L Embarque N

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L Embarque N

N°3 - 2013
Logiciels & systèmes
www.lembarque.com
La pile de protocoles IP se met au goût de l’Internet des objets
Q L'embarqué et le crowdfunding : une vraie dynamique de couple
Q Les objets phares de l'embarqué
Q Le codage vidéo HEVC à la sauce 4K a joué les vedettes sur le salon IBC
QCalibrer l'alimentation des systèmes automobiles d’info-divertissement
RENCONTRE AVEC LAURENT LONDEIX « Les enjeux techniques et économiques du M2M se cristallisent autour des box d'intermédiation »
Edito
2013, année de l’embarqué… et de L’Embarqué !
PIERRICK ARLOT Rédacteur en chef Web & Newsletters.
Q Placé sous le triple symbole du M2M, de l’Internet des objets et des cartes de
développement open source pour l’embarqué, des thèmes que vous retrouverez
tout au long de ce magazine, ce troisième numéro de L’Embarqué sort quelques
jours après la tenue des sixièmes Assises de l’embarqué. Evidemment, cela fait
beaucoup d’embarqué dans la même phrase… Mais c’est définitivement le sujet chaud du moment ! Comme le syndicat
Syntec Numérique, la DGCIS (Direction générale de la compétitivité, de l’industrie et des services) et l’association Cap’tronic, les organisateurs de l’événement, se sont plu à le rappeler,
FRANÇOIS GAUTHIER les Assises 2013, dont L’Embarqué était partenaire, se sont insRédacteur en chef de L'Embarqué crites cette année dans un contexte particulièrement favorable.
et président Les propositions évoquées par Dominique Potier, directeur
de ProMediaNum.
recherche et technologie du pôle de compétitivité Systematic,
dans le rapport « Logiciel embarqué 2013 » ont en effet commencé à se concrétiser.
Le domaine des logiciels et systèmes embarqués est ainsi explicitement cité comme l’un des 34 projets de la « Nouvelle France
industrielle », tout récemment présentés par le ministère du
redressement productif. Par ailleurs, l’association Embedded
France qui vise à fédérer la nouvelle filière industrielle de l’emIHYX\tL[nKtJSVPZVUULY\UTHYJOtþ LUJVYLZJPUKtLU[YLSLZ
divers secteurs verticaux qui la composent, a vu le jour en
septembre. Sa direction vient d’être confiée à Eric Bantegnie
qui a d’emblée rappelé, à raison, que plus de la moitié des
projets qui dessinent les priorités de la politique industrielle de
la France pour les prochaines années intègrent des systèmes et
logiciels embarqués. Voitures consommant moins de 2 litres
aux 100 kilomètres, véhicules à pilotage automatique, avions
électriques, TGV du futur, cybersécurité, réseaux électriques
intelligents, robotique, services sans contact, dirigeables pour
charges lourdes… Ce sont autant de débouchés qui ont et
auront besoin de systèmes embarqués de pointe et performants pour se développer. Nous n’aurons pas l’impudence de préciser que le site www.lembarque.com
et le magazine L’Embarqué ont été lancés également en 2013… Mais nous ferons
tout pour refléter au mieux ce phénomène de fond, désormais perçu du meilleur
œil au plus haut sommet de l’Etat.
LA RÉDACTION
2 / L’EMBARQUÉ / N°3 / 2013
REGARDEZ VOS RÉCOMPENSES FLEURIR
L’ANNÉE DERNIÈRE NOUS AVONS REVERSÉ PLUS DE
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promotion, soit à partir de la date d’inscription au Circuit de Puissance jusqu’au 31
juillet 2013. Offre soumise à conditions. Consultez le site pour plus d’informations.
2013 - N°3
Sommaire
Logiciels & systèmes
50 rue Arago - 59 000 LILLE
Site internet : www.lembarque.com
2
ÉDITO
DIRECTEUR DE LA PUBLICATION :
François Gauthier
2013, année de l’embarqué…
et de L’Embarqué !
RÉDACTION
ACTUALITÉS
Rédacteur en chef : François Gauthier
Tél. : 03 28 38 02 98
6 M2M
Rédacteur en chef Web & Newsletters :
Pierrick Arlot
Tél. : 04 72 33 22 67
14
ÉTUDES DE MARCHÉ
ANALYSES
16 AUDIO/VIDÉO
Le codage vidéo HEVC à la sauce 4K
a joué les vedettes sur le salon IBC
Le duo Java/OSGi séduit box
et concentrateurs de données M2M
CONCEPTION GRAPHIQUE
ET RÉALISATION
Fabienne Degasne
ONT COLLABORÉ À CE NUMÉRO
Jeff Marvin et Steve Knoth (Linear Technology),
Reghu Rajan (Microsemi Corporation), David
Sandys (Digi-Key Corporation), Alex Wilson
(Wind River).
L’EMBARQUÉ est édité par la société
ProMediaNum
20 PILES ET PROTOCOLES
7 COMMUNICATION
Le grand public part à l’assaut de la bande
des 60 GHz
La pile de protocoles IP se met
au goût de l’Internet des objets
8 FINANCEMENT
Systèmes embarqués et crowdfunding :
une vraie dynamique de couple
PRÉSIDENT
François Gauthier
SASU ProMediaNum au capital de 15 000 €
Siret : 790 606 933 00014
RCS : Lille
Code NAF : 5814Z
TVA intracommunautaire : FR 91 790 606 933
Siège Social : 50 rue Arago
59 000 LILLE
Tél. : 03 28 38 02 98
w
9 CIRCUIT PROGRAMMABLE
L’EMBARQUÉ - Tous droits réservés.
Commission paritaire : En cours
ISSN : En cours
L’architecture Xilinx Zynq au cœur
d’un écosystème de plus en plus étendu
INTERVIEW
Toute reproduction, représentation, traduction
ou adaptation, qu’elle soit intégrale ou partielle,
quel qu’en soit le procédé, le support
ou le média, est strictement interdite sans
l’autorisation de ProMediaNum, sauf dans
les cas prévus par l’article L.122-5 du code
de la propriété intellectuelle.
10 RENCONTRE AVEC LAURENT LONDEIX
« Les enjeux techniques et économiques
du M2M se cristallisent autour des box
d’intermédiation »
3
LINEAR TECHNOLOGY
5
ECRIN SYSTEMS
9
EUROTECH
13
MICROWAVE & RF
15
AUTOPUB
4 / L’EMBARQUÉ / N°3 / 2013
31 et 38
Les émetteurs-récepteurs à basse
consommation, fins prêts pour les réseaux
de capteurs
28 SYSTÈME D’EXPLOITATION
Sûreté de fonctionnement et systèmes
multicœurs pour l’avionique doivent
s’apprivoiser
32 GESTION D’ÉNERGIE
Utiliser des PMIC multi-sorties
pour l’alimentation des systèmes
automobiles d’info-divertissement
Y a-t-il une vie au-delà des cartes
Raspberry Pi ?
PAGES
FARNELL
24 COMMUNICATION SANS FIL
35 CARTES
ANNONCEURS
ANNONCEURS APPLICATIONS
LES OBJETS PHARES DE L’EMBARQUÉ
12
Réseau maillé de capteurs sans fil
avec la fiabilité d’un réseau câblé
Chaque nœud peut fonctionner sur batterie pendant plus de 10 ans
avec une fiabilité de plus de 99,999%
Les familles de produits Dust Networks LTC®5800 et LTP®5900 de Linear Technology sont des réseaux de capteurs sans fil (WSN)
embarqués, fonctionnant avec une très faible consommation, inégalée, et une fiabilité supérieure. Ceci assure une souplesse
d’implantation avec la possibilité de placer les capteurs exactement là où il faut, avec des installations « autocollantes » à bas coût.
Les familles de SmartMesh® LTC5800 (système sur une puce) et LTP5900 (module sur PCB), sont les produits pour réseaux de
capteurs sans fil, compatibles IEEE 802.15.4e, présentant la plus faible consommation de l’industrie.
Caractéristiques
s Les nœuds de routage consomment
Familles ultra intégrées LTC5800
et LTP5900
en moyenne moins de 50µA
s Fiabilité supérieure à 99,999% même
dans les environnements RF les plus
critiques
s Solution complète de réseau maillé
sans fil – sans empilement de
réseaux requis
32kHz
LTC5800
Flash
512KB
Linear Technology SARL
+33-(0)1.56.70.19.90
www.linear.com/dust
Téléphone : 01.56.70.19.90
Fax : 01.56.70.19.94
SRAM
72KB
AES
Crypto
SmartMesh
Networking
Software
MAC
Engine
ARM
Cortex-M3
s Possibilité de gestion du réseau et
d’une sécurité certifiée NIST
s $EUX FAMILLES COMPATIBLES AVEC LES
standards :
SmartMesh IP (6LoWPAN) et
SmartMesh WirelessHART (IEC62591)
20MHz
Info et kits de départ
CLI
UART
(2-pin)
API
UART
(6-pin)
Temp
Sensor
TX
PA
802.15.4e
Transceiver
ICX
Analog
Inputs
Digital
I/O
www.linear.com/starterkits
LTP5900/1/2
(PCB)
, LT, LTC, LTM, LTP, Linear Technology, le logo de Linear, le
logo de Dust Networks et SmartMesh sont des marques déposées
de Linear Technology Corporation. Toutes les autres marques
sont la propriété de leurs respectifs détenteurs.
Distributeurs
Arrow Electronics
Farnell
Digi-Key
+33-(0)1.49.78.49.00
+33-(0)4.74.68.99.99
0800.161.113
Actualité M2M
Le duo Java/OSGi séduit box et concentrateurs de données M2M
Si l’infrastructure logicielle Java/OSGi permet d’ouvrir la box d’un fournisseur Internet à des services tiers orientés
M2M, elle vise aussi à simplifier la gestion du cycle de vie des applications M2M. IS2T et ST sont déjà à pied d’œuvre.
L
e « quintuple play » bientôt à la
portée de tous les utilisateurs
de box ADSL ? Et sans ajout
d’un nouveau boîtier ? A ces deux
questions, Bouygues Telecom a voulu
répondre par l’affirmative en dévoilant il y a quelques mois un prototype
de Bbox Sensation capable d’offrir à
la fois les services traditionnels d’une
box (accès Internet, téléphonie IP, TV)
et des services liés à la gestion énergétique et à la protection du domicile.
Basée, côté box, sur la plate-forme
d’exécution de l’éditeur nantais IS2T
et, côté infrastructure, sur la plateforme de services d’Ijenko, l’offre
« Smart Grid Ready » que pourrait
proposer à terme l’opérateur ne
nécessite pas, de fait, d’installer un
boîtier supplémentaire positionné
près de l’équipement du FAI. Un tour
de force dû au choix d’une infrastructure logicielle associant Java et le
framework OSGi (voir encadré).
« Cette approche vise à réduire le coût
d’entrée de nouveaux services de
sécurité, de confort et de gestion énergétique pour le grand public et offre
la possibilité à Bouygues Telecom de
distribuer et de gérer des applications
tierces directement depuis sa box
comme, par exemple, la mesure de la
consommation électrique, le pilotage
d’appareils à distance, le contrôle de
la température du lieu d’habitation »,
assure Fred Rivard, fondateur et directeur technique d’IS2T, société spécialisée dans la fourniture de machines
virtuelles Java pour environnements
embarqués contraints.
reliés à Internet. » A ce titre, les box
des fournisseurs de services Internet
mais, plus généralement, tous
les concentrateurs de données
M2M, ces équipements qui ont
vocation à récupérer des données des capteurs/actionneurs
pour alimenter le cloud, constituent un axe de développement
fort pour IS2T.
STMicroelectronics parie aussi sur le couple Java/OSGi OL’offre « Smart Grid Ready » que pourrait proposer à terme Bouygues Telecom ne nécessite pas d’installer un boîtier supplémentaire positionné près de le Bbox Sensation.
Dans la pratique, la
plate-forme Java et le
framework OSGi, que l’éditeur a
réussi à réduire à une empreinte
mémoire de quelque 35 Ko, permet
à la Bbox de contrôler une variété de
capteurs et actionneurs. « Plus globalement, cette infrastructure logicielle
garantit que les nouveaux services,
qui n’ont pas forcément le même
cycle de vie que les services traditionnels des FAI, ne viennent pas perturber ces derniers, ajoute Fred Rivard.
Cette infrastructure limite aussi l’impact sur les ressources et, partant, la
facture matérielle, l’autonomie et la
facture énergétique. Cela sécurise le
modèle économique des FAI et, plus
généralement, de tous ceux, et ils
sont nombreux, qui aujourd’hui
veulent devenir opérateurs afin de
monétiser la vaste quantité de données que fournissent et vont fournir
les réseaux de capteurs/actionneurs,
les équipements M2M et les objets
ZOOM SUR LA TECHNOLOGIE OSGI
Q/DVSpFL¿FDWLRQ26*L est gérée par l’alliance du même nom, créée en 1999 sous le nom d’Open Services Gateway initiative. OSGi est une techno-
logie d’infrastructure orientée services qui permet l’extension, la personnalisation et la mise à jour à distance des fonction-
nalités d’un ordinateur ou d’un système embarqué en réseau et ce, sans interrompre son fonc-
6 / L’EMBARQUÉ / N°3 / 2013
tionnement. Elle impose en parti-
culier la présence du framework OSGi qui joue le rôle de plate-
forme d’accueil et d’exécution de composants logiciels Java assemblés sous forme d’applica-
tions ou de « bundles » (ceux-ci représentant la partie locale des services souscrits par l’utilisateur de l’équipement). La plate-forme se charge égale-
ment de gérer de manière dyna-
mique l’ensemble du cycle de vie des logiciels, de l’installation à la suppression en passant par le lancement, les diverses mises à jour et l’arrêt. Q Adobe, Deutsche Telekom, Hitachi, IBM, NTT, Oracle, Pare-
mus, ProSyst Software, Red Hat, Siemens, Tibco, IS2T, Makewave, NEC et Orange sont au nombre GHVVRFLpWpVOHVSOXVLQÀXHQWHV
au sein de l’alliance OSGi.
Dans le même ordre d’idée, STMicroelectronics a lancé à l’occasion du
salon IBC 2013 (voir page 16) une
plate-forme logicielle spécifiquement
taillée pour les décodeurs TV intelligents et box résidentielles capables
aussi de prendre en charge les services de gestion de l’énergie, de
confort domotique et de sécurité.
Pré-intégré aux circuits SoC du fabricant franco-italien, tels que le composant Orly STiH416 ou la toute nouvelle famille Monaco, la plate-forme
Smart Home, c’est son nom, repose
sur Linux, Java et le socle OSGi. Côté
capteurs et actionneurs, elle est compatible avec les protocoles de
connectivité sans fil comme ZigBee,
Smart Energy Profile 2.0, Z-Wave,
Wi-Fi, NFC et Bluetooth Smart Ready.
Java et OSGi, c’est aussi l’option retenue par Eurotech et Wind River. Sous
les noms respectifs d’Everyware Software Framework (ESF) et de Wind
River Intelligent Device Platform, les
deux éditeurs proposent aujourd’hui
des plates-formes logicielles qui sont
conçues spécifiquement pour les
passerelles multimodes M2M et IoT
intelligentes et qui sont, toutes deux,
bâties sur des environnements Java/
OSGi. Elles offrent la capacité de
gérer à distance toutes les étapes du
cycle de vie des applications M2M
(installation, configuration, débogage, mises à jour) et supportent nativement le protocole M2M open
source MQTT pour les communications avec le cloud.
PIERRICK ARLOT
Communication Actualité
Le grand public part à l’assaut de la bande des 60 GHz
Forts d’un standard IEEE en bonne et due forme (802.11ad) et d’un label de conformité de l’alliance Wi-Fi
(WiGig Certified), les promoteurs de l’usage de la bande des 60 GHz pour les communications à courte portée entre
appareils d’électronique grand public, matériels informatiques et terminaux mobiles ont désormais le vent en poupe.
L
e spectre hertzien situé aux
alentours des 60 GHz ne fait
plus peur aux fabricants de produits destinés à des marchés de
masse. Bien au contraire. Selon ABI
Research, les ventes d’équipements à
usage grand public capables d’exploiter cette bande de fréquences millimétriques frôleront le milliard et demi
d’unités en 2018, dont la moitié seront
des smartphones ! Il faut dire que tous
les voyants annonciateurs de succès
sont au vert. L’IEEE a avalisé une
norme ad hoc en décembre dernier.
L’alliance Wi-Fi, dans la foulée, a mis
tout son poids dans la balance. Et un
logo de certification a été créé. Les
promoteurs du standard USB, quant à
eux, vont décliner une version à
60 GHz de leur protégé. Difficile de
faire mieux.
Des travaux lancés en 2008
L’IEEE s’intéresse à la bande des
60 GHz depuis bientôt cinq ans.
Dans sa volonté de booster le débit
des réseaux locaux sans fil au-delà du
gigabit par seconde, l’organisme avait
porté son regard dès 2008 sur des
fréquences situées bien au-delà de la
gamme des 5 GHz, terrain de jeu du
standard Wi-Fi en cours de finalisa-
tion 802.11ac. Car la
bande des 60 GHz, qui
tombe pile sur un pic
d’absorption de l’oxygène de l’air, est prometteuse de débits très élevés… dès lors que l’on se
satisfait d’une portée de
quelques mètres. Une
caractéristique qui
tombe à pic – justement –
puisque la norme IEEE
802.11ad, publiée en
décembre 2012, vise l’échange de
contenus à courte distance entre
appareils d’électronique grand
public, matériels informatiques et
terminaux mobiles. Avec un débit
maximal prévu de 7 Gbit/s, le
802.11ad se place, sur le papier, à
hauteur du 802.11ac en termes de
capacité.
La nouvelle norme avait été chaudement saluée par l’alliance WiGig.
Fort de sociétés comme AMD,
Broadcom, Cisco, Huawei, Intel,
Marvell, Mediatek, Microsoft, Nec,
Panasonic, Qualcomm, Samsung ou
Toshiba, cet organisme industriel
avait élaboré quelques mois plus tôt
la spécification WiGig 1.1, basée
(évidemment…) sur le standard
LES CIRCUITS WiGig À 60 GHz SONT DÉJÀ DISPONIBLES
Q Membre fondateur de l’alliance WiGig, Wilocity fut la première société à dévoiler un jeu de deux circuits compatible WiGig (un circuit RF et un circuit bande de base) et ce dès 2011. Depuis, la jeune entreprise a fait du chemin. En collaboration avec Qualcomm-Atheros, elle a pré-
senté début 2013 un design de référence tribande (2,4/5/60 GHz) qui combine, sur un seul module de format Half Mini Card ou M.2 (NGFF), les technologies de communication Wi-Fi 802.11ac et WiGig 802.11ad. Plus ré-
FHPPHQWOD¿UPHDPpULFDLQHD
démontré la capacité d’un lien :L*LJjVXSSRUWHUGHVÀX[YLGpR
de résolution 4K et a dévoilé que sa solution a été intégrée dans plusieurs ultrabooks com-
mercialisés depuis l’été 2013 par Dell. Dans la pratique, les circuits de Wilocity peuvent ex-
ploiter les fréquences comprises entre 57 GHz et 66 GHz et sont censés supporter un débit maxi-
mal de 4,6 Gbit/s.
Q En 2012, Panasonic est entré dans la danse en lançant, lui aussi, un jeu de deux circuits présenté comme compatible avec ODVSpFL¿FDWLRQ:L*LJ$YHFXQH
FRQVRPPDWLRQDI¿FKpHLQIpULHXUH
à 1 W, l’offre du Japonais rendrait ce standard accessible aux terminaux mobiles et notamment aux smartphones… Les efforts de Peraso Technologies vont dans OHPrPHVHQV/DMHXQH¿UPH
canadienne propose un circuit émetteur/récepteur à 60 GHz re-
lativement sobre. Intégré dans un boîtier de 7 x 7 x 0,6 mm (avec les antennes d’émission et de récep-
tion), ce dernier consomme typi-
quement 270 mW en réception et 310 mW en émission à + 16,5 dBm de puissance rayonnée (PIRE). Q Beam Networks (circuits RF), Blu-Wireless Technology (blocs IP) et Tensorcom (circuits SoC) ¿JXUHQWpJDOHPHQWDXQRPEUH
des sociétés qui travaillent d’ar-
rache-pied sur des composants compatibles WiGig.
Ɣ En collaboration avec Qualcomm-Atheros, Wilocity a présenté début 2013 un design de référence tribande (2,4/5/60 GHz) qui combine, sur un seul module de format Half Mini Card ou M.2 (NGFF), les technologies de com-
munication Wi-Fi 802.11ac (5 GHz) et WiGig 802.11ad (60 GHz).
802.11ad et flanquée d’un arsenal
d’extensions permettant d’y porter
des protocoles de haut niveau
comme PCI Express, USB, HDMI ou
DisplayPort. Depuis, l’alliance WiGig
a fusionné avec… l’alliance Wi-Fi !
C’est donc tout naturellement cette
dernière qui a dévoilé en septembre
2013 le label « WiGig Certified ». Un
label de certification qui attestera de
la conformité des produits aux tests
d’interopérabilité peaufinés par l’alliance Wi-Fi. Le nouveau logo sera
apposé sur les équipements certifiés
WiGig dont les premiers modèles
sont attendus en 2014, assure l’organisme industriel qui tient à préciser
que les produits « WiGig Certified »
seront également « Wi-Fi Certified ».
Parallèlement, l’alliance Wi-Fi a
transféré la spécification WiGig Serial
Extension 1.2 à l’USB-IF (USB Implementers Forum). Les membres de cet
organisme chargé de la promotion et
des évolutions de l’USB se sont engagés à développer pour 2014 une version « Media Agnostic » (MA) de leur
protégé. Une spécification qui permettra aux terminaux sans fil et aux
stations d’accueil de communiquer
via le protocole USB en empruntant
éventuellement la bande des
60 GHz.... L’un des objectifs du futur
standard MA USB est d’ailleurs de
supporter des débits supérieurs au
gigabit par seconde, là où le vieillissant Wireless USB, basé sur une
modulation radio ultralarge bande,
est limité à 480 Mbit/s.
PIERRICK ARLOT
L’EMBARQUÉ / N°3 / 2013 /
7
Actualité Financement
Systèmes embarqués et crowdfunding : une vraie dynamique de couple
Les jeunes sociétés du domaine de l’embarqué ont de plus en plus recours au principe du financement participatif,
ou crowdfunding, pour compléter leurs besoins en financement. Une voie originale qui peut devenir une véritable
stratégie industrielle vis-à-vis du marché.
L
e financement participatif, ou
crowdfunding (littéralement,
investissement par la foule) est
un mode de financement des entreprises innovantes de plus en plus
populaire. Au point que le gouvernement français vient de décider de la
mise en place d’un nouveau cadre
réglementaire visant à favoriser cette
démarche, tout en protégeant les
investisseurs. Apport en capital sous
forme de prêt sans intérêt ou de dons
avec remboursement via l’objet en
cours de conception… les modalités
de soutien à une entreprise selon ce
principe sont très diverses. Mais les
fonds collectés, souvent compris
entre 50 000 et 100 000 euros,
peuvent atteindre des sommes élevées, supérieures à 500 000 euros. Si
bien que le financement participatif
s’affiche désormais comme une véritable source complémentaire crédible par rapport aux pistes traditionnelles (business angels, fonds de
participation, banques d’investissement…). En particulier lorsque les
entreprises innovantes peinent à
convaincre les investisseurs.
Au niveau mondial, on estime que les
fonds levés par le crowdfunding ont
dépassé les 2,5 milliards de dollars
en 2012, dont environ 1 milliard en
Europe. Avec une forte augmentation
prévue, puisque selon le cabinet
d’études américain Massolution, les
sommes globales collectées par ce
moyen en 2013 atteindront 5,1 milliards de dollars au niveau mondial,
OLe grenoblois ISKN a levé cet automne 346 127 dollars sur le site GH¿QDQFHPHQW
participatif Kickstarter pour son projet iSketchnote.
dont 1,3 milliard en Europe,
soit une augmentation exceptionnelle de 81 % sur un an. En France,
Anaxago est l’un des sites les plus
établis de financement participatif
pour les start-up et les entreprises en
croissance, et, dans le monde, Kickstarter, Indiegogo et Crowdfunder
figurent au rang des plus connus pour
le secteur industriel.
Dans ce contexte, le domaine des
logiciels et systèmes embarqués est
loin d’être insensible aux sirènes du
crowdfunding. On trouve d’abord,
bien évidemment, des projets liés à
des objets, avec une recherche de
financement pour leur industrialisation. Par exemple, la société HapiLabs s’est appuyée sur le financement participatif pour la mise en
production de sa fourchette connectée HapiForks. Mis en ligne sur le site
Kickstarter, le projet a immédiatement plu et, en moins de deux
semaines, HapiLabs a pu récolter
plus de 100 000 dollars, la somme
SE FAIRE CONNAÎTRE D'UN LARGE PUBLIC
Q Le choix de partir sur un ¿QDQFHPHQWSDUWLFLSDWLIHVWDXVVL dicté par la volonté des entre-
prises de se faire connaître d’un large public et de mobiliser des réseaux sur Internet. Il peut s’agir d’ailleurs d’une véritable stratégie industrielle. Par exemple, Sierra Wireless, VSpFLDOLVWHGHVPRGXOHVVDQV¿O et des logiciels dédiés aux mar-
chés du M2M, a décidé d’apporter son soutien à Med-
Startr, la première plate-forme GH¿QDQFHPHQWSDUWLFLSDWLIFUppH
pour soutenir le lancement de projets, de start-up et d’innova-
tions dans le domaine de la santé. /D¿UPHIUDQFRFDQDGLHQQH
compte ainsi se positionner comme le fournisseur privilégié de technologies de communica-
WLRQVDQV¿OSRXUWRXWHVRFLpWp
impliquée dans le programme MedStartr. Et tout particulièrement celles souhaitant intégrer la connectivité cellulaire dans des équipements et dispositifs de télésanté, comme les appa-
reils de surveillance du diabète, de l’apnée du sommeil, de O¶K\SHUWHQVLRQRXGHVGp¿FLHQFHV
cognitives.
fixée au départ pour le lancement de
l’industrialisation de l’objet.
Autre exemple dans le domaine du
grand public, la toute jeune société
grenobloise ISKN, issue d’un essaimage du CEA-Leti a développé une
couverture de protection pour
iPad qui permet de numériser
croquis, notes et dessins
tout en conservant le plaisir d’écrire sur une simple
feuille de papier. Elle a mis en ligne
le 10 septembre 2013 sur le site
Kickstarter son projet iSketchnote.
Avec un sucés immédiat puisqu’en
quelques heures, elle a dépassé l’objectif de 35 000 dollars fixé au
départ, et un grand succès global,
puisque l’opération clôturée le
10 octobre dernier a permis de lever
346 127 dollars.
Des sommes au-delà de 500 000 dollars
D’autres projets embarqués, plus
industriels, empruntent des chemins
similaires. Ainsi, le texan WigWag,
qui a développé un concept de
réseau de capteurs dont les interactions peuvent se programmer sur un
smartphone ou une tablette en
garantissant une compatibilité avec
de nombreux protocoles existants
(ZigBee, Z-Wave, X10, Bluetooth,
6LoWPAN, IPv4, IPv6, EnOcean,
Insteon, DASH7…), a remporté un
franc succès sur KickStarter, avec
plus de 450 000 dollars levés pour
une demande initiale de 50 000 dollars seulement ! Autre exemple spectaculaire, l’américain Adapteva. Ce
dernier a mis au point une plateforme de calcul parallèle à hautes
performances de la taille d’une carte
de crédit et a réussi à convaincre sur
Kickstarter 4 965 « investisseurs »
pour une levée de 898 921 dollars
(et un objectif initial de 750 000 dollars). Un capital qui lui permet de
proposer aujourd’hui sa carte de
calcul parallèle à moins de 100 dollars pièce.
FRANÇOIS GAUTHIER
8 / L’EMBARQUÉ / N°3 / 2013
Circuit programmable Actualité
L’architecture Xilinx Zynq au cœur d’un écosystème de plus en plus étendu
Associant une matrice de FPGA et un cœur de processeur Cortex-A9 double cœur, le SoC Zynq de Xilinx est disponible
sur un grand nombre de cartes, modules et plates-formes de développement. Le circuit bénéficie désormais du support de
grands noms de l’industrie, comme MathWorks et National Instruments. Une situation qui va renforcer sa démocratisation.
L
rentes aux environnements de programmation des FPGA lors de la mise
au point de leurs applications.
MathWorks, quant à lui, propose,
avec ses outils de codage en langage
HDL (Hardware Design Langage) et
C (HDL Coder et Embedded Coder),
la génération de code C et HDL pour
la plate-forme Zynq, avec notamment
le support de la carte de développement et de prototypage ZedBoard.
Grâce à un « guide de programmation » édité par MathWorks, les développeurs matériels et logiciels
peuvent ainsi créer leurs algorithmes
dans Matlab ou Simulink, puis partiDes outils pour démocratiser tionner ce programme entre une parla programmation tie logicielle exécutée sur le CorNational Instruments a récemment tex-A9 et une partie matérielle
introduit le contrôleur NI cRIO-9068, implantée de manière automatisée
basé sur un Zynq-7020 et membre de sur la matrice de FPGA.
la plate-forme CompactRIO de Enfin Xilinx lui-même, avec la version
contrôle et de surveillance de sys- 2013 de son environnement de dévetèmes embarqués de la société. Paral- loppement de SoC Vivado Design
lèlement, la version 2013 de Lab- Suite, intègre de nouvelles fonctionVIEW, le logiciel-phare de conception nalités dont l’objectif est de faciliter
graphique de systèmes de NI, sup- et d’accélérer l’intégration de blocs
porte de manière native les plates- d’IP dans une conception système à
formes matérielles issues de Xilinx et base de FPGA. Vivado IP Integrator
d’ARM, autorisant les développeurs améliore ainsi les temps d’intégration
à s’abstraire des complexités inhé- de bloc d'IP. Cet outil s’appuie sur le
e SoC Zynq de Xilinx associe
sur une même puce un processeur ARM Cortex-A9 à deux
cœurs et une matrice de FPGA de la
Série 7 de Xilinx, en l’occurrence un
FPGA Artix-7 ou un Kintex-7. Riche
en potentialités, cette double
approche impose cependant de
disposer d’outils facilitant le déploiement d’applications. Introduite en
mars 2011, cette architecture est
aujourd’hui au centre d’un écosystème très vaste, peuplée de platesformes de développement et d'environnements logiciels adaptés.
ONYX
HPEC+GPGPU+SWaP-C
OLe Zynq asso-
cie un proces-
seur Cortex-A9 à deux cœurs et une matrice de FPGA de la Série 7 de Xilinx.
standard IP-XACT et
sur le standard AXI pour l’interconnexion des cœurs de processeur
ARM. Parallèlement, l’environnement Vivado offre une bibliothèque
de fonctions système écrits en C/C++
et de modèles de haut niveau (High
Level Synthesis). L’objectif ici est
d’accélérer la vérification au niveau
système, avec le support par exemple
de blocs de calcul en virgule flottante
et de blocs de traitement vidéo en
temps réel. Dans le cas d’un développement sur Zynq, le concepteur peut
ainsi développer du code C/C++
pour le processeur ARM et, dans le
même temps, intégrer et accélérer
des fonctions de calcul intensif sur la
matrice FPGA de la plate-forme.
FRANÇOIS GAUTHIER
Intel Haswell inside
Le calculateur multi-mission, haute disponibilité,
taillé pour la performance
Le premier système Core i7 basé sur COM Express intégrant les fonctions BIT
> Système COTS :
base Quad-Core i7 d’INTEL
> GP-GPU AMD E6760 :
jusqu’à 576 GFLOPS
> Entrées VIDEO, encodage H.264
> -40°C/+71°C en fonctionnement
> Fiabilité : zéro câblage, zéro ventilateur
> Etanchéité : IP-67
> Pré-qualifié MIL-STD-810 et DO-160
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9
Rencontre avec Laurent Londeix
« Les enjeux techniques et économiques du M2M se cristallisent autour des box d’intermédiation »
Parmi les axes stratégiques
de recherche choisis par le pôle
de compétitivité SCS, le domaine
du M2M et des services associés
tient une place prépondérante.
Sur ce secteur en pleine
effervescence, Laurent Londeix,
vice-président du pôle SCS, porte
un regard sur les enjeux sous-jacents
au développement du marché
du M2M, où les travaux
de R&D destinés à faire sauter
les verrous technologiques
ne peuvent s’exonérer d’une
réflexion sur les modèles
économiques et les usages
de ces technologies
innovantes.
LAURENT LONDEIX vice-président du pôle de compétitivité SCS (Solutions Communicantes Sécurisées).
10 / L’EMBARQUÉ / N°3 / 2013
Le pôle SCS (Solutions Communicantes
sécurisées) a dévoilé cette année sa feuille
de route pour les cinq ans qui viennent. Trois
grands domaines d’application, jugés stratégiques, y ont été mis en avant, dont le M2M.
Pouvez-vous détailler cette approche ?
LAURENT LONDEIX Le pôle SCS a décidé
de se focaliser jusqu’en 2018 sur trois axes
de travail, là où il existe en région PACA
des compétences de haut niveau réparties
sur un tissu industriel qui est composé
à la fois de grands groupes (Gemalto,
Orange, STMicroelectronics, Schneider…), de plus de 200 PME innovantes
et de laboratoires de recherche dont
le savoir-faire est reconnu internationalement. Ces trois
domaines d’application que nous avons baptisés SSA (Smart
Specification Area) sont les technologies du sans-contact
(comme le NFC par exemple), les réseaux radio de nouvelle
génération, le M2M et les services associés à ces nouvelles
technologies, et, enfin, le domaine de la sécurité et des identités
numériques. Nous sommes là au cœur des grandes évolutions
Rencontre avec Laurent Londeix
briques technologiques plus horizontales. Certes, au niveau
des capteurs, la spécialisation sera toujours de mise : il faut
des capteurs médicaux, des capteurs d’environnement,
des tags de suivi d’objets, etc. Mais, rien qu’au niveau
des protocoles de communication entre ces capteurs et une
box, il va se produire une rationalisation face aux très nombreuses technologies de communication existantes actuellement, qu’elles soient filaires ou sans fil à courte portée. Le
protocole réseau IPv6 jouera sans doute un rôle fédérateur
à ce niveau. A terme, vraisemblablement, il n’existera pas
un seul protocole pour l’ensemble du marché M2M, mais
un nombre restreint de protocoles qui toutefois auront en
commun de s’appuyer sur l’IPv6. Dans cette optique, la box
Quels sont pour vous les principaux enjeux auxquels
des environnements M2M deviendra une box d’intermédiation,
le domaine du M2M doit faire face ?
capable de gérer plusieurs de ces protocoles, de stocker
LAURENT LONDEIX Pour le M2M, et de manière plus large
de manière sécurisée des données, d’intégrer un logiciel
pour tous les objets communicants, les enjeux se situent
applicatif « métier » et de communiquer avec des logiciels
de plus en plus au niveau de la chaîne complète qui va de
de supervision et/ou d’analyse afin d’émettre des données
l’intelligence embarquée aux outils de supervision à distance
consolidées vers le monde du Big Data. Cependant rien n’est
et d’analyse des données, en passant par les protocoles qui sont
ou seront utilisés entre ces deux extrémités de la chaîne de com- figé et de grandes questions se posent encore. A quel niveau
place-t-on justement cette intelligence « métier » ? Au niveau
munication. Le marché n’est pas homogène et concerne
du capteur ? Ou dans la box
quantité de domaines d’applicad’intermédiation ? Ou bien
tion. Pour comprendre les enjeux,
au-dessus des logiciels de
il faut appliquer des grilles de
« Le protocole réseau IPv6 supervision ? D’autant que
lecture qui ne sont pas seulement
jouera un rôle fédérateur les contraintes sont parfois très
techniques. Prenons par exemple
différentes entre les applications.
le domaine de la domotique. Ici
sur le marché du M2M. »
Certaines ont des caractéristiques
le véritable frein est l’absence de
temps réel, d’autres non.
standards au niveau des protoCertaines doivent respecter
coles de communication de bas
des contraintes réglementaires fortes, d’autres non. La sensibilité
niveau entre disjoncteurs, compteurs, télécommandes…
à la sécurité des données peut être plus ou moins forte.
qui soient acceptés par tous les industriels. Cette situation
L’ensemble des données à acquérir peut être plus ou moins
freine le développement de ce marché alors que la technologie
massif… Ce sont autant de freins au mouvement pourtant
ne constitue plus un critère limitatif. Idem pour le marché
inéluctable d’une forte interopérabilité entre domaines
de l’e-santé, de la surveillance à distance des patients et
et d’une convergence des technologies plus marquée
des soins automatisés au domicile. Là aussi, les technologies
qu’aujourd’hui. Dans le cadre de cette évolution, l’un
sont présentes, efficaces et déjà testées, mais ce sont les
des verrous technologiques à lever est lié aux problématiques
modèles économiques, loin d’être clairs, qui empêchent pour
de très basse consommation des capteurs et aux technologies
le moment un développement généralisé de ces pratiques (et
en plein essor de la récupération d’énergie (energy harvesting).
donc l’ouverture d’un marché de masse). Qui va facturer ?
L’autre verrou capital à lever est celui de la gestion
Et à quel prix ? Et c’est sans compter les enjeux de sécurité liés
de la sécurité à tous les niveaux : capteurs, protocole
aux données qui sont transmises entre le patient et une entité
de communication, stockage des données, etc. Cela touche
médicale. Il existe toutefois des domaines qui se structurent
bien évidemment la protection de la vie privée de chacun,
et qui se développent réellement. Je pense notamment
et c’est un élément clé pour le décollage du marché.
à l’énergie, aux compteurs communicants, où un véritable
Dans ce cadre, je voudrais signaler qu’au sein du pôle SCS
écosystème est en train de naître.
nous disposons d’un équipement technologique unique en
Quoi qu’il en soit, dans la plupart des cas, et ce quel que soit
le domaine d’activité, on s’aperçoit que l’on retrouve un schéma France, la plate-forme com4Innov, qui joue un rôle particulièrement important. Elle permet à des utilisateurs, chercheurs, PME,
similaire avec, d’un côté, des capteurs, de l’autre, de l’informajeunes sociétés innovantes de réaliser des tests grandeur
tique de gestion des Big Data, et, au milieu, une box – ou une
nature grâce à une mise à disposition d’un réseau 4G LTE
passerelle – qui va fédérer les applications et les protocoles.
et d’une infrastructure applicative dotée de tous les composants
C’est à ce niveau que se situent les véritables enjeux du M2M.
nécessaires à une solution M2M opérationnelle (passerelles,
Avec des questions essentielles. Qui va fabriquer ces box ?
capteurs sans fil…).
Qui va les contrôler ? Auront-elles un rôle de collecteur
Enfin, je pense qu’au-delà des projets de recherches actuels qui,
de données uniquement ou bien pourront-elles aussi agir sur
à 95 %, portent sur des briques technologiques, le domaine
leur environnement via des actuateurs ?
du M2M aurait besoin de programmes de recherche plus
orientés vers l’économique (étude de modèles, analyse
Pouvez-vous décrire comment ces enjeux vont influer
de contextes financiers, etc.) et de projets de recherche plus
sur le développement du secteur M2M et détailler les verrous
sociétaux, permettant d’évaluer le degré d’acceptation
technologiques qui restent à surmonter ?
de ces technologies et de prévoir les usages futurs de ces objets
LAURENT LONDEIX Face à ces évolutions, le défi auquel est
connectés et interconnectés.
confronté le domaine du M2M sera de réduire la « verticalité »,
et donc le cloisonnement, des marchés. Et de rendre certaines
PROPOS RECUEILLIS PAR FRANÇOIS GAUTHIER
actuelles du numérique, avec de nouveaux marchés qui
s’ouvrent à l’instar du M2M qui fédère autour de lui de nombreuses technologies, comme les communications radio à
courte portée ou la sécurité, dans des domaines en plein essor
comme le médical, la surveillance écologique, la gestion
de l’énergie, etc. L’objectif du pôle SCS restant, je le rappelle,
de favoriser la conversion des innovations technologiques
en produits et services sur des marchés porteurs en Europe et
à l’international. Ce qui représente déjà, depuis 2006, date
de création du pôle, un effort en R&D de 1,2 milliard d’euros
affectés à 387 projets.
11
Les objets phares de l'embarqué PKPARIS
Q La plus petite clé USB 3.0 au monde est… française
Créée en 2013, la jeune société française PKparis se distingue déjà en commercialisant la clé USB 3.0
la plus petite du marché avec des dimensions de seulement 16,8 x 16 x 7 mm. PKparis pour « Premium
Keys of Paris ». Le nom cristallise à lui tout seul les objectifs et l’ambition
de cette jeune société : créer sous la forme de clés (USB, Micro-USB,
Wi-Fi, HDMI, etc.) des produits de stockage simples mais innovants et
esthétiques pour ordinateurs, tablettes, smartphones, téléviseurs, etc. Et
PKparis fait fort dès le lancement de son premier produit, la PK K’1.
Puisqu’il s’agit tout bonnement de la plus petite clé USB 3.0 pour
ultrabooks. Une fois insérée, la clé sait se faire oublier : elle ne dépasse
que de cinq millimètres !
Q Le lecteur d’empreintes digitales embarque sur une carte à puce
Les sociétés françaises UINT et Mereal Biometrics ont développé la première carte à puce autonome et multiapplicative avec capteur d’empreintes digitales intégré. Question sécurité , la reconnaissance d’empreintes
digitales a du bon. Mais elle réclame des lecteurs adaptés et la confidentialité des données biométriques peut
être mise en question… surtout si celles-ci sont amenées à être transmises sur un lien de communication. Avec le produit des deux sociétés, plus de
UINT ET MEREAL
problème. Issue de quatre années de recherche et
BIOMETRICS
développement, la carte à puce embarque un capteur d’empreintes digitales ! Du coup, elle est
elle-même capable de réaliser l’identification biométrique du
porteur. Et les questions relatives à la confidentialité des
données biométriques n’ont plus lieu d’être puisqu’elles ne
quittent jamais la carte.
Q Avec le gant connecté, prenez vos appels en laissant votre smartphone dans la poche
Pour ne pas figurer au rang des has been sur les pistes de ski cet hiver, une seule
solution : optez pour des gants connectés ! Equipés d’un module Bluetooth, les
gants BearTek se posent en véritables télécommandes du smartphone. Votre plus
fidèle compagnon peut, lui, rester bien au chaud dans une poche. Car pour éviter
aux skieurs le désagrément de laisser choir en pleine poudreuse
leur appareil favori, la firme américaine Blue Infusion TechnoBLUE INFUSION
logies a inventé le gant de ski (ou de moto) connecté. Une fois
TECHNOLOGIES
enfilé et relié en Bluetooth avec un smartphone, ce gant permet
de récupérer des appels et de naviguer dans les sélections musicales
du mobile. En fait, il suffit d’un seul de ces gants, équipé au niveau de la manchette
d’un module de synchronisation Bluetooth breveté, pour contrôler à distance un
smartphone. Les gants BearTek sont également compatibles avec les écouteurs
et casques Bluetooth.
Q Le muscle cardiaque va-t-il devenir l’identifiant électronique ultime ?
Mots de passe, codes PIN, clés électroniques, cartes magnétiques d’identification, tout ça prend un sérieux coup de vieux
face au bracelet Nymi, porteur d’un identifiant unique, calculé à
partir… des battements du cœur. La jeune société
canadienne Bionym a eu en effet l’idée d’utiliser cette caractéristique propre à chaque individu pour
l’identifier. Le bracelet Nymi dispose de deux électrodes, l’une au contact du poignet et l’autre sur le
BIONYM
dessus. Pour s’authentifier, l’utilisateur doit enfiler le bracelet et placer l’un de ses doigts sur l’électrode
supérieure. Si l’électrocardiogramme est conforme à l’enregistrement préalablement effectué, l’identification est validée. L’identité est alors transmise via une liaison Bluetooth Low Energy (BLE) à l’objet dont l’accès intéresse
l’utilisateur : smartphone, ordinateur, véhicule… Le bracelet est équipé d’un élément sécurisé pour chiffrer les communications afin d’éviter toute tentative de clonage ou d’usurpation d’identité.
12 / L’EMBARQUÉ / N°3 / 2013
Les objets phares de l'embarqué CSR
Q L’épaisseur d’une feuille de papier… pour un clavier sans fil Bluetooth
0,5 mm ! C’est l‘épaisseur du clavier flexible sans fil Bluetooth présenté par la société britannique CSR, un record
du monde de finesse pour ce genre de périphérique. La connexion Bluetooth est assurée par le circuit CSR1010 doté
de 12 E/S et 128 Ko de mémoire, développé par la société.
Particularité : il est optimisé pour gérer le profil Bluetooth Smart,
qui cible les accessoires de smartphones et les périphériques
d’ordinateurs, dont les claviers. La solution de CSR utilise une
petite fraction de la puissance nécessaire pour établir un lien
Bluetooth classique, avec un temps de latence pour les touches de
moins de 12 ms. Ce clavier extrêmement léger (quelques grammes)
qui se range comme une feuille de papier est utilisable sur
n’importe quelle surface et transforme n’importe quelle tablette en
un ordinateur portable.
NICT
Q Une première tablette apte à communiquer via les canaux TV vacants
Longtemps réservé à l’usage quasi-exclusif de la diffusion TV
terrestre, le spectre hertzien compris entre 470 MHz et 710 MHz
est convoité par un secteur des radiocommunications en quête
de nouvelles fréquences. Déjà sur le coup, l’institut nippon NICT
réussi un petit tour de force en développant la première tablette
numérique apte à exploiter les canaux TV laissés vacants, les fameux
«TV white spaces », laissés libres du fait de la planification
des réseaux de diffusion TV. Celle-ci utilise une interface radio
de type IEEE 802.11 pour émettre et recevoir des données dans
des bandes de fréquence comprises entre 470 MHz et 710 MHz
après interrogation d’une base de données de canaux TV laissés
vacants (White Space Data Base), également développée par le NICT.
13
Études de marché CIRCUITS PROGRAMMABLES
LE MARCHÉ DES FPGA POURRAIT CROÎTRE DE 8,5 % PAR AN JUSQU’EN 2019
LOCALISATION
GÉOLOCALISATION INDOOR : UN MARCHÉ DE PLUS DE 4 Md$ EN 2018
Valeur du marché en 2018
8,95 milliards de dollars
4 Md$
5,08 milliards de dollars
2012
2019
Selon la société Transparency Market Research, le marché
des FPGA estimé en 2012 à 5,08 Md$ pourrait atteindre
8,95 Md$ en 2019, soit une croissance moyenne annuelle
de 8,5 %. Avec une prédominance de l’Asie en général,
et de la Chine en particulier, qui devrait à elle seule
représenter une manne financière de 2,04 milliards de
dollars. Le déploiement des technologies 3G et LTE, avec
des demandes en bande passante élevée, va tirer le marché
des FPGA, avec des taux de croissance supérieurs à 9 %
entre 2013 et 2019, rien que pour ce domaine des télécoms.
1,4 milliard
2012
2017
Connexions M2M
35 Md$
30 Md$
25 Md$
20 Md$
15 Md$
10 Md$
5 Md$
0 Md$
Nombre de systèmes installés en 2014
Les techniques de géolocalisation indoor, qui permettent de se
positionner à l’intérieur d’un bâtiment, pourraient représenter un marché de 4 Md$ en 2018 selon ABI Research. Le nombre de systèmes
de géolocalisation indoor pourrait quant à lui dépasser les 25 000
dès 2014. Dans le même temps, les téléphones mobiles dotés d’une
telle fonction devraient se compter en centaines de millions dans les
deux ans qui viennent. En France, deux jeunes sociétés, BlinkSight et
BeSpoon, se sont lancées sur ce marché avec des circuits basés sur
un procédé de modulation radio ultralarge bande.
M2M
LE MARCHÉ DU M2M TIRÉ PAR LES SERVICES
4 milliards
25 000
2012 2013 2014 2015 2016 2017
Marché des services
Infonetics Research parie sur 4 milliards de connexions M2M
à l’horizon 2017, contre 1,4 milliard en 2012, avec une grande
majorité de connexions bâtie sur des technologies radio courte portée
comme Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth et IP500. Selon le cabinet d’analystes, le chiffre d’affaires généré par les services M2M va dans le
même temps doubler entre 2012 et 2017 et passer de 15 à 31 milliards de dollars durant cette période. L’automobile, les transports
et la logistique cristallisaient en 2012 plus du tiers de ce chiffre,
l’Europe et l’Amérique du Nord comptant pour 72 % du marché
global.
MÉDICAL
DISPOSITIFS MÉDICAUX GRAND PUBLIC : CROISSANCE ANNUELLE DE 5 % À 9 %
Le marché mondial
Chiffre d'affaires
des dispositifs
médicaux à usage
du grand public
devrait bénéficier
d’une croissance
annuelle estimée
par IHS entre 5 %
et 9 % d’ici à 2017.
7,9 Md$ 8,2 Md$
10,6 Md$
Ce sont les appareils
2012
2013
2017
auditifs qui, en
raison de leur coût
élevé, devraient s’accaparer la majorité du marché. Mais
les appareils dédiés au diagnostic comme les glucomètres
et les tensiomètres devraient aussi jouer un rôle significatif.
Selon IHS, ce marché des tensiomètres à usage grand public
devrait ainsi atteindre 838 millions de dollars cette année
(soit 10 % du marché global) et dépasser les 963 millions
de dollars en 2017.
ÉNERGIE
+ 87 % POUR LES VENTES DE SYSTÈMES DE RÉCUPÉRATION D’ÉNERGIE AMBIANTE D’ICI 2020
Le ventes en volume de dispositifs
de récupération d’énergie ambiante
(energy harvesting), que celle-ci
2013 : 10 millions d'unités
soit d’origine thermique, mécanique,
lumineuse ou radioélectrique,
estimées à moins de 10 millions
en 2013, pourraient se hisser à
hauteur de 18,7 millions d’unités
2020 : 18,7 millions d'unités
en 2020, selon Navigant Research.
Ce sont les progrès réalisés dans les
domaines de l’intégration électronique, des Mems et des protocoles
de communication sans fil qui ont permis à ces technologies d’être implémentées dans des produits vendus sur les marchés
de l’industriel et de l’électronique grand public, ajoute le cabinet d’analystes.
14 / L’EMBARQUÉ / N°3 / 2013
EXPOSITION - CONFÉRENCES - ANIMATIONS
3ème
édition
Le salon des radiofréquences, des hyperfréquences,
du wireless et de la fibre optique
19 et 20 mars 2014
CNIT - Paris la Défense
Organisation
www.microwave-rf.com
ANALYSE
Audio/vidéo
L'édition 2013 du salon IBC qui s'est tenue mi-septembre au RAI Convention Center d'Amsterdam a accueilli un nombre record de 52 974 visiteurs.
Le codage vidéo HEVC à la sauce 4K a joué les vedettes sur le salon IBC
Indubitablement, le tout récent standard de compression vidéo HEVC,
successeur annoncé du MPEG-4 AVC, suscite un engouement non feint
chez de nombreux industriels de l’industrie du broadcast (et des réseaux
de diffusion IP), comme ont pu s’en rendre compte les très nombreux
visiteurs de la manifestation IBC, qui s’est tenue mi-septembre à Amsterdam.
A
msterdam – L’édition 2012 du
salon IBC, rendez-vous
annuel de l’industrie de la
production, de la transmission et de
la diffusion de contenus audiovisuels
et multimédias, avait donné le ton.
On y avait détecté l’arrivée à quasi-maturité de ce qui n’était qu’alors
le « futur » standard de codage vidéo
HEVC (High Efficiency Video
Coding). L’édition 2013 a enfoncé le
clou de façon spectaculaire. Recommandation UIT-T H.265 et spécification ISO/IEC 23008-2 depuis le début
de l’année, la nouvelle norme a largement fait le buzz dans les travées
du salon néerlandais. Pour se rendre
compte du phénomène, il suffisait de
repérer les grappes de visiteurs qui
s’agglutinaient devant les multiples
démonstrations de transmission et
d’affichage d’images UltraHD de
résolution 4K (3 840 x 2 160 pixels)
compressées HEVC.
16 / L’EMBARQUÉ / N°3 / 2013
son Video Networks…), fabricants de
décodeurs et de passerelles résidentielles (Humax, Sagemcom, Samsung, Technicolor, etc.), concepteurs
de circuits, tous s’étaient donné le
mot pour vanter l’avantage principal
attendu avec le successeur de l’actuel MPEG-4 AVC : une division par
deux du débit après compression, et
ce pour une perception psychovisuelle des images équivalente.
Des images 4K codées HEVC diffusées par satellite O Les visiteurs ont pu admirer de multiples démonstrations de transmission live d’images UltraHD de résolution 4K (3 840 x 2 160 pixels) compressées HEVC.
Opérateurs de satellites (Eutelsat,
SES), fournisseurs d’encodeurs professionnels (Allegro DVT, Ateme,
Envivio, Ericsson, Harmonic, Thom-
Il serait fastidieux de lister toutes les
sociétés qui mettaient HEVC en
œuvre sur leurs stands, d’une façon
ou d’une autre. On citera néanmoins
Eutelsat qui a profité d’IBC pour
annoncer le lancement d’un canal
HEVC UltraHD de démonstration sur
le satellite Eutelsat 10A en partenariat avec le fabricant français d’encodeurs Ateme. Les programmes (dont
Audio/vidéo
ceux de Fox International et de de
National Geographic) y sont pour le
moment diffusés à raison de
30 images par seconde. L’opérateur
luxembourgeois SES avait toutefois
précédé Eutelsat en effectuant au
mois d’avril 2013, avec le concours
d’Harmonic, la première transmission UltraHD à la norme HEVC
depuis un satellite Astra à la position
19° Est. Toujours actif, ce canal qui,
lui aussi, transporte des flux à
30 images/s a permis à des sociétés
comme Humax et Technicolor de
présenter sur IBC 2013 des prototypes en fonctionnement de récepteurs compatibles UltraHD/HEVC.
SES avait par ailleurs mis en place un
second canal avec l’Institut Fraunhofer afin d’émettre du contenu
UltraHD avec une fréquence
d’images plus élevée. « Nous pourrons fournir en live à nos partenaires
industriels les signaux satellitaires
nécessaires aux démonstrations de
récepteurs capables de décoder les
flux HEVC 50/60p pris en charge par
la toute nouvelle interface HDMI
2.0 », a précisé Thomas Wrede,
vice-président en charge des systèmes de réception chez l’opérateur
luxembourgeois. Publiée en septembre par le Forum HDMI, la version 2.0 de la « péritel numérique » a
en effet dopé la bande passante à
18 Gbit/s, suffisante pour supporter
les transmissions de flux vidéo
4K@50/60p, soit des flux de résolution 3 840 x 2 160 pixels au format
progressif de 50 ou 60 images/s. Les
capacités du HDMI 1.4, de fait, ne
lui permettent pas de dépasser les 24
ou 30 images par seconde pour le
format 2160p !
Toute cette effervescence semble
donner raison à l’UER (Union européenne de radio-télévision). Garante
des intérêts des diffuseurs, l’organisme genevois prédit l’arrivée sur la
période 2014-2015 de récepteurs
grand public compatibles UltraHD/
HEVC (et dénommés UHD-1C)
capables de décoder des flux vidéo
à 60 images par seconde avec une
profondeur de couleurs de 10 bits et,
donc, une compatibilité avec le profil Main 10 de la norme HEVC. En
attendant ultérieurement une deuxième génération (UHD-1H), apte,
elle, à traiter des flux à 120 Hz (voire
150 Hz), cadence de rafraîchissement d’images considérée comme
idéale pour les programmes tels que
les retransmissions de compétitions
sportives.
Les fabricants de circuits de décodage HEVC en embuscade
Les fabricants de circuits de décodage vidéo se sont mis au diapason
des prévisions de l’UER. A l’occasion
du salon IBC, plusieurs d’entre eux
O Sur le stand DVB, c'était la diffusion d'images UltraHD 4K par voie terrestre via le standard DVB-T2 qui était mise en avant.
ANALYSE
ont mis l’accent sur leur toute récente
offre HEVC. Broadcom a ainsi
dévoilé une gamme de circuits SoC
de décodage vidéo HEVC pour
décodeurs TV IP, câble et satellite,
capables de décompresser des flux
UltraHD 4K. Et ce jusqu’au profil
Main 10 et jusqu’à des vitesses de
rafraîchissement de 60 images par
seconde. Selon la société, ces circuits ont aussi été conçus pour pouvoir rapidement intégrer le standard
d’interface HDMI 2.0. La gamme de
SoC compatibles HEVC de
Broadcom englobe en particulier le
BCM7251, qui cible plus spécifiquement les décodeurs IPTV Multi-HD/
UltraHD, et le BCM7366, qui vise les
équipements de réception directe
par satellite. Ils rejoignent dans la
famille HEVC de Broadcom le
BCM7445 annoncé en janvier 2013
et conçu pour les passerelles résidentielles pour diffusion multi-écran
(dont les écrans 4K). A noter que, sur
IBC, les circuits de l’Américain
étaient à l’œuvre dans le prototype
de décodeur satellite 4K du constructeur coréen Humax, ainsi que dans
la démonstration de transmission live
de contenus HEVC effectuée par le
consortium DVB sur son stand. Une
démonstration particulièrement originale puisqu’il ne s’agissait pas ici
d’une diffusion par satellite, mais
d’une diffusion par voie… terrestre !
Dans ce cadre, l’opérateur Arqiva
émettait sur le salon un signal hertzien DVB-T2 de 8 MHz de bande
passante intégrant à la fois un service
UltraHD codé HEVC et un service
mobile T2-Lite codé H.264. Affichant
un débit de 25,24 Mbit/s (pour des
porteuses OFDM modulées en 256-
LE LNB, OBJET DE TOUTES LES ATTENTIONS DES OPÉRATEURS DE SATELLITES
Q Eutelsat et SES, les deux grands opérateurs européens GHVDWHOOLWHVRQWSUR¿WpGXVDORQ
IBC pour effectuer des démons-
trations live de LNB de prochaine génération. Destiné à être adapté sur une antenne satellite, le Smart LNB (ou tête de réception satellite intelligente) d’Eutelsat doit permettre aux télédiffuseurs d’associer à leurs bouquets TV des services de télévision inte-
ractifs (services HbbTV, télévision payante à la carte, télévision sociale, activation d’abonnements, participation en direct aux programmes télédiffusés)… sans qu’ils aient à se subordonner, pour la voie de retour, à l’existence préalable d’un réseau terrestre, ¿ODLUHRXPRELOH(QWUpHQSKDVH
d’industrialisation pour une com-
mercialisation prévue en 2014, le Smart LNB intègre un émetteur destiné à assurer la fonction de voie de retour par satellite et s’appuie sur une série de standards ouverts (comprenant le DVB-S2 et l’IP) conjugués à des protocoles développés par Eutelsat. Fonctionnant sur IP, le smart LNB autorise également la distribution des contenus, à l’intérieur du domicile, sur une large gamme d’appareils mobiles tels que les smartphones, les tablettes et les ordinateurs portables. Q La compatibilité IP, c’est aussi la caractéristique fondamentale de l’IP-LNB de SES dont un prototype était exposé sur le stand de la société luxembourgeoise. Basé sur la technologie SAT-IP qui vise à distribuer les signaux satellite dans toute la maison vers n’importe quel terminal compatible IP (PC, tablette, smartphone, baladeur multimédia, etc.), l’IP-LNB réunit les fonctions de réception satellite et de conversion IP directement au niveau de l’antenne. La distribu-
tion des programmes TV satellite dans les foyers peut alors se faire au moyen d’un simple câble Ethernet et, du coup, le LNB peut être alimenté par ce même câble via une technologie PoE (Power over Ethernet). Caractéristique qui devrait contribuer à réduire à la fois le coût et la consommation du V\VWqPHJOREDO(Q¿QOHVLJQDOVD-
tellite étant échantillonné numéri-
quement au niveau de l’antenne, il est possible d’accéder directement à travers Ethernet aux données spectrales du signal satellite et à d’autres mesures de la qualité de la liaison. Conçu par SES et assemblé par la société Inverto, l’IP-LNB devrait être disponible commercialement en 2014.
17
ANALYSE
Audio/vidéo
QAM), le premier était donc récupéré par un décodeur prototype
fourni par Broadcom avant d’être
affiché sur un téléviseur Sony de
140 cm de diagonale. Se contentant
d’un débit de 1,02 Mbit/s (et d’une
modulation QPSK), le service
mobile, quant à lui, était décodé par
un dongle USB fourni par Sony et
diffusé sur une tablette.
Autre fabricant très présent sur le
marché du décodage vidéo, STMicroelectronics a abattu ses cartes lors
de la manifestation en annonçant, lui
aussi, des circuits SoC qui prennent
en charge le standard HEVC. Dédiée
aux décodeurs TV, la famille Cannes
(STiH312, STiH310 et STiH305) se
caractérise par l’intégration d’un
double cœur ARM Cortex-A9, d’un
cœur de traitement graphique 2D/3D
ARM Mali, d’encodeurs vidéo matériels avec prétraitement (H.264 ou
VP8), et de capacités de traitement
vidéo Faroudja. Ces circuits
embarquent par ailleurs une interface PCI Express pour la connectivité
Wi-Fi, des interfaces pour cartes à
puce, deux interfaces eSATA à
6 Gbit/s et un port USB 2.0/3.0. Le
modèle STiH312 peut, en outre,
décoder des contenus affichant une
résolution UltraHD de 2160p/30. La
famille de circuits SoC Monaco
s’adresse, quant à elle, aux applications de type serveur telles que les
passerelles résidentielles. Le moteur
Faroudja qui y est intégré dispose de
fonctions de transcodage adaptées
aux utilisations multi-écrans sur des
produits grand public et portables. La
famille Monaco inclut la référence
STiH412 UltraHD et des dérivés au
ner le XCode 6400 au cours du quatrième trimestre 2013 pour une
entrée en production de volume prévue pour le second trimestre 2014.
HEVC : d’abord pour les réseaux OTT et TV sur IP
O Les circuits coût optimisé (STiH407 et STiH410)
destinés au marché HD. Selon STMicroelectronics, toutes les références
seront échantillonnées dans le courant du quatrième trimestre 2013.
Le canadien ViXS Systems, pour sa
part, a annoncé sur IBC un circuit
SoC capable de décoder des flux
vidéo UltraHD 2160p/60 compressés selon le profil Main 10 de la
norme HEVC (une offre similaire
donc à ce que peut proposer
Broadcom). Fabriqué avec une
finesse de gravure de 40 nm, le SoC
XCode 6400 embarque un double
cœur Cortex-A9 MPCore affichant
une performance de 7 000 DMips, un
cœur de traitement des flux multimédias propre au Canadien et apte à
prendre en charge toutes les fonctions temps réel (transcodage, streaming vidéo, traitement audio…),
ainsi qu’un moteur graphique 3D
compatible OpenGL ES 2.0 et un
accélérateur matériel de mécanismes
de sécurité et de protection des
contenus. ViXS compte échantillon-
de décodage HEVC de l'américain Broadcom étaient à l’oeuvre dans le prototype de décodeur satellite 4K du constructeur coréen Humax.
LES MODULES D’ACCÈS CONDITIONNEL S’ADAPTENT À LA TÉLÉVISION CONNECTÉE
Q Les visiteurs du salon IBC intéressés par les évolutions des modules d’accès condition-
nel (CAM) ont pu assister sur le stand du suisse SmarDTV à des démonstrations des fonctionnalités apportées par la VSpFL¿FDWLRQ'9%&,GRQW
la publication est imminente. On rappellera que le standard G¶LQWHUIDFH'9%&,TXLLPSRVH
toujours un format PC Card pour les CAM, est applicable depuis 2009 à tous les modules d’accès conditionnels aux programmes TV à péage (et aux téléviseurs). /H'9%&,RIIUHQRWDP-
ment aux CAM la possibilité 18 / L’EMBARQUÉ / N°3 / 2013
de décrypter plusieurs pro-
grammes simultanément, une fonction rendue nécessaire par l’arrivée de téléviseurs dotés d’au moins deux tuners différents. Pour répondre au déploiement des téléviseurs hybrides ou connectés, la nouvelle version va par ailleurs permettre aux modules de gérer et de décrypter des contenus payants venant de l’Internet (et non plus uniquement de réseaux de diffusion tradi-
tionnels terrestres, câblés ou satellite). L’une des démons-
trations à l’œuvre sur le stand de SmarDTV explicitait un cas d’usage de cette fonctionnalité. On y voyait un convertisseur satellite compatible SAT-IP (voir encadré page 17) transférer sur un lien IP/Ethernet plusieurs programmes TV dont certains cryptés. Un décodeur Android dans lequel était inséré un CAM FRPSDWLEOH&,GpYHORSSp
SDUOD¿UPHVXLVVHpWDLWDORUVFD-
pable de déchiffrer les contenus cryptés. La commercialisation des premiers modules CAM &,HVWDWWHQGXHFRXUDQW
2014, en parallèle avec l’arrivée sur le marché des téléviseurs implémentant le nouveau standard.
En attendant l’arrivée effective de la
4K dans tous les foyers, ce qui n’est
quand même pas pour demain
matin, le codage HEVC devrait s’inviter d’abord dans les services vidéo
multi-écrans OTT (Over The Top), la
vidéo à la demande, la TV de rattrapage et la diffusion TV sur IP. Les
opérateurs ADSL, par exemple,
voient d’un bon œil la mise à disponibilité d’encodeurs HEVC par les
industriels, la technologie leur permettant de diffuser des programmes
TVHD à des débits moins importants… et donc à un nombre d’abonnés plus grand ! C’est sur ces marchés
que se positionne le français Ateme
qui a d’ores et déjà introduit la technologie HEVC au sein de son encodeur/transcodeur multicanal et multiformat Titan Live. Selon la société,
l’équipement peut aujourd’hui transcoder en temps réel des programmes
vidéo en flux HEVC jusqu’à une
résolution HD. Dédié à la diffusion
multi-écran de vidéo à la demande,
le transcodeur logiciel Titan File,
quant à lui, peut produire en sortie
des flux HEVC à diverses résolutions
adaptées à la réception aussi bien sur
un mobile que sur un afficheur 4K.
Autre société française positionnée
sur le créneau de l’encodage vidéo,
le grenoblois Allegro DVT a profité du
salon IBC pour lancer le transcodeur
AL3200, conçu notamment pour les
besoins des fournisseurs de services
ADSL et des opérateurs mobiles qui
souhaitent compresser des contenus
à la norme HEVC pour des applications de vidéo à la demande. Au format rackable 19 pouces 1U, l’équipement peut encoder jusqu’à la
résolution 4K à 60 images par
seconde. Le Français a par ailleurs
mis à jour ses encodeurs HEVC en
temps réel AL1200/AL2200. Désormais aptes à compresser des flux
1080p/30, ceux-ci étaient d’ailleurs à
l’œuvre dans une démonstration
HEVC live sur le stand d’Allegro DVT,
avec un flux en sortie d’encodeur à
2,5 Mbit/s et un décodage sur tablette
Sony via un logiciel de la société
Ittiam. Sur une autre démonstration,
la firme grenobloise présentait une
Audio/vidéo
implémentation sur FPGA de son IP
de décodage vidéo HEVC compatible
avec les profils Main et Main 10 et
capable de traiter les flux 4K à
60 images par seconde. « Nous avons
déjà vendu les jeux de tests de validation HEVC que nous avons lancés il y
a un an à plus de vingt-cinq fournisseurs de circuits intégrés dans le
monde, ajoute Pierre Marty, président
d’Allegro DVT. C’est un signe indubitable de l’adoption massive de cette
nouvelle norme. » Cette autre spécialité du Français permet aux développeurs de circuits de pousser leurs
décodeurs dans leurs derniers retranchements et de vérifier leur conformité à la norme. « A titre de comparaison, nous avons vendu nos jeux de
test H.264 à quatre-vingts entreprises
à ce jour », précise M. Marty.
Enfin, signalons qu’à l’occasion de
la manifestation, plusieurs sociétés
ont également mis l’accent sur leurs
logiciels de décodage HEVC pour
smartphones, tablettes et autres terminaux mobiles. Cela fut le cas d’Ittiam Systems (déjà cité), de VisualOn
(qui a porté son offre sur les smartphones G2 de LG), de Vanguard
Video et de Squid Systems. En général, ces sociétés proposent en parallèle des blocs d’IP de décodage
(voire de codage) pour FPGA.
Tico : une compression visuellement sans pertes
En matière de codage vidéo, la technologie HEVC n’a pas, toutefois, été
la seule à mettre en avant ses avantages sur IBC. Spécialiste reconnu de
la technologie JPEG 2000 et bien
implantée sur le marché du cinéma
numérique, la société belge intoPIX
a profité du salon IBC pour présenter
aux yeux d’un large public Tico (Tiny
Codec), son tout nouveau format de
codage visuellement sans pertes,
adapté aussi bien aux images naturelles que composites. Un format
caractérisé à la fois par un rapport de
compression compris entre 2 et 4 et
par son faible impact au niveau matériel. La technologie développée par
intoPIX a en effet été conçue pour
s’intégrer au sein de FPGA ou d’Asic
en consommant un nombre réduit de
portes, tout en restant temps réel dans
des implémentations purement logicielles. Selon la firme belge, les principaux atouts de Tico, adapté à la HD
mais aussi à la 4K, voire à la 8K, ainsi
qu’aux formats vidéo 4:2:2 et 4:4:4,
ANALYSE
TV CONNECTÉE : TOUR DE CHAUFFE POUR LA SPÉCIFICATION HBBTV 1.5
Q Edictée par l’association GXPrPHQRPODVSpFL¿FD-
tion HbbTV (Hybrid Broadcast Broadband TV) vise à harmoni-
ser la diffusion de programmes interactifs, d’actualités et d’informations sur les récepteurs TV classiques (décodeurs TV câble, satellite ou terrestre ou téléviseurs avec décodeurs TNT intégrés), dès lors qu’ils sont équipés d’une connexion Inter-
net. Reprenant des éléments des standards DVB, OIPF, CEA et W3C existants, HbbTV permet d’offrir aux téléspectateurs l’accès à des services connectés au travers d’une interface de type Web, sans que l’expérience utilisateur ne soit réellement PRGL¿pHPrPHpFUDQPrPH
télécommande). Sa version la plus récente, la mouture 1.5, commence tout juste à être im-
plémentée dans des récepteurs et des services et le salon IBC a été l’occasion d’en voir quelques démonstrations concrètes sur plusieurs stands, et notamment sur celui de l’éditeur français httv. Q Ce dernier propose, sous le nom de httvLink, un middleware pour décodeurs et récepteurs TV connectés, compatible à la fois HbbTV et HTML5. « La version HbbTV 1.5 améliore la qualité de service en inté-
grant le support du standard MPEG-Dash et son mécanisme G¶DMXVWHPHQWG\QDPLTXHGHVÀX[
PXOWLPpGLDVDX[ÀXFWXDWLRQVGX
réseau IP large bande, précise résident dans son empreinte énergétique limitée, son faible coût d’implémentation et sa latence minimale.
Cette dernière pourrait ainsi être
réduite à l’équivalent d’une ligne de
pixels affichée, soit une microseconde environ, là où JPEG 2000 en
est encore à la milliseconde.
« La généralisation attendue des
images 4K à 60 images par seconde
va imposer l’usage de la compression
vidéo dans les connexions inter ou
intra-systèmes là où, aujourd’hui, on
s’en passe encore, explique
Jean-Baptiste Lorent, directeur marketing d’intoPIX. Tico est le fruit de
O Spécialiste reconnu de la technologie JPEG 2000, la société belge intoPIX a profité du salon IBC pour présenter aux yeux d’un large public Tico,un format de codage visuellement sans pertes.
Régis Saint-Girons, PDG de httv. Elle garantit aussi la sécu-
risation des contenus en pro-
posant des interfaces avec les logiciels de gestion numérique des droits DRM ». La version HbbTV 2.0, actuellement en FRXUVGHVSpFL¿FDWLRQGHYUDLW
quant à elle, voir le jour l’année prochaine. « Cette future édition devrait avaliser la migration vers HTML5 et, surtout, intégrer des fonctions de gestion du second écran, pour une interaction plus étroite entre, d’un côté, la smartphone ou la tablette, et, de l’autre, le récepteur HbbTV », ajoute Régis Saint-Girons qui est également président du HD Forum et responsable marketing de l’association HbbTV.
ces réflexions et d’un an de R&D,
intégralement autofinancée par intoPIX. Les applications de cette technologie vont de la vidéo professionnelle, avec possibilité de transporter
sans problème des flux 4K/60p sur
de l’Ethernet à 10 Gbit/s, aux interconnexions d’équipements grand
public ou embarqués du type HDMI
ou DisplayPort. » A cet égard, la
société belge participe activement
aux travaux du comité Vesa (Video
Electronics Standards Association)
qui, depuis le début 2013, planche
sur des schémas de compression de
données dédiés aux fonctions d’affichage. Histoire de réduire les débits
de transmission sur les connexions
vers les écrans tout en offrant une
compression des flux visuellement
sans pertes. « Pour ce type de marché, la compression vidéo doit être
quasi invisible dans son implémentation, ajoute Jean-Baptiste Lorent. A
l’heure actuelle, la taille du codec
Tico est équivalente à celle d’un
contrôleur mémoire dans un FPGA
Xilinx ou Altera, et dix fois moins
importante que celle d’une IP JPEG
2000. Et ce, tout en n’exigeant
aucune capacité mémoire externe. »
Sur IBC, intoPIX faisait la démonstration d’une implémentation logicielle
sur PC du codec Tico avec compression de flux HD à 80 images par
seconde. Basée sur le procédé de
codage par ondelettes (comme JPEG
2000), la technologie d’intoPIX a fait
l’objet de plusieurs brevets.
PIERRICK ARLOT
19
ANALYSE
Piles et protocoles
La pile de protocoles IP se met au goût de l’Internet des objets 6LoWPAN, RPL, CoAP… Autant de protocoles de communication
récents indissociablement liés à l’émergence de l’Internet des objets.
Et les spécialistes de ces protocoles sont d’ores et déjà très courtisés.
Sensinode, un éditeur pionnier du secteur, vient d’entrer dans le giron
du britannique ARM qui ne cache plus son appétit pour l’Internet
des objets. Si ça, c’est pas un signe…
Selon le cabinet d’analystes IMS Research, ce sont plus de 30 milliards d’objets divers et variés qui pourraient être connectés à Internet à l’horizon 2020. Tous les secteurs sont concernés : surveillance industrielle, bâtiment intelligent, domotique, sécurité, gestion à distance de compteurs d’eau ou d’électricité, télésanté, surveillance de la qualité de l’air, chaîne du froid, logistique, etc.
L
’Internet des objets est l’expression à la mode. Et les plus
grosses entreprises de semiconducteurs, l’américain Intel et le
britannique ARM en tête, ont désormais ce marché en ligne de mire. Vu
les perspectives, on les comprend.
Selon IMS Research, ce sont en effet
plus de 30 milliards d’objets divers et
variés qui pourraient être connectés
à Internet à l’horizon 2020. Mais, qui
dit connectivité, dit protocoles de
communication, et force est de
reconnaître qu’à l’heure actuelle,
c’est un peu la pagaïe qui règne sur
la ligne entre procédés propriétaires
et technologies standardisées… sans
compter les petits malins qui mixent
allègrement les deux approches.
20 / L’EMBARQUÉ / N°3 / 2013
Malgré tout, une tendance en faveur
du protocole Internet IPv6, et de ses
adaptations aux contraintes du M2M
et de l’Internet des objets, semble
irrésistiblement se dessiner. Evénement symptomatique du phénomène, ARM s’est offert en août 2013
la société finlandaise Sensinode, un
spécialiste des piles IP dédiées aux
marchés des réseaux de capteurs
sans fil et, plus généralement, du
M2M et de l’Internet des objets.
Un membre fondateur de l’alliance IP for Smart Objects
Ce rachat est loin d’être anodin, car
Sensinode a été l’un des membres
fondateurs de l’alliance Ipso (IP for
Smart Objects). Lancé il y a cinq ans
par un aréopage d’une trentaine de
sociétés dont Atmel, Cisco, EDF
R&D, Emerson, Freescale, SAP et
Oracle, cet organisme industriel
s’était donné d’emblée un objectif on
ne peut plus clair. Il s’agissait ni plus
ni moins d’effectuer des tests d’interopérabilité, de documenter des cas
d’usage, de mener des activités marketing et de servir de chambre d’écho
pour tous les utilisateurs désireux
d’appréhender les avantages de l’utilisation du protocole IP dans les
réseaux d’objets communicants. Et
ce dans des domaines aussi divers
que la surveillance industrielle, le
bâtiment intelligent, la domotique,
la gestion à distance de compteurs
Piles et protocoles
d’eau ou d’électricité, la télésanté, la
surveillance de la qualité de l’air, la
chaîne du froid, la logistique, etc.
Outre les poids lourds déjà cités, l’alliance Ipso comptait également
parmi ses membres fondateurs un
certain nombre de spécialistes des
réseaux de contrôle/commande sans
fil et d’éditeurs de piles de protocoles
adaptées (propriétaires ou non).
Comme par hasard, la plupart d’entre
eux ont, depuis, été absorbés par des
entreprises de grande envergure qui
y ont vu là un moyen rapide de s’offrir une présence sur le marché balbutiant du M2M et de l’Internet des
objets. Zensys, à l’origine de la technologie Z-Wave, a été repris fin 2008
par Sigma Designs et Cisco s’est
offert en 2010 Arch Rock, pionner
des piles IPv6 pour réseaux de capteurs sans fil, tout comme Sensinode.
La même année, NXP mettait le
grappin sur Jennic, créateur du protocole JenNet et, en 2011, Linear
Technology engloutissait Dust
Networks, champion des réseaux de
capteurs maillés sans fil pour applications industrielles. A cet égard, le
rachat de Sensinode par ARM apparaît donc tout à fait logique !
6LoWPAN : IPv6 adapté aux réseaux de capteurs Malgré ces acquisitions à répétition,
l’alliance Ipso compte aujourd’hui
une quarantaine de membres et s’est
notamment renforcée d’industriels
de poids comme Ericsson, Google,
ANALYSE
COMPARAISON DE LA PILE TCP/IP TRADITIONNELLE ET DE LA PILE IP POUR OBJETS INTELLIGENTS
La technologie 6LoWPAN a réussi à adapter le protocole IPv6 aux communica-
tions radio compatibles 802.15.4 entre nœuds à très faible consommation et aux ressources limitées. Mais 6LoWPAN intéresse également les communications CPL à bas débit sur lignes d’électricité, notamment dans les applications de comptage d’énergie intelligent.
Pile de protocoles Internet
(TCP/IP)
Couche
Application HPPT/FTP/SMTP/etc.
Pile de protocoles IP
pour objets intelligents
Couche
Application CoAP
Couche
Transport TCP/UDP
Couche
Transport
UDP
Couche
Réseau
Couche
Réseau
6LoWPAN
IPv4/IPv6
Couche 802.3-Ethernet/
Liaison de 802.11-Réseau local sans fil
données
Itron, Landis+Gyr, Nokia, Silicon
Labs, STMicroelectronics et Texas
Instruments. Au cours de ses cinq ans
d’existence, l’organisme industriel
s’est fortement engagé dans un soutien indéfectible aux efforts de normalisation menés parallèlement par
l’IEEE et l’IETF dans le domaine des
réseaux de capteurs sur protocole IP.
Efforts qui se sont d’abord concrétisés par l’arrivée à maturité du standard 6LoWPAN (IPv6 over Low
Power Wireless Personal Area
Networks), qui a réussi à adapter le
protocole IPv6 aux communications
Couche
Liaison de IEEE 802.15.4e
données
sans fil entre nœuds à très faible
consommation et aux ressources
limitées. 6LoWPAN définit en particulier des mécanismes d’encapsulation et de compression d’en-têtes
permettant aux paquets IPv6 d’être
envoyés ou reçus via le protocole de
communication pour réseaux radio
IEEE 802.15.4, norme à la base,
notamment, de la spécification ZigBee. Dans la pratique, la couche
d’adaptation 6LoWPAN se glisse
entre la couche réseau IPv6 et la
couche MAC 802.15.4.
En fait, des premières démonstrations
DUST NETWORKS : UN SPÉCIALISTE DES RÉSEAUX DE CAPTEURS INDUSTRIELS QUI SUPPORTE AUSSI LE STANDARD 6LoWPAN
Q Intégré au sein de Linear Technology depuis 2011, Dust Networks s’est fait le champion des réseaux de capteurs maillés VDQV¿OSRXUDSSOLFDWLRQVLQGXV-
WULHOOHV/D¿UPHDPpULFDLQHD
lancé cette année le SoC à cœur ARM Cortex-M3 SmartMesh LTC5800 qui s’accompagne d’une gamme de modules de communi-
cation ad hoc. Ce composant pour réseaux radio compatibles IEEE 802.15.4e est présenté comme le plus sobre de l’industrie, avec une consommation moyenne de moins de 50 µA par nœud… Une carac-
téristique qui permettrait de conce-
YRLUXQFDSWHXUVDQV¿ODOLPHQWp
par pile et doté d’une autonomie de plus de dix ans. Promulgué en 2012, le standard IEEE 802.15.4e a amendé la couche MAC de la norme 802.15.4 (à la base GHVSUR¿OV=LJ%HHSRXU
l’adapter aux environne-
PHQWVLQGXVWULHOVGLI¿FLOHV
Q$¿QGHUpGXLUHDXPL-
nimum la consommation des nœuds de réseaux GHFDSWHXUVVDQV¿OWRXW
HQ¿DELOLVDQWOHVFRPPXQL-
cations, Dust Networks a développé dès l’origine XQSURWRFROHVSpFL¿TXH
baptisé TSMP (Time Syn-
FKURQL]HG0HVK3URWRFRO
et adapté aux besoins des réseaux maillés auto-organi-
sés. Un protocole grâce auquel les nœuds, sous le contrôle d’un gestionnaire de réseau, peuvent rester synchronisés et commu-
niquer entre eux uniquement pendant des intervalles de temps préalablement programmés. C’est grâce à ces caractéristiques que le protocole TSMP a pu être intégré dans le standard de réseau LQGXVWULHOVDQV¿O:LUHOHVV+$57
lui-même normalisé sous le label CEI 62591.
Q:LUHOHVV+$57HVWMXVWHPHQW
l’un des deux standards de communication supportés par le SoC SmartMesh LTC5800, l’autre étant la pile de protocoles IPv6 au travers du mécanisme 6LoWPAN. Q Le groupe en charge des produits Dust Netwoks chez Linear Technology a de grandes ambitions dans le domaine des réseaux GHFDSWHXUVVDQV¿O
compatibles IP. Il collabore étroi-
tement avec Cisco pour intégrer en standard le protocole TSMP au sein de la pile protocolaire IPv6 pour réseaux 802.15.4e. Ce travail se fait actuellement sous l’égide de l’IETF au travers du groupe 6tsch. L’EMBARQUÉ / N°3 / 2013 /
21
ANALYSE
Piles et protocoles
d’interopérabilité du 6LoWPAN
avaient été effectuées dès la fin 2007
par Arch Rock et… Sensinode. Et,
depuis, le standard a fait son bonhomme de chemin. Et pas seulement
dans le domaine du sans fil. Dédié
aux compteurs d’électricité communicants comme le Linky français et
développé à l’origine par Maxim,
SagemCom et ERDF, le protocole de
communication CPL G3 intègre en
effet, au-dessus des couches PHY et
MAC, une couche d’adaptation
6LoWPAN facilitant la transmission
de paquets IPv6 sur des liens CPL sur
câblage électrique.
Depuis, les piles IPv6 dédiées aux
réseaux d’objets communicants se
sont étoffées. Afin de résoudre les
problématiques de routage propres
aux réseaux basés sur le protocole
6LoWPAN, l’IETF a publié en 2011
le standard RPL (IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy
Networks). Un standard issu de trois
années de travaux auxquels avaient
contribué des sociétés comme Dust
Networks, Ember (acquis en 2012
par Silicon Labs), Sigma Designs et
Cisco. Quelque temps avant la publication du standard, le géant des
réseaux, secondé par Sensinode
(encore lui…) et l’institut suédois
SICS, avait d’ailleurs effectué avec
succès des démonstrations d’interopérabilité d’une version préliminaire
du protocole RPL sur trois supports
de transmission physiques différents
(IEEE 802.15.4, Ethernet et CPL). Des
tests qui furent décisifs dans le processus d’élaboration du standard par
l’IETF. Plus récemment, l’échafaudage IPv6/6LoWPAN est venu s’étoffer du protocole CoAP (Constrained
Application Protocol) qui tente
spécification ZigBee IP, présentée
comme le premier standard ouvert
dédié aux réseaux maillés sans fil
courte portée compatibles IPv6 et
permettant la connexion sans couture de dispositifs basse consommation et bas coût à Internet.
Censée constituer une brique
importante de l’Internet des
objets, la pile protocolaire ZigBee IP enrichit les couches
PHY et MAC IEEE 802.15.4 de
couches réseau, sécurité et
application conformes aux
recommandations de
l’IETF. Elle s’appuie en
particulier sur les standards IPv6, 6LoWPAN,
PANA (Protocol for
Carrying Authentification for Network
Access), RPL, TCP/
HTTP (ou UDP/CoAP).
Exegin, Silicon Labs,
Texas Instruments,
Grid2Home et Sensinode furent parmi les
premiers à obtenir le
précieux certificat de
conformité ZigBee IP. Dans la foulée,
l’alliance ZigBee, travaillée au corps
par les distributeurs d’électricité et
les fabricants de compteurs d’énergie communicants, a approuvé le
profil SEP 2 (Smart Energy Profile 2).
Fondé sur la pile ZigBee IP, ce profil
permet d’envisager, pour la première
fois, une continuité IP de bout en
bout entre le portail de services du
distributeur d’énergie et les thermostats intelligents, les afficheurs de
contrôle de la dépense énergétique
et autres appareils électroménagers
disséminés dans les lieux d’habitation... en passant par les compteurs
O Le premier équipement intégrant officiellement la technologie de connectivité compatible 6LoWPAN de Thingsquare est le thermostat « intelligent » Tado° commercialisé par la société allemande du même nom. Tado° détecte la présence et l’absence des habitants d’un logement en fonction de la présence ou non d’un smartphone et agit en conséquence sur le chauffage…
grosso modo d’adapter HTTP, beaucoup trop « bavard », aux contraintes
des communications sans fil ou bruitées entre nœuds à faible consommation et aux ressources limitées.
ZigBee emporté par la vague du tout-IP
Tout ce bel édifice intéresse
aujourd’hui des standards qui
s’étaient construits initialement en
dehors de toute compatibilité avec
les piles de protocole IP. C’est le cas
notamment de ZigBee… qui s’est
converti aux bienfaits du tout IP en
mars 2013 avec la publication de la
NanoRouter
L'OFFRE LOGICIELLE DE LA SOCIÉTÉ SENSINODE, ACQUISE PAR ARM
L’offre logicielle de Sensinode, société acquise par ARM durant l’été 2013, s’articule autour de la pile de protocole 6LoWPAN compatible IPv6 1DQR6WDFNGHO¶HQYLURQQHPHQWORJLFLHOSRXUSDVVHUHOOHFRQQHFWpH1DQR5RXWHUHWGHODSODWHIRUPHGHVHUYLFHV00RX,R71DQR6HUYLFH
Gestion d’énergie intelligente
NanoService
Maison connectée
NanoStack
Plate-forme
NanoService
NanoRouter
NanoService
Gestion d’actifs
NanoStack
{
IPv6, CoAP, EXI
{
{
Télésanté
6LoWPAN, CoAP, EXI
IPv6, HTTP, XML
IP et Services Web de bout-en-bout
22 / L’EMBARQUÉ / N°3 / 2013
Eclairage intelligent
Piles et protocoles
d’électricité communicants, les systèmes privés de production et de
stockage d’énergies renouvelables et
les stations de recharge de véhicules
électriques ou hybrides !
Dans ce cadre général, et vu les
efforts actuels d’ARM pour se positionner sur le marché émergent de
l’Internet des objets, la décision de
la firme britannique de se porter
acquéreur de Sensinode apparaît
donc sensée. Le Finlandais, qui
entretenait déjà des accords privilégiés avec Texas Instruments et Atmel,
tous deux détenteurs de licences
ARM pour leurs microcontrôleurs
respectifs, a été – comme nous
l’avons vu – particulièrement moteur
dans l’élaboration des standards IETF
pour réseaux de capteurs sans fil,
éléments essentiels de l’Internet des
objets. La firme nordique a également contribué à la mise au point de
la spécification ZigBee IP et aux travaux de l’Etsi et de l’OMA (Open
Mobile Alliance) dans le domaine du
M2M en particulier sur le protocole
de gestion à distance OMA
Lightweight M2M.
Des produits accessibles au travers du projet mbed
Le spécialiste des cœurs de processeurs 32 bits continuera donc de
commercialiser la pile NanoStack
ainsi que la plate-forme de services
M2M NanoService du Finlandais.
Mais ces produits seront également
accessibles au travers du projet collaboratif mbed qui constitue pour le
Britannique la cheville ouvrière de
son incursion dans le domaine de
l’Internet des objets (voir encadré
ci-contre). Initialement lancé par
ARM et NXP (rejoints depuis par
Freescale), ce projet est dédié aux
travaux de prototypage rapide d’applications sur des microcontrôleurs
à cœur Cortex-M. Il met à la disposition des concepteurs des briques
logicielles et matérielles (microcontrôleurs, circuits radio, périphériques, middleware, connectivité au
cloud, etc.) et des outils de développement C/C++. « ARM s’est engagé
à promouvoir un Internet des objets
basé sur des standards au travers de
protocoles IP et de services Web interopérables, précise John Cornish,
vice-président exécutif et directeur
général de la division System Design
de la firme britannique. En rendant
l’expertise et la technologie de Sen-
sinode accessibles à travers le programme de partenariat ARM et le
projet ARM mbed, nous permettons
le déploiement rapide de milliers
d’applications IoT inédites et innovantes. »
Bien évidemment, l’arrivée à maturité des piles IP pour objets « intelligents » n’intéresse pas que les poids
lourds du type ARM. Un certain
nombre de jeunes sociétés y voit
aussi une opportunité à saisir d’urgence. C’est notamment le cas de
Thingsquare. Créée en 2012, cette
start-up nordique a développé, sous
le nom de Mist, une plate-forme logicielle open source permettant une
mise en connexion directe des objets
ANALYSE
leurs dotés de 64 à 256 Ko de flash
et de 16 à 32 Ko de mémoire Ram,
elle embarque une pile réseau
IPv6/6LoWPAN ainsi que le protocole de routage RPL.
Dès lors, la plate-forme autorise la
mise en place de réseaux maillés
IPv6 sans fil entre nœuds Mist, les
liens radio pouvant exploiter la
bande 2,4 GHz - 2,5 GHz ou les
bandes ISM situées sous le gigahertz.
La connexion Internet, quant à elle,
est assurée par l’un des nœuds dès
lors que ce dernier possède une
connexion Ethernet ou Wi-Fi.
A l’heure actuelle, la plate-forme Mist
a été portée sur l’émetteur-récepteur
radio Spirit1 de STMicroelectronics,
POUR ARM, L’INTERNET DES OBJETS PASSE AUSSI PAR LA CARTE DE PROTOTYPAGE MBED
Q ARM a récemment signé deux accords de coopération D¿QGHSRUWHUOHVWHFKQRORJLHV
GHFRPPXQLFDWLRQUDGLR%OXH-
tooth Low Energy et 2G/3G sur la carte de prototypage mbed, de plus en plus posi-
WLRQQpHSDUOH%ULWDQQLTXH
comme une plate-forme de développement dédiée au marché de l’Internet des objets. Q Le partenariat engagé avec Nordic Semiconduc-
tor doit faciliter la mise au point de dispositifs et appli-
FDWLRQVFRPSDWLEOHV%OXH-
tooth basés sur les circuits SoC à très basse consommation GHOD¿UPHQRUYpJLHQQHHX[
mêmes architecturés autour des cœurs ARM Cortex-M. Marchés visés : les systèmes électroniques embarqués sur soi, les accessoires de télé-
phones mobiles, les dispositifs portables pour le sport, le bien-
être ou la santé, les jouets et les matériels d’électronique grand public.
Q Annoncé en parallèle à celui bouclé avec Nordic, l’accord de coopération signé entre ARM et le suisse u-blox vise à propo-
ser un kit de prototypage mbed intégrant, via des modules ad hoc, une connectivité cellulaire de tous les jours avec des applications sur smartphones. Cette plateforme, qui ne nécessite pas de passerelle spécifique de connexion au
Web, se satisfait d’un simple microcontrôleur 16 bits et se caractérise
par sa très faible consommation.
Conçue tout particulièrement pour
les marchés de la domotique, de
l’automatisation des bâtiments, de la
gestion de la consommation énergétique et de l’éclairage intelligent,
Mist repose sur une architecture
modulaire fondée sur Contiki, un
système d’exploitation open source
dédié à l’Internet des objets et créé
par Adam Dunkels, l’un des fondateurs de Thingsquare… justement.
Apte à tourner sur des microcontrô-
2G/3G ainsi qu’une fonction de géolocalisation par satellites. Référencé sous le label « C027 ,QWHUQHWRI7KLQJV,R76WDUWHU
Kit », il s’articule autour d’un microcontrôleur 32 bits à cœur ARM Cortex-M3 et intéressera tout particulièrement les concepteurs de passerelles dédiées à la connexion d’objets divers et variés au FORXG$I¿FKDQW
des dimensions de 54 x 98 mm, le kit C027, qui dispose également de connec-
teurs compatibles Ar-
duino pour l’adjonction de cartes d’extension additionnelles, embarque un modem GSM Sara ou un modem UMTS/CDMA Lisa d’u-blox, ainsi qu’un module GPS/GNSS Max du Suisse.
lui-même associé au microcontrôleur
32 bits à cœur ARM Cortex-M3
STM32L du fabricant franco-italien.
Fonctionnant en tandem avec le
microcontrôleur, le circuit Spirit1 est
conçu pour les nœuds de capteurs
sans fil RF exploitant les bandes de
fréquences situées sous le gigahertz.
Le logiciel de Thingsquare a également été porté sur le processeur 16
bits MSP430x de Texas Instruments,
couplé aux circuits radio sub-GHz
CC1120 ou CC1101. Il est aussi disponible sur le SoC radio à cœur Cortex-M3 CC2538 de TI et le SoC à
cœur ARMv7 MC13224x de Freescale, deux composants fonctionnant
sur la bande 2,4 GHz - 2,5 GHz.
PIERRICK ARLOT
23
Application &RPPXQLFDWLRQVDQV¿O
Les émetteurs-récepteurs à basse consommation, fins prêts pour les réseaux de capteurs Les technologies des émetteurs-récepteurs à ultrabasse consommation permettent
aujourd’hui d’alimenter des capteurs sans fil par microbatteries dans les applications
médicales et industrielles. Le choix de ces émetteurs-récepteurs est critique
pour optimiser l’efficacité énergétique. Grâce à eux, les réseaux de capteurs
industriels peuvent effectuer des mesures périodiques sans avoir à changer de batterie
et les capteurs sans fil pour le médical peuvent surveiller en continu des signaux
biologiques sur de longues périodes.
AUTEUR
Reghu Rajan, responsable marketing produits communication et médical (Microsemi Corporation).
A
vec le succès de la mise
en œuvre sur le terrain de
réseaux de capteurs sans
fil de courte portée, apparaît un besoin croissant pour les alimenter par de petites batteries de
faible coût ou par le biais de technologies de récupération d’énergie
ambiante. La domotique, l’automatisation de bâtiments et l’automatisation industrielle comptent parmi les
grands domaines d’application de ces
réseaux. Avec des systèmes qui récupèrent l’énergie ambiante pour jauger
et surveiller un environnement
sévère, là où les batteries sont difficiles d’accès et coûteuses à remplacer. Un autre grand marché est celui
des capteurs médicaux portés par les
patients qui fonctionnent avec de
très petites batteries, tout en assurant
un suivi continu de paramètres physiques ou physiologiques (tension,
taux de glucose…).
Dans les deux cas de figure, l’efficacité énergétique est critique. Mais
aujourd’hui, il existe des émetteurs-récepteurs radio faible portée à
ultrabasse consommation qui
peuvent fonctionner avec des
« nœuds capteurs » alimentés par
récupération d’énergie pour créer
une variété de réseaux sans fil
capables de transmettre des mesures
cycliques sans qu'il soit nécessaire
de changer de batterie. Ces mêmes
transceivers étendent notablement la
durée de vie des batteries de très
petite puissance dans des applications de surveillance médicale qui
génèrent un flot continu de données
24 / L’EMBARQUÉ / N°3 / 2013
et peuvent fonctionner jusqu’à deux
semaines avec la même batterie.
Mais, quelle que soit l’application,
c’est la capacité des émetteurs-récepteurs à optimiser l’efficacité énergétique du réseau qui est l’aspect
fondamental à traiter.
Réseaux sans fil de faible portée : des différences entre l’industriel et le médical Les réseaux de capteurs sans fil de
faible portée pour des ateliers industriels ou des bâtiments commerciaux
sont conçus pour améliorer l’efficacité de la production, la sûreté de
fonctionnement, la fiabilité, l’automatisation et la sécurité. Leurs applications vont du contrôle d’accès à la
surveillance d’ambiance ou d’environnement, en passant par les cartes
à puce multifonctions pour capteurs
autonomes, la sécurité et l’automatisation des bâtiments, la surveillance
du niveau des réservoirs et de la pression des pneus, et le contrôle de la
chaîne du froid dans l’industrie pharmaceutique. Jusqu’à récemment,
quasiment tous ces réseaux de capteurs industriels utilisaient des systèmes de câblage coûteux pour les
données et pour l’alimentation. Le
passage à une architecture sans fil
élimine certes le câblage, mais ne
résout pas le problème de son alimentation. Les batteries classiques à
cellules (type AAA) offrent bien une
solution, mais le coût de leur remplacement peut s’avérer prohibitif,
en particulier lorsque les capteurs
sont installés derrière des parois ou
dans des endroits difficiles d’accès.
Les réseaux personnels sans fil
(WPAN pour Wireless Personal Area
Network) et les réseaux corporels
sans fil (WBAN pour Wireless Body
Area Network) ont des problèmes
similaires vis-à-vis des opérations de
O A.- On voit ici quelques exemples d’utilisation de liaisons radio sans fil dans diverses applications médicales, à l’hôpital et à domicile.
&RPPXQLFDWLRQVDQV¿O Application
1 BLOC-DIAGRAMME D'UN CAPTEUR SANS FIL ALIMENTÉ PAR UN SYSTÈME DE RÉCUPÉRATION D'ÉNERGIE
Nœud de gestion
de la consommation
Gestion de
l’énergie thermique
et batterie
Générateur
d’énergie thermique
Capteur
de température
remplacement de batteries. Ces deux
types de réseaux sont au cœur des
appareils médicaux à porter sur soi,
pour la surveillance médicale sur site
ou à distance, la thérapie en mobilité
et la gestion de maladies comme
l’apnée du sommeil. Ils s’utilisent
dans les hôpitaux et cliniques, dans
les systèmes de surveillance clinique
à domicile et ambulatoire, ou dans
les appareils de santé et de fitness
grand public.
Les WPAN ont une portée d’environ
10 m et utilisent des protocoles
comme Bluetooth et ZigBee. Les
WBAN ont une portée réduite d’environ 1 m et sont utilisés avec des
capteurs placés sur le corps. Ces
réseaux de capteurs ont étendu leurs
applications, depuis les mesures
cycliques jusqu’aux mesures continues exigeant des liaisons de plus
haut débit (photo A).
Dans ces deux domaines, industriel
et médical, l’objectif est de trouver
une alternative aux batteries traditionnelles. L’industrie semble avoir
adopté la voie de la récupération
d’énergie ambiante mais le domaine
médical, qui exige des flux continus
de données, se tourne plutôt vers les
cellules « bouton » compactes et peu
coûteuses et aussi vers les petites batteries lithium-ion. Chacune de ces
sources d’alimentation peut satisfaire
aux besoins de ces applications, du
moment que l’efficacité énergétique
est optimale.
Les contraintes d’efficacité énergétique des capteurs sans fil alimentés
par récupération d’énergie sont plus
pointues que celles des capteurs sans
fil traditionnels (figure 1). Le micro-
SPI
GPIO
TWI
Analog
Microcontrôleur
+ MAC
+ couche réseau
+ application
contrôleur et la puce radio doivent
passer en mode basse consommation
dès que possible pour augmenter la
durée de vie de la réserve d’énergie.
L’importance de la sollicitation de la
source, à l’état stable ou à l’état actif,
dépendra de paramètres tels que le
courant de veille de la puce radio et
du microcontrôleur, l’alimentation de
l’émetteur-récepteur et son type de
cycle de service, et la complexité et
la durée du traitement de signal. Au
sein d’un nœud capteur typique, le
capteur détecte et quantifie divers
paramètres environnementaux requis
par l’application ; le transducteur
d’énergie convertit une forme quelconque d’énergie ambiante en électricité ; le module de gestion d’alimentation collecte, stocke et délivre
l’énergie électrique nécessaire au
nœud capteur ; et finalement, le
2 BLOC-DIAGRAMME D’UN CAPTEUR À RÉCUPÉRATION D’ÉNERGIE
On voit ici les principaux composants de base d’un nœud capteur typique alimenté par récupération d’énergie Stockage
d’énergie
Récepteur
de réveil
Gestion
d’alimentation
Radio
sub-GHZ
ultra-basse
consommation
MCU
8 ou 16 bits
Convertisseurs
élévateurs
Capteur
applicatif
Transducteur
d’énergie récupérée
Thermique, solaire,
lumière ambiante,
RF, induction,
piézo, etc.
ZL70250
ISM
900 MHz
TxRx
Adaptateur
d’antenne
24,576 MHz
microcontrôleur se charge du traitement du signal émis par le capteur et
des communications radio, avec ou
sans fonction de récepteur de réveil
du module RF (figure 2).
La sortie du capteur est donc connectée au microcontrôleur qui traite le
signal issu de la mesure du paramètre
requis (température, pression, accélération, etc.). Ce processeur fournit
l’information à la puce radio, et
contrôle aussi l’activation de cette dernière, soit selon une période donnée,
soit en réponse à un événement
généré par exemple par un récepteur
de signal de réveil du transceiver.
Un moyen de réduire la consommation d’énergie est alors de jouer sur le
firmware du microcontrôleur à l’aide
d’algorithmes qui gèrent les séquences
de mise sous et hors tension, les
conversions analogique-numérique et
les interruptions sur événements. Mais
cela ne suffit pas. De plus en plus, les
réseaux de capteurs sans fil s’appuient
sur des technologies radio à ultrabasse
consommation pour optimiser l’efficacité énergétique, que ce soit avec
des capteurs industriels à récupération
d’énergie ou des capteurs médicaux à
microbatteries.
Les technologies radio à ultrabasse consommation pour optimiser l’efficacité énergétique Pour sélectionner un émetteur-récepteur radio dans le but d’optimiser
l’efficacité énergétique d’un réseau
de capteurs industriels ou médicaux
à courte portée, de nombreux paramètres sont à évaluer. La tension
d’alimentation est notamment imporL’EMBARQUÉ / N°3 / 2013 /
25
Application &RPPXQLFDWLRQVDQV¿O
tante. En effet, la plupart des capteurs
fonctionnent avec une seule cellule
de batterie, aussi est-il opportun de
choisir une alimentation de moins de
2V. Il faut donc que l’émetteur-récepteur radio courte portée soit conçu
pour fonctionner sous une basse tension d’alimentation (idéalement,
aussi basse que 1,1V) afin d’optimiser
la flexibilité et réduire les contraintes
de gestion d’alimentation. Il faut
savoir que les puces radio qui fonctionnent sous 2,5V brûlent deux fois
plus d’énergie que celles alimentées
sous 1,25V, pour la même consommation de courant. Et comme la puissance de sortie excède rarement
0 dBm dans les applications à courte
portée, il est possible et bénéfique
d’alimenter la radio sous moins
de 2V. Les autres points à
vérifier, concernant l’alimentation de l’émetteur-récepteur, sont la performance obtenue en
transmission comme en
réception, et la courbe de
courant qui doit s’adapter à
l’impédance de l’alimentation
sans valeur crête excessive.
Le courant de crête est le second
point important à regarder. En
effet, la grande majorité des réseaux
de capteurs sans fil fonctionnent,
d’une manière ou d’une autre, par
cycles de service (« duty cycling »), ce
qui économise de l’énergie et limite
l’occupation de la bande radio. D’un
autre côté, le duty cycling génère des
crêtes de consommation de courant
dans le « nœud capteur ». Un émetteur-récepteur radio à faible courant
de crête aidera à réduire les
contraintes sur l’alimentation du capteur sans fil, ce qui est particulièrement important pour les capteurs à
récupération d’énergie. Car il arrive
souvent que l’impédance de sortie
des transducteurs de récupération
d’énergie soit supérieure à celle des
batteries. La couche de gestion de
micropuissance entre le transducteur
et le capteur convertit alors les paramètres caractérisant l’alimentation,
dont l’impédance de la source.
C’est pourquoi une faible crête de
consommation au niveau de l’émetteur-récepteur radio aidera à réduire
les contraintes de l’alimentation du
capteur.
Le troisième paramètre à prendre en
compte est la consommation de
l’amplificateur de puissance de
26 / L’EMBARQUÉ / N°3 / 2013
l’émetteur-récepteur radio, qui peut
être considérable. De nombreuses
radios 802.15.4 ou Bluetooth
consomment en effet de 25 à 40 mW
pour une portée de 25 m sans obstacle, et gaspillent une bonne partie de
cette énergie. Les principaux facteurs
influant sur la consommation de
l’amplificateur de puissance sont son
impédance de sortie, sa fréquence
de porteuse et ses caractéristiques de
modulation. Ensemble, ces facteurs
combinés peuvent faire varier sa
consommation de deux ordres de
grandeur pour une portée identique.
La sensibilité du récepteur est ici par-
O B.- L’émetteur-récepteur ZL70250 de Microsemi est encapsulé dans un boîtier CSP (Chip-Scale Package) de 2 x 3 mm.
ticulièrement importante, car elle
détermine la puissance que l’amplificateur doit émettre pour une portée
donnée. De leur côté, la sensibilité
des puces radios peut évoluer de
- 85 dBm à - 95 dBm, ce qui fait varier
la consommation de l’amplificateur
de puissance d’un facteur 10.
L’impédance de sortie de cet élément
affecte aussi sa consommation. Cette
impédance est liée à la fréquence de
porteuse, à l’architecture du circuit
et à d’autres paramètres, tandis que
l’impédance de l’antenne dépend de
sa taille, de sa forme et de la fréquence de porteuse. En général, un
réseau d’adaptation assure l’interface
entre l’amplificateur de puissance (et
le récepteur) et l’antenne. La tension
d’alimentation, l’architecture de
l’amplificateur de puissance, la fréquence de porteuse et la conception
de l’antenne impactent la conception du réseau d’adaptation et les
pertes d’insertion associées. Ce qui
peut représenter plusieurs dB.
Dans les bandes ISM, ne pas sous-estimer le sub-GHz
Deux sous-bandes disponibles dans
les gammes de fréquence industrielle,
scientifique et médicale (ISM) sont la
bande 2,4 GHz et la bande située
sous le gigahertz (sub-GHz). Les protocoles 2,4 GHz les plus répandus en
contrôle industriel, en automatisation
de processus et dans les services
publics sont Wi-Fi, Bluetooth et ZigBee. Les concepteurs développant
des solutions pour applications
ultrabasse consommation devraient
envisager d’utiliser la bande sub-GHz
avec le protocole le mieux adapté à
leur besoin. Les systèmes sub-GHz
offrent en effet plusieurs avantages
pour les applications sans fil industrielles et médicales de bas débit,
dont une consommation réduite et
une plus longue portée pour une
puissance donnée.
L’équation de Friis permet ainsi de
quantifier la meilleure adéquation
des paramètres de propagation d’une
porteuse sub-GHz. L’affaiblissement
de propagation à 2,4 GHz surpasse
de 8,5 dB l’affaiblissement à
900 MHz. Ce qui se traduit en une
portée 2,67 fois plus grande pour
une radio de 900 MHz, puisque la
portée double approximativement à
chaque montée en puissance de
6 dB. Une solution à 2,4 GHz
demande plus de 8,5 dB de puissance en plus pour atteindre la portée d’une radio de 900 MHz. Un
autre avantage des porteuses situées
sous le GHz est leur plus grande
immunité aux obstacles physiques
par rapport aux porteuses à 2,4 GHz.
Le risque d’interférence est également réduit puisque les bandes subGHz sont moins fréquentées que les
bandes 2,4 GHz, qui sont utilisées
par les signaux Wi-Fi, Bluetooth et
ZigBee des concentrateurs sans fil,
&RPPXQLFDWLRQVDQV¿O Application
Jauge de pression,
température, etc.
Circuit ZL70250
Contrôleur
Osc. cristal
Générateur
de polarisation et générateur
d’horloge
Rbias
Data
CTRL
Data
CTRL
Application
CAN
Couche
liaison
CNA
Contrôle
GPIO
Codec
Contrôleur USB
EXT CLK
Flash/
Eeprom
24,576 MHz
ordinateurs, téléphones cellulaires et
fours micro-ondes. Les bandes ISM
sub-GHz sont surtout utilisées par
des protocoles propriétaires et standard à cycles de service peu exigeants, et elles sont ainsi moins susceptibles d’interférer entre elles. De
plus, le fait de fonctionner dans un
spectre plus calme facilite les transmissions et réduit les retransmissions,
ce qui est plus efficace et économise
les batteries.
Finalement, pour les liaisons sans fil
à cycles de service, le débit de la
transmission est l’un des paramètres
qui affecte le plus la consommation.
Le temps que passe la radio à transporter les données utiles par les airs
dépend du débit, de la surcharge de
calcul liée au protocole d’établissement et de maintien de la liaison, et
de la latence du réseau. Le débit est
particulièrement important car la
puissance moyenne consommée est
presque inversement proportionnelle
au débit ; ainsi, une radio de
100 kbit/s consommera presque la
moitié d’une radio de 50 kbit/s pour
la même charge utile, en supposant
que les deux radios aient des
consommations de courant similaires. Pour comparer des émetteurs-récepteurs RF, le paramètre
« énergie par bit » est un meilleur
indicateur d’efficacité énergétique
que la consommation de courant.
Cependant, les radios à haut débit
sont aussi celles qui présentent les
courants de crête les plus élevés, ce
qui est extrêmement indésirable pour
la plupart des petites batteries ou des
Commutateur,
moteur, valve, etc.
Audio
MAC
Données
Tx/x RF
Actuateur Capteur
3 SCHÉMA TYPIQUE D’UN CAPTEUR SANS FIL
Le convertisseur analogique-numérique (CAN) du microcontrôleur se connecte à un frontal analogique à ultrabasse consommation. Le microcontrôleur et le composant ZL70250 forment ici une solution pour électrocardiogramme sans fil pouvant fonctionner en continu pendant une semaine avec une cellule bouton CR, sans changement de batterie. récupérateurs d’énergie et rajoute
des contraintes de gestion d’énergie.
De leur côté, certaines piles de protocoles génèrent plus de surcharge
que d’autres pour le transport de la
charge utile. Des standards comme
le ZigBee et le Bluetooth offrent des
couches sophistiquées de liaison et
de réseau, mais leur surcharge
génère de 50 à 75 % de la consommation de la radio. Pour les systèmes
à ultrabasse consommation, l’option
standard « taille unique » est rarement optimum. Les concepteurs
devraient choisir le protocole le
mieux adapté à leur besoin.
Enfin, la latence du réseau impacte
quant à elle la durée de transport de
la charge utile et la consommation
associée, en incluant le temps passé
par les nœuds à « écouter » (fonction
« sniffer ») la ligne. Dans les systèmes
dominés par la gestion des cycles de
service, l’énergie consacrée par le
récepteur à l’écoute représente la
majeure partie du budget. Ainsi, dans
les réseaux maillés 802.15.4, environ
9 % de l’énergie du système est
consacrée aux fonctions de réception. Dans les systèmes où la charge
utile est plus importante, le « sniffing » domine moins mais la consommation du récepteur représente
encore quelque 50 % du budget RF.
Il est donc essentiel de choisir un
récepteur présentant la consommation la plus basse possible pour obtenir une télémétrie RF à ultrabasse
consommation.
Tous les facteurs qui viennent d’être
mentionnés sont critiques pour des
applications comme les réseaux de
capteurs sans fil médicaux, où l’énergie est précieuse et où la charge utile
excède 10 bit/s. Auparavant, les capteurs portés sur soi mesuraient uniquement des paramètres variant lentement. Les nouvelles technologies
RF permettent d’observer des paramètres physiologiques tels que l’activité cardiaque, l’activité électrique
du cerveau ou l’oxygénation du sang,
ce qui demande des débits de l’ordre
de 0,5 à 5 kbit/s pour obtenir des
formes d’ondes ayant de la signification.
Une solution pour capteurs médicaux offrant ce niveau de performance est l’émetteur-récepteur
ZL70250 de Microsemi (photo B).
Encapsulé en boîtier CSP (Chip-Scale
Package) de 2 x 3 mm, il comporte les
interfaces standards pour signaux de
contrôle et données SPI et 2 fils, communs aux microcontrôleurs. Dans
l’exemple de la figure 3, le convertisseur analogique-numérique (CAN)
du microcontrôleur se connecte à un
frontal analogique à ultrabasse
consommation. Le MCU et le
ZL70250 forment une solution pour
électrocardiogramme sans fil pouvant fonctionner en continu pendant
une semaine avec une cellule bouton
CR, sans changement de batterie. Il
est possible de concevoir des solutions de même efficacité énergétique
pour des appareils tels que des accéléromètres trois axes, des oxymètres
de pouls et d’autres plates-formes
« prêtes à porter » de surveillance
médicale.
Q
27
Application Système d'exploitation Sûreté de fonctionnement et systèmes multicœurs pour l’avionique doivent s’apprivoiser
L’usage de composants de type SoC qui associent de nombreux cœurs de processeurs
au sein d’un seul et même composant se banalise dans de très nombreux secteurs
d’application. Le secteur de l’aéronautique, plus conservateur, exprime lui aussi un fort
intérêt pour les processeurs multicœurs, obligeant par là-même les concepteurs
de systèmes à en évaluer les contraintes pour garantir une sûreté de fonctionnement.
AUTEUR
Alex Wilson, directeur Aerospace and Defence (Wind River).
L
es architectures de processeur s ac tuellement
déployées dans les systèmes
avioniques ont tendance à
afficher des caractéristiques très traditionnelles, les équipementiers préférant s’appuyer sur des processeurs
monocœurs, conformes à des standards industriels bien connus et bien
maîtrisés. Néanmoins, les contraintes
strictes de dimensions, de poids et de
consommation électrique (SWaP,
Size Weight and Power) auxquelles
doivent se conformer les systèmes de
prochaine génération, ainsi que le
coût de maintenance des équipements traditionnels, poussent
aujourd’hui l’industrie avionique à
envisager l’usage d’architectures multicœurs particulièrement intégrées.
Historiquement, l’industrie aéronautique, tout comme le marché de la
Défense, ont exercé une influence
notable sur le développement des
technologies et des architectures de
composants. Mais cette influence
diminue au fur et à mesure que le
cycle de l’innovation est tiré par le
silicium commercial à hautes fonctionnalités, gros volume, bas coût et
basse consommation. C’est la raison
pour laquelle les fabricants d’équipements avioniques préfèrent désormais utiliser des technologies dites
« sur étagère » ou COTS (Commercial
Off-The-Shelf) pour doper les fonctions de leurs systèmes tout en réduisant les coûts de développement.
Ces nouveaux développements
génèrent de nouveaux défis. Selon la
firme d’analyses de marché VDC, les
architectures multicœurs sont promises à une forte croissance avec
une progression annuelle moyenne
28 / L’EMBARQUÉ / N°3 / 2013
de 21,4 % jusqu’en 2013 (composants, outils et services compris).
Environ 7,1 % des conceptions
actuelles utilisent des architectures
multicœurs et ce pourcentage devrait
progresser à hauteur de 11,4 % en
2013. La même enquête VDC a
néanmoins montré que 75 % des utilisateurs interrogés disposaient de
moins de deux ans d’expérience
dans le domaine des technologies
multicœurs.
Les contraintes de certification posent
une autre sorte de défi à l’adoption
des technologies multicœurs par les
concepteurs de systèmes critiques,
tout particulièrement dans le domaine
de l’avionique où l’obtention des certifications RTCA DO-178C et EUROCAE ED-12C, extrêmement strictes,
sont nécessaires.
Une complexité système croissante
La sûreté de fonctionnement est clairement l’un des critères de prime
importance dans le monde de l’avionique, mais ce secteur voit aussi
poindre une forte tendance à l’augmentation des fonctionnalités des
équipements. Pour gérer au mieux
ces deux objectifs, les équipementiers
OEM du secteur doivent réussir à
intégrer de nombreuses applications
sur des plates-formes de calcul partagées, tout en garantissant une stricte
séparation entre ces mêmes applications afin de limiter l’impact des
erreurs et de simplifier leur gestion.
Dans le cas des plus grands avions de
ligne, l’habitude jusqu’ici a consisté
à utiliser des dizaines, voire des centaines, d’ordinateurs ou d’unités remplaçables (LRU – Line Replaceable
Units) différents pour fournir des
fonctions opérationnelles distinctes
au sein de l’appareil, comme le système de commande du train d’atterrissage, le radar météorologique, la
gestion du carburant, etc. Dans cette
architecture de systèmes avioniques
« fédérative », chaque LRU dispose de
sa propre structure de coûts de développement et de déploiement et
ajoute sa propre contribution au budget SWaP global des équipements
électroniques de l’avion. Par ailleurs,
il convient de ne pas oublier les coûts
additionnels des pièces de rechange,
de maintenance et de formation associés à cette multitude de systèmes
distincts, ainsi que les questions particulièrement complexes de gestion
de l’obsolescence.
La possibilité de gérer toutes ces
applications sur un seul composant
de silicium ou, tout du moins, sur un
nombre réduit de systèmes est donc
particulièrement attractive, dès lors
qu’il est possible de prouver qu’un
niveau équivalent de sécurité ou de
sûreté de fonctionnement peut être
atteint. Quoi qu’il en soit, une réduction du nombre de pièces de
rechange et des problèmes de maintenance ne peut qu’améliorer la fiabilité globale et diminuer les coûts
opérationnels.
Le maintien des standards
L’industrie avionique a déjà adopté
le principe de consolidation en utilisant la virtualisation dans des appareils comme le Boeing 787, et ce via
un concept d’Avionique modulaire
intégrée (ou IMA – Integrated Modular Avionics) qui repose sur le standard ARINC 653 et qui autorise
Système d'exploitation Application
l’exécution de multiples applications
sur un seul et unique cœur. La norme
ARINC 653 est la spécification universellement acceptée pour le partitionnement spatial et temporel dans
les systèmes d’exploitation temps
réel (RTOS) critiques vis-à-vis de la
sûreté de fonctionnement. Ce standard peut également accommoder
plusieurs niveaux de sûreté de fonctionnement au sein d’un même système. Aussi un système IMA est-il
capable d’assurer simultanément, sur
le même cœur, l’exécution d’applications de Niveau A (le niveau de
criticité le plus élevé dans la norme
DO-178C, Software Considerations
in Airborne Systems and Equipment
Certification) et de Niveau B, en s’appuyant sur du logiciel et la structure
du processeur pour assurer une isolation parfaite entre applications.
La figure 1 montre une architecture
monocœur typique sur laquelle
s’exécute un système ARINC 653 et
où chaque application, telle que le
contrôleur de vol ou le radar, tourne
avec un niveau différent de sûreté de
fonctionnement. L’OS s’appuie sur le
processeur pour configurer ces différentes zones et procurer une excellente isolation entre applications.
Afin d’assurer le support de multiples
niveaux de sûreté de fonctionnement
sur un seul et unique processeur, l’intégrateur système doit procéder à
une analyse de sûreté et prouver la
robustesse du système via des
mesures de performances du processeur et de la réactivité du noyau, ce
dernier gérant les communications
avec toutes les ressources système et
contrôlant les entrées-sorties.
Choisir une architecture multicœur
Les processeurs multicœurs augmentent la complexité des plates-formes
avioniques et peuvent fortement
impacter les analyses de sûreté sur
ces mêmes plates-formes. Au premier abord, l’architecte système peut
opter pour un OS SMP (Symmetric
Multi-Processing), qui exécute une
seule et unique instance d’OS sur
l’ensemble des différents cœurs.
Mais il peut également choisir d’isoler chaque OS via une approche
AMP (Asymetric Multi-Processing)
supervisée, chaque OS étant couplé
à un cœur individuel (figure 2).
En théorie, il est plus facile de fournir
le niveau d’isolation requis lorsque
1 ARCHITECTURE MONOCŒUR TYPIQUE AVEC EXÉCUTION D’UNE PARTITION ARINC 653 Dans cette architecture monocœur, sur laquelle s’exécute un système ARINC 653, chaque application tourne avec un niveau différent de sûreté de fonctionnement, et l’OS s’appuie sur le processeur qui procure une isolation entre applications.
Mode
utilisateur
Application
de contrôle
de vol
Application
radar
Application
de génération
graphique
Application
d’affichage
Niveau A
Niveau B
Niveau C
Niveau D
Partition OS
ARINC 653
Partition OS
Posix
Partition OS
VxWorks
Partition OS
Ada/Java
Données de configuration XML
Exécutif VxWorks 653
Architecture Support
Package (ASP)
CPU
Board Support
Package (BSP)
Ethernet
GPU
chaque cœur exécute un OS différent, tandis que le partage d’un
même OS par de nombreux cœurs
signifie que n’importe quelle application pourrait tourner sur n’importe
quel cœur, de la même manière que
Windows tourne sur un PC par
exemple. Il est par ailleurs potentiellement plus simple de faire migrer
une application sur un système SMP,
car l’application ignore le fait qu’il
existe de multiples cœurs, l’OS se
chargeant de prendre en charge et de
gérer toutes les ressources de calcul.
Mais ce modèle présente un sérieux
inconvénient en termes de sûreté de
fonctionnement car la norme
DO-178C exige une preuve de
déterminisme. L’OS peut en effet lancer, à un moment donné, l’exécution
d’une application particulière sur
l’un des cœurs et, à un autre
2 CONFIGURATIONS LOGICIELLES PRIMAIRES
Il est possible d’utiliser des combinaisons arbitraires des configurations primaires pour générer des configurations plus évoluées.
« Traditionnel »
OS
Virtualisation
OS
Monocœur
OS
Hyperviseur
CPU
CPU
SMP
AMP supervisé (sAMP)
OS
OS
Multicœur
OS
Superviseur
Cœur 1
Cœur 2
Cœur 1
Cœur 2
Mode
noyau
Mémoire, autres E/S
moment, la lancer sur un cœur différent. Si l’application s’exécute sur
un autre processeur, un rechargement de mémoire cache pourra
s’avérer nécessaire, ce qui modifie
les performances système. Qui plus
est, l’analyse du pire temps d’exécution (WCET – Worst-Case Execution
Time), déjà complexe en soi et
requise pour la sûreté de fonctionnement, pourrait s’avérer encore plus
longue et coûteuse à produire.
Les architectures basées sur le principe AMP, quant à elles, peuvent être
supervisées par un logiciel du nom
d’hyperviseur pour contrôler l’accès
aux ressources matérielles partagées
et supporter de multiples applications
dotées de niveaux de criticité différents. Par ailleurs, afin d’accroître le
déterminisme, il est possible de forcer
une application spécifique à s’exécuter sur un cœur donné, et ce quelle
que soit la configuration du système.
La figure 3 schématise une sacoche
électronique de vol (EFB) sur une
architecture multicœur, où la complexité est accrue de manière significative par la présence de cœurs de
processeur supplémentaires. Différents types d’applications peuvent
s’exécuter avec différents niveaux de
sûreté de fonctionnement, ce qui permet notamment l’exécution d’un
environnement Linux ou Android sur
l’un ou plusieurs de ces cœurs, tandis
que d’autres cœurs sont réservés à
l’exécution de VxWorks pour les
contraintes de sûreté de fonctionnement critique de Niveau A, par
exemple. Le système est partitionné
29
Application Système d'exploitation 3 SCHÉMA D’UNE SACOCHE ÉLECTRONIQUE DE VOL
Cette application de sacoche électronique de vol est déployée sur une architecture multicœur, où différents types d’applications cohabitent, avec l’exécution de Linux ou d’Android sur l’un ou plusieurs de ces cœurs, tandis que d’autres cœurs sont réservés à VxWorks pour les contraintes de sûreté de fonctionnement critique. DO-178 Niveau A
DO-178 Niveau C
DO-178 Niveau E
DO-178 Niveau E
App 1
App 1
App 1
App 1
Server App
Server App
Server App
Server App
VxWorks
Autre OS
Linux
Android
Hyperviseur
Cœur 1
Cœur 2
Cœur 3
et le nombre adéquat de cœurs de
processeur est alloué afin de fournir
le niveau de performances recherché.
Les ressources partagées
Toutefois, dans les deux modes de
traitement – SMP et AMP supervisé –,
le problème des ressources partagées
entre les cœurs et les applications
reste le même. Et c’est de loin le plus
grand défi à relever pour les processeurs multicœurs en termes de sûreté
de fonctionnement.
Pour résoudre les problèmes de
sûreté de fonctionnement sur un processeur multicœur typique, il faut
répondre à de multiples questions.
Existe-t-il un cache partagé de niveau
1 ou de niveau 2 et, si c’est le cas,
comment la perte de déterminisme
est-elle gérée au niveau des caches
lorsque s’exécute une application de
Niveau A ? L’existence d’un point
unique de défaillance au niveau de
l’accès mémoire est-elle acceptable ?
Le système intègre-t-il un fond de
Ethernet
GPU
Flash
panier à architecture de commutation
ou un fond de panier à architecture
de bus standard, et, dans ce dernier
cas, comment le processeur gère-t-il
les priorités d’accès dans ses différents modes de fonctionnement ?
Que se passe-t-il au moment de la
réception d’une interruption au
niveau des entrées/sorties de l’équipement, et quel est le processeur qui
prend en charge la gestion de cette
interruption ? Les interruptions
déclenchées par l’horloge sont-elles
synchronisées entre tous les cœurs,
ou y a-t-il une entrée d’horloge
unique pour chacun des cœurs ? Et le
processeur de Niveau A, doit-il gérer
le système de contrôle de vol ou le
système de divertissement à bord ?
Il n’existe pas de règles ou de directives industrielles portant sur l’usage
de processeurs multicœurs dans les
systèmes avioniques. Qui plus est,
tous les composants multicœurs sont
différents ; les fabricants de semiconducteurs ne les ont pas conçus
3 LA VIRTUALISATION VIS-À-VIS DES SYSTÈMES SWaP
La virtualisation permet de diminuer les dimensions, le poids et la consommation électrique des systèmes SWaP (Size, Weight and Power).
Réduction du SWaP
Applications
Applications
Applications
Applications
Guest OS
Guest OS
Guest OS
Guest OS
Wind River Hypervisor
Cartes monoprocesseurs
multiples
30 / L’EMBARQUÉ / N°3 / 2013
Cœur
Cœur
Cœur
Cœur
Cœur
Cœur
Cœur
Cœur
Cœur
Cœur
Cœur
Cœur
de manière similaire et chaque architecture doit être examinée indépendamment des autres pour procéder
à une analyse de sûreté de fonctionnement. Les développeurs doivent
simplement effectuer des essais, examiner le fonctionnement et le comportement des composants et régler
les problèmes en conséquence.
La virtualisation
La virtualisation peut simplifier
considérablement le processus de
développement. Un système virtualisé fait appel à une couche logicielle
dite « hyperviseur » qui supporte plusieurs systèmes d’exploitation et offre
des communications rapides entre
processeurs. L’hyperviseur offre un
certain niveau d’isolation entre les
environnements d’exécution et se
charge de la gestion des entrées/sorties, tout en permettant aux développeurs de systèmes avioniques de
mettre en œuvre un partitionnement
ARINC 653. Ce même hyperviseur
configure la façon dont tel cœur gère
telle zone mémoire, précise quel
cœur prend en charge l’interface
réseau, etc. La virtualisation permet
la gestion de multiples composants
du point du vue logiciel. Du point de
vue matériel néanmoins, il se peut
que l’isolation – lors de l’usage de
caches partagés par exemple – reste
encore à prouver.
Une couche de virtualisation telle
que Wind River Hypervisor contribue
à alléger les contraintes SWaP dans
les systèmes avioniques (figure 4).
L’hyperviseur fournit une couche
d’abstraction vis-à-vis des ressources
matérielles sous-jacentes et permet
de configurer des partitions logicielles
qui peuvent être gérées facilement et
qui peuvent migrer sur les différents
cœurs. Si l’application et les systèmes
d’exploitation sous contrôle (« guests »
OS) sont correctement spécifiés, il est
alors parfaitement envisageable de
s’appuyer sur la virtualisation logicielle pour faire tourner des systèmes
critiques sur des plates-formes multicœurs, tout en assurant une sûreté de
fonctionnement. En résumé, l’hyperviseur contrôle les ressources matérielles, garantit une isolation robuste
entre environnements, et permet
l’exécution simultanée d’un assortiment de systèmes d’exploitation,
pour une intégration plus rapide et
des mises à niveau technologiques
plus aisées.
Q
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Application Gestion d'énergie Utiliser des PMIC multi-sorties pour l’alimentation des systèmes automobiles d’info-divertissement
Les systèmes électroniques conçus pour l’automobile, et notamment les équipements
d’info-divertissement embarqués basés sur des processeurs sophistiqués, posent
de nombreux défis aux utilisateurs de circuits intégrés de gestion d’alimentation (PMIC) :
température, CEM, qualité, etc. Le choix d’un tel circuit doit donc se faire en toute
connaissance de cause. Explications de Linear Technology.
AUTEUR
Jeff Marvin,
directeur du centre de conception, et Steve Knoth, ingénieur marketing produit senior, Power Products Group (Linear Technology).
A
lors que les dimensions
des équipements électroniques sont constamment
revues à la baisse, leurs
utilisateurs exigent toujours plus de
caractéristiques et de fonctionnalités.
Parallèlement, les constructeurs
tendent à abaisser les tensions d’alimentation des circuits intégrés numériques sophistiqués qui animent ces
mêmes équipements (microprocesseurs, microcontrôleurs, composants
logiques programmables…) tout en
augmentant l’intensité des courants
qui les traversent… Les microprocesseurs figurent au rang des circuits les
plus utilisés dans ce type de conceptions et la liste de modèles basse
consommation proposés par des
fournisseurs comme Freescale, Intel,
Nvidia, Samsung, ARM ou d’autres
n’en finit pas de s’allonger. Ces microcontrôleurs sont conçus pour fournir
hautes performances et faible
consommation dans une gamme
étendue d’applications sans fil,
embarquées et télécoms.
L’objectif initial de ces processeurs
était de permettre aux OEM de développer de petits appareils portables
économiques dotés d’une grande
autonomie et capables, malgré tout,
d’offrir de plus grandes performances
de calcul pour exécuter des applications multimédias sophistiquées.
Depuis, cette même combinaison
faible consommation/hautes performances a gagné le monde des applications non portables. Des exemples
en sont les systèmes automobiles
d’info-divertissement et d’autres
types d’applications embarquées,
qui exigent des niveaux similaires
d’économie d’énergie et de puissance de traitement. Quoi qu’il en
soit, dans tous les cas, un circuit inté-
gré spécialisé de gestion d’alimentation (PMIC) à hautes performances
est nécessaire pour contrôler et
superviser correctement l’alimentation des microprocesseurs afin de
tirer bénéfice de toute la puissance
de ces processeurs. Qui plus est,
l’augmentation inexorable du
contenu électronique des automobiles conduit à une utilisation de plus
en plus massive de microprocesseurs
comme moteurs des divers systèmes
de contrôle du véhicule.
Aujourd’hui, les systèmes d’info-divertissement regroupent de nombreuses fonctions pour agrémenter la
conduite d’une automobile. Une fois
associés au sein de tels systèmes, les
écrans tactiles, les communications
Bluetooth, la télévision numérique et
haute définition (TVHD), la radio par
satellite, les lecteurs de CD/DVD/
MP3, la navigation GPS et les
O Les systèmes d'info-divertissement embarqués doivent fonctionner sur une plage étendue de températures, répondre à des exigences strictes en matière de CEM et de régimes transitoires, et respecter les niveaux élevés de qualité exigés par les équipementiers de l’automobile.
32 / L’EMBARQUÉ / N°3 / 2013
Gestion d'énergie Application
UNE SOLUTION DE GESTION D’ALIMENTATION HAUTE PUISSANCE
via une interface I2C avec indication complète du statut et des pannes via une sortie d’interrup-
tion. Le LTC3676 supporte les processeurs i.MX6, PXA et Omap avec huit rails indépendants dotés des niveaux d’alimentation appropriés avec contrôle et séquencement dynamique. D’autres caractéristiques comprennent des signaux d’interface comme la broche VSTB qui conception de systèmes d’info-divertissement pour commute entre tensions de sortie programmées l’automobile, le circuit intégré LTC3676/-1 est une solution complète de gestion d’alimentation pour de fonctionnement et de veille sur quatre rails les processeurs Freescale i.MX6, les processeurs simultanés. Le circuit est disponible en boîtier QFN à cœur ARM et d’autres types de microproces-
40 broches de 6 x 6 x 0,75 mm. seurs pour systèmes portables évolués. Le LTC3676/-1 intègre quatre convertis-
LES PRINCIPALES FONCTIONS D'ENTRÉES/SORTIES DU PMIC LTC3676/-1
seurs continu/continu abaisseurs VIN 2,7 V à 5,5 V
qui fournissent jusqu’à 2,5 A chacun PMIC 8 canaux
pour les rails d’alimentation du cœur de processeur, de la mémoire, des VIN
VCORE 0,75 V à 1,5 V
entrées/sorties et du système sur une SW3
LD01
VRTC 1,2 V à 25 mA
à 2,5 A
puce (SoC). Il embarque également MÉMOIRE
trois régulateurs linéaires pour VSOC 0,75 V à 1,5 V
à partir de 0,725 V
SW2
LD02
à 1,5 A
des alimentations analogiques jusqu’à 300 mA
jIDLEOHEUXLW/H/7&FRQ¿JXUH
DDR VDDQ
ANALOGIQUE 1,8 V
SW4
LD03
par ailleurs un régulateur abaisseur 1,5 V à 2,5 A
jusqu’à 300 mA
Mémoire
1,5 A pour le fonctionnement et le suivi DDR
VTT
1,2 V, 2,5 V, 2,8 V, 3 V,
de source/charge pour supporter les SW1
LD04
1/2 VDDQ
jusqu’à 300 mA
1,5
A
terminaisons mémoire DDR et dispose 7m
aussi d’une sortie de référence VTTR m
7
pour la mémoire DDR. Ces fonctions 1/2 VDDQ
VTTR
ENABLES
m
m
6
sur deux broches remplacent la broche PWR_ON PGOOD
d’activation LDO4 et les broches Vers le
2
microprocesseur
I2C
de feedback du LTC3676. Le support ON (PB)
de multiples régulateurs est rendu IRQ
possible par le séquencement d’ali-
WAKE
PHQWDWLRQFRQ¿JXUDEOHO¶DGDSWDWLRQ
GND
QFN-40
LQFP-48
dynamique de la tension de sortie, un contrôleur d’interface par bouton poussoir, plus un contrôle du régulateur Q&HQVpUpSRQGUHjWRXVOHVGp¿VTXHSRVHOD
Les défis de la gestion d’alimentation dans l’automobile
Les systèmes électroniques conçus
pour l’automobile posent de nombreux challenges. Ils doivent fonctionner sur une plage étendue de
températures, répondre à des exigences strictes en matière de compatibilité électromagnétique et de
régimes transitoires, respecter les
niveaux élevés de qualité exigés par
les équipementiers de l’automobile.
En matière de températures de fonctionnement, les circuits intégrés de
gestion d’alimentation ont deux défis
à relever. D’abord la conversion
d’énergie – même si le rendement
s’avère très bon – doit dissiper une
partie de l’énergie en chaleur.
Lorsque plusieurs convertisseurs
continu/continu et régulateurs à
faible chute de tension (LDO) sont
associés dans un même boîtier, la
dissipation d’énergie combinée peut
s’avérer importante et frôler facilement deux watts voire plus.
7
m
6m
consoles de jeux forment un véritable centre de divertissement au
sein du véhicule !
m
m
}
Les boîtiers typiques de PMIC
comme le modèle QFN à 40 broches
de 6 x 6 mm affichent une résistance
thermique de 33°C/W, ce qui conduit
à une augmentation de la température de jonction de plus de 60°C.
Lorsque cela s’ajoute à une plage
étendue de température ambiante, la
température de jonction maximum
d’un PMIC peut souvent dépasser
125°C. Même dans l’habitacle, la
température au sein d’un module en
plastique hermétique peut atteindre
95°C. Pour ces raisons, un grand
nombre de PMIC spécifiés pour 85°C
ou même 125°C ne peuvent pas supporter un fonctionnement continu à
ces températures élevées.
L’utilisation d’un composant de gestion d’alimentation dans un environnement à température élevée
implique également la nécessité pour
le circuit lui-même de mesurer sa
propre température et de générer une
alerte lorsque sa température de jonction devient trop élevée. L’idée étant
que le contrôleur du système puisse
décider en tout état de cause de
réduire la puissance sur la ou les
charges. Le système d’exploitation
peut agir de cette manière en désac-
tivant certaines fonctions non essentielles ou moins critiques, ou en réduisant les performances des processeurs
et d’autres fonctionnalités fortement
consommatrices d’énergie comme les
écrans ou les communications réseau.
Cas du tableau de bord
Le tableau de bord d’un véhicule
d’aujourd’hui est naturellement
bourré d’électronique. A cela, il faut
ajouter des liaisons radios telles que
Bluetooth ou la connectivité sans fil
avec un téléphone mobile. De ce
fait, il est impératif que tout ajout
supplémentaire à cet environnement
à fortes contraintes thermiques ne
contribue pas à une chaleur excessive ou et ne génère pas d’interférences électromagnétiques. A cet
égard, il existe des exigences strictes
en matière de compatibilité électromagnétique (CEM) qui régissent les
émissions rayonnées et conduites,
l’immunité – ou la susceptibilité –
rayonnée et conduite, ainsi que la
protection contre les décharges électrostatiques (ESD). Se conformer à
ces exigences affecte les performances d’un montage électronique
à base de PMIC.
33
Application Gestion d'énergie Certaines implications sont évidentes : les régulateurs continu/
continu à découpage doivent par
exemple fonctionner à une fréquence fixe suffisamment éloignée
des bandes radio AM. Mais, à y bien
regarder, une autre source courante
d’émission rayonnée générée par les
convertisseurs continu/continu est
liée à la pente des fronts de montée
lors de la commutation des Mosfet
de puissance internes. Ces pentes
doivent être contrôlées pour réduire
les émissions rayonnées.
Enfin, la plupart des systèmes embarqués et des processeurs évolués
actuels nécessitent un séquencement
et un contrôle précis de la phase de
démarrage des sources d’alimenta-
tion et du processus de mise sous
tension des différents circuits. Permettre une certaine flexibilité au
niveau système et opter pour une
approche simple de séquencement
ne simplifient pas uniquement le travail du concepteur système. Ces
principes augmentent aussi la fiabilité et offrent la possibilité à un PMIC
unique de gérer une partie plus
importante du système global et non
pas seulement les exigences particulières du processeur.
Pour résumer, les principaux défis à
relever par le concepteur d’un système automobile d’info-divertissement sont les suivants :
- Trouver le bon équilibre entre la
dissipation d’énergie et le niveau
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34 / L’EMBARQUÉ / N°3 / 2013
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d’intégration élevé offert par l’association de multiples régulateurs à
découpage et régulateurs linéaires.
- Réguler de façon précise les tensions de sortie et les temps de réponse
de montée de charge exigés par les
processeurs et les FPGA réalisés en
technologie nanométrique avancée.
- Superviser les températures de
jonction.
- Garantir une bonne immunité aux
bruits rayonnés et conduits, tout en
assurant une faible contribution en
termes de perturbations électromagnétiques.
- Gérer les transitoires de tension
importants et les températures
extrêmes.
- Gérer le séquencement des alimentations pendant les phases de démarrage et d’arrêt.
- Réduire la taille et de l’empreinte
silicium de la solution.
Les caractéristiques à rechercher
Pendant longtemps, la plupart des
PMIC n’ont pas disposé de la puissance nécessaire pour gérer systèmes
et microprocesseurs modernes.
Comme nous l’avons vu, toute solution apte à satisfaire les contraintes de
la conception de circuits intégrés de
gestion d’alimentation pour l’automobile doit combiner un niveau d’intégration élevé, avec notamment des
régulateurs à découpage et des régulateurs LDO à courant élevé, un fonctionnement sur une plage étendue de
températures, des mécanismes de
séquencement d’alimentation et un
contrôle dynamique par bus I2C des
paramètres clés. Par ailleurs, un circuit affichant une fréquence de
découpage élevée réduit la taille des
composants externes, l’usage de
condensateurs céramique étant alors
suffisant pour réduire l’ondulation
résiduelle. Ce faible niveau d’ondulation résiduelle est alors couplée à
des régulateurs précis à réponse
rapide pour satisfaire les plages de
tolérances de tension étroites des processeurs gravés en technologie
45 nm. Ces circuits intégrés d’alimentation doivent aussi pouvoir respecter
les contraintes sévères de l’environnement automobile au niveau notamment de la suppression des émissions
rayonnées. Et ce bien que la tension
d’entrée soit habituellement fournie
par un rail système prérégulé de 5V
ou de 3,3V ou par une batterie. Q
Cartes Application
Y a-t-il une vie au-delà des cartes Raspberry Pi ?
Au cours des dernières années, de nombreuses cartes de démonstration et
de développement modulaires à moins de 100 dollars sont apparues sur le marché.
Les coûts ne constituent donc plus un obstacle. Mais quid du facteur de risque
en production critique ? Quid des délais de conception ? Varient-ils d’une plate-forme
à une autre ? La communauté en ligne va-t-elle être fiable ? Toutes ces questions, et bien
d’autres, se doivent d’être posées avant de sélectionner une carte. Revue de détail.
C
’est l’été, la saison la plus
agréable de l’année. Il fait
beau, le championnat de
fo ot ball va bientôt
reprendre et les salles de cinéma présentent les films de l’été. En tant
qu’amateur de cinéma, je ne peux
m’empêcher de noter les similitudes
entre les choix de sorties familiales
dans la ville illuminée et ceux auxquels sont confrontés les concepteurs
systèmes au moment de sélectionner
leur prochaine plate-forme de développement ou de démonstration.
Surtout lorsque de nombreux outils
de pointe sont devenus si peu chers,
de plus en plus attractifs et offrent un
sentiment de satisfaction toujours
plus grand !
Au cours des dernières années, on a
en effet vu apparaître de nombreuses
cartes de démonstration et de développement modulaires à moins de
100 dollars, issues de différentes
sources. Mais attention, même si les
niveaux de prix sont tous similaires,
l’expérience utilisateur, les fonctionnalités et la flexibilité diffèrent au plus haut point. Ces
cartes portent des noms désormais célèbres, comme Raspberry Pi, Arduino, BeagleBoard ou encore Tower.
Chacune d’entre elles présentent des avantages et des
inconvénients pour tenter de
répondre aux exigences
ambitieuses des concepteurs
d’aujourd’hui. Car si leur prix
AUTEUR
David Sandys, directeur marketing fournisseurs (Digi-Key Corporation).
d’achat reste faible, quelle que soit
la carte, cet état de fait ne dispense
nullement de passer un peu de temps
en amont pour s’assurer que les exigences de départ seront satisfaites.
La plate-forme Raspberry Pi est sans
conteste la plus connue de ces
plates-formes. Pour seulement
25 dollars, on dispose d’une carte,
d’un environnement de développement intégré (IDE) open source GNU
et d’une communauté prête à vous
assister. Il s’agit d’une bonne plateforme qui peut être suffisante si l’on
crée une alarme de porte de réfrigérateur automatisée pour sa maison
(vu que nos enfants ne referment
jamais la porte !). Mais au-delà de
l’anecdote, il doit bien y avoir une
raison pour que de nombreuses
alternatives à la Raspberry Pi
existent !
Une étude récente du site Kickstarter.
com montre qu’il y avait 23 projets
axés sur la plate-forme Raspberry Pi
contre 97 projets centrés sur la plate-
forme Arduino. Mais si l’on espère
passer de la conception au stade de
production, il faut non seulement
s’assurer que la conception soit réussie et fiable, mais également être
certain que le prototype et son évolution en production seront également possibles. Dans cette optique,
rappelons ici que la carte Raspberry Pi utilise un système sur puce
(SoC) basé sur ARM1176 de
Broadcom. Et même s’il existe
encore beaucoup de détenteurs de
licence pour ARM11, la plupart
d’entre eux sont déjà passés des
architectures ARM traditionnelles
aux dispositifs à base de Cortex plus
modernes. La société ARM elle
même recommande les circuits
basés sur un cœur Cortex-A5 pour
les nouvelles conceptions de SoC
(voir la section « Considering an
ARM1176-based design ? » sur http://
www.arm.com/products/processors/
classic/arm11/arm1176.php). De
plus, toutes les alternatives à Rasp-
O La carte Arduino Due est architecturée autour d’un microcontrôleur 32 bits flash Atmel SAM3X doté d’un cœur ARM Cortex-M3.
35
Application Cartes VUE D’ENSEMBLE DES PLATES-FORMES DE DÉVELOPPEMENT ÉCONOMIQUES
PROCESSEUR(S)
ARCHITECTURE(S)
ENVIRONNEMENTS IDE COMMERCIAUX PRINCIPAUX (*)
RTOS ÉCONOMIQUES SUPPORTÉS
ATmega32/32x, ATmega2560,
ATmega16x, AT91SAM3X8E
ATmega, ARM Cortex-M3
Arduino IDE
FreeRTOS, ChibiOS/RT
OMAP3/AM335x
ARM Cortex-A8
IAR Embedded
Workbenchnull
Linux, Android, Ubuntu
Cerebot/Microchip
dsPIC33f, PIC32MX
dsPIC, PIC32 (MIPS)
MPLAB IDE
FreeRTOS
ChipKit/Microchip
PIC32MX
PIC32 (MIPS)
MPLAB
FreeRTOS
Discovery/ STMicroelectronics
STM32
ARM Cortex-M0/M3/M4
IAR Embedded
Workbench,Keil MDK-ARM
FreeRTOS, ChibiOS/RT
Freedom/Freescale
Kinetis K20 & KLxx
ARM Cortex-M0+/M4
CodeWarrior IDE, IAR
Embedded Workbench
MQX, MQX Lite
i.MX233-OLinuXino/
Freescale
i.MX23
ARM9
MSP430, Piccolo, Tiva
MSP430, TMS320F282x,
ARM Cortex-M4
Code Composer, IAR
EWARM (Tiva), Keil MDKARM (Tiva)
TI RTOS, FreeRTOS
LPCXpresso/NXP
LPC1xxx
ARM Cortex-M0/M3
Code Red
Linux
Pioneer/Cypress Semiconductor
PSoC 4
ARM Cortex-M0
PSoC Creator IDE
CY8CKIT-050/Cypress Semiconductor
PSoC5 LP
ARM Cortex-M3
PSoC Creator IDE
FreeRTOS
Tower System/Freescale
MPC5125, Kinetis, HCS08/S08,
S12, MCF51xx
e300, ARM Cortex M0+/M4,
MC9S08/12, Coldfire V1
CodeWarrior IDE, IAR
Embedded Workbench
MQX, FreeRTOS
Wandboard/Freescale
i.MX6
ARM Cortex-A9
-
Linux, Android, Ubuntu
Xplained, Xplained Pro/
Atmel
ATmega128/256, AT32UC,
ATSAM4
ATmega, XMEGA, AVR32,
ARM Cortex-M0/M3/M4
Studio 6 IDE
FreeRTOS
RL78/G14
RL78
IAR Embedded Workbench
FreeRTOS, Android
CARTE/FABRICANT
Arduino/Atmel
BeagleBoard & BeagleBone/
TI
LaunchPad/TI
YRDKRL78G14/Renesas
Linux, Android
De nombreux dérivés prennent en charge des fonctionnalités spécifiques. Une liste complète des spécifications est disponible sur le site eeWiki de Digi-Key :
www.eewiki.net/display/DKSB.
(*) La chaîne d’outils GNU/GCC est également disponible pour plusieurs des plates-formes ci-dessus.
plate-forme a été étendue en gamme
jusqu’aux solutions ARM 32 bits
d’Atmel. Il existe bien entendu un
écosystème et une communauté
pour aider à réaliser ses conceptions.
On compte actuellement plus de
50 cartes disponibles auprès d’Arduino et de tierces parties et les
« shields » (cartes d’extension)
peuvent étendre à l’infini (ou
presque) les fonctionnalités de la
carte de base. Ces « shields » se combinent à une carte Arduino standard
Quelles sont donc les autres pour, par exemple, apporter des
alternatives ? capacités de communication sans fil,
Commençons par Arduino. Conçue des capteurs, des écrans LCD, des
à l’origine autour des microcontrô- liens Ethernet, un système GPS, des
leurs AVR 8 bits d’Atmel, la plate- commandes moteur, etc. Il est même
forme Arduino offre un langage possible de combiner plusieurs
convivial permettant de programmer « shields » pour créer des systèmes
facilement et efficacement des appli- sophistiqués. La plate-forme Arduino
cations. Les ingénieurs peuvent éga- est si populaire que des cartes comlement utiliser un environnement C patibles sont disponibles auprès de
standard, s’ils le souhaitent, et la fournisseurs et tierces parties pour les
berry Pi présentent aujourd’hui de
nombreuses versions pour s’adapter
au jeu de périphériques spécifique
des divers modèles des familles de
microcontrôleurs utilisés. Or, ils
n’existe que deux versions de Raspberry Pi pour l'instant et les seules
différences résident dans la configuration mémoire, le nombre de ports
USB, la connectivité Ethernet, un
circuit de réinitialisation et un orifice
de montage.
36 / L’EMBARQUÉ / N°3 / 2013
architectures de TI, Freescale, Microchip et NXP. Par exemple, la nouvelle plate-forme Freedom de Freescale, dédiée à ses microcontrôleurs
à base de Cortex, présente un
« shield » compatible Arduino et offre
des solutions de développement
logiciel pour accélérer les délais de
mise sur le marché. Les plates-formes
Arduino sont disponibles à partir de
25 dollars et la plupart affiche un prix
inférieur à 50 dollars.
BeagleBoard, BeagleBone et BeagleBone Black constituent un autre
ensemble d’environnements de
développement/démonstration économiques hautement fonctionnels.
Tout comme pour la Raspberry Pi et
l’Arduino, la communauté BeagleBoard présente un support et un
contenu riches. Ces solutions sont
axées autour des processeurs et
microcontrôleurs de Texas Instruments et, même si les cartes Beagle-
Cartes Application
Board sont un peu plus chères que
les autres plates-formes, le développeur bénéficie de nombreuses
fonctionnalités avec un investissement qui n’est que légèrement supérieur. Ainsi, la carte BeagleBone
Black ne coûte que 49 dollars, alors
qu’elle est dotée d’un processeur
Sitara AM355x de Texas Instruments
basé sur un cœur Cortex-A8,
cadencé à 1 GHz, avec en outre un
accélérateur graphique 3D, un accélérateur en virgule flottante et deux
microcontrôleurs PRU 32 bits. On
trouve aussi sur la carte un port USB
(client et hôte), une interface Ethernet
et un port HDMI. Enfin, la plateforme prend en charge les systèmes
Linux, Android, Ubuntu, etc. L’extension de l’environnement BeagleBoard se fait via de petites cartesfilles nommées « Capes » qui se
connectent avec des embases à la
plate-forme de base. Ces Capes permettent d’ajouter de nombreuses
fonctionnalités à la carte d’origine, y
compris des commandes moteur, des
écrans LCD, de la communication
sans fil ou filaire, des implantations
de bus, etc.
Les systèmes Tower, mbed et Xpresso à ne pas négliger Le système Tower de Freescale
constitue également un environnement de développement/démonstra-
O Le système de développement Tower de Freescale permet de construire des applications basées sur architectures HCS08, Coldfire V1, Kinetis et sur des architectures de puissance.
O La BeagleBone Black est conçue autour d’un processeur Sitara AM355x de Freescale doté d’un cœur ARM Cortex-A8 cadencé à 1 GHz.
tion de choix. Tower est une plateforme modulaire présentant des
modules de base conçus autour des
familles de microcontrôleurs de
Freescale, des architectures 8 bits aux
microcontrôleurs Kinetis basés sur
des cœurs ARM 32 bits, en passant
par les architectures de puissance. Le
système Tower diffère des cartes
concurrentes comme Raspberry Pi,
Arduino et BeagleBone en ce sens
que tous les modules, et leurs extensions, sont disponibles en tant que
références Freescale, bien qu’il
s’agisse de solutions en open source.
Les modules d’extension incluent
des capteurs divers, la conversion analogique-numérique haute
performance, des
systèmes Wi-Fi,
l’affichage LCD, la
commande moteur,
etc. Les solutions
Tower Kinetis et
ColdFire fonctionnent avec le système d’exploitation
temps réel open
source MQX. Si
vous avez besoin
d’un système d’exploitation temps réel,
cette solution est attractive pour tous ceux qui
développent des applications critiques. Côté prix, les
plates-formes Tower sont disponibles à partir de 50 dollars, et certaines des fonctionnalités avancées
proposées offrent une réelle valeur
ajoutée pour un investissement
somme toute modeste.
Pour ceux qui recherchent une solution architecturée sur les microcontrôleurs LPC de NXP, les plates-formes
de développement/démonstration
mbed et Xpresso peuvent les satisfaire. NXP présente également des
plates-formes économiques issues de
tierces parties, comme les environnements Keil et IAR, qui sont intégrées
à leurs suites logicielles. Les concepteurs peuvent alors s’appuyer sur
LPCware de NXP, une communauté
en ligne dédiée aux solutions de
microcontrôleurs NXP.
D’autres plates-formes économiques
et riches en fonctionnalités sont disponibles, par exemple Wandboard
et sa solution monocœur à base
d’i.MX6 de Freescale à 79 $, avec la
possibilité de mettre en œuvre des
services Android Jelly Bean, Ubuntu
et Linux. D’autres tierces parties
comme Olimex offrent diverses platesformes via de nombreux dispositifs
(STMicroelectronics STM32, Freescale
i.MX21, Microchip PIC, etc.). La liste
de possibilités est (presque) infinie.
Pour une liste plus complète et plus
détaillée, Digi-Key a créé un outil de
sélection de carte de développement/démonstration convivial, disponible sur :
http://eewiki.net/display/Resources/
Comparison+of+Embedded+System
+Development+Platforms
Le support technique est accessible
par Web chat, téléphone, eeWiki ou
via la communauté technique en
ligne de Digi-Key, TechXchange. Q
37
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L Embarque N

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