Les objets techniques automatisés

Système embarqué d’un objet technique

Un objet technique intelligent comporte forcément une chaîne d’information. La chaîne d’information est elle-même composée de plusieurs composants intelligents, capables de manipuler de l’information (Acquérir, traiter et restituer/communiquer). Ces composants forment ce qu’on appelle le système embarqué de l’objet technique (ou système d’électronique/informatique embarqué).

Un système embarqué doit :

• prendre le moins de place possible ;
• être fiable ;
• être peu consommateur en énergie.

Carte-mère

Dans l’objet technique, les composants formant le système embarqué sont généralement assemblés sur une carte-mère. La carte-mère est une carte électronique (on en trouve aussi une dans les PC ou les smartphones par exemple).

En plus des nombreux composants soudés ou clipsés sur la carte-mère, cette dernière est reliée à des capteurs et des actionneurs, qui sont répartis dans l’objet technique et qui complètent le système embarqué.

Sur la carte-mère, on trouve notamment :

• un microcontrôleur ou un microprocesseur qui est la pièce centrale de la carte-mère ;
• des capteurs et modules intégrés à la carte-mère (module WiFi, module Bluetooth, module micro-SD, etc.) ;
• des composants de test, comme des LED et des boutons ;
• un dispositif d’alimentation, parfois autonome ;
• une horloge externe, qui sert à donner le rythme au système embarqué.

Microcontrôleurs et microprocesseur

Les microcontrôleurs et les microprocesseurs sont des puces électroniques intelligentes. Elles peuvent recevoir un programme informatique, écrit avec un langage de programmation, et exécuter ce programme. Dans un système embarqué, c’est donc le microcontrôleur ou le microprocesseur qui est chargé de traiter l’information.

Les machines automatisées, les robots, les imprimantes 3D sont autonomes.

Ces machines doivent obligatoirement être composées :

• de capteurs,
• d’actionneurs,
• d’une ou plusieurs interfaces de commande.

Les capteurs

Ils servent à « renifler » l’environnement, c’est l’équivalent de nos 5 sens (le toucher, l’ouïe, l’odorat, le goût, la vue), ils détectent ce qui entoure la machine et lui permettent de se repérer dans son environnement.

Cela peut être des capteurs optiques (laser, infrarouge, à ultrasons), des capteurs de chaleur (thermistance), capteurs de lumière (LDR), capteurs de son (microphone), capteurs de contact (détecteur fin de course, bouton poussoir), etc.

Les actionneurs

Ils réalisent l’action finale, ce sont eux qui remplissent ce pourquoi est fait le système. Ils créent souvent un mouvement, un son, une lumière, etc.

Par exemple, un moteur, un vérin, un voyant lumineux, un haut-parleur, un électro-aimant, etc.

La ou les interface(s) de commande

C’est un système intelligent qui permet de programmer et de commander les différents composants (capteurs / actionneurs). Il reçoit les informations des capteurs, les traite, et renvoie des ordres aux actionneurs pour qu’ils réalisent une action.

C’est souvent une carte électronique avec un processeur qui compose l’interface de commande, mais il peut y avoir aussi un écran LCD ou tactile en plus pour faciliter la communication avec l’utilisateur.

Capteur et signal électronique

Un capteur est un composant dont le but est de transformer un phénomène physique (température, vitesse, poids, etc.) en signal électronique. Le signal électronique produit est porteur d’une information (évolution de la température, évolution de la vitesse, etc.). Cette information sera ensuite transmise, par des fils électriques, aux autres composants de la chaîne d’information.

Pour chaque type de phénomène physique, il existe des capteurs spécialisés pour les mesurer ou les détecter. Par exemple, on a :

• le capteur de température ;
• le capteur d’hygrométrie pour mesurer l’humidité de l’air ;
• le télémètre, ou capteur de distance, pour mesurer une distance ;
• le bouton-poussoir pour détecter l’appui d’un utilisateur sur un bouton ;
• etc.

Familles de capteurs

Les capteurs sont répartis en trois familles, en fonction de la nature de l’information qu’ils récupèrent, et du type de signal qu’ils produisent :

• les détecteurs, qui servent à détecter la présence ou l’absence de quelque chose (personne, objet, pression d’un doigt, etc.) ;
• les capteurs analogiques qui servent à mesurer une grandeur physique (température, vitesse, masse, etc.) ;
• les codeurs, aussi nommés capteurs numériques, qui servent aussi à mesurer une grandeur physique.

Remarque : Les types de signaux sont décrits dans le mini-cours suivant.

Les détecteurs produisent un signal logique qui peut directement être utilisé par un microcontrôleur ou un microprocesseur.

Les capteurs analogiques produisent un signal analogique qui doit être numérisé (transformer en données binaires) avant d’être utilisable par le microcontrôleur ou microprocesseur.

Les codeurs produisent un signal logique codé, qu'on appelle aussi signal numérique, qui peut directement être utilisé par un microcontrôleur ou un microprocesseur.

Capteurs et types de signaux

Un signal électronique est produit par un composant de la chaîne d’information, notamment par :

• les capteurs, chargés d’acquérir l’information ;
• les microcontrôleurs et microprocesseurs, chargés de traiter l’information.

Il existe trois types de signaux :

• les signaux logiques ;
• les signaux analogiques ;
• les signaux logiques codés, aussi appelés signaux numériques, qui sont liés à un protocole de communication.

Signal logique

Un signal logique est un signal électronique ne pouvant prendre que deux états : état haut et état bas. On dit que ce type de signal est binaire. L’état haut correspond à un 1 binaire, alors que l’état bas correspond à un 0 binaire.

Quand le signal change d’état, on dit que le signal subit un front :

• front montant quand le signal passe de l’état bas à l’état haut ;
• front descendant quand le signal passe de l’état haut à l’état bas.

Les signaux logiques permettent de transformer en signal électronique les informations de nature binaire, comme les appuis sur un bouton-poussoir ou l’état d’une porte (ouverte ou fermée) par exemple.

Exemple de signal logique :

Le signal ci-dessus a été produit par un bouton-poussoir, qui permet de détecter une pression du doigt d’un utilisateur (état haut = bouton enfoncé, état bas = bouton relâché).

Signal analogique

Un signal analogique est un signal électronique pouvant prendre toutes les valeurs possibles, entre un minimum (souvent 0V) et un maximum (en général quelques volts). Les signaux analogiques permettent de transformer en signal électronique les informations de nature non-binaire, comme l’évolution de la valeur d’une température ou d’une distance par exemple.

Exemple de signal analogique :

Le signal ci-dessous a été produit par un capteur de température. Ce capteur transforme une variation de 10°C, en une variation de 1V. Une température de 0°C donnera une tension de 0V.

On en déduit que, par exemple, au bout de 3s, la température mesurée vaut $2,4 \times 10 = 24 °C$.