Une montre altimètre-boussole présentant un nouveau concept d

ALPINIST – Une montre altimètre-boussole présentant un nouveau concept d’utilisation
Christophe Germiquet, Jean-Jaques Born, Michael Bourquin, Dominique Piguet, Stéphane Künzi, T.Kim Nguyen, Jean-Charles Guanter, JeanCharles Poli, Nicolas Moser, Pierre-André Farine et Rudolf Dinger.
Asulab S.A., Laboratoires R & D de SMH
Rue des Sors 3, CH – 2074 Marin
Résumé
La montre Alpinist développée par Asulab SA, est un nouveau concept de montre technique à affichage hybride (analogue et digitale) qui propose en
plus d’un large choix de fonctions horaires, des fonctions destinées à la pratique d’activités sportives telles qu’un altimètre, une boussole, un
thermomètre ainsi qu’un indicateur de tendance barométrique. Ces fonctions ayant une précision répondant aux besoins des sportifs sont
sélectionnées par l’intermédiaire d’un écran tactile intégré dans la glace de la montre. Par un simple touché du doigt en regard de l’icône symbolisant
la fonction, celle-ci est activée. La valeur de mesure est alors indiquée sur l’affichage LCD. Dans le mode boussole, les aiguilles se placent en
opposition et indiquent de manière continue le Nord. Ce produit combinant esthétique classique, haute technologie et ergonomie, s’adresse tout
particulièrement aux amateurs de sports en plein air. A ce jour, plus de 100 prototypes ont été fabriqués et testés avec succès selon les normes
NIHS.
Abstract
With the ALPINIST watch, Asulab presents a new concept of a multifunctional outdoor sports watch. Equipped with an altimeter, a compass, a
weather forecast, a thermometer, a chronograph in addition to the true date and alarm functions. The watch offers an accuracy making these
functions available to professional users and offers an easy to learn and to use human interface. Mode selection is done via an invisible touch screen
integrated in the crystal and the analogue display is used to confirm the selected mode and to display data such as weather forecast and compass.
User tests have confirmed the ergonomics of the human interface and the accuracy and reliability of the sensor systems.
1. Introduction
La pratique d’activités en plein air nécessite souvent des moyens de
se situer ou de s’orienter. Les appareils portables classiques tels
que les altimètres et les boussoles existent depuis longtemps et leur
utilisation est connue. Le regroupement de tous ces appareils dans
une montre bracelet comprenant déjà des fonctions horaires tels
que chronographe et alarme présente un avantage indéniable.
L’utilisateur a donc accès à l’altimètre ou à la boussole aussi
rapidement que s’il voulait lire l’heure. La météorologie étant un
facteur décisif dans les sports de plein air, la prédiction donnée par
la tendance barométrique associée à un thermomètre peut se
montrer très utile. La montre ALPINIST développée par ASULAB
réunit toutes ces fonctions et est équipée de systèmes de mesures
précis, répondant aux exigences des utilisateurs pratiquant des
sports de plein air.
Si la présence du plus grand nombre de fonctions possibles est un
avantage, il se peut en contre partie que le mode d’utilisation de ce
type de montre devienne très complexe, voir impossible sans se
référer régulièrement au mode d’emploi. Qui n’a pas dans sa vie
butté sur la programmation de sa vidéo, rendue difficile par le trop
grand nombre de fonctions disponibles. Dans le cas de la vidéo la
proximité d’un mode d’emploi peut encore être envisagée, ce n’est
par contre plus le cas d’une montre de sport que l’on désire utiliser
dans des situations les plus diverses voir les plus délicates. C’est
dans ce cadre qu’un nouveau concept d’utilisation à été élaboré.
L’idée de base est d’offrir un système de gestion cohérent associé à
des repères visuels, tactiles et sonores. L’apprentissage simple et
intuitif est le but visé par ce nouveau mode d’utilisation. Toutes les
manipulations sont instantanément suivies d’actions sonores ou
visuelles par le biais des aiguilles et de l’affichage LCD. L’utilisateur
peut ainsi assimiler par lui-même le mode d’utilisation sous forme
de jeux.
Une glace tactile combinée à un dessin symbolique des fonctions
sur le cadran est la base du concept d’utilisation de la montre
ALPINIST. Le niveau de performance élevé des fonctions altimètre
et boussole confinées dans le volume d’une montre bracelet
ordinaire, a nécessité d’élaborer de nouvelles solutions tant sur le
plan de la construction que sur le plan électronique.
Figure 1 : Montre ALPINIST
Un circuit imprimé sur lequel le bloc moteur est vissé remplace la
platine classique. Ce circuit imprimé est pris en sandwich entre le
fond du mouvement comprenant notamment la pile, et le support
supérieur maintenant l’affichage LCD et le cadran.
L’architecture électronique est spécialement conçue pour travailler à
basse consommation tout en gardant un niveau de performance
très élevé. Afin de réduire la complexité des composants, ainsi que
les imperfections des senseurs, la partie analogique de
l’électronique est entièrement basée sur un microprocesseur
horloger incluant également toutes les fonctions de compensation
numérique.
2. Interface avec l’utilisateur
2.1 Mode d’utilisation
L’interface avec l’utilisateur de la montre ALPINIST est
spécialement conçue pour favoriser un apprentissage du mode de
fonctionnement le plus intuitif possible. Pour atteindre cet objectif le
concept d’utilisation fait appel aux sens tactiles et visuels. Les
manipulations de la montre se font à l’aide d’une glace tactile
comprenant 7 plages distinctes, de trois boutons poussoirs dont
deux de type classique chronographe et un troisième à la place de
la couronne classique, de deux aiguilles heure minute
indépendantes, d’un affichage LCD à 7 digits ainsi que d’un cadran
muni de symboles représentant les fonctions.
‘couronne’. Le fait qu’il faille chaque fois réactiver le système de
touches capacitives permet d’initialiser celui-ci, ce qui a pour effet
de le rendre indépendant de la température, du vieillissement et de
la tension d’alimentation. Un traitement optique antireflet rend les
électrodes capacitives quasiment invisibles.
Electrodes transparentes
Carrure
Cadran
Glace saphir
Aiguilles
Figure 3 : Schéma de principe de la glace tactile
Ce traitement est issu de techniques utilisées usuellement dans la
fabrication des affichages à cristaux liquides. Même si cette
technologie s’applique a toutes les glaces minérales ainsi qu’aux
glaces plastiques, l’utilisation d’une glace saphir est préférable en
raison des sollicitations répétées de la glace.
3. Boussole
3.1 Mesure magnétique
Figure 2 : Interface utilisateur de la montre ALPINIST utilisant une
glace tactile
La sélection d’une fonction se fait par un effleurement du doigt sur
la glace au dessus de l’icône dessinée sur le cadran et représentant
symboliquement la fonction. Dès qu’une fonction est activée, le
LCD affiche les informations relatives à celle-ci en même temps
que les deux aiguilles heure et minute se mettent en regard de
l’icône pour rappeler son choix à l’utilisateur. Pour éviter toute
mauvaises manœ uvre, la glace tactile se déclenche
automatiquement si elle n’est pas utilisée. Une pression du bouton
poussoir ‘couronne’ réactive cette dernière. L’interaction directe
entre ce que l’on touche et ce que l’on voit favorise une assimilation
rapide et intuitive du mode d’utilisation, ce qui permet à l’utilisateur,
non seulement de corriger directement une erreur, mais aussi de
pouvoir utiliser sa montre de manière efficace, même s’il ne s’en
sert qu’épisodiquement. Certaines fonctions nécessitent des
ajustement tels que l’heure dans la fonction horaire, la déclinaison
dans la fonction boussole ou encore l’altitude dans la fonction
altimètre. L’ajustement s’effectue par les deux poussoirs 2h et 4h.
La direction du Nord est déterminée par la mesure de la
composante horizontale du champ magnétique terrestre selon deux
axes orthogonaux. Un dispositif, utilisant un aimant mobile, est
utilisé afin d’amplifier localement le champ magnétique terrestre [4].
Ce dispositif est constitué d’un rotor de moteur Lavet pouvant
s’orienter librement, et de deux senseurs placés à proximité de
l’aimant mobile permettant de mesurer le champ magnétique créé
par ce dernier. La position angulaire est déterminée par la
combinaison trigonométrique des deux signaux provenant des
senseurs.
Châtons combinés
Cage
Aimant
PCB
Senseur magnétique
2.1 Glace tactile
Le système de détection tactile utilise l’effet capacitif pour
discriminer la présence d’un doigt sur la glace [6]. Le système est
constitué d’une glace sous laquelle des électrodes transparentes
sont déposées. Une capacité parasite est formée entre l’électrode et
l’environnement métallique de la montre. Si un doigt vient se poser
en regard de l’électrode, la capacité est perturbée et change de
valeur. Un oscillateur RC, relié à cette capacité, convertit les
variations de capacité en variations de fréquence. La présence d’un
doigt sur la glace peut faire varier la fréquence nominale de 5% à
10%. L’activation de la glace tactile se fait par pression du poussoir
Figure 4 : Système d’amplification magnétique utilisé dans la
boussole de la montre ALPINIST
L’ordre de grandeur du champ magnétique produit par l’aimant
mobile au niveau des senseurs est de 20 mT (200G) alors que celui
du champ magnétique terrestre est de 10 à 20 µT (0.1 à 0.2G). Le
champ magnétique à mesurer est ainsi amplifié d’un facteur 1000,
ce qui permet de réduire d’autant la sensibilité des senseurs.
L’utilisation d’un seul capteur intégré basé sur l’effet Hall sur lequel
deux
zones
sensibles
sont
implantées
Glace tactile
Réhaut
Cadran
Lunette
Support LCD
Moteur
Carrure
Connecteur
PCB
Capot
Joint
Prise d’air
Buzzer
Fond
Double fond
Capteur de pression
Protection capteur de pression
Figure 5 : Coupe de la montre ALPINIST
perpendiculairement, élimine d’une part les problèmes de
positionnement d’un senseur par rapport à l’autre et d’autre part
permet d’appairer certaines caractéristiques simplifiant la
compensation thermique des capteurs.
3.2 Une boussole dans une montre
La présence d’une boussole dans une montre de sport comprenant
un grand nombre d’éléments métalliques, ferromagnétiques et
magnétiques nécessite un très grand soin dans la disposition des
éléments constitutifs du mouvement ainsi que dans le choix des
matériaux impliqués. Une disposition adéquate des éléments ainsi
qu’un choix spécifique des matériaux permettent d’obtenir une
déviation identique pour tout les mouvements et tous les habillages
d’un même type. Il est alors possible de compenser l’influence
magnétique de la boussole due à son entourage. Le cas de la pile
présente un problème particulier dans le sens que les matières
utilisées ainsi que leurs propriétés magnétiques sont différentes
d’un fabricant à l’autre. Un blindage magnétique entourant la pile
rend l’influence de la batterie identique quelle que soit son l’origine.
être une règle absolue de prédiction météorologique, la tendance
barométrique permet de prédire avec quelques heures d’avance
l’arrivée d’une dépression, respectivement d’une haute pression,
alors qu’aucun signe tangible de changement n’est encore
perceptible dans le ciel. Un système de mesure automatique de la
pression calcule la tendance barométrique en continu. Ce système
contrôle également si la variation de pression est due à un effet
météorologique ou si elle est due au changement d’altitude du
porteur de la montre. Dans ce cas, les mesures ne sont pas prises
en considération aussi longtemps que le porteur se déplace.
4.3 Fonction thermomètre
La température est mesurée au moyen du senseur de pression. Le
senseur étant situé à l’intérieur du mouvement, c’est la température
de celui-ci qui est mesurée. Lorsque la montre est portée, le
thermomètre indique la température du poignet. Par contre, si la
montre n’est pas portée, elle indique la température réelle de l’air
ambiant.
5. Electronique
4. Mesure de pression
Un senseur de pression en silicium permet, selon son
branchement, soit la mesure de la pression atmosphérique absolue
soit la mesure de la température. Ces deux mesures sont à la base
des fonctions altimètre, météo et thermomètre.
4.1 Fonction Altimètre
L’altimètre calcule l’altitude à partir de la pression atmosphérique du
lieu en utilisant l’équation standard [5] telle qu’utilisée en
aéronautique. Cette équation contient des éléments tel que le taux
d’humidité, la température ainsi que le gradient de température de la
masse d’air. Ces éléments étant difficiles à gérer par l’utilisateur,
une valeur moyenne de chacun de ces paramètres est prise en
considération. Ces éléments représentent les limites intrinsèques
d’utilisation du principe de mesure de l’altitude en fonction de la
pression atmosphérique. Néanmoins, il reste très efficace lorsque
l’altimètre est réajusté de temps à autre à une altitude exacte
connue.
4.2 Fonction Météo
La fonction Météo détermine la tendance barométrique c’est-à-dire
la variation de pression en fonction du temps. Cette tendance est
affichée par les deux aiguilles heure et minute superposées, soit à
droite du symbole représentant le soleil si la variation est positive,
soit à gauche si la variation est négative. Chaque domaine est
pourvu de 3 graduations selon l’importance de la variation. Sans
L’autonomie visée avec une pile lithium 3V, en utilisant toute les
fonctions de la montre de manière régulière, est de 2 années. Le
système de traitement des signaux issus des senseurs est
composé principalement des trois IC suivants ; un convertisseur
A/D, un microcontrôleur [1],[2],[3] ainsi qu’une mémoire non volatile.
Le cœ ur du système de mesure est constitué d’un convertisseur
double-rampe 14 bits associé à un amplificateur programmable. Il
est ainsi possible d’adapter entièrement la plage d’utilisation du
convertisseur aux caractéristiques spécifiques de chaque senseur.
Ce convertisseur faible consommation pouvant fonctionner jusqu’à
2.2V est précédé d’un multiplexeur à 3 entrées auxquelles sont
reliées le senseur magnétique X, le senseur magnétique Y et le
senseur de pression et de température.
Le circuit microcontrôleur est composé de l’unité de calcul 8 bits
multitâche ‘Punch’ [1],[2],[3], de l’oscillateur à quartz ainsi que de
son système d’inhibition 6bits, d’un bloc de fin de vie de pile à 64
niveaux, d’une ROM de 6kbytes, d’une Ram 256 bytes, d’une
interface pour l’écran tactile, d’un driver LCD multiplexé 3 fois avec
tripleur de tension, de deux driver moteurs, d’un bloc de
communication I2C ainsi que d’une interface convertisseur.
Les fonctions spécifiques telles que l’altimètre, la boussole et la
fonction météorologique ainsi que la compensation numérique des
senseurs nécessitent un volume très important de calcul. Etant
donné la puissance de calcul limitée du microcontrôleur, une
programmation de type ‘pipeline’ a été implantée, ce qui permet
d’asservir le déplacement des aiguilles à une vitesse angulaire
simulant le mouvement de l’aiguille d’une boussole classique.
6. Construction
7. Résultats
Une centaine de prototypes ont été montés à ce jour. Une vingtaine
de ces pièces sont portées journellement par différents utilisateurs
afin de mettre en évidence les dysfonctionnements mécaniques et
électroniques. Ces tests ont également servi à juger de la
convivialité du mode d’utilisation et ainsi, de faire évoluer la montre
jusqu’à sa forme actuelle. De plus, des tests intensifs en
laboratoires menés à ASULAB ainsi qu’au laboratoire de
Microtechnique d’ETA SA à Granges, ont montré que le calibre de
la montre ALPINIST se comporte correctement et résiste à des
chocs uniques de 5000 G (mouton-pendule), à des chocs répétés
de 500 G , au test ’Chapuis’ ainsi qu’à des cycles thermiques –
20°C/70°C sans perturbation.
Le domaine de mesure de l’altimètre s’étend de –400m (-1300 ft) à
9000m (29500 ft) avec une résolution de 1m. La précision obtenue
est de +/- 30m (+/- 65 ft) . Cette précision est valable sur une plage
de température allant de –5°C à 55°C. La figures 6 montre l’erreur
entre l’altitude mesurée et l’altitude réelle en fonction de la
température, à 7000m d’altitude.
30
30.0
20.0
10.0
0.0
-10.0
-20.0
-30.0
-40.0
0
60
120
180
240
300
360
Angle imposé [°]
Figure 7 : Erreur absolue de la boussole.
8. Conclusions
La montre ALPINIST réunit dans un seul calibre, un grand nombres
de fonctions telles qu’un altimètre, une boussole, un thermomètre,
une prédiction météorologique ainsi qu’un grand nombre de
fonctions horaires, avec une interface d’utilisation originale
comprenant une glace tactile et une utilisation des aiguilles comme
quittance et affichage des fonctions. Les tests effectués par des
utilisateurs ont montré que le concept choisi favorise de manière
significative la facilité de manipulation. Si un tel concept est
particulièrement adapté à la montre ALPINIST, il est certain qu’il
pourrait s’adapter également avec succès à d’autres montres
multifonctions.
Il a aussi été démontré qu’il était possible d’intégrer dans une
montre des fonctions altimètre et boussole de haute performance
répondant aux exigences des professionnels de sport en plein air.
Ainsi cette montre s’adresse non seulement à un public intéressé
par la simplicité d’utilisation, mais également à des amateurs avertis
exigeant des instruments de mesure précis et fiables.
9. Remerciements
La montre ALPINIST est le fruit d’un travail d’équipes
interdisciplinaires au sein d’Asulab et leurs auteurs remercient tout
particulièrement M. F. Chabloz pour sa contribution particulière à la
mise au point des prototypes ainsi que N. Basturk, J. Beuchat, A.
Bevacqua, B. Boss, J-P Châtelain, R. Cristoni, N. Kopsits, J-C.
Martin, G. Montandon, J. Ricchiuto, R. Rocchi et S. Rota.
Les auteurs remercient également leurs collègues du CDNP à
Granges pour l’aide fournie au niveau du design et de la réalisation
de l’habillage ainsi que le Laboratoire de Microtechnique de ETA à
Granges pour les tests intensifs des prototypes.
10. Références
20
Erreur altitude [m]
40.0
Ecart [°]
Le mouvement est structuré en trois pièces : le fond étanche, le
circuit imprimé supportant le moteur et le support LCD/cadran. Ces
trois pièces, vissées de part et d’autre du circuit imprimé, forment
une construction sandwich pouvant être considérée comme le
mouvement.
Un espace entre le fond du mouvement et le fond de l’habillage
permet de mettre le senseur de pression en relation avec le monde
extérieur. Une géométrie particulière de la cavité, ainsi qu’une
protection adéquate du senseur de pression, évitent que l’eau et les
impuretés ne perturbent la mesure de pression.
Tous les éléments électroniques, les senseurs magnétiques, le
senseur de pression, les brides de poussoirs et de piles ainsi que le
moteur sont montés sur le circuit imprimé. Le rassemblement de
tous ces éléments sur une seule unité permet de gagner de
l’épaisseur, d’éliminer des problèmes de connexion et de pouvoir
effectuer toutes les opérations d’étalonnage au niveau du module
électronique.
Le senseur de pression dans une montre étanche présente un
problème particulier, il doit être en contact avec la pression
extérieure tout en étant protégé de l’eau et des impuretés. En
présence d’eau, le senseur en silicium connecté par fils de bond
peut être détruit soit mécaniquement soit par oxydation. Un gel
silicone ultra-souple est disposé sur le senseur pour résoudre ce
problème. Cette protection transmet la pression sans aucune
contrainte.
Le module moteur permet d’activer dans les deux sens les aiguilles
‘heure’et ‘minute’de manière indépendantes. Ce module compact
développé par ETA convient particulièrement bien à un mouvement
utilisant les aiguilles pour indiquer des fonctions techniques.
10
0
0
10
20
30
40
50
-10
Série1
-20
Série2
-30
Série3
Température [°C]
Figure 6 : Erreur de l’altitude en fonction de la température à 7000m
d’altitude.
La boussole est capable d’indiquer la direction du Nord avec une
résolution de 2° et une précision de +/- 8°. Comme pour l’altimètre
ces valeurs sont valables sur une plage de température allant de
-5°C à 55°C. La figure 7 donne l’écart de l’angle donné par la
boussole après compensation de l’influence des composants
ferromagnétiques de la montre.
[1] J-F Perotto et al. ‘Multitask Micropower CMOS Microprocessor’,
ESSCIRC’93 September 21-23, 1993, Séville, Espagne.
[2] J-F Perotto et al. ‘Multitask Micropower CMOS Microprocessor’,
IEEEJSSC Vol.29,No 8,pp.986-991, August. 1994.
[3] J-F Perotto et al. ’Microprocesseur horloger multitâches’
CEC’94, Congrès Européen Chronométrie, Besançon, 18-19
octobre 1994, pp.129-132.
[4] Jean-Jaques Born et Etienne Bornand, Montre comprenant un
dispositif de détection du nord magnétique terrestre, brevet Suisse
no. 03 495/94-4, Asulab SA, Novembre 1994.
[5] U.S. Standard Atmosphere 1976, U.S. Gouvernement Printing
Office, Washington D.C, 1976
[6] Yvan Terés et Joachim Grupp, Montre comprenant un dispositif
de commande manuelle, brevet européen 95103730.8, Asulab SA,
Mars 1995