Les systèmes électroniques industriels embarqués

Les systèmes embarqués

Un système embarqué est un système électronique et informatique autonome qui intègre des logiciels et des matériels conçus permettant de fournir des fonctionnalités données. Il est généralement constitué d'un ou plusieurs microprocesseurs permettant d'exécuter des programmes stockés dans une mémoire.

Aujourd'hui, nous retrouvons des systèmes embarqués jusque dans les objets du quotidien : avion, voiture, appareil photo, télévision, jouets, électroménager, smartphone, …

Interface

Possédant des éléments communs à un ordinateur, il en demeure bien différent. En effet, il ne possède pas forcément de ports permettant le branchement d'un clavier ou d'un écran.

L'interface Homme-Machine peut se faire :

• Par des boutons et des voyants,
• Par écran tactile, écran à bouton intégré,
• Par commande type « joystick »,
• Par une interface Web.

Composition

Un système embarqué se décompose de la manière suivante :

• Système contrôlé = Environnement constitué :
  • De capteurs : renvoient des informations au système de contrôle,
  • D'actionneurs (exemple : moteur) : agissent sur le processus.
• Système de contrôle = éléments matériels et logiciels coordonnant les actions du processus.

Les systèmes V.D.I

Le systèmes Voix Données Images permettent de gérer différents flux de données :

• La voix,
• Les données informatiques,
• Les images.

Aujourd'hui, ses différents flux peuvent être gérer par un système électronique embarqué au format de micro-ordinateur.

Exemple

Raspberry

Application dans l'automobile

Par exemple dans une voiture, il est aujourd'hui possible :

• De téléphoner : le micro est relié à l'ordinateur de bord qui renvoie l'appel via le Bluetooth au téléphone,
• De transférer des données informatiques : connexion d'une clé USB ou d'un Smartphone,
• D'afficher des images : certaines voitures sont équipées d'un écran tactile.

Les modems-routeurs

Les modems-routeurs industriels permettent de transférer des données sur le réseau public. Ils permettent de brancher des appareils communicants (envoi de données et de messages type SMS) et de les faire fonctionner sur des réseaux cellulaires GSM (4G, LTE, 3G+, 3G, …), radio, …

Avantages de cette technologie

L'intérêt de ce type de technologie est de pouvoir être mobile tout en restant connecté.

Fonctionnement

Ils permettent de moduler le signal à transmettre afin de pouvoir le transmettre sur le réseau type GSM et de démoduler les données reçues pour que l'appareil puisse les traiter.

Les systèmes électroniques embarqués

Il existe des systèmes électroniques embarqués pour toutes sortes d'utilisation dans de nombreux domaines d'application.

Domaines d'application

Aéronautique

• Commande d'actionneur de siège
• Équipement multimédia pour les passagers
• Aide au pilotage

Transports en commun

• Géolocalisation des bus afin de prévenir les usagers en temps réel

Énergie-environnement

• Système d'acquisition de mesure
• Station météo
• Mesure des niveaux d'eaux

Ferroviaire

• Consoles conductrices
• Lecteur de badge
• Routeur de communication Wifi, 3G, GSM

Industriel

• Contrôle de machine automatisée
• Robotique

Médical

• Pilotage d'appareil de rééducation
• Assistant opératoire
• Géolocalisation de personne
• Détecteur de chute ou de malaise

Automobile

• Caméra de recul
• GPS
• Bouton d'appel urgence accident
• Alarme
• Afficheur de vitesse déporté

Transmission de données entre machines

Pour une transmission donnée sur une voie de communication entre deux machines, la communication peut s'effectuer de différentes manières.

Caractéristiques de la transmission

La transmission est caractérisée par :

• Le sens des échanges
• Le mode de transmission : il s'agit du nombre de bits envoyés simultanément
• La synchronisation : il s'agit de la synchronisation entre émetteur et récepteur

Modes d'exploitation d'une liaison

Il existe trois modes d'exploitation d'une liaison :

Simplex

Un système est émetteur, l'autre récepteur. C'est par exemple le cas des émissions radio ou télévision.

Half duplex

Les deux systèmes peuvent être à la fois émetteurs et récepteurs, mais les émissions ne peuvent avoir lieu en même temps.

Full duplex

Les deux systèmes peuvent être à la fois émetteurs et récepteurs, les émissions pouvant avoir lieu en même temps.

Types de liaison

Il existe deux types de liaison :

• Parallèle : Les bits sont envoyés simultanément sur X voies différentes (une voie étant par exemple un fil, un câble ou tout autre support physique)
• Série : Dans une liaison en série, les données sont envoyées bit par bit sur la voie de transmission. Une voie de transmission comprend plusieurs fils (masse, données, Rx, Tx...)

Topologies de réseau

Différentes topologies permettent d'organiser la communication entre les éléments :

• Topologie en anneau : communication unidirectionnelle
• Topologie en étoile : un maître et plusieurs esclaves raccordés dessus
• Topologie en arbre : plusieurs éléments connectés entre eux
• Topologie en bus : plusieurs éléments branchés sur un même support

Communication série RS232 et RS485

RS232

Le port série RS232, présent sur la plupart des PC Windows, permet de faire communiquer uniquement un maître et un esclave. Il fonctionne en full duplex et sa vitesse de communication peut aller jusqu'à 115 kbits/s.

Connecteur RS232

Le connecteur RS232 comporte 9 pins :

Trame de transmission

Afin que les éléments communicants puissent se comprendre, il est nécessaire d'établir un protocole de transmission :

Paramètres de configuration

• Longueur des mots :
  • 8 bits ou 7 bits
• Vitesse de transmission :
  • 110 bauds, 150 bds, 1200 bds, 9600 bds, …
• Parité :
  • Sert à détecter les erreurs éventuelles de transmission.
  • Un bit de parité est ajouté dans la trame pour que celle-ci soit toujours paire :

11001101 (5 états à 1 donc trame impaire) nous ajoutons un bit de parité à 1 et ainsi elle devient paire.

Bits de contrôle

• Bit de start :
  • Quand la ligne est au repos l'état logique est à 1 (Afin de détecter une coupure de liaison), avant de transmettre une trame, il faut envoyer un bit de Start qui a pour valeur 0.
• Bit de stop :
  • Le bit de stop clôture la trame et remet la ligne au repos (à 1).

RS485

Il permet de faire communiquer jusqu'à 32 périphériques sur la même ligne de données. Chaque périphérique esclave peut communiquer avec les 32 autres périphériques.

Le bus CAN dans l'automobile

Avec les progrès technologiques de l'automobile et l'évolution de l'électronique embarquée, il a fallu pallier l'augmentation du nombre de fils. Le principe du bus CAN est de raccorder tous les éléments sur un même support.

Architecture du bus CAN

• BUS 1 raccordé au tableau de bord :
  • Contrôle moteur,
  • A.B.S,
  • Boîtes de vitesses,
  • Suspension.
• BUS 2 raccordé au tableau de bord :
  • Climatisation,
  • Sièges,
  • Éclairage de l'habitacle.

Types de bus CAN

Sur une automobile il existe trois types de CAN :

• Bus rapide pour la sécurité,
• Bus à moyenne vitesse pour les composants moteurs,
• Bus lent pour les accessoires.

Caractéristiques du bus CAN

Le bus CAN est composé de deux fils. Les signaux sont envoyés séquentiellement (avec une notion de priorité).

Structure d'une trame CAN

Une trame est composée de :

• Un bit de start,
• 12 bits d'arbitrage (Priorité) :
  • Si plusieurs éléments communiquent en même temps, seule la trame prioritaire sera envoyée au récepteur.
• Champ de contrôle :
  • 6 bits permettant de coder le nombre d'octets du champ de données.
• Champ de données :
  • 0 à 8 octets il comporte les données.
• Champ CRC :
  • 15 bits permettant de déceler une erreur sur la trame.
• Champ d'acquittement.
• Un bit de fin.

Le haut débit

Le haut débit est défini par un accès Internet performant. C'est-à-dire qu'il permet d'envoyer et recevoir un grand nombre de données dans un temps court.

Supports de déploiement du débit

Le débit est déployé sur divers supports :

• Fibre optique,
• Réseau téléphonique en fil de cuivre sur lequel passe l' « ADSL »,
• La technologie radio : 4G et satellite.

Facteurs favorisant le haut débit en milieu professionnel

Les facteurs favorisant le haut débit en milieu professionnel :

• Vidéoconférence : moins de déplacements,
• Télétravail : réorganisation du travail,
• Commerce électronique : interactivité,
• Formation : moins de déplacements, plus de choix.
• Gestion des machines industrielles à distance.

La numérisation

Le principe de numérisation, c'est le fait de passer d'un signal analogique à un signal numérique.

Processus de numérisation

Pour ce faire, lors de la réception d'un signal analogique, celui-ci va être échantillonné dans le temps. Il va être segmenté.

Chaque segment va être quantifié. C'est-à-dire que sa valeur va être convertie en binaire.

Et suite à ce procédé, nous pouvons constituer un signal numérique.

Conversion inverse

Pour passer d'un signal numérique à un signal analogique, nous utilisons le même procédé mais en l'inversant.

Ce procédé est réalisé par des MoDem pour l'accès internet ou dans le milieu audio pour obtenir un signal analogique sur les enceintes.