. La fonction de transfert du circuit RLC est telle que : H(p)=Vs(p)/Ve(p)=1/(1+RCp+LCp2) avec H0=1. Figure 6 R ve(t) L i(t) C vs(t) 342. Système électromécanique de la figure 7 : Moteur à courant continu Figure 7 i i M u R L e u On suppose que le moteur est à flux constant, les frottements sont négligés et le fonctionnement est à vide. (1) : u=Ri+[L(di/dt)]+e R et L : résistance et inductance de l’induit, e : force conte électromotrice du moteur. (2) : Cem=ki et e=k Cem : couple électromagnétique (N.m) et k : coefficient de vitesse (V.s/rad) ou de couple (N.m/A). (3) : Cm-Cr=J(d/dt) et Cm=Cu=Cem-Cp Cr : couple résistant(N.m) et J : moment d’inertie de l’ensemble mobile en rotation (Kg.m2). Cm : couple moteur, Cu : couple utile et Cp : couple des pertes collectives (pertes mécaniques et pertes fer). Si on néglige Cp on aura à vide (Cr=0) : Cem=ki=J(d/dt) La combinaison des équations conduit à l’équation différentielle : (LJ/k2)d2/dt2+(RJ/k2)d/dt+=u/k. Pour une entrée échelon d’amplitude U0 telle que u(t)=U0*(t), on aura : (LJ/k2)d2/dt2+(RJ/k2)d/dt+=U0/k. Par identification, on trouve : 0=k/(LJ)1/2 , m=(R/2k)(J/L)1/2 et ()=U0/k. La fonction de transfert liant la vitesse (p) à la tension d’alimentation U(p) est telle que : H(p)=(p)/U(p)=(1/k)/[1+(RJ/k2)p+(LJ/k2)p2] avec H0=1/k. Remarque : Si on néglige l’inductance L, l’équation différentielle se réduit à : u/k=(RJ/k2)d/dt+ Le moteur à courant continu est équivalent à un système du 1er ordre. Par identification, on trouve : =RJ/k2 et ()=U0/k. La fonction de transfert se réduit à H(p)=(p)/U(p)=(1/k)/[1+(RJ/k2)p] avec H0=1/k. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 36 LQTMY-Tanger M.SALMANI Systèmes asservis : 2ème partie 1. Système commandé Un système est dit commandé si la grandeur de sortie xs(t) est fonction de la grandeur d’entrée xe(t) : xe(t) s’appelle signal de commande ou consigne susceptible de modifier l’état de la sortie xs(t). xs(t) s’appelle signal de sortie représentant la grandeur physique qu’on souhaite contrôler, à savoir : vitesse, position, température, débit, niveau, pression, etc. Le système commandé peut être scindé en deux blocs : Le processus physique exemples simples : moteur, vérin, résistance de chauffage, vanne, pompe, etc. Le bloc de commande ou actionneur : c’est un organe de puissance qui traduit la consigne en un signal capable de manipuler la grandeur physique de sortie. Figure 1 xe(t) Système commandé xs(t) Rapport cyclique Angle de retard à l’amorçage xe(t) Hacheur Redresseur commandé Angle de retard à l’amorçage Gradateur U Ueff Actionneur Processus xs(t) U Moteur à courant continu Vitesse Moteur à courant continu Vitesse Résistance de chauffage Température Un système commandé, dit aussi système en boucle ouverte, présente un inconvénient majeur d’être sensible aux perturbations qui affectent la grandeur de sortie. Par exemple, dans le cas du chauffage d’une pièce, lorsqu’une personne entre dans la pièce, l’ouverture de la porte provoque en général une diminution de la température ambiante de la pièce. Pour immuniser un système commandé contre les perturbations, on a adopté la technique d’un système asservi qui consiste à contrôler automatiquement et en permanence la grandeur de sortie pour la maintenir égale à la valeur souhaitée (consigne). 2. Structure d’un système asservi La structure générale d’un système asservi est représentée à la figure 2. Un système asservi, appelé aussi système bouclé ou en boucle fermée, est constitué de : Une chaîne d’action ou chaîne directe composée du processus et sa commande (actionneur). Une chaîne de réaction ou chaîne de retour formée par un capteur qui mesure en permanence la sortie Xs afin de fournir le signal de retour Xr image de Xs (feed-back). Le capteur doit être fidèle et insensible aux perturbations. Un comparateur qui élabore en permanence le signal d’erreur X X=(Xe-Xr). Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 37 LQTMY-Tanger M.SALMANI Systèmes asservis : 2ème partie Figure 2 Chaîne directe Comparateur X Xe Xa Actionneur Xs Processus Xr - Xe : signal d’entrée ou consigne - Xr : signal de retour image de Xs - X : signal d’erreur - Xa : signal d’action - Xs : signal de sortie Capteur Chaîne de retour Remarque : On classe les systèmes asservis en deux familles : Système régulé : C’est un système asservi particulier qui doit maintenir constante la sortie conformément à la consigne constante indépendamment des perturbations Il s’agit d’une régulation. Exemples : Régulation de température, vitesse, tension, etc. Système asservi : C’est un système asservi pour lequel la sortie doit poursuivre le plus fidèlement possible la consigne variable indépendamment des perturbations Il s’agit d’un asservissement. Exemples : Asservissement de position, fréquence, phase, etc. Le schéma de la figure 2 peut être mis sous la forme du schéma fonctionnel, dit aussi schéma blocs, de la figure 3. Figure 3 X Xe Xa A H - A=Xa/X - H=Xs/Xa - K=Xr/Xs Xs Xr K 3. Fonctions de transfert 31. Fonction de transfert en boucle ouverte En boucle ouverte le signal Xr n’est pas réinjecté au comparateur, par conséquent ou aura (voir figure 4) : Les blocs des deux chaînes seront en cascade. Le signal d’erreur X est égale au signal d’entrée ou consigne Xe X=Xe. Figure 4 X Xe A Xa H Xs K Xr 0 La fonction de transfert en boucle ouverte (FTBO) est définie par le rapport : T=Xr/Xe=A.H.K Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 38 LQTMY-Tanger M.SALMANI Systèmes asservis : 2ème partie 32. Fonction de transfert en boucle fermée : Formule de Black Considérons le schéma fonctionnel de la figure 3. Cherchons le rapport F=Xs/Xe. On a : (1) X=Xe-Xr=Xe-K.Xs et (2) Xs=A.H.X. La combinaison des équations (1) et (2) implique : Xs.[1+A.H.K]=Xe.A.H La fonction de transfert en boucle fermée (FTBF) est : F=Xs/Xe=(A.H)/[1+(A.H.K)] 4. Qualités requises à un système asservi Les performances demandées à un système asservi dépendent de la phase de fonctionnement : En régime permanent : La précision Un système asservi est dit précis si la sortie atteint la valeur désirée de l’entrée ou consigne. Elle est définie par l’erreur : Lim[xe(t)-xs(t)] lorsque t tend vers l’infini(t). En régime transitoire : La rapidité et la stabilité. Un système est dit rapide s’il rejoint rapidement son régime permanent. La rapidité est définie par le temps de réponse à 5 (tr5). Un système est dit stable si sa réponse n’est pas oscillatoire, que ça soit amortie ou non. Un système asservi performant doit être à la fois stable, rapide (tr5 court) et précis (erreur statique trop faible). 5. Correction d’un système asservi En pratique, on démontre que les paramètres décrits ci-dessus sont étroitement liés et contradictoires. Par exemple l’amélioration de la précision peut introduire l’instabilité et la lenteur du système. On déduit alors qu’un système asservi réel fait apparaître des défauts suivants : l’imprécision, la lenteur et l’instabilité. L’amélioration des performances d’un système asservi consiste à corriger ses défauts par insertion d’un bloc supplémentaire placé juste après le comparateur : il s’agit d’un correcteur qui doit être choisi convenablement pour obtenir des qualités satisfaisantes (voir figure 5). Figure 5 X Xe Correcteur Xc Actionneur Xa Processus Xs Xr Capteur 6. Régulation de la vitesse d’un moteur à courant continu 61. Modélisation du moteur à courant continu Considérons la figure 6 qui représente le schéma équivalent du moteur à courant continu M. Figure 6 I I M U Sciences et technologies électriques R L E U Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 39 LQTMY-Tanger M.SALMANI Systèmes asservis : 2ème partie On suppose que le moteur est à flux constant, les frottements sont négligés et on néglige l’inductance L de l’induit. On a E=U-RI=k =U-RI/k Pour faire varier la vitesse de la machine à courant continu à flux constant, on doit agir sur la tension d’alimentation U. 62. Etude du système non régulé 621. Fonctionnement à vide Le courant I0 circulant dans l’induit est tellement négligeable qu’on peut le considérer nul. Le moteur, supposé alimenté sous la tension nominale Un, tourne à une vitesse 0 telle que : 0=Un/k=E0/k 622. Fonctionnement en charge Le moteur, toujours alimenté sous la tension nominale Un, absorbe un courant Ic considérable et tourne à une vitesse c telle que : c=Ec/k=Un-RIc/k=E0-RIc/k 623. Variation de la vitesse de rotation La présence de la charge mécanique affecte la vitesse de rotation . Cette influence se traduit par une variation telle que : =0-c=(E0/k)-(E0-RIc/k)=RIc/k =RIc/k 63. Etude du système régulé Le schéma du système régulé est représenté à la figure 7. Figure 7 U Ue Correcteur Uc Charge Hacheur Ur U M DT 631. Principe de la régulation On suppose que suite à une valeur de la consigne Ue, le hacheur délivre une tension U1 et le moteur tourne à la vitesse 1. En présence d’une perturbation, par exemple, une variation du couple résistant Cr, causée par une variation de la charge entraînée par le moteur, la vitesse change (=2) sans que la consigne soit modifiée. Deux cas se présentent : Si augmente (21) : Ur augmente U diminue le hacheur délivre une tension U2U1 diminue. Si diminue (21) : Ur diminue U augmente le hacheur délivre une tension U2U1 augmente. 632. Eléments constitutifs du système régulé 6321. Capteur de vitesse L’acquisition de la vitesse est confiée à une dynamo tachymétrique. C’est une machine à courant continu fonctionnant en génératrice à flux constant. Tournant à la vitesse , elle produit une force électromotrice proportionnelle à Ur=k’. Remarque : La mesure de la vitesse peut être réalisée à l’aide d’un codeur incrémental associé à un convertisseur fréquence/tension (monostable et filtre passe-bas par exemple comme l’indique la figure 8a). Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 40 LQTMY-Tanger M.SALMANI Systèmes asservis : 2ème partie 6322. Comparateur Ce n’est autre qu’un montage soustracteur à base de l’amplificateur opérationnel (voir figure 8b). 6323. Correcteur Le correcteur est de type proportionnel ou amplificateur d’amplification C. La tension d’erreur est amplifiée grâce au montage amplificateur non inverseur à base de l’Aop (figure 8c) : Uc=[1+(R5/R4)].U=C.U 6324. Hacheur Le schéma de principe du hacheur est donné à la figure 8d et sa commande est conforme au schéma de la figure 8e. Le rapport cyclique de la tension Uh est fonction de la tension Uc =A’.Uc La valeur moyenne de la tension U est proportionnelle au rapport cyclique U=.Un On déduit alors la loi de commande du hacheur : U=A’.Un.Uc U=A.Uc Avec A=A’.Un Figure 8 +Vcc Figure 8a R1 T D Monostable R2 Figure 8b R5 U Uc R4 Figure 8c U R0 Ue Aop Aop R0 Ur Ur C R0 R0 Aop R3 Uréf I Figure 8e t Uh D1 M Figure 8d U Un t I H Un Uc D1 U Aop M Sciences et technologies électriques Uréf R6 Tp D2 Uh Uc Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 41 LQTMY-Tanger M.SALMANI Systèmes asservis : 2ème partie 633. Schéma fonctionnel du système régulé Figure 9 R.I U Ue C Uc U A E 1/k Ur k’ 634. Expression de la vitesse de rotation (1) : U=Ue-Ur=Ue-k’ (2) : U=A.C.U (3) : =U-RI/k La combinaison des trois équations conduit à l’expression de la vitesse de rotation en fonction de la consigne Ue et de l’entrée de perturbation du système R.I : =Ue.(AC/k)/[1+(ACk’/k)]-RIc.(1/k)/[1+(ACk’/k)] Pour comparer les variations de vitesse du moteur avec et sans régulation, on se place dans les mêmes conditions : On fixe la valeur de la consigne Ue de telle sorte que le moteur tourne, à vide, à la vitesse ’0 égale à 0. On charge le moteur avec la même charge mécanique qui force le moteur de tourner à la vitesse ’c et ceci sans modifier la valeur de la consigne Ue. 6341. Fonctionnement à vide A vide le courant absorbé I0 est supposé nul et le moteur tourne à la vitesse 0’ telle que : ’0= 0=Ue.(AC/k)/[1+(ACk’/k)] 6342. Fonctionnement en charge En charge le courant absorbé est Ic et le moteur tourne à la vitesse c’ telle que : ’c=Ue.(AC/k)/[1+(ACk’/k)]-RIc.(1/k)/[1+(ACk’/k)] 6343. Variation de la vitesse de rotation ’= 0’-c’= RIc.(1/k)/[1+(ACk’/k)] /’=1+(ACk’/k)1 La régulation permet de réduire la variation de la vitesse de rotation et de masquer ainsi les fluctuations de la charge mécanique d’où l’intérêt d’un système régulé ou asservi. 64. Exemple numérique On donne : Un=220 V, R=2 , Ic=10 A, k=2 V.rad-1.s, k’=0,05 V.rad-1.s, C=20, A’=0,2 V-1 A=0,2*220=44. 641. Sans régulation 0=Un/k=220/2=110 rad/s c=Ec/k=Un-RIc/k=E0-RIc/k=220-20/2=100 rad/s =RIc/k=20/2=10 rad/s Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 42 LQTMY-Tanger Systèmes asservis : 2ème partie M.SALMANI 642. Avec régulation On cherche d’abords la valeur de la consigne Ue permettant de faire tourner le moteur à vide à la vitesse ’0=0. ’0= 0=Ue.(AC/k)/[1+(ACk’/k)]=110 rad/s Ue=5,75 V. ’c=Ue.(AC/k)/[1+(ACk’/k)]-RIc.(1/k)/[1+(ACk’/k)]=109,56 rad/s ’= 0’-c’= RIc.(1/k)/[1+(ACk’/k)]=0,44 rad/s /’=1+(ACk’/k)=23 ’ Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 43 LQTMY-Tanger M.SALMANI Programmation des PLDs 1. Introduction La programmation des PLDs nécessite : Un logiciel de développement permettant de générer un fichier JEDEC à partir des données rentrées par l’opérateur. Ce fichier étant un ensemble de données binaires indiquant au programmateur les fusibles à "griller". Un programmateur permettant de "griller" les fusibles du PLD en fonction des données du fichier JEDEC. Il est en général associé à un logiciel de pilotage. Figure 1 Ordinateur Logiciels de développement PLD non programmé PLD programmé Programmateur 2. Programmation des PLDs Lors de la programmation des PLDs, il est conseillé de suivre les démarches suivantes : Etude du système et élaboration des relations liant les entrées/sorties. Choix du composant en fonction des besoins du système : nombre d’entrées/sorties, structure des sorties, … Ecriture des modules de description : C’est le rôle du logiciel de développement. Il permet de créer le fichier de fusibles à griller(table de fusibles). Ce fichier est normalisé au format JEDEC. Les moyens de description sont multiples, à savoir : Les logigrammes, les équations logiques, les tables de vérités, … Les langages de description qui sont adaptés à la programmation des PLDs sont ABEL(langage de description matériel HDL) et VHDL(langage de description matériel de haut niveau). L’écriture d’un fichier ABEL ou VHDL ne nécessite qu’un éditeur de texte. Cependant les fabricants des circuits mettent des outils (logiciels) à la disposition des développeurs(programmeurs). Parmi ces logiciels, on trouve : Synario de LATTICE, Express d’ORCAD, ISP Design Expert et ISP Lever de LATTICE,… Compilation : C’est le rôle du compilateur. Le document de description(fichier source) doit être traduit en un document objet compatible avec la programmation des composants. C’est le fichier JEDEC dans lequel un 0 ou un 1 signifie qu’un croisement ligne colonne de la matrice de programmation doit participer ou non au terme ET. Simulation : C’est le rôle du logiciel de simulation. Pendant cette phase, le programmeur procède à un test et une mise au point du circuit. Le simulateur logique permet donc de vérifier la programmation des circuits. Programmation : C’est le rôle du programmateur. Il permet de vérifier la virginité du circuit, lire le fichier au format JEDEC, programmer le circuit et vérifier la programmation. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 7 LQTMY-Tanger Programmation des PLDs M.SALMANI 3. Langage de description ABEL 31. Structure d’un fichier ABEL On trouve cinq éléments : La section d’entête. La section de déclarations. La section de description. La section de test. La déclaration de fin de fichier. 311. Sections d’entête et de fin Elles encadrent le document ABEL. L’entête commence par le mot MODULE suivi du nom qu’on veut lui donner, en général le nom du fichier ABEL. La section de fin est annoncée par le mot END et doit être suivie du même nom donné au module. La section d’entête peut comporter le mot TITLE suivi d’un texte entre apostrophes(facultatif). 312. Section de déclarations Elle doit être précédée par le mot DECLARATIONS : Variables d’entrées. Exemple : A, B, C, D pin 1, 2, 3, 4 ; Variables de sorties de type combinatoires. Exemple : S1, S2 pin 10, 11 istype ‘com’ ; Variables de sorties de type séquentielles. Exemple : S1, S2 pin 10, 11 istype ‘reg’ ; 313. Section de test Elle annoncée par le mot TEST_VECTORS. Elle va permettre de tester de manière combinatoire ou séquentielle la fonction désirée par l’opérateur qui sera informé par l’échec ou la réussite du test. (la section de test est facultative). 314. Section de description logique 3141. Description logique par équations Elle est annoncée par le mot EQUATIONS. Elle permet de décrire sous forme d’équations, les relations liant les sorties aux entrées. Exemple : S1=A & B ; Les variables traitées par ABEL peuvent être de 1 bit ou un groupe de variables(bus). Exemple : N=[A3, A2, A1, A0] ; S=[B7..B0] ; La figure 2 représente quelques opérateurs manipulés par le langage ABEL. 3142. Description logique par table de vérité Elle doit commencer par le mot TRUTH_TABLE. La figure 3 montre un exemple de description logique par la table de vérité. Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 8 LQTMY-Tanger Programmation des PLDs M.SALMANI Figure 2 Figure 3 Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 9 LQTMY-Tanger Programmation des PLDs M.SALMANI 32. Exemples de programmation 321. Exemple de logique combinatoire Figure 4 322. Exemple de logique séquentielle Figure 5 Sciences et technologies électriques Niveau 2ème Sciences de l’ingénieur Unité ATC 10 Sciences et technologies électriques Sciences de l’ingénieur Classe : 2ème STE Année scolaire : 10/11 Unité : ATC Fonction : Communiquer Réseaux d’entreprise 1. Généralités sur les réseaux informatiques 11. Définition Un réseau d’ordinateurs est un groupe de machines autonomes interconnectées et situés dans un certain domaine géographique. Un tel réseau doit disposer : De ressources à partager sous forme de données ou de machines (fichiers, imprimantes, etc.) ; D’une voie de transmission des données (câbles électriques, ondes, fibres optiques, etc.) ; D’un ensemble de règles gouvernant la façon de communiquer à l'intérieur du réseau. On appelle "Protocoles" cet ensemble de règles. Description d'un réseau 12. Types de réseaux On distingue différents types de réseaux selon leur taille, leur vitesse de transfert des données ainsi que leur étendue géographique. On fait généralement trois catégories de réseaux : LAN : réseau local Le réseau local (LAN : Local Area Network) : C’est un groupe de machines et périphériques de communication interconnectés sur une zone géographique limitée (locale) comme un bâtiment (entreprise, usine, centre de formation, etc.) ; Le réseau métropolitain (MAN : Metropolitan Area Network) : C’est un réseau qui utilise des lignes téléphoniques, physiques ou hertziennes, pour relier des réseaux locaux à l’échelle d’une ville (grandes entreprises, universités, etc.) ; MAN : réseau métropolitain Le réseau étendu (WAN : Wide Area Network) : C’est un réseau de réseaux (inter-réseau) à l’échelle d’un pays, voire la planète (très grandes entreprises, multinationales, etc.). L'Internet est un exemple de réseau WAN. Lycée qualifiant technique Moulay Youssef - Tanger 1 Sciences et technologies électriques 13. Modèles de réseaux 131. Définitions Dans un réseau local, on appelle : Serveur : tout ordinateur qui peut mettre ses ressources physiques (disque dur, imprimante, ….) et logicielles (applications, logiciels, …) à la disposition des autres ordinateurs du réseau. Station de travail : tout ordinateur relié au réseau (client) et capable d'utiliser sans limitation ces ressources locales et avec permission les ressources réseaux offertes par les serveurs. Un modèle de réseau renseigne sur la relation entre les ordinateurs du réseau et l'organisation de la communication au sein de ce réseau. On distingue 2 modèles dans l’architecture des réseaux : Modèle "Egal à Egal" ou "Poste à Poste" (Peer to Peer) ; Modèle Client/Serveur ; A chaque modèle de réseau correspond un système d'exploitation optimisé pour les tâches requises par le modèle de réseau : Windows 98/Me/2000/XP sont des systèmes d'exploitation pour des réseaux égal à égal. Windows NT Server, Windows 2000/2003/2008 Server et Linux sont des systèmes pour les réseaux Client/Serveur. 132. Modèle poste à poste Dans le modèle Poste à Poste, les ordinateurs opèrent en égaux c'est-à-dire, tour ordinateur peut se comporter aussi bien comme un serveur pour les autres ordinateurs que comme une station de travail : Modèle poste à poste Avantages : Un coût réduit (les coûts engendrés par un tel réseau sont le matériel, les câbles et la maintenance) ; Une simplicité à toute épreuve. Inconvénients : Ce système n'est pas du tout centralisé, ce qui le rend très difficile à administrer ; La sécurité est très peu présente. 133. Modèle Client/Serveur Dans un modèle Client/Serveur, les ordinateurs du réseau sont répartis en 2 catégories : Un Serveur ou des Serveurs qui ont pour unique fonction de rendre des services aux autres ordinateurs du réseau ; Des Clients ou "stations de travail" qui, pour une tâche donnée émettent des requêtes de services vers un serveur, qui répond à leurs requêtes. Modèle Client/Serveur Pour cela, un serveur doit être fonctionnellement puissant et doit disposer : De plus de mémoire vive ; De plus d’espace disque ; D’un processeur plus puissant et plus rapide, voire plusieurs processeurs. Ce modèle est conseillé pour un réseau professionnel avec des données sensibles nécessitant une meilleure sécurité et une gestion centralisée des ressources. Lycée qualifiant technique Moulay Youssef - Tanger 2 Sciences et technologies électriques 14. Topologies des réseaux Un réseau local est constitué d'ordinateurs reliés entre eux grâce à du matériel (câblage, cartes réseau, switch), ainsi que d'autres équipements permettant d'assurer la bonne circulation des données. L'arrangement physique de ces éléments s'appelle "Topologie". Topologie en Bus 141. Topologie en Bus C'est l'organisation la plus simple d'un réseau. En effet tous les ordinateurs sont reliés à une même ligne de transmission (Bus) par l'intermédiaire de câble, généralement coaxial. La connexion poste-câble constitue un noeud et un message est émis à partir de n'importe quel poste et dans les deux sens. 142. Topologie en Anneau Cette topologie équivaut fonctionnellement à un Bus dont le câble se referme sur lui même. Les ordinateurs du réseau communiquent chacun à leur tour, on a donc une boucle d'ordinateurs sur laquelle chacun va "avoir la parole" successivement. Cette topologie a l’inconvénient suivant : Si le câble présente un défaut, le réseau ne fonctionne plus. Cette topologie est beaucoup moins utilisée car elle est très chère. En réalité, dans une topologie anneau, les ordinateurs ne sont pas reliés en boucle, mais sont reliés à un répartiteur qui va gérer la communication entre les ordinateurs qui lui sont reliés en impartissant à chacun d'entre-eux un temps de parole. Topologie en Anneau 143. Topologie en Etoile Dans cette topologie, chaque machine est reliée par un câble différent à un noeud central appelé "Hub" ou "Concentrateur". Le Hub contient un certain nombre de ports sur lesquels sont branchées les machines du réseau. Il propage les signaux arrivant sur chacun de ses ports vers tous les autres ports. Ainsi les signaux émis par chaque ordinateur atteignent tous les autres ordinateurs. Cette topologie offre plus de tolérance de panne, car une coupure dans un câble n’affecte que l’ordinateur qui est branché dessus et non pas le reste du réseau. Topologie en Etoile 15. Protocole TCP/IP 151. Notion de protocole Un protocole est une méthode standard qui permet la communication entre des processus (s'exécutant éventuellement sur différentes machines), c'est-à-dire un ensemble de règles et de procédures à respecter pour émettre et recevoir des données sur un réseau. Il en existe plusieurs selon ce que l'on attend de la communication. Certains protocoles seront par exemple spécialisés dans l'échange de fichiers (le FTP), d'autres pourront servir à gérer simplement l'état de la transmission et des erreurs (c'est le cas du protocole ICMP),… Sur Internet, les protocoles utilisés font partie d'une suite de protocoles, c'est-à-dire un ensemble de protocoles reliés entre-eux. Cette suite de protocole s'appelle TCP/IP. Elle contient, entre autres, les protocoles suivants : HTTP, FTP, TCP, IP, ICMP, UDP, ARP,… 152. Protocole TCP/IP TCP/IP est une suite de protocoles. Le sigle TCP/IP signifie «Transmission Control Protocol/Internet Protocol». Il provient des noms des deux protocoles majeurs de la suite de protocoles, c'est-à-dire les protocoles TCP et IP. Lycée qualifiant technique Moulay Youssef - Tanger 3 Sciences et technologies électriques TCP/IP représente d'une certaine façon l'ensemble des règles de communication sur Internet et se base sur la notion adressage IP, c'est-à-dire le fait de fournir une adresse IP à chaque machine du réseau afin de pouvoir acheminer des paquets de données. Etant donné que la suite de protocoles TCP/IP a été créée à l'origine dans un but militaire, elle est conçue pour répondre à un certain nombre de critères parmi lesquels : Le fractionnement des messages en paquets ; L'utilisation d'un système d'adresses ; L'acheminement des données sur le réseau (routage) ; Le contrôle des erreurs de transmission de données. La connaissance de l'ensemble des protocoles TCP/IP n'est pas essentielle pour un simple utilisateur, au même titre qu'un téléspectateur n'a pas besoin de connaître le fonctionnement de son téléviseur, ni des réseaux audiovisuels. Toutefois, sa connaissance est nécessaire pour les personnes désirant administrer ou maintenir un réseau TCP/IP. 153. Adresse IP Sur Internet, les ordinateurs communiquent entre eux grâce au protocole IP (Internet Protocol), qui utilise des adresses numériques, appelées adresses IP, composées de 4 nombres entiers (4 octets) entre 0 et 255 et notées sous la forme xxx.xxx.xxx.xxx. Par exemple, 194.153.205.26 est une adresse IP donnée sous une forme technique. Ces adresses servent aux ordinateurs du réseau pour communiquer entre-eux, ainsi chaque ordinateur d'un réseau possède une adresse IP unique sur ce réseau. 1531. Déchiffrement d’une adresse IP Une adresse IP est une adresse 32 bits, généralement notée sous forme de 4 nombres entiers séparés par des points. On distingue en fait deux parties dans l'adresse IP : Une partie des nombres à gauche désigne le réseau est appelée ID de réseau (net ID); Les nombres de droite désignent les ordinateurs de ce réseau est appelée ID d’hôte (host ID). Soit l'exemple ci-contre : Notons le réseau de gauche 194.28.12.0.Il contient les ordinateurs suivants : 194.28.12.1 à 194.28.12.4. Notons celui de droite 178.12.0.0.Il comprend les ordinateurs suivants : 178.12.77.1 à 178.12.77.4. Dans le cas ci-dessus, les réseaux sont notés 194.28.12 et 178.12.77, puis on numérote incrémentalement chacun des ordinateurs le constituant. 1532. Adresses particulières Lorsque l'on annule la partie host Id, c'est-à-dire lorsque l'on remplace les bits réservés aux machines du réseau par des zéros (par exemple 194.28.12.0), on obtient ce que l'on appelle l'adresse réseau. Cette adresse ne peut être attribuée à aucun des ordinateurs du réseau. Lorsque la partie net Id est annulée, c'est-à-dire lorsque les bits réservés au réseau sont remplacés par des zéros, on obtient l'adresse machine. Cette adresse représente la machine spécifiée par le host ID qui se trouve sur le réseau courant. Lorsque tous les bits de la partie host Id sont à 1, l'adresse obtenue est appelée l'adresse de diffusion (en anglais broadcast). Il s'agit d'une adresse spécifique, permettant d'envoyer un message à toutes les machines situées sur le réseau spécifié par le net ID. A l'inverse, lorsque tous les bits de la partie net Id sont à 1, l'adresse obtenue constitue l'adresse de diffusion limitée (multicast). Enfin, l'adresse 127.0.0.1 est appelée adresse de rebouclage (en anglais loopback), car elle désigne la machine locale (en anglais localhost). 1533. Classes de réseaux Les adresses IP sont réparties en classes, selon le nombre d'octets qui représentent le réseau. Lycée qualifiant technique Moulay Youssef - Tanger 4 Sciences et technologies électriques Classe A Dans une adresse IP de classe A, le premier octet représente le réseau. Le bit de poids fort est à zéro, ce qui signifie qu'il y a 27 (00000000 à 01111111) possibilités de réseaux, soit 128 possibilités. Toutefois, le réseau 0 (bits valant 00000000) n'existe pas et le nombre 127 est réservé pour désigner votre machine. Les réseaux disponibles en classe A sont donc les réseaux allant de 1.0.0.0 à 126.0.0.0 (les derniers octets sont des zéros ce qui indique qu'il s'agit bien de réseaux et non d'ordinateurs !). Les trois octets de droite représentent les ordinateurs du réseaux, le réseau peut donc contenir un nombre d'ordinateur égal à : 224-2 = 16777214 ordinateurs. 0 xxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx Une adresse IP de classe A, en binaire, ressemble à ceci : Réseau Classe B Ordinateurs Dans une adresse IP de classe B, les deux premiers octets représentent le réseau. Les deux premiers bits sont 1 et 0, ce qui signifie qu'il y a 214 (10 000000 00000000 à 10 111111 11111111) possibilités de réseaux, soit 16384 réseaux possibles. Les réseaux disponibles en classe B sont donc les réseaux allant de 128.0.0.0 à 191.255.0.0. Les deux octets de droite représentent les ordinateurs du réseau. Le réseau peut donc contenir un nombre d'ordinateurs égal à : 216-21 = 65534 ordinateurs. 10 xxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx Une adresse IP de classe B, en binaire, ressemble à ceci : Réseau Classe C Ordinateurs Dans une adresse IP de classe C, les trois premiers octets représentent le réseau. Les trois premiers bits sont 1,1 et 0, ce qui signifie qu'il y a 221 possibilités de réseaux, c'est-à-dire 2097152. Les réseaux disponibles en classe C sont donc les réseaux allant de 192.0.0.0 à 223.255.255.0. L'octet de droite représente les ordinateurs du réseau, le réseau peut donc contenir : 28-21 = 254 ordinateurs. Une adresse IP de classe C, en binaire, ressemble à ceci : 110 xxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx 1534. Attribution des adresses IP Réseau Ordinateurs Le but de la division des adresses IP en trois classes A, B et C est de faciliter la recherche d'un ordinateur sur le réseau. En effet avec cette notation il est possible de rechercher dans un premier temps le réseau que l'on désire atteindre puis de chercher un ordinateur sur celui-ci. Ainsi, l'attribution des adresses IP se fait selon la taille du réseau. Classe A Nombre de réseaux possibles 126 Nombre d'ordinateurs maxi sur chacun 16777214 B C 16384 2097152 65534 254 Les adresses de classe A sont réservées aux très grands réseaux, tandis que l'on attribuera les adresses de classe C à des petits réseaux d'entreprise par exemple. 1535. Adresses IP réservées Il arrive fréquemment dans une entreprise ou une organisation qu'un seul ordinateur soit relié à Internet, c'est par son intermédiaire que les autres ordinateurs du réseau accèdent à Internet (on parle généralement de Proxy ou de passerelle). Dans ce cas de figure, seul l'ordinateur relié à Internet a besoin de réserver une adresse IP. Toutefois, les autres ordinateurs ont tout de même besoin d'une adresse IP pour pouvoir communiquer ensemble en interne. Ainsi, on a réservé une poignée d'adresses dans chaque classe pour permettre d'affecter une adresse IP aux ordinateurs d'un réseau local relié à Internet sans risquer de créer des conflits d'adresses IP sur le réseau des réseaux. Il s'agit des adresses suivantes : Adresses IP privées de classe A : 10.0.0.1 à 10.255.255.254, permettant la création de vastes réseaux privés comprenant des milliers d'ordinateurs. Adresses IP privées de classe B : 172.16.0.1 à 172.31.255.254, permettant de créer des réseaux privés de taille moyenne. Adresses IP privées de classe C : 192.168.0.1 à 192.168.0.254, pour la mise en place de petits réseaux privés. Lycée qualifiant technique Moulay Youssef - Tanger 5 Sciences et technologies électriques 1536. Masque de sous-réseau Masques de sous-réseau Les masques de sous-réseau correspondant à chaque classe d'adresse : Pour une adresse de Classe A : 255.0.0.0 Pour une adresse de Classe B : 255.255.0.0 Pour une adresse de Classe C : 255.255.255.0 Intérêt d’un masque de sous-réseau Le premier intérêt d'un masque de sous-réseau est de permettre d'identifier simplement le réseau associé à une adresse IP. En effet, pour connaître l'adresse du réseau associé à une adresse IP, il suffit d'appliquer le masque du sous-réseau correspondant : réseau associé = masque ET adresse IP (ET : Fonction ET logique en binaire). Exemple : Soit l’adresse IP 34.208.123.12 qui a pour masque 255.0.0.0. Un ET logique (bien entendu en binaire) entre le masque et l’adresse IP donne le réseau associé qui est bien le 34.0.0.0. Création de sous-réseaux Reprenons l'exemple du réseau 34.0.0.0, et supposons que l'on désire que les deux premiers bits du deuxième octet permettent de désigner le réseau. Le masque à appliquer sera alors : 11111111.11000000.00000000.00000000, c'est-à-dire 255.192.0.0. En réalité il y a 4 cas de figures possibles pour le résultat du masquage d'une adresse IP d'un ordinateur du réseau 34.0.0.0 : Soit les deux premiers bits du deuxième octet sont 00, auquel cas le résultat du masquage est 34.0.0.0 Soit les deux premiers bits du deuxième octet sont 01, auquel cas le résultat du masquage est 34.64.0.0 Soit les deux premiers bits du deuxième octet sont 10, auquel cas le résultat du masquage est 34.128.0.0 Soit les deux premiers bits du deuxième octet sont 11, auquel cas le résultat du masquage est 34.192.0.0 Ce masquage divise donc un réseau de classe A (pouvant admettre 16 777 214 ordinateurs) en 4 sous-réseaux - d'où le nom de masque de sous-réseau - pouvant admettre 222 ordinateurs, c'est-à-dire 4 194 304 ordinateurs. Il peut être intéressant de remarquer que dans les deux cas, le nombre total d'ordinateurs est le même, soit 16 777 214 ordinateurs (4 x 4194304 - 2 = 16777214). Le nombre de sous-réseaux dépend du nombre de bits attribués en plus au réseau (ici 2). Le nombre de sous-réseaux est donc : Nombre de bits 1 Nombre de sous-réseaux 2 2 3 4 4 8 16 5 6 32 64 7 8 (impossible pour une classe C) 128 256 2. Matériel requis pour un réseau local 21. Carte réseau 211. Qu'est-ce qu'une carte réseau ? La carte réseau constitue l’interface entre l’ordinateur et le câble du réseau. La fonction d’une carte réseau est de préparer, d’envoyer et de contrôler les données sur le réseau. La carte réseau possède généralement deux témoins lumineux (LEDs) : La LED verte correspond à l'alimentation de la carte ; La LED orange (10 Mb/s) ou rouge (100 Mb/s) indique une activité du réseau (envoi ou réception de données). Pour préparer les données à envoyer, la carte réseau utilise un transceiver qui transforme les données parallèles en données séries. Chaque carte dispose d’une adresse unique, appelée adresse MAC, affectée par le constructeur de la carte, ce qui lui permet d’être identifiée de façon unique dans le monde parmi toutes les autres cartes réseau. Lycée qualifiant technique Moulay Youssef - Tanger 6 Sciences et technologies électriques Pour garantir la compatibilité entre l’ordinateur et le réseau, la carte doit être adaptée à l’architecture du bus de données de l’ordinateur et avoir le type de connecteur approprié au câblage. Chaque carte est conçue pour s’adapter à un certain type de câble. Certaines cartes comprennent plusieurs connecteurs d’interfaces. Les connecteurs les plus répandus sont les connecteurs RJ-45. 212. Quel est le rôle de la carte réseau ? Une carte réseau sert d’interface physique entre l’ordinateur et le câble. Elle prépare pour le câble réseau les données émises par l’ordinateur, les transfère vers un autre ordinateur et contrôle le flux de données entre l’ordinateur et le câble. Elle traduit aussi les données venant du câble et les traduit en octets afin que l’Unité Centrale de l’ordinateur les comprenne. Ainsi une carte réseau est une carte d'extension s'insérant dans un connecteur d’extensions (slot PCI par exemple). 213. Préparation des données Dans l’unité centrale, les données circulent sur ce qu'on appelle des Bus de données, ces Bus sont constitués de plusieurs « fils » mis en parallèle dans lesquels transitent vos données. A l'inverse des Bus de données, un câble réseau n'est constitué que d'un unique flux de données (c'est à dire qu'il ne peut pas envoyer et recevoir en même temps) il faut donc que la CR créée des groupes de données pour les faire transiter dans le câble. Donc les signaux numériques provenant de l'unité centrale sont transformés en signaux électriques (ou optiques pour les réseaux en fibres optiques). Lorsqu'une CR envoie des données, elle envoie aussi son adresse IP afin d'être identifié par l'ordinateur distant. 214. Différents types de cartes et débits selon les cartes Les cartes standards actuelles sont les 10 Base T qui utilisent des câbles réseaux contenants des fils de cuivre torsadés (désignés par la catégorie 5 e, appelés aussi : paires torsadées). Les câbles de cette catégorie permettent des débits allant jusqu'à 1000 Mbits/s maximum. Les connecteurs situés aux deux extrémités du câble sont de type RJ45, il ressemble beaucoup au RJ11 (utilisé dans la téléphonie) mais est un peu plus grand et possède plus de broches (8 au lieu de 6). La Fibre Optique : les cartes réseaux acceptant les câbles à base de fibres optiques possèdent des avantages que n'ont pas les CR 10 Base T. En effet, elles permettent des distances plus éloignées entre deux postes (maximum 10 Km, alors que pour les 10 Base T, le segment maximum d'un câble est de 100 mètres). Ce genre de réseau est surtout utilisé pour relier des bâtiments entre eux, il ne convient pas pour les petites liaisons car son coût est élevé. Le WIFI : réseau sans fils (WIreless FIdelity ou norme 802.11b pour 11Mb/s 802.11g pour 54Mb/s). Comme son nom l'indique, les ordinateurs sont grâce à cette technologie interconnectés sans liaison filaire. Les CR WIFI sont dotées d'une antenne capable de recevoir des ondes radio-électriques (radio (hertziennes) et infrarouges). Plusieurs catégories de la technologie WIFI sont mises à disposition des utilisateurs, leurs différences se jouent sur la fréquence d'émission ainsi que sur débit et la portée des transmissions de données. 22. Concentrateur Hub Un hub est un boîtier de répartition, comme une prise multiple électrique. On l'utilise dans un réseau local pour relier plusieurs machines en un même point, pour créer une structure en étoile. Cependant il n’est pas intelligant car il ne peut gérer qu’une seule « conversation » à la fois, et toutes les cartes réseaux doivent tourner à la même vitesse. Ce qui signifie concrètement que si, sur 4 ordinateurs, un seul est équipé d’une vieille carte Ethernet à 10Mbs, tous fonctionnent à 10Mbs, même s’ils ne « dialoguent » pas avec celui équipé de la vieille carte. Un hub est l’équivalent d’une multiprise électrique pour le réseau Ethernet, il divise une prise en plusieurs : c’est une façon économique de brancher plusieurs ordinateurs. Mais les données envoyées par un ordinateur sont renvoyées à tous les ordinateurs du réseau, qu’ils en aient besoin ou non : Il est remplacé par le switch/routeur. Un hub peut être branché avec un autre, on appelle cela "mettre en cascade", on a donc une branche de l'étoile sur une autre étoile hiérarchiquement inférieure, les hubs des hiérarchies supérieures sont appelés "répartiteurs". Lycée qualifiant technique Moulay Youssef - Tanger 7 Sciences et technologies électriques 23. Switch Le switch (commutateur) est un perfectionnement du hub. Contrairement au hub, il peut gérer plusieurs « conversations » à la fois et permet aux cartes réseau de tourner à des débits différents. Le switch est un composant intelligent : il sait à quel port sont connectés les ordinateurs et redirige les données au bon endroit. Evidemment, ils ne peuvent pas faire fonctionner une carte 10Mbs à 10Mbs ou plus, mais seul l’ordinateur qui échangera vers celui équipé de cette vieille carte sera ralenti, pas les autres. Les switchs sont toujours utilisés mais ils ne peuvent pas se connecter intelligemment à un réseau étendu (comme Internet). Avec la génération des liaisons à haut débit, ce problème a été résolu par l’intégration d’une fonction de routeur. Les switchs les plus simples offrent généralement 4 ports Ethernet. 24. Routeur A l’origine, la fonction d’un routeur était uniquement de connecter deux réseaux différents entre eux, par exemple le réseau local et le réseau Internet. Mais ce qu’on appelle aujourd’hui un routeur est en fait un routeur combiné à un switch, et éventuellement aussi un point d’accès sans fil. La fonction de base d’un routeur était d’interconnecter deux réseaux, par exemple à relier un LAN (réseau local) à un WAN (réseau étendu comme Internet). C’est un composant capable de gérer tous les ordinateurs du réseau. Il se chargera généralement de leur attribuer une adresse IP. Lycée qualifiant technique Moulay Youssef - Tanger 8 Sciences et technologies électriques 25. Câbles et connecteurs réseaux. Les câbles réseaux servent à connecter tous les composants du réseau : ordinateurs, hubs, switchs, routeurs, cartes réseau, ainsi que les points d’accès et certaines périphériques. 251. Paire torsadée On distingue: Le câble STP : Shielded Twisted Pair pour paire torsadée blindée. Ce traitement améliore l'immunité du câble aux interférences extérieures. Le câble UTP : Unshielded Twisted Pair pour torsadée non blindée. Le câble FTP : Foiled Twisted Pair pour une feuille d'aluminium enroulée autour des paires. Le câble SFTP : Shielded Foiled Twisted Pair. Dénomination Caractéristique Catégorie 1 Transport de la voix Catégorie 2 Voix et Données 4MB/s Catégorie 3 Voix et Données 10MB/s Catégorie 4 Voix et Données 16MB/s Catégorie 5 Voix et Données 100MB/s 252. Fibre optique Catégorie 6 Voix et Données 1000MB/s Paire torsadée Le câble optique est composé de brins en fibre de verre qui conduisent la lumière, il est caractérisé par une très large bande passante avec une très bonne immunité au "bruit". Il existe deux types de fibre optique: La fibre monomode qui est utilisée sur de courtes distances < 2000 M, et ne transporte qu'un seul signal. La fibre multimode utilisée sur de longues distances et peut transporter plusieurs signaux. 253. Câble coaxiale Le câble coaxial est composé d'un fil conducteur au centre du câble, entouré d'une gaine isolante. Ce câble n'est plus utilisé, mais il reste des entreprises encore câblées en coaxial. 254. tableau récapitulatif des normes de câblage Type de câble Connectique Dénomination usuelle Longueur maximale Distance entre 2 points Paire torsadée RJ45 10 base T 100 m X Coaxial épais AUI 10 base 5 500 m 2.5 m Coaxial fin BNC 10 base 2 185 m 0.5 m ST X de 2 à 10 KM de 2 à 10 KM Fibre optique* *en fonction du type "mono" ou "multi" mode. Lycée qualifiant technique Moulay Youssef - Tanger Câble coaxial 9 Sciences et technologies électriques 255. Connecteurs Une carte réseau peut posséder plusieurs types de connecteurs, notamment : Un connecteur RJ45 (paire torsadée); Un connecteur BNC (câble coaxial). Connecteur BNC Prise RJ45 3. Installation d’un réseau Les étapes de l’installation sont : Installer le matériel. Configurer chaque PC. Test de réponse entre les machines. Partager des données d'un PC. 31. Installer le matériel Si les ordinateurs sont récents, ils possèdent vraisemblablement une carte réseau déjà intégrée à la carte mère. Sinon, on doit installer une carte réseau, et éventuellement installer les pilotes de celle-ci en fonction du système d’exploitation qu’on utilise. Windows XP reconnaît automatiquement toutes les cartes réseau récentes. Pour créer votre réseau de 4 postes (à titre d’exemple), il faut avoir : Un switch/hub 4 ports minimum 10/100 Mbits ou routeur si on veut partager une connexion à Internet ; 4 cartes réseau 10/100 Mbits (si celles-ci ne sont pas déjà intégrées à la carte mère) ; 4 câbles réseau RJ45 catégorie 5 UDP ou FTP. Brancher d'abord les câbles RJ45 sur le switch (ou hub) puis connecter-les sur les cartes réseau. Alimentez ensuite le switch. 32. Configurer chaque PC On ne va pas utiliser l'assistant de création de réseau de Windows car il est préférable d'effectuer la configuration réseau pas à pas pour mieux comprendre. Cliquez avec le bouton droit de la souris sur l'icône Favori réseau puis sur propriétés. OU Aller dans le Panneau de configuration Connexions réseau et Internet Connexions réseau. Une boite de dialogue apparaît Faire un clic droit sur Connexion au réseau local puis Propriétés. OU Lycée qualifiant technique Moulay Youssef - Tanger 10 Sciences et technologies électriques Double cliquer sur Protocole Internet (TCP/IP). On peut déjà décocher le Planificateur de paquets QoS, qui limite la bande passant de 20%. Sélectionnez Utiliser l'adresse IP suivante, puis mettre l'adresse du premier PC (192.168.0.1) et son masque de sous réseau (255.255.255.0). Cliquez sur OK. Il n'est pas nécessaire de redémarrer le PC. Ne pas oublier qu'il faut donner un nom à chaque ordinateur si cela n'a pas été déjà fait. Pour ce faire, aller dans le Panneau de configuration : OU Cliquer droit sur le poste de travail puis Propriétés Aller dans l'onglet Nom de l'ordinateur puis Modifier... Donner un nom à chaque PC. Bien sûr, chaque ordinateur doit avoir un nom différent pour bien les différencier. Cliquer sur OK. Lycée qualifiant technique Moulay Youssef - Tanger 11 Sciences et technologies électriques Cette configuration est à effectuer sur les trois autres machines. Rentrer bien une adresse IP ainsi qu'un nom différents pour chacune de vos machines. Pour réaliser notre réseau, nous allons utiliser des adresses IP fixes, et un masque de sous réseau standard (car il n'y aura pas de sous réseau !). Voici le schéma d'un réseau filaire constitué de 4 ordinateurs avec des adresses IP fixes. Remarque : Le masque de sous réseau spécifié signifie que les ordinateurs de notre réseau ne pourront communiquer qu'avec les autres ordinateurs partageant les 3 premiers chiffres de leur adresse IP, à savoir ici, 192.168.0 33. Test de réponse entre les machines. On va maintenant tester si les machines arrivent à communiquer entre elles. On s’installe devant le PC 01 celui qui a l'adresse 192.168.0.1, on va à l'aide d'une commande DOS poser une question à un PC se trouvant dans le réseau et en attendre une réponse. Pour ce faire ouvrer une console en ligne de commande : Aller dans Démarrer => Exécuter...puis tapez cmd puis OK. La commande utilisé est PING, elle vérifie la connectivité IP à un autre ordinateur en envoyant des messages Requête d'écho ICMP (Internet Control Message Protocol) si tout est bien connecté on reçoit des messages Réponse. Si On obtient des réponses, alors les deux machines arrivent à communiquer entre elles, faite la même commande avec les autres adresses IP 192.168.0.3 et 192.168.0.4. Si on n'obtient aucune réponse comme ci-dessous, vérifier si on a bien installé les pilotes et si les câbles sont bien connectés. Faire le test sur chaque PC et si tout va bien alors le réseau est opérationnel. On peut partager les données et jouer en réseau. On peut aussi exécuter de la même manière la commande ipconfig qui permet de connaître les adresses IP qui sont attribuées à votre ordinateur à un moment donné. Lycée qualifiant technique Moulay Youssef - Tanger 12 Sciences et technologies électriques 34. Partager des données d'un PC 341. Partage simple des fichiers Le partage de fichiers est très simple. Attention partager un dossier créé spécialement pour le partage, ne partager pas une partition complète on ne sais jamais surtout si on est connecté à Internet. Choisir ou créer un répertoire à partager cliquer droit sur celui-ci puis Partage et sécurité. La fenêtre de partage apparaît, cliquer sur Si vous êtes conscient des risques.... Activer simplement le partage de fichiers et OK Cocher Partager ce dossier sur le réseau puis OK. 1 2 3 Et voilà le dossier est accessible depuis une autre machine sur le réseau par vos favoris réseau. 342. Partage administratif et partage caché Un partage caché est identifié par le signe $ à la fin de son nom de partage. Par défaut, il existe sous Windows XP des partages administratifs permettant l'accomplissement de certaines tâches liées à la gestion d'un réseau. Pour voir ces partages administratifs faire un clic droit sur l'icône Poste de travail puis Gérer. Ou aller dans Panneau de configuration puis dans Performances et maintenance puis Outils d'administration et enfin cliquer sur Gestion de l'ordinateur. 4 Icône d’un répertoire partagé Lycée qualifiant technique Moulay Youssef - Tanger 13 Sciences et technologies électriques C$ : La partition ou le volume racine permettant l'accès complet de la machine aux administrateurs, et ce, à travers le réseau. ADMIN$ : Désigne le répertoire %systemroot% ... Ce partage est utilisé pour la gestion d'une station faisant partie d'un réseau. IPC$ : Permet la communication de certains processus dédiés au réseau. PRINT$ : Est utilisé pour l'administration à distance des imprimantes. Il est possible de supprimer les partages administratifs C$ et ADMIN$ de cette façon : Dans la base de registre, parcourir : HKEY_LOCAL_MACHINE\SYSTEM\CurrentControlSet\Services\LanmanServer\Parameters Créer une nouvelle valeur Dword nommée : AutoShareWks Affectez-lui la valeur 0 Si on souhaite à nouveau activer les partages administratifs, il suffit de supprimer cette valeur. 35. Partager des périphériques 351. Partager un lecteur Aller dans le menu démarrer poste de travail Cliquer droit sur le lecteur à partager. Choisir Partage et sécurité et afficher l’onglet Partage dans la fenêtre qui s’ouvre. Icône d’un lecteur partagé La fenêtre de partage apparaît, cliquer sur Si vous êtes conscient des risques.... Cocher Activer simplement le partage de fichiers et confirmer par OK. Dans Partage réseau et sécurité, cocher l’option Partager ce dossier sur le réseau. Le champ Nom du partage est activé. C’est ce nom qui apparaît sur le réseau. On peut le changer bien entendu. On peut cocher ou non l’option Autoriser les utilisateurs réseau à modifier mes fichiers pour accéder en lecture seule (sécurité) ou en lecture et écriture. Cliquer sur OK pour fermer la boite de dialogue et activer le partage. 352. Partager une imprimante Aller dans le menu démarrer Panneau de configuration Imprimantes et télécopieurs. Cliquer droit sur l’imprimante à partager et sélectionner Partager Cocher Partager cette imprimante. Le champ Nom de partage est automatiquement rempli d’une partie du nom de l’imprimante. Donner un nom de votre choix et valider avec OK. Icône d’une imprimante partagée Remarque : Comme on peut partager les différentes ressources d’un ordinateur, il est possible d’annuler ce partage à volonté. La procédure d’annulation du partage est identique à celle de son activation (Ne pas partager, décocher l’option partagée…). Lycée qualifiant technique Moulay Youssef - Tanger 14 Sciences et technologies électriques Sciences de l’ingénieur Classe : 2ème STE1 Année scolaire : 10/11 Unité : ATC Fonction : Communiquer Réseaux de terrain 1. Introduction Un réseau local industriel de terrain est utilisé dans une usine ou tout système de production pour connecter diverses machines afin d’assurer la commande, la surveillance, la supervision, la conduite, la maintenance, le suivi de produit, la gestion, en un mot, l’exploitation de l’installation de production. 2. Réseau de terrain Modbus 21. Définition Un réseau de terrain Modbus permet d’interconnecter, sur la même ligne ou bus, des équipements d’automatismes industriels en particulier les automates programmables industriels(API), les variateurs de vitesse des moteurs électriques et les commandes numériques. 22. Topologie du réseau Le réseau de terrain Modbus possède une configuration multipoints, principalement à base de la liaison série asynchrone de la norme RS485. Sa topologie est donc en Bus et utilise la connectique RS485 comme support physique de transmission. 23. Caractéristiques générales de la norme RS485 Figure 1 Figure 1a Ligne A Rt EC2 +0,3V -0,3V Ligne B EC2 Niveaux logiques +6V Rt EC1 UAB Figure 1b ECn -6V Niveau logique 1 Zone indéfinie Niveau logique 0 Pour relier les différents éléments communicants du Bus(EC1, EC2,…, ECn), la norme RS485 utilise une ligne différentielle ligne A et ligne B en produisant deux signaux complémentaires sur les deux lignes. Cette technique permet d’immuniser la ligne de transmission contre les parasites ou bruits industriels et d’augmenter la longueur maximale de la ligne estimée à 1200m. Le câble de la ligne doit être bouchonné en ses deux extrémités par une résistance de terminaison Rt(120). Elle boucle la ligne sur son impédance caractéristique et minimise le bruit pour une meilleure transmission(figure 1a). La figure 1b décrit l’équivalence entre les niveaux logiques et les limites de la tension différentielle UAB. Remarque : Les circuits logiques à l'origine de la transmission sont compatibles TTL/CMOS, il faut alors des circuits drivers ou interfaces d'adaptation à la norme RS485, pour convertir une tension compatible TTL/CMOS en une tension différentielle UAB et inversement. On cite à titre d’exemple le circuit SN75176. Le nombre maximal des éléments communicants sur le bus est limité à 32. La vitesse de transmission des informations en Bauds : 4800/9600/19200. Un baud correspond à un nombre d’états électriques par seconde. Le débit maximal de la ligne atteint 10 Mbits/seconde. Le débit, exprimé en bits par seconde, est le nombre d’informations transmises chaque seconde sur le réseau. Le mode de communication sur le bus est le half duplex : Il ne peut y avoir qu'un seul élément qui émet sur le bus, le reste des éléments reçoit(il est à l’écoute). Lycée Qualifiant Technique Moulay Youssef - Tanger 1 Sciences et technologies électriques 24. Protocole Modbus 241. Notion de protocole Modbus Un protocole est un ensemble de règles de communication et une description des mécanismes permettant la gestion des paquets d’informations et leur transition du réseau à l’application. Le protocole Modbus, créé par la société Modicon, est un protocole de dialogue basé sur une structure hiérarchisée entre une station maître(master) et plusieurs stations esclaves(slaves) comme l’indique la figure 2a. Dans cette configuration il est possible de connecter 31 esclaves dont chacun est repéré sur le bus par une adresse(allant de 1 à 255) unique et indépendante de son emplacement physique. La figure 2b donne la structure d’un réseau Modbus constitué d’un maître(PC de supervision) et 4 esclaves(API). Figure 2 Maître Esclave 1 Esclave 2 Esclave n Bus API 1 API 2 API 3 API 4 Bus Figure 2a Figure 2b 242. Principe du protocole Modbus Le maître envoie une demande ou question à un esclave et attend sa réponse(figure 3a). Le maître diffuse un message ou question à tous les esclaves présents sur le réseau, ceux-ci exécutent l’ordre du message sans émettre une réponse(figure 3b). Deux esclaves ne peuvent dialoguer ensemble. Chaque demande du maître ou réponse d'esclave est un ensemble d'octets applé trame ou message. Le protocole Modbus définit donc la structure des messages et leur mode d’échange du maître vers l’esclave. Figure 3 Question Figure 3a Réponse Esclave 1 Bus Esclave 2 Maître Bus Figure 3b Esclave 3 Question Esclave 1 Esclave 2 Esclave 3 243. Format de la trame L’échange maître/esclave s’effectue par l’envoi de trames Modbus dont le format de base est celui de la figure 4. Figure 4 L’adresse correspond à l’adresse de la station esclave destinataire de la requête(adresse 0 pour le mode diffusion). Adresse Requête Données CRC16 La requête ou code fonction détermine le type de commande. Le champ de données contient l’ensemble des paramètres et 1 octet 1 octet n octets 2 octets informations liés à la requête. Le contrôle de redondance cyclique CRC16 permet à la station destinatrice de vérifier l’intégrité de chaque trame. A chaque réception d’une trame, la station adressée envoie une trame de réponse, dont le format est identique à celui de la trame émise par la station maître avec, selon le type de commande, un champ de données plus ou moins important. Remarque : Les trames de demande et de réponse ont une taille maximale de 256 octets. Lycée Qualifiant Technique Moulay Youssef - Tanger 2 Sciences et technologies électriques 244. Fonctions ou requêtes Modbus Le protocole Modbus comporte des fonctions principales pour l’échange de données(objets) et des fonctions secondaires pour le contrôle des stations secondaires et des échanges. La liste des principales fonctions Modbus Figure 5 est présentée dans le tableau de la figure 5. Les échanges de données entre stations maître/esclave sont représentés par quatre types d’objets : - Bits d’entrée(lecture). - Bits de sortie(lecture/écriture). - Mots d’entrée(lecture). - Mots de sortie(lecture/écriture). Chaque station esclave définie ainsi des zones de bits et de mots(tables d’octets), auxquelles sont associées des adresses Modbus. Dans chaque trame de lecture(bits ou mots) la zone de données contient l’adresse du premier bit ou mot à lire et le nombre de bits ou mots à lire. Pour chaque trame d’écriture, la zone de données contient l’adresse du premier bit ou mot à écrire, le nombre de bits ou mots à écrire, ainsi que les valeurs des bits ou mots à écrire. Dans le cas de fonctions secondaires, le contenu des trames de réponse permet d’obtenir différentes informations de chaque station esclave : diagnostic(état de la station), nombre de messages traités, nombre de messages reçus erronés (CRC16), nombre de messages reçus incorrects, nombre de messages reçus (total), etc ... 245. Principe d’échange Maître/Esclave ou Question/Réponse Le maître s’adresse à l’esclave dont l’adresse est donnée dans le champ prévu à cet effet. Le code fonction indique à l’esclave le type d’action à réaliser. Le champ de données est codé sur n octets. Selon le code fonction, le champ de données contient diverses informations complémentaires permettant à l’esclave de décoder le message. Le maître calcule, selon un algorithme précis, la valeur du champ de contrôle d’erreur CRC16. Lorsque l'esclave reçoit le message de demande, il le range en mémoire, calcule la valeur du CRC16 émis et la compare à celle du CRC16 reçu : - Si le message reçu est incorrect (inégalité des CRC16), l'esclave ne répond pas. - Si le message reçu est correct mais que l'esclave ne peut le traiter (adresse erronée, donnée incorrecte...), il renvoie une réponse d'exception ou réponse d’erreur. L’esclave renvoie sa réponse, il place sa propre adresse dans le champ adresse afin que le maître puisse l’identifier. Il utilise ensuite le champ fonction pour indiquer si la réponse contient une erreur. Pour une réponse normale, l’esclave reprend le même code fonction que celui du message envoyé par le maître, sinon il renvoie un code fonction différent pour indiquer que la réponse est une réponse d’erreur. Le champ de données contient diverses informations dépendant du code fonction pour une réponse normale ou le code d’exception, permettant de connaître le type d’erreur, pour une réponse d’exception. Le champ de contrôle CRC16, contient une valeur calculée à partir du message, permet au maître de confirmer que le message est valide. Echange Question/Réponse relatif aux fonctions 3 et 4 Cet échange correspond à la lecture de N mots de sortie ou lecture de N mots d’entrée(voir figure 6). Le nombre de mots à lire doit être inférieur à 125. Remarque : Le mot représente ici 2 octets. PF et pf désignent respectivement le poids fort et le poids faible. Lycée Qualifiant Technique Moulay Youssef - Tanger 3 Sciences et technologies électriques Figure 6 Demande ou Question du maître Réponde de l’esclave Exemple : Lecture des mots de sortie 0805 à 080A de l’Esclave N°2 Demande ou Question du maître Réponde de l’esclave Echange Question/Réponse relatif à la fonction 10 Cet échange correspond à l’écriture de N mots de sortie(voir figure 7). Remarque : Si le numéro d'esclave est égal à 0, tous les esclaves exécutent l'écriture sans émettre de réponse. 246. Modes de transmission Deux types de codage peuvent être utilisés pour communiquer sur un réseau Modbus. Tous les équipements présents sur le réseau doivent être configurés selon le même type. Type ASCII Chaque octet composant une trame est codé avec 2 caractères ASCII(2 fois 8 bits). Type RTU(Unité terminale distante) Chaque octet composant une trame est codé sur 2 caractères hexadécimaux (2 fois 4 bits). Remarque : Ces deux modes de transmission peuvent êtres utilisés dans le protocole Modbus, mais sont incompatibles entre eux. Environ 95% des modules communicants sur Modbus utilisent le mode RTU. Le format de la trame en mode RTU est donné à la figure 8a dans lequel le silence est équivalent à un délai d’au moins égal à 3,5 fois le temps de transmission d’un mot ou caractère. La figure 8b illustre une vue d’ensemble de 3 trames séparées par un délai intertrame. Remarque : En mode RTU, la trame de message entière doit être transmise en tant que flux de caractères continu, car des temps silencieux supérieurs à 1,5 fois délai de caractère entre 2 caractères seront interprétés par l’équipement de réception comme une trame incomplète. Le récepteur éliminera cette trame. 247. Support de transmission Chaque octet composant un message est transmis en mode RTU, avec ou sans parité, au format de la figure 8c. Lycée Qualifiant Technique Moulay Youssef - Tanger 4 Sciences et technologies électriques Figure 7 Demande ou Question du maître Réponde de l’esclave Exemple : Forçage des mots 0800 à 0803 de l’Esclave N°1 Demande ou Question du maître (0800)=0001 (0801)=0010 (0802)=0100 (0803)=1000 Réponde de l’esclave Figure 8 Début de trame Adresse Requête Données CRC16 Silence 1 octet 1 octet n octets 2 octets Fin de trame Silence Figure 8a Délai intertrame Trame 1 Délai intertrame Trame 2 Délai intertrame Trame 3 Figure 8c Délai Figure 8b Start Bit 0 Bit 1 Bit 2 Bit 3 Bit 4 Bit 5 Bit 6 Bit 7 Parité Start Bit 0 Bit 1 Bit 2 Bit 3 Bit 4 Bit 5 Bit 6 Bit 7 Stop Lycée Qualifiant Technique Moulay Youssef - Tanger Stop 5 Sciences et technologies électriques 3. Réseau de capteurs/actionneurs ASI 31. Définition Le terme ASI signifie Actuator Sensor Interface (interface pour capteurs et actionneurs). C’est un réseau de terrain utilisable pour interconnecter, sur le même câble, des capteurs, des interfaces de dialogue Homme/Machine et des actionneurs. C’est un standard industriel qui permet de mettre en liaison les capteurs et actionneurs, en général, avec un automate programmable industriel(API). Les capteurs sont principalement TOR mais récemment il est possible d’utiliser des capteurs de type analogique. 32. Topologie du réseau ASI Le principe du réseau de terrain ASI s’appui sur l’échange maître/esclave qui comprend un maître (PC, API, Contrôleur …) chargé d'assurer la gestion des états des capteurs/actionneurs(esclaves) et de les transmettre à l’automatisme. Sa topologie est libre(étoile, ligne ou bus, arbre et anneau) mais la plus répandue est en Bus. 33. Caractéristique du réseau ASI - Le nombre d’esclaves maximum sur le bus est limité à 31 esclaves pour un adressage standard et 62 esclaves pour un adressage étendu. - La longueur maximale de bus ne peut excéder 100 mètres sans répéteur et 300 mètres avec répéteur. - le nombre maximum des entrées/sorties géré par le bus varie suivant la version du réseau ASI : pour la version 1, avec un adressage standard des esclaves, on a 124 entrées et 124 sorties et pou la version 2, avec un adressage étendu des esclaves, on a 248 entrées et 186 sorties. - Le temps maximal du cycle est de 5ms pour l’adressage standard et de 10ms pour l’adressage étendu. 34. Eléments constitutifs d’un réseau ASI 341. Câble ASI Le câblage du bus de transmission s'effectue avec un câble spécifique ASI. C’est une liaison bifilaire qui transporte à la fois les données de communication et l’alimentation de 30V pour des équipements connectés. La section des fils peut être de 0,75 mm2, 1,5 mm2 ou 2,5 mm2, suivant le courant consommé par les équipements. On distingue un câble plat ASI à détrompage de couleur jaune et un câble rond standard. Remarque : Il existe aussi un câble noir qui sert à acheminer une alimentation auxiliaire 24V dans le cas d’utilisation des composants grands consommateurs de courant. 342. Alimentation ASI Le bloc d'alimentation ASI sert principalement à fournir une alimentation de 30V aux périphériques du système via le câble ASI. Remarque : Lors de l'extension d’un réseau ASI, on utilise un bloc d'alimentation ASI supplémentaire pour chaque segment de câble ajouté. Mais dans le cas des composants grands consommateurs de puissance on utilise une alimentation auxiliaire standard qui fournie 24V. 343. Puce ASIC Le concept d’ASI repose non seulement sur le type de câble mais également un circuit intégré spécifique appelé ASIC(Application Specific Integrated Circuit). Ce circuit spécifique est intégré directement soit dans le capteur ou l’actionneur ou soit dans une interface bus capteur/actionneur. Il gère toutes les fonctions du capteur ou de l’actionneur et informe notamment le maître sur l’état de la commutation (actionné ou non). Chacun de ces circuits peut échanger via le câble, entre le maître et l’esclave, suivant le type de capteur, d’actionneur (ou d’interface bus d’entrées/sorties), des données d’entrées et/ou des données de sorties sur 4 bits. 4 bits supplémentaires de paramètres permettent à l’ASIC de contrôler des fonctions spécifiques de l’esclave. Le bus ASI rend ainsi possible la communication avec 2 catégories principales de capteurs/actionneurs : - Capteurs ou actionneurs communicants. Directement connectés au bus, c’est dans le capteur ou l’actionneur qu’est installé le circuit ASIC. Lycée Qualifiant Technique Moulay Youssef - Tanger 6 Sciences et technologies électriques - Capteurs ou actionneurs traditionnels non communicants. Ce sont des capteurs ou actionneurs classiques, (exemples : capteur photoélectrique, inductif, capacitif… lampe, relais, électrovanne…) non dédiés habituellement au bus ASI. On les connecte au bus par l’intermédiaire d’interfaces ASI(répartiteurs dits actifs dans lesquels se trouve l’ASIC) pour leur permettre de dialoguer via le bus avec le maître(API par exemple). 344. Coupleur Un coupleur est le maître chargé d’assurer l’interface entre le bus et l’organe de commande (PC, API, passerelle…). Un coupleur ASI version 1 peut gérer au total 124 entrées et 124 sorties (soit au total 31 capteurs/actionneurs communicants ou jusqu’à 124 capteurs et 124 actionneurs traditionnels). 345. Répartiteur actif C’est une interface qui permet de raccorder, à l’aide d’un connecteur, des capteurs/actionneurs traditionnels non communicants. C’est un module esclave d’interface ASI qui comporte le circuit ASIC et qui fournit la communication directe avec le maître. Ce module utilise une seule adresse et il peut être raccordé avec 8 capteurs/actionneurs au maximum tels que les capteurs simples TOR(capteur inductif, optique, capacitif, fin de course, etc…) et les actionneurs (lampe de signalisation, relais, électrovanne, démarreurs moteurs, etc…). 346. Répartiteur passif C’est une interface qui permet de raccorder, à l’aide d’un connecteur, des capteurs/actionneurs communicants. C’est un module esclave d’interface ASI qui permet de raccorder des capteurs/actionneurs intelligents. 347. Interface bus/entrées-sorties C’est une interface qui permet de raccorder par bornes à vis tous types de capteurs/actionneurs traditionnels non communicants. 348. Module intelligent C’est un capteur ou actionneur intelligent, dit aussi asifié, qui comporte lui-même un circuit ASIC, il est donc raccordable directement sur le bus ASI et il communique directement avec le maître. Ce type de module intelligent utilise une seule adresse. 349. Interface de dialogue Homme/Machine asifié Elle constitue un outil de dialogue parfaitement adapté à un échange d’information entre opérateur et machine. On cite en particulier à titre d’exemple : des boites à boutons, des claviers, des colonnes lumineuses, etc… 3410. Accessoires de raccordement et dérivation Le raccordement au bus ASI peut se faire grâce à des tés de connexion prévus pour des raccordements sur câble plat ASI ou des dérivations câble plat/câble rond. 35. Architecture d’un réseau ASI La figure 9 montre un exemple d’un réseau ASI. Figure 9 Alimentation ASI API Coupleur maître Capteur asifié Actionneur asifié Bus ASI Répartiteur passif Répartiteur actif Capteurs/actionneurs asifiés Capteurs/actionneurs non asifiés Lycée Qualifiant Technique Moulay Youssef - Tanger Interface de dialogue H/M 7 Sciences et technologies électriques Figure 10 Câble ASI plat Câble ASI rond Alimentation ASI 30V/24V Alimentation ASI 30V Puce ASIC API Répartiteur pour câble rond Coupleur maître Répartiteur pour câble plat Interface bus/entrées-sorties Interfaces de dialogue Homme/Machine Capteurs ASI Té pour câble plat Dérivation câble plat/câble rond Lycée Qualifiant Technique Moulay Youssef - Tanger 8 Sciences et technologies électriques 36. Protocole du réseau ASI 361. Principe du protocole Le principe de communication est basé sur un protocole à un seul maître. Le maître du bus interroge les esclaves à tour de rôle, ceux-ci répondent en envoyant les données requises. Quand tous les esclaves ont été interrogés, le cycle se répète et continue indéfiniment. Le temps de cycle dépend du nombre d'esclaves du bus. 362. Transaction ASI Une transaction ASI(opération d’échange maître/esclave) comporte les éléments de la figure 11. Si on suppose que la durée d’un bit est de 6µs, une transaction nécessite un temps global de 6*26µs soit 156µs. Le temps nécessaire pour un cycle correspondant à 31 esclave est estimé à 31*156µs soit 4,836ms(environ 5ms). Figure 11 Requête maître Pause maître Réponse esclave Pause esclave 14 3 à 10 7 1 à 2 Requête maître Temps 363. Trames ASI Le maître ASI utilise un télégramme ou trame pour communiquer avec les esclaves raccordés. On distingue deux types de trames : trame du maître et trame de l’esclave. Trame du maître La trame correspondante aux requêtes du maître est constituée des informations de la figure 12. Figure 12 ST CB A4 A3 A2 A1 A0 I4 I3 I2 I1 I0 PB EB - ST : bit de début ST=0 : début. - CB : bit de contrôle CB=0 : échange de paramètre, données et adresses. CB=1 : Commande (reset, suppression d’adresse…). - A4…A0 : 5 bits réservés aux adresses des esclaves. Les esclaves peuvent avoir des adresses de 1 à 31 pour un adressage standard. Les esclaves peuvent avoir des adresses de 1A à 31A et de 1B à 31B pour un adressage étendu. L’adresse 0 est réservé à la fonction adressage automatique. - I4…I0 : 5 bits réservés aux informations. - PB : bit de contrôle de parité paire(détection d’erreur). - EB : bit de Fin EB=1 : Fin. Trame de l’esclave La trame correspondante aux réponses de l’esclave contient les informations de la figure 13. Figure 13 ST I3 I2 I1 I0 PB EB - ST : bit de début ST=0 : début. - I3…I0 : 4 bits réservés aux informations retournées au maître. - PB : bit de contrôle de parité paire. - EB : bit de Fin EB=1 : Fin. Lycée Qualifiant Technique Moulay Youssef - Tanger 9 Sciences et technologies électriques 364. Description des requêtes maître/esclave Lors d’une transaction maître/esclave on peut avoir différentes requêtes selon la demande du maître à l’esclave. Les requêtes possibles du protocole ASI sont : - Echange de données. - Ecriture et lecture de paramètres. - Attribution d'adresse. - Suppression d'adresse. - Réinitialisation d'esclave. - Lecture de la configuration des entrées/sorties. - Lecture de l'identificateur de l'esclave. - Lecture de l'état de l'esclave. - Lecture et remise à zéro des bits d'état. La requête la plus fréquemment utilisée est la requête d’échange de données. Elle ne peut être utilisée qu'avec les esclaves ayant une adresse non nulle. Cette requête est utilisée par le maître pour échanger des données opérationnelles avec les esclaves : - Pour demander l'état des entrées d'un périphérique d'entrée tel qu'un capteur (dans ce cas, l'esclave répond en donnant son état). - Pour modifier l'état des sorties d'un périphérique de sortie tel qu'un actionneur (dans ce cas, la requête contient des données). Pour un échange de donnés la requête du maître aura la forme de la figure 14. Figure 14 0 0 A4 A3 A2 A1 A0 0 D3 D2 D1 D0 PB 1 - Le bit I4 est positionné à 0 pour un échange de donnés. - D3…D0 : informations à échanger. Elles correspondent aux sorties de l’esclave. La réponse de l’esclave suite à une requête d’échange de données aura la forme de la figure 15. Figure 15 0 D3 D2 D1 D0 PB 1 - D3…D0 : informations de l’esclave. Elles correspondent aux entrées de l’esclave. Lycée Qualifiant Technique Moulay Youssef - Tanger 10
