Situation-problème : Remplacer un circuit spécialisé onéreux par un

Expression du besoin
Support utilisé
(Intérêt de l’activité)
A qui rend-il service ?
Sur quoi agit-il ?
Aux élèves des
Sciences de l’Ingénieur
de Première
Sur les connaissances des
structures et des principes de
fonctionnement d’un système à
base de microcontrôleur
Ouvre Portail FACC avec Digicode
Activité
de
formation
Consigne
CI10-I2-A1-DA
Lorsque vous rencontrez , énoncez au
professeur vos résultats. Vous devez être
capable d’en faire une rapide description
et de justifier vos choix.
Dans quel but ?
Permettre aux élèves d’identifier les différents constituants
matériels de la chaîne d’information et les fonctions
techniques réalisées, lister et caractériser les entrées et les
sorties, de relever les contraintes de compatibilités des
signaux échangés entre la carte µC et les périphériques.
ACQUERIR les informations
du Digicode
TRAITER
Circuit spécialisé
COMMUNIQUER
Chaîne d’information
Décodage de
la
transmission
codée
"DECODER"
Transmission de
l’information codée au
système centralisé
Code de 4 chiffres
Validation du code
"FAAC METAL DIGIKEY"
Situation-problème : Remplacer un circuit spécialisé onéreux par un
Pictogramme
microcontrôleur d’usage général.
Réponse à la situation-problème
Déroulement de l’activité
Identification des différents constituants matériels de la chaîne d’information et des fonctions
techniques utilisées par le Digicode.
Recensement des entrées et des sorties de la fonction TRAITER.
Caractérisation des entrées et des sorties de la fonction TRAITER.
Analyse de l’organisation fonctionnelle de la fonction TRAITER réalisée par un microcontrôleur.
Analyse des contraintes de compatibilité des signaux échangés entre la fonction TRAITER et les
périphériques externes.
Pictogrammes
Observer
Rechercher
Internet
Décrire
Expliquer
Travail demandé
A. Identification des différents constituants matériels et des fonctions techniques
associés à la chaine d’information du DIGICODE
1. Description
Le FAAC METAL DIGIKEY est un clavier matricé de 12 touches à code programmable qui offre une
solution moderne et fonctionnelle aux problèmes de commande de systèmes automatiques
d’ouverture.
Le code désiré se compose simplement en mettant les micro-interrupteurs de l’unité de
décodage DECODER sur la position choisie. L’inviolabilité absolue est garantie par le fait que le clavier
n’envoie pas l’impulsion d’ouverture, mais un signal codé devant être lu et reconnu par l’unité de
décodage DECODER.
Grâce à ce type de fonctionnement, même si les fils de raccordement sont court-circuités, il est
absolument impossible de commander l’ouverture de la porte ou du système électrique relié.
2. Fonctionnement
Pour composer les quatre chiffres du code sur le clavier, il faut suivre le même ordre que pour la
formation sur les douze micro-interrupteurs du module DECODER.
Avant de composer une combinaison quelconque, il faut toujours appuyer sur le bouton RESET ( ).
La LED rouge, située à l’avant du METAL DIGIKEY, fonctionne de la façon suivante :
-
Elle est normalement allumée lorsque le METAL DIGIKEY est alimenté (elle permet ainsi de
repérer facilement le METAL DIGIKEY en cas de faible luminosité).
Elle s’éteint lorsqu’on presse une touche du clavier (pour confirmer que le code a bien été
introduit).
Si le code envoyé ne correspond pas au code composé sur la carte DECODER, la LED s’éteint 2
secondes et le clavier est bloqué jusqu’à ce qu’on appuie sur la touche RESET.
Si le code envoyé correspond au code composé sur la carte DECODER, la LED clignote et le
BUZZER émet quelques notes de musique pour confirmer que le code a bien été reconnu.
A partir des informations contenues dans la description du FAAC METAL DIGIKEY, identifier les
périphériques en relation avec la fonction TRAITER.
B. Recensement et caractérisation des entrées et des sorties de la fonction
TRAITER
Le recensement des entrées et des sorties ainsi que leur caractérisation (analogique/logique/numérique
et leurs caractéristiques électriques) est la première étape vers le choix du microcontrôleur.
Expliquer le principe d’un clavier matricé. En déduire le nombre de broches nécessaires à un
microcontrôleur pour assurer la reconnaissance des touches appuyées. S’agit-il d’entrées ou de
sorties ? Doivent-elles gérer une information analogique, numérique ou logique ?
Compléter le recensement des entrées ou/et des sorties de la fonction TRAITER ainsi que leur
nature (analogique/logique).
Rechercher dans la documentation constructeur d’un microcontrôleur (on prendra comme
exemple le PIC 12F675 MICROCHIP) les caractéristiques électriques des différentes broches
et cela en fonction de leur nature définie aux questions précédentes.
C. Analyse de l’organisation fonctionnelle de la fonction TRAITER
Solution
avec
microcontrôleur
Cette organisation fonctionnelle est donnée par le constructeur du microcontrôleur.
Mémoire "Programme" de
type Flash
Mémoire RAM
Bus d’adresse
Port
Bidirectionnel
Exemple du
microcontrôleur
PIC 12F675
Bus de données
Compteurs
programmables
Convertisseur
Analogique
Numérique
Mémoire
EEPROM
La même broche peut avoir plusieurs fonctionnalités comme l’atteste les informations suivantes :
L’objectif de cette partie est de prouver qu’à certaines conditions les fonctionnalités et le brochage
d’un microcontrôleur PIC 12F675 permettent la substitution du circuit spécialisé du module FAAC
METAL DIGIKEY. Le PIC 12F675 constitue donc notre support de recherche, il est représentatif des
possibilités offertes par les structures actuelles pour un coût de moins d’un euro.
Les documents de référence seront constitués pour l’essentiel du "Data
Sheet" du circuit PIC 12F675 mais également d’un document qui fait
autorité dans le monde des PIC : "La Programmation des PIC" par
Bigonoff.
1. Les spécificités et les capacités des mémoires
a. La mémoire PROGRAMME
Le "Compteur Programme" [PC] contient l’adresse de la prochaine instruction à exécuter. Il possède
un format de 13 bits. Au démarrage du microcontrôleur, le contenu du "Compteur Programme" est
initialisé à une adresse contenue à l’adresse 0000h de la mémoire programme. Cet emplacement
mémoire qui contient l’adresse de départ du programme ou firmware est ce que l’on appelle le
Vecteur RESET.
Quelle est la taille maximale de la zone "Mémoire Programme" que peut adresser le
"Compteur Programme" ?
Quelle est en réalité la taille de la zone "Mémoire Programme" du PIC 12F675 ? Donner
l’adresse de départ et l’adresse de fin en code hexadécimal. Quels seront alors les éléments
binaires du "Compteur Programme" qui ne seront pas affectés ?
A chaque adresse, il correspond un mot de 14 bits, justifier l’information donnée par le
constructeur d’un espace mémoire de 1K x 14.
Cet espace mémoire est doté d’une technologie flash (C’est un type E2PROM que nous verrons plus
tard). C’est une mémoire à semi-conducteurs, non volatile et réinscriptible. Ces trois particularités lui
confèrent :
Rapidité, durabilité et faible consommation,
La pérennité des informations mémorisées lors de la mise hors tension,
La possibilité d’être réutilisable par une autre opération d’écriture.
Justifier l’emploi d’une technologie flash pour la "Mémoire Programme" dans le cadre de
notre utilisation.
Quelle est la capacité d’endurance en écriture de ce type de mémoire ?
Pendant combien de temps prévoit-on une parfaite rétention des informations enregistrées ?
b. La mémoire DONNÉES (Données volatiles)
Elle porte l’acronyme R.A.M. pour Random Access Memory (mémoire à accès direct) et se caractérise
par un accès rapide et une volatilité des informations lorsque la mémoire n’est plus alimentée. Cet
espace est donc réservé à la mémorisation des données temporaires.
Quelle est l’organisation de cet espace mémoire ? Vous expliquerez notamment le concept de
bank, le volume mémoire de chaque bank ainsi que l’organisation de leur contenu.
Quelle est la capacité totale de cette zone mémoire ?
Quelle capacité mémoire peut-on utiliser pour sauvegarder des données temporaires ?
Quel pourrait être l’intérêt de ce type de mémoire dans le cadre de l’utilisation du FAAC METAL
DIGIKEY ?
c. La mémoire DONNÉES (Données non volatiles)
Elle porte l’acronyme E.E.P.R.O.M. ou E2PROM pour Electrically-Erasable Programmable ReadOnly Memory (mémoire morte effaçable électriquement et programmable). Elle permet
l’enregistrement d’informations qui doivent rester valide même lorsque l’énergie disparait.
Quelle est la capacité totale de cette zone mémoire ? Décrire son organisation.
Quelle est son adresse de début et son adresse de fin ?
Vérifier que l’écart entre ces deux adresses correspond à la capacité de la mémoire.
Quel pourrait être l’intérêt de ce type de mémoire dans le cadre de l’utilisation du FAAC METAL
DIGIKEY ?
2. Les périphériques internes
Des fonctionnalités offertes par cette unité de traitement dépendront la souplesse d’utilisation de ce
microcontrôleur. Les technologies actuelles permettent de proposer des microcontrôleurs avec un
grand nombre de périphériques internes dédiés à la communication UART, I2C, SSI... y compris
l’interface USB. Le constructeur propose également de plus en plus souvent un module d’hibernation
pour réduire la consommation en énergie lors des phases de non utilisation, des procédures de réveil
synchronisées sur évènements... Dédiés auparavant à des opérations simples et relativement lentes, les
microcontrôleurs acquièrent maintenant une véritable puissance de calcul.
Dénombrer les principaux périphériques du microcontrôleur PIC 12F675.
Décrire rapidement leur rôle.
Quels sont ceux qui sont en adéquation avec les fonctionnalités recherchées dans le cadre de
l’utilisation du FAAC METAL DIGIKEY ?
D. Analyse de certaines contraintes de compatibilité des signaux échangés entre
le microcontrôleur et les périphériques externes
1. Fonction Technique "Acquérir les informations du clavier numérique"
A partir des travaux menés sur le recensement des entrées et des sorties de la fonction
TRAITER, les possibilités en terme de connexions du circuit PIC 12F675 vous paraissent-elles
suffisantes ?
Un article permet peut-être de résoudre le problème précédent. En voici le contenu....
By carefully selecting the resistor values, each
button generates a unique voltage. This
voltage is measured by the A/D to determine
which button is pressed. Higher precision
resistors should be used to maximize voltage
uniqueness. The A/D will read near 0 when no
buttons are pressed.
A/D : Analog to Digital converter
Vcc
PIC 12F675
GP0
Expliquer en quelques phrases le
principe de cette solution (il ne s’agit
pas de faire la traduction du texte précédent). En déduire la nature (analogique, numérique ou
logique) de l’entrée GP0.
Le nombre de connexions disponibles du circuit PIC 12F675 est-il alors satisfaisant ?
Cette solution n’est pas nécessairement "élégante" en effet elle nécessite l’utilisation de 8 composants
supplémentaires (8 résistances). Nous allons montrer qu’elles doivent être choisies avec soin (tolérance
et coefficient de température).
a. Eléments de la théorie des réseaux
On admettra le résultat suivant :
Ra
i=0
Tout réseau constitué de deux résistances Ra et Rb alimenté par une
force électromotrice Vcc et ne fournissant aucun courant délivre un
potentiel Vs avec
(formule du Pont Diviseur)
Vcc
Rb
Vs
b. Clavier à 4 touches (1x4)
Cette première étude va permettre de mettre en évidence l’importance de la tolérance des résistances
pour obtenir le bon fonctionnement du système. Elle justifiera en effet la nécessité de choisir des
résistances de précision.
Vcc
Rc1
RL1
RL2
PIC 12F675
RL3
RL4
GP0
R
A partir de la formule du pont diviseur, établir
une relation entre VGP0 et RC1, RL1, R, Vcc.
Pour établir cette expression, on considère que
la touche "1" est appuyée, les autres touches
étant relâchées. Cette situation particulière de
VGP0 sera nommée V1.
Procéder de la même façon pour les situations
où la touche "4", seule, est appuyée soit V4,
puis la touche "7" soit V7 et enfin la touche " "
soit V .
VGP0
Ces 4 différences de potentiel seront équitablement réparties sur une échelle de 0V à 5V.
Proposer des valeurs numériques pour V1, V4, V7 et V .
On choisit
VCC = +5V
Rc1 = 1,2 K
RL1 = 68 K
RL2 = 15 K
RL3 = 4,7 K
RL4 = 220
R = 10 K
Valeur normalisée, tolérance 10%
Valeur normalisée, tolérance 10%
Valeur normalisée, tolérance 10%
Valeur normalisée, tolérance 10%
Valeur normalisée, tolérance 10%
Valeur normalisée, tolérance 10%
Sur un axe gradué [0 , 5], reporter les valeurs de V1, V4, V7 et V correspondant aux résistances
normalisées.
c. Tolérance de fabrication
Aucun constructeur ne peut assurer que la valeur qu’il indique sur le corps de la résistance à l’aide
d’un code couleur est exactement égale à sa valeur réelle (valeur nominale). La tolérance de
fabrication permettra d’indiquer une fourchette (valeur minimale et maximale) dans laquelle le
composant aura sa valeur effective.
Ainsi un lot de résistances avec une tolérance de 10% dont la valeur nominale est de 1000 couvrira
un champ de valeurs allant de 900 à 1100 .
900
1000
1000 – 10% de 1000 soit 1000 – 100 = 900
1100
1000 + 10% de 1000 soit 1000 + 100 = 1100
d. Calcul de l’erreur relative des différentes tensions V1, V4, V7 et V
L’erreur relative comme son nom l’indique donne la marge d’erreur par rapport à la valeur en question.
Exemple : R = 1 K +/- 10%.
L’erreur relative s’exprime par
où R représente l’erreur absolue c'est-à-dire l’erreur exprimée dans
les mêmes unités que la valeur en question R.
Reprenons l’exemple de la résistance de 1 K .
La fourchette de valeurs possibles est de Rmaxi - Rmini = 1100 – 900 = 200
L’erreur absolue sera donc de 100 .
Calculons l’erreur relative
soit +/- 100
.
:
Prenons l’exemple d’une différence de potentiel issue d’un calcul dont la valeur dépend de 4
variables soit Vs = (R1, R2, R3, V) :
Chaque composante de l’expression possède une erreur absolue, quelle sera la répercussion de ces
erreurs sur la variable Vs ?
Une expression mathématique permet de répondre à cette interrogation...
Elle indique simplement que l’erreur absolue de Vs dépendra de toutes les
valeurs absolues des composantes de l’équation avec toutefois des coefficients
qu’il faut déterminer.
Les coefficients...
exprime la dérivée (partielle) de Vs par rapport à V. Par conséquent, cela revient à considérer V
comme la variable. D’où
On se limitera au calcul de l’erreur absolue de V1 (VGP0 lorsque la touche "1" est appuyée)
A partir de l’équation de V1, exprimer analytiquement l’erreur absolue V1.
V1 dépendant de RC1, RL1, R, Vcc , on trouvera les termes :
.
Démontrer que :
Démontrer que :
On donne :
Calculer V1 et en déduire l’erreur relative
exprimée en %.
Rechercher dans le tableur "Calcul Erreur Relative" le calcul de
et confirmer vos résultats
numériques.
Consulter les autres résultats numériques. La solution d’utiliser
la structure ci-contre est-elle validée ?
La deuxième partie du tableau "Calcul Erreur Relative" permet de
valider ou non la structure complète du clavier.
Que pensez-vous des résultats présentés ?
E. Réponse à la situation-problème
Vous êtes maintenant en mesure de justifier la possibilité ou non de remplacer l’actuel circuit
spécialisé par un microcontrôleur PIC 12F675.
La structure étudiée pour utiliser un clavier matricé à faible impact sur le nombre
d’entrées/sorties du microcontrôleur est-elle ou peut-elle être validée ?