pages 6 à 9 - L`Embarqué

Actualité  Algorithmes
La prolifération des capteurs
dans les objets connectés profite
à la fusion de données
Plusieurs fabricants de microcontrôleurs, STMicroelectronics et Atmel en tête, se sont récemment rapprochés
d’éditeurs de logiciels spécialisés dans les technologies de fusion de données multi-capteurs.
L
es annonces de partenariats
entre fabricants de microcontrôleurs et sociétés spécialisées dans les algorithmes et technologies de fusion de capteurs s’enchaînent
ces derniers temps. Rien d’étonnant à
cela tant le nombre de capteurs se
multiplient dans les smartphones et les
tablettes… en attendant d’essaimer au
sein de dispositifs embarqués sur soi
ou d’objets divers et variés connectables à Internet. De jeunes firmes
comme le français Movea, les américains Hillcrest Labs et Sensor Platforms, le suédois SenionLab ou l’autrichien indoo.rs se voient ainsi
courtiser pour une offre permettant
généralement aux fabricants d’appareils mobiles et aux développeurs de
logiciels d’élaborer des applications
contextuelles attractives telles que
l’aide à la navigation, la géolocalisation indoor, la surveillance d’activités
physiques, la reconnaissance de mouvements ou de gestes, etc.
Les sensor hubs au cœur
des accords
Atmel est l’un des fabricants de microcontrôleurs qui ont récemment fait
assaut d’annonces autour de la fusion
de capteurs. Lors de la manifestation
ARM TechCon qui s’est tenue fin
octobre, le fournisseur de circuits a
dévoilé plusieurs partenariats censés
positionner son contrôleur centralisé
de capteurs (ou sensor hub) SAM D20
● Capteurs
Mems, contrôleur centralisé
de capteurs
(sensor hub) et
logiciel de fusion
de données
multi-capteurs,
le trio gagnant
des applications
contextuelles
attractives
(géolocalisation
indoor, surveillance d’activités
physiques,
reconnaissance
de mouvements
ou de gestes,
etc.).
comme un pivot incontournable sur
le marché des appareils connectés
sensibles à leur environnement. Atmel
a non seulement signé des accords
avec les fabricants de capteurs Bosch,
Intersil, Kionix, Memsic et Sensirion,
mais la société a également pris
langue avec Hillcrest Labs et Sensor
Platforms afin de porter les logiciels
respectifs de fusion de capteurs de ces
deux sociétés sur sa plate-forme. Ainsi
équipé, le circuit SAM D20 à cœur
ARM Cortex-M0+ peut traiter des
signaux émis de multiples capteurs de
mouvement (accéléromètres, magnétomètres, gyroscopes) et de données
environnementales (luminosité, température, humidité, etc.) et décharger
le processeur d’applications des fonctions de fusion de capteurs. Une
caractéristique qui s’avère particulièrement intéressant pour un usage dans
des équipements alimentés sur pile(s).
De leur côté, STMicroelectronics et
Movea, spécialiste des technologies
LA FUSION DE CAPTEURS DANS UN MILLIARD
DE SMARTPHONES EN 2016
n La localisation en continu et
universelle est une fonctionnalité
que l’on devrait retrouver de plus
en plus systématiquement au sein
des smartphones. Une tendance
qui, selon ABI Research, va de
pair avec l’intégration en standard
de plates-formes de fusion de
capteurs dans les terminaux
mobiles.
n Ces plates-formes ouvrent de
nouvelles opportunités dans les
6 / L’EMBARQUÉ / N°4 / 2013
domaines de la géolocalisation
indoor, du « quantified self » (méthode de capture, de visualisation
et d’analyse croisée de données
issues de capteurs en vue d’établir des corrélations et d’en tirer
des enseignements) et de l’intelligence ambiante. Ainsi, selon le
cabinet d’analystes, ce sont plus
d’un milliard de smartphones qui
intégreront des logiciels de fusion
de capteurs d’ici à 2016.
n D’ici à 2017, la fusion de
capteurs deviendra la technologie de géolocalisation indoor
pour téléphones mobiles la plus
importante, devant les techniques
de triangulation Wi-Fi et Bluetooth
Low Energy (BLE), assure le
cabinet d’études de marché qui
note toutefois que les approches
hybrides, associant Wi-Fi, BLE et
fusion de capteurs, s’imposeront
dès 2014.
de fusion de données multi-capteurs
et de traitement des mouvements pour
appareils d’électronique grand public,
ont signé un accord qui porte sur l’intégration de la technologie SmartMotion de la jeune firme grenobloise
dans le microcontrôleur STM32F401,
ce dernier étant alors utilisé comme
sensor hub. L’incorporation des blocs
de propriété intellectuelle de Movea
dans le STM32F401 doit, là aussi, soulager les processeurs d’applications
des tâches désormais accomplies par
les nœuds de capteurs, avec pour
corollaire une baisse de la consommation globale. Ainsi, la fonction de
navigation piétonne à l’estime (Pedestrian Dead Reckoning) de Movea
s’avère peu gourmande en énergie
lorsqu’elle est exécutée sur ce contrôleur centralisé basse consommation,
assure ST. Dans la pratique, la solution
développée par Movea rassemble les
données collectées par un accéléromètre, un gyroscope, un magnétomètre et un capteur de pression pour
fournir des fonctionnalités avancées
de détection de mouvement à la plateforme STM32F401. Ces fonctionnalités enrichissent les capteurs avec des
fonctions telles que l’étalonnage automatique, l’orientation 3D, la boussole
3D, la reconnaissance de mouvements, la surveillance d’activités et
l’aide à la navigation pour les piétons.
Architecturé autour d’un cœur Cortex-M4 cadencé à 84 MHz associé à
un accélérateur de mémoire en temps
réel adaptatif (ART), le STM32F401
avec technologie et outils SmartMotion est disponible depuis quelques
semaines. Ajoutons qu’en décembre,
Movea a signé un accord du même
type avec la société chinoise Nuvoton,
créée en 2008 par essaimage de Winbond Electronics. Sont concernés les
contrôleurs centralisés de capteurs de
la famille NPCF204U et les microcontrôleurs intégrés NPCF28Bx de la
firme asiatique.
PIERRICK ARLOT
Communication  Actualité
Smart grid : les transmissions CPL
bas débit ont enfin leur norme IEEE
IEEE 1901.2. Tel est le petit nom de la norme que le célèbre organisme IEEE a donné à sa première spécification
dédiée aux communications bas débit sur lignes électriques et visant explicitement le marché des compteurs d’électricité
« intelligents ». La cohabitation avec les standards de facto Prime et CPL-G3 devrait être assurée.
L
e 6 décembre 2013, l’organisme IEEE a publié, pour la
première fois, une norme pour
transmissions CPL (Courants porteurs
en ligne) à bande étroite dédiée au
smart grid. Basé sur une modulation
multiporteuse OFDM et exploitant
des bandes de fréquence inférieures
à 500 kHz, le standard IEEE 1901.2,
c’est son nom, stipule un débit maximum de 300 kbit/s et vise à compléter l’actuelle spécification IEEE 19012010 réservée, elle, aux transmissions
CPL à plusieurs dizaines de mégabits
par seconde sur réseaux multimédias
résidentiels. Le champ d’application
de la nouvelle norme couvre à la fois
la connexion des compteurs électriques communicants au smart grid,
les échanges entre les véhicules électriques et les bornes de recharge, et
divers scénarios de contrôle/commande en environnement réseau
résidentiel. Les transmissions compatibles IEEE 1901.2 pourront être véhiculées sur des lignes électriques
basse tension (moins de 1 000 V) ou
moyenne tension (jusqu’à 72 kV), tant
en zones urbaines qu’en environnement rural où des distances de plusieurs kilomètres sont envisageables.
Dans la pratique, la spécification IEEE
1901.2 se décline selon trois volets
différents. Si le premier définit les
couches PHY et MAC et si le deu-
COMPARAISON DES STANDARDS CPL
BANDE ÉTROITE PRIME, CPL-G3 ET IEEE 1901.2
NOM
PRIME
(OFDM)
G3 (OFDM)
1901.2
(OFDM)
Modulations
des porteuses
DBPSK/
DQPSK/
D8PSK
DBPSK/
DQPSK/
(D8PSK)
DBPSK/
DQPSK/
D8PSK/
modulation
cohérente
Débits
21/42/
64 kbit/s
(avec codage)
20,36/34,76/
(46) kbit/s
(pour la bande
Cenelec)
Echelonnable
jusqu’à
250 kbit/s
Bandes
de fréquence
Cenelec A
(42 - 89 kHz)
Cenelec A (36 - 91 kHz)/
Arib/FCC
Cenelec A/
Arib/FCC
Mode robuste
Non
Oui
Oui
Couche MAC
MAC Prime
802.15.4/
Profil G3
802.15.4/
Profil G3
Couche de
convergence
CEI 61334-432/IPv6
6LoWPAN/
IPv6
6LoWPAN/
IPv6
L’alliance HomePlug a salué la publication de la norme
IEEE 1901.2. Rien d‘étonnant à cela : c’est elle qui, à travers
le programme Netricity, sera chargée de tester et de certifier
les produits compatibles !
xième traite des exigences CEM, le
troisième s’attache à préciser des
mécanismes de coexistence et à
garantir une cohabitation pacifique
avec des standards CPL bande étroite
de facto exploitant les mêmes bandes
de fréquence. Un point qui s’avère
crucial car la production de l’IEEE
n’arrive pas en terrain vierge… En
effet, plusieurs spécifications CPL pour
compteurs communicants existent et
CPL-G3 : UN PROTOCOLE CPL BANDE ÉTROITE RETENU
POUR LE COMPTEUR LINKY FRANÇAIS
n Exploitant les bandes de fré-
quence comprises entre 10 kHz et
490 kHz, la spécification CPL-G3
a été labellisée par l’UIT sous le
label G.9003 et a été retenue dans
le cadre de la généralisation du
compteur communicant Linky à
tout l’Hexagone.
n Annoncée comme supportant
des débits de l’ordre de 300 kbit/s
(une valeur ramenée à 20 kbit/s
en mode normal de fonctionnement pour la bande stipulée par
EDF comprise entre 35,9 kHz et
90,6 kHz), la spécification a été
conçue par ERDF, Maxim
et Sagemcom pour assurer
la coexistence avec les anciens
systèmes de télérelève S-FSK.
Elle définit une couche PHY,
une sous-couche MAC inspirée
du standard IEEE 802.15.4
ainsi qu’une sous-couche d’adaptation 6LoWPAN facilitant
la transmission de paquets IPv6
sur des canaux de transmission
CPL bande étroite (à l’instar de
la norme IEEE 1901.2).
n La spécification est promue
depuis deux ans par l’organisme
G3-PLC où émargent 44 sociétés. Selon l’alliance industrielle,
les couches MAC et PHY sont
aujourd’hui parfaitement matures.
Récemment publiée, la version 3
se caractérise en particulier par
un haut niveau de convergence
entre la spécification CPL-G3,
la recommandation UIT G.9903
et la norme IEEE 1901.2 pour la
bande de fréquence FCC (10 kHz490 kHz). Les circuits annoncés
comme compatibles CPL-G3
de Freescale, Maxim, Renesas,
STMicroelectronics, TI, Accent,
Atmel et Enverv ont d’ores et déjà
passé les tests d’interopérabilité
avec succès.
ont déjà donné lieu à des déploiements sur le terrain plus ou moins
conséquents. En premier lieu, on pensera aux standards basés sur la technologie de modulation monoporteuse
S-FSK (Spread-Frequency Shift
Keying). Référencée dans la norme
CEI 61334, cette modulation s’avère
particulièrement résistante aux interférences bande étroite, même si les
débits autorisés restent limités. A titre
d’exemple, ils se situent aux alentours
de 2 400 bit/s dans le cas du protocole
CPL-G1 retenu par ERDF pour les
expérimentations du compteur communicant français Linky.
Un terrain déjà occupé…
D’autres protocoles, cette fois-ci à
plus haut débit, occupent aussi le
terrain. C’est le cas du standard
Prime. Couvrant les couches MAC et
PHY, la spécification Prime s’appuie,
elle aussi, sur une modulation et un
multiplexage OFDM et exploite les
bandes de fréquence Cenelec-A
(9 kHz-95 kHz). Après un premier
déploiement en volume d’une
infrastructure de communication
Prime basée sur 100 000 compteurs
fournis par Itron, l'espagnol Iberdrola
est passé en mars 2012 à la deuxième phase d’un projet qui vise à
déployer 10,3 millions de compteurs
communicants à l’horizon 2018.
Autre protocole basé sur la technologie OFDM, le CPL-G3 (voir encadré) a, quant à lui, été retenu dans le
cadre de la généralisation du compteur d’électricité Linky aux 35 millions de foyers français. Une généralisation actée par le gouvernement
en juillet 2013. Le déploiement du
compteur Linky pourrait, lors de la
phase initiale (3 millions de compteurs à installer entre la fin 2014 et
2016), reprendre peu ou prou le protocole CPL-G1, mais, par la suite, il
devrait s’appuyer sur le CPL-G3. Les
appels d’offres déjà lancés par EDF
stipulent d’ailleurs l’utilisation de
l’un ou l’autre des deux protocoles.
PIERRICK ARLOT
L’EMBARQUÉ / N°4 / 2013
7
Actualité  Communications sans fil
Le NFC pointe son nez
pour les applications sans contact…
et sans transactions financières !
En introduisant sur le marché des étiquettes-mémoires NFC dynamiques, STMicroelectronics ouvre la voie
à une utilisation massive de cette technologie sans contact au sein d’appareils grand public, électroménagers, industriels…
bien au-delà des applications NFC traditionnelles liées au paiement et à la billettique.
A
ppareils électriques, hautparleurs, imprimantes, cuisinières, lave-linge, réfrigérateurs, montres pour activités cardio,
fours à micro-ondes, appareils photo
numériques, compteurs d’électricité,
de gaz, d’eau… Cette liste à la Prévert d’équipements familiers à tout
un chacun pourrait bénéficier dans
un avenir très proche de fonctions de
communication sans contact grâce à
l’intégration d’étiquettes-mémoires
NFC (Near Field Communication)
conçues par STMicroelectronics.
Aujourd’hui, la technologie de communication en champ proche NFC,
qui permet d’établir un lien entre
deux appareils situés à proximité l’un
de l’autre (quelques centimètres en
moyenne), est utilisée principalement
pour effectuer des achats « sans
contact » avec un smartphone. Mais
demain elle permettra « d’entrer en
contact » et d’interagir avec de nombreux appareils.
Pour l’appairage Bluetooth
Pour ce faire, ST a choisi de développer des étiquettes-mémoires NFC (la
famille M24SR) capables de communiquer avec des téléphones mobiles
situés à proximité. L’idée ici est de se
servir des contrôleurs NFC actifs intégrés dans les smartphones porteurs
de l’intelligence de la communication et de réaliser, en particulier, l’appairage Bluetooth entre le mobile et
l’équipement grâce aux étiquettes-mémoires M24SR passives.
Ainsi, au lieu d’ouvrir le fichier des
paramètres du téléphone, d’activer le
mode Bluetooth, de sélectionner le
périphérique, voire d’entrer un code
d’accès, l’utilisateur doit juste approcher un smartphone à proximité du
produit compatible NFC pour que les
deux appareils soient automatiquement appairés en Bluetooth, les paramètres ayant été transmis en mode
NFC. Avec cette approche, il sera par
8 / L’EMBARQUÉ / N°4 / 2013
MODES DE FONCTIONNEMENT DES ÉTIQUETTES
MÉMOIRES NFC
exemple possible, en cas de panne
d’un appareil électroménager, d’approcher le smartphone pour que la
machine à laver ou le lave-linge
transmette sa notice d’utilisation ou
des instructions. Autre exemple : un
logiciel embarqué sur une machine
industrielle pourra être mis à jour
simplement en approchant un équipement doté d’un contrôleur NFC.
« La famille M24SR crée un nouveau
mode d’interaction dans notre façon
de dialoguer avec le monde qui nous
entoure, explique Benoit Rodrigues,
directeur général de la division
Mémoires de STMicroelectronics. Et
les smartphones seront au cœur de la
manière dont se fera la communication avec ce que nous possédons ou
utilisons. » A ce sujet, de récentes
études ont montré qu’en 2014 plus
de 500 millions de systèmes portables dotés d’un contrôleur NFC
seront en circulation (source : ABI
Research) et qu’en 2015, 50 % des
smartphones seront équipés d’un
contrôleur NFC (source : Gartner).
Dans la pratique, les étiquettes-mémoires NFC/RFID dynamiques de ST
sont des puces en silicium composées de trois blocs principaux : une
mémoire non volatile
(NVM) qui conserve les
données stockées, même
hors tension, une interface
sans fil pour communiquer
avec d’autres produits et
une interface filaire (au
standard I2C) pour la liaison avec le contrôleur de
l’équipement hôte. Au sein
de la famille M24SR, la
mémoire non volatile est
mise en œuvre sous la
forme d’une mémoire
Eeprom (mémoire morte
programmable effaçable
électriquement) dont la
taille est comprise entre 2
et 64 kbits. L’interface sans
fil est conforme au protocole ISO
14443-A, qui permet (au-delà de
l’appairage Bluetooth) de transmettre
aussi des données à des débits pouvant atteindre 106 kbit/s. L’interface
I2C, quant à elle, fonctionne jusqu’à
1 MHz, ce qui assure un transfert
rapide des données entre le smartphone et l’équipement cible. Le banc
mémoire de l’Eeprom est pré-formaté
pour fonctionner en mode sans
contact (NFC) conformément au format d’échange de données NDEF
(NFC Data Exchange Format). La
technologie Eeprom la plus récente
est utilisée, avec une conservation
des données garantie pendant
200 ans, le support d’un million de
cycles d’écriture-effacement et une
protection par mot de passe sur
128 bits pour une sécurité maximale.
Pour faciliter l’adoption de cette
technologie, ST prévoit de fournir
dans les mois qui viennent un kit de
référence (avec les fichiers Gerber ad
hoc) et un outil de calcul d’antenne.
Un kit de découverte avec une
matrice pour différentes antennes
sera également proposé aux utilisateurs.
FRANÇOIS GAUTHIER
Instrumentation  Actualité
Les systèmes embarqués aiment
la mixité… dans les oscilloscopes !
Alors que les systèmes embarqués deviennent de plus en plus complexes à analyser et à déboguer, la capacité
des oscilloscopes à traiter à la fois des signaux numériques, analogiques et RF, et à automatiser les séquences
de débogage, répond à cette évolution.
P
our faire face à la complexité
croissante des systèmes
embarqués, Teledyne LeCroy
a décidé, avec sa gamme d’oscilloscopes haute définition HDO4000-MS
et HDO6000-MS, d’ajouter aux fonctions de base de ses appareils,
16 canaux d’entrées pour des signaux
TTL, ECL, LVDS, etc. avec des vitesses
d’acquisition de 1,25 Géch./s pour
une fréquence d’entrée maximale des
signaux de 250 MHz, et une tension
de ± 30 V. Ces entrées numériques
sont accompagnées de fonctions spécifiques pour le test des systèmes
embarqués et leur automatisation,
comme le déclenchement croisé sur
des voies analogiques et numériques,
la mesure des horloges, la recherche
de pattern (Parallel Pattern Search),
l’émulation de portes logiques, etc.
Enfin, des options logicielles permettent de « transformer » l’oscilloscope en analyseur de spectre et en
analyseur de consommation (mesures
des circuits de conversion, des commutateurs…, voir capture d’écran).
Au-delà, les HDO4000-MS et
HDO6000-MS offrent en standard
une conversion des signaux d’entrée
analogiques sur 12 bits, une vitesse
d’acquisition de ces données de
ONYX
● Grâce à
des options
logicielles,
l'oscilloscope
de Teledyne
LeCroy
se transforme
en analyseur
de spectre et
en analyseur de
consommation.
2,5 Géch./s sur deux ou quatre
canaux, une longueur de mémoire
d’acquisition de 25 mégapoints sur un
canal mémoire par entrelacement (ou
12,4 mégapoints sur deux canaux
mémoire sans entrelacement) et une
bande passante analogique d’entrée
qui va de 200 MHz à 1 GHz selon les
modèles.
Une entrée RF dédiée
Tektronix est allé encore plus loin
dans cette volonté de mixité avec sa
série MDO4000B, à la fois oscilloscopes et analyseurs de spectre.
Capables de délivrer des performances élevées en analyse de
spectre, les appareils prennent en
charge la plupart des essais néces-
HPEC+GPGPU+SWaP-C
saires à la mise au point de systèmes
embarqués dotés d’une interface
Wi-Fi aux normes 802.11a/b/g/j/n/p
et ac. Ces instruments sont les seuls
oscilloscopes du marché à être dotés
d’une voie d’entrée RF dédiée. Une
approche qui autorise l’affichage synchronisé de signaux analogiques,
numériques et RF sur l’écran de l’appareil afin de donner une vue complète du système à tester. Un des
intérêts de ce type d’instrument est
de pouvoir analyser les modules et
systèmes embarqués qui intègrent,
via des modules RF, des interfaces
sans fil Wi-Fi, ZigBee, RFID… Ces
instruments offrent à la fonction
d’analyseur de signaux vectoriels une
bande passante supérieure à 1 GHz,
permettant de capter les signaux en
temps réel et de supporter les tâches
de test et mesure RF comme l’analyse
des modulations et des phénomènes
impulsionnels, l’étude des temps
d’établissement en fréquence et en
phase, l’analyse de signaux radar et
la surveillance d’un spectre fréquentiel. Bref, il s’agit là de supporter une
analyse fiable des modulations évoluées mises en œuvre dans les protocoles de communication sans fil.
FRANÇOIS GAUTHIER
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L’EMBARQUÉ
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N°4 / 2013