Les systèmes électroniques industriels 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.

Il existe des systèmes électroniques embarqués pour toutes sortes d’utilisation :

• 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.

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

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.

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.

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...).

Topologie :

• 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.

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.

Le connecteur RS232 comporte 9 pins :

• Pin 1 : Détection porteuse,
• Pin 2 : Données reçues,
• Pin 3 : Données à transmettre,
• Pin 4 : ETTD (Équipement Terminal de Traitement de données) prêt,
• Pin 5 : Masse signal,
• Pin 6 : ETCD (Équipement de Terminaison de Circuit de Données) prêt,
• Pin 7 : Demande pour émettre,
• Pin 8 : Prêt à émettre,
• Pin 9 : Indicateur de sonnerie

Trame :

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

• 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 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 sera à 1 et ainsi elle devient paire.  

• 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.

Avec les progrès technologiques de l’automobile et l’évolution de l’électronique embarqué, 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 :

• Exemple d’une voiture :
  • 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.

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.

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

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 bis permettant de déceler une erreur sur la trame.
• Champ d’acquittement.
• Un bit de fin.

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.

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.

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 industriels à distance.

La numérisation :

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

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.

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.