Livret Phoenix-M. Par Georges Khaznadar, Lycée Jean Bart, Dunkerque d'après Phoenix Programmer's Manual

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1 . Livret Phoenix-M Par Georges Khaznadar, Lycée Jean Bart, Dunkerque d'après Phoenix Programmer's Manual (Ajith Kumar B.P., Inter-University Accelerator Centre, New Delhi) Version 1 (octobre 2008) 1

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3 Table des matières 1 Introduction La face avant de Phoenix-M Les groupes de douilles Signication des couleurs des douilles Les précautions d'emploi avec Phoenix Installation du logiciel Communiquer avec Phoenix Un aperçu de la bibliothèque Python de Phoenix Entrées numériques read_inputs Entrée Comparateur Analogique read_acomp Sorties Numériques write_outputs Sortie Analogique set_voltage Entrées analogiques Réglages du CAN (ADC) select_adc set_adc_size Lectures en mode Unique (Single) get_voltage get_voltage_bip

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5 Chapitre 1 Introduction Phoenix-M 1 est une interface d'acquisition, qui permet de faire des mesures physiques. Il ne s'agit pas d'un matériel adapté à des applications professionnelles ou industrielles, il est plutôt destiné à l'enseignement. Ses caractéristiques principales sont : robustesse, prix des composants le plus bas possible, transparence totale 2. Le modèle décrit est connecté à un ordinateur à l'aide d'un câble série USB La face avant de Phoenix-M Sur la face avant on trouve plusieurs douilles de diamètre 2 mm avec des couleurs diérentes. Leurs fonctions sont expliquées brièvement ci-dessous. Quand on branche Phoenix-M à l'ordinateur par le câble USB, la diode lumineuse marquée 5 V peut s'allumer : si c'est le cas, il n'y a pas à utiliser d'alimentation externe pour le boîtier 4. 1 Physics with Homemade Equipment and Innovative Experiments. 2 Le plan de Phoenix-M et la source de son logiciel sont disponibles sous licence libre. 3 Standard USB 1.0 : communication à faible vitesse, compatible avec tous les ordinateurs disposant d'une prise USB. 4 À l'intérieur du boîtier il y a un cavalier ou jumper nommé J4 : s'il est branché, alors le boîtier Phoenix-M est alimenté par la prise USB. Il faut alors que la prise USB de l'ordinateur soit capable de supporter la puissance réclamée par le boîtier Phoenix-M. Si le cavalier J4 n'est pas branché, alors il faut utiliser une alimentation externe pour alimenter Phoenix-M. 5

6 Fig. 1.1 Le boîtier Phoenix. 6

7 1.1.1 Les groupes de douilles 1. Sortie 5V - C'est une source de tension régulée à 5 V, capable de fournir 100 ma. 2. Sorties Numériques (Digital outputs) - quatre douilles ROUGES près du coin bas gauche. 3. Entrées Numériques (Digital inputs) - quatre douilles JAUNES près du coin bas gauche. 4. CAN - Convertisseurs Analogique-Numérique (ADC) - quatre douilles VERTES marquées Ch0 à Ch3. La tension d'entrée doit être comprise entre 0 et 5 V. 5. GBF - Générateur Basse Fréquence Programmable (PWG). 6. CNA - Sortie Convertisseur Numérique-Analogique 8 bit (DAC). 7. CMP - entrée inverseuse du Comparateur Analogique rapide. 8. CNTR - Fréquencemètre numérique (seulement pour des impulsions de 0 à 5 V) 9. 1 ma CCS - Source de Courant Constant, douille BLEUE. Fournit un courant régulé. 10. Deux amplicateurs à gain variable, douilles VERTES marquées IN et douilles BLEUES marquées OUT avec des douilles JAUNES entre les deux pour insérer des résistances. Le choix de la résistance branchée aux douilles jaunes permet de régler la gain. 11. Un amplicateur à gain variable non-inverseur. Celui-ci est localisé au coin bas droit de la face avant. Son gain se programme en choisissant une valeur de résistance à insérer entre la douille jaune voisine et la masse. 12. Deux amplicateurs décaleurs. Ils réalisent le changement suivant : une tension d'entrée U e de -5 V donne +5 V à la sortie (U s ), et U e = +5 V donne U s = -5 V à la sortie. Entre ces deux limites, la transformation est linéaire :U s = ( U e + 5)/2. 7

8 Fig. 1.2 La fonction de transfert U s décaleur = ( U e + 5)/2 d'un amplicateur 8

9 1.1.2 Signication des couleurs des douilles An de réduire les risques de connecter des signaux à des douilles de sortie par erreur, le code de couleurs suivant est utilisé : VERT - Entrées, numériques ou analogiques ROUGE - Sorties numériques et la sortie 5 V continu régulée BLEU - Sorties analogiques JAUNE - Résistances de sélection de gain NOIR - Connexions de masse Les précautions d'emploi avec Phoenix 1. Les bornes de sorties numériques ne peuvent piloter que 5 ma. N'y connectez pas de charge inférieure à 1 kω. 2. La sortie numérique D0 est tamponnée par un transistor et peut fournir 100 ma. 3. Les entrées numériques et CAN (ADC) doivent être maintenues entre 0 V et 5 V. Si vous les reliez à la sortie d'un des trois amplicateurs à gain variable, il faut obligatoirement interposer une résistance en série de 1 kω pour les protéger. 4. Les entrées des amplicateurs doivent être maintenues entre -5 V et +5 V. 5. Il ne faut pas relier ensemble des bornes de sortie. 6. Il ne faut pas demander plus de 100 ma à la borne d'alimentation régulée 5 V. 7. Il ne faut pas brancher dans les douilles que des ches inadaptées. 8. Si vous envisagez d'utiliser des charges inductives : bobines, moteurs ou relais, protégez Phoenix-M en plaçant une diode de roue libre. 9. Enn, ne renversez pas de boisson sur les douilles! 9

10 1.2 Installation du logiciel Pour accéder au matériel Phoenix, les programmes lancés sur le PC doivent communiquer avec le micro-contrôleur interne au Phoenix. Ça se fait à travers l'interface USB. La communication est gérée par une bibliothèque Python. Les programmes utilisateurs appellent de simples fonctions pour accéder aux fonctionnalités variées de Phoenix. An d'utiliser Phoenix, votre ordinateur doit avoir les logiciels suivants installés : 1. L'interpréteur Python Le module PyUSB ou python-usb pour accéder aux ports USB. Si on a démarré par le CD vif Phoenix, ou par la clé bootable Phoenix, toutes ces choses sont déjà disponibles et prêtes à l'emploi. Tous les logiciels requis pour piloter Phoenix sous MSWindows sont situés dans un répertoire nommé winpython sur le CD ou la clé USB. Il faut tous les installer, en cliquant sur les icônes. Des programmes graphiques intuitifs sont disponibles pour la plupart des expériences basées sur Phoenix. 1.3 Communiquer avec Phoenix On peut utiliser l'interpréteur Python de deux façons diérentes. Lancer l'interpréteur Python et taper les commandes depuis là est une option. Le > > > est l'invite de la ligne de commande Python. Python (#2, Apr , 2 0 : 1 1 : 1 8 ) [GCC ( p r e r e l e a s e ) ( Debian )] on l i n u x 2 Type " help ", " copyright ", " c r e d i t s " or " l i c e n s e " for more information. >>> import phm >>> p = phm.phm( ) 5 En toute rigueur, tout programme capable de communiquer au port série USB ou RS232 peut accéder à Phoenix. Une bibliothèque C est disponible aussi sur le CD mais elle est incomplète. 10

11 Une option probablement plus facile consiste à taper son code en utilisant un éditeur de texte et invoquer l'interpréteur avec le nom du programme comme premier argument : : ~ $ python moncode. py Tout programme Phoenix est censé comporter les deux lignes suivantes au début import phm p = phm.phm( ) La première ligne charge la bibliothèque Phoenix nommée phm. La seconde ligne invoque la fonction phm() depuis cette bibliothèque, qui renvoie un objet d'une classe nommée phm. Toutes les fonctions accédant à Phoenix sont internes à cette classe. On les appelle en les préxant par le nom de l'objet, par exemple print p. read_inputs ( ) qui ache le statut des entrées numériques (Digital Inputs). 11

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13 Chapitre 2 Un aperçu de la bibliothèque Python de Phoenix Ce chapitre ne donne que quelques-unes des possibilités de la bibliothèque Phoenix. Celles-ci susent pour les applications lentes, c'est à dire quand on ne doit pas faire plus d'une centaine d'opérations par seconde. Le sujet est limité à l'emploi des entrées et sorties numériques et analogiques. Les fonctions de la bibliothèque appartiennent à une classe nommée phm et seront invoquées combinées au nom de l'objet. Tout programme Phoenix doit avoir les deux lignes de code montrées ci-dessous, pour importer la bibliothèque et créer un objet utilisant une classe dénie dans la bibliothèque. import phm # importe l a b i b l i o t h è q u e phoenix p = phm.phm( ) # "p" e s t un o b j e t de l a c l a s s e "phm", # de l a b i b l i o t h è q u e "phm" p r i n t p. read_inputs ( ) # invoque une f o n c t i o n de "p" Conventions de la Documentation Nous utiliserons une couleur bleue pour les noms de fonctions de la bibliothèque, et une couleur magenta pour les mots réservés du langage Python. Les paires de parenthèses après le nom de fonction sont nécessaires. Si la fonction nécessite des arguments, ceux-ci apparaitront en noir entre les 13

14 parenthèses. 2.1 Entrées numériques Il y a quatre douilles d'entrées numériques. On peut les connecter extérieurement à la masse ou à 5 volts, pour rendre le niveau logique de tension BAS ou HAUT. Le logiciel peut lire le niveau logique présent à chaque borne read_inputs PROTOTYPE int read_inputs () DESCRIPTION La fonction renvoie un entier dont les 4 bits les moins signicatifs représentent les niveaux logiques de tension aux bornes d'entrées numériques. USAGE data = p.read_inputs () EXEMPLES print p.read_inputs () achera le nombre 15 ( 1111 bin ) si rien n'est connecté aux bornes, comme elles sont toutes tirées à l'état HAUT en interne. Si on invoque la même fonction avec D0 reliée à la masse, elle renverra 14 ( 1110 bin ). 2.2 Entrée Comparateur Analogique La douille marquée CMP peut aussi se comporter de façon similaire aux entrées numériques. 14

15 2.2.1 read_acomp PROTOTYPE int read_acomp () DESCRIPTION La fonction renvoie un si l'entrée CMP a une tension inférieure à 1,23 V, sinon elle renvoie zéro. USAGE level = p.read_acomp () EXEMPLES print p.read_acomp () 2.3 Sorties Numériques Il y a quatre bornes de sorties numériques. On peut y xer la tension à zéro ou cinq volts par logiciel. La première sortie numérique, D0 *, est tamponnée par transistor et capable de piloter un courant jusqu'à 100 ma, il ne convient pas de l'utiliser pour des applications de temporisation précises. Toutes les autres sorties sont limitées à 5 ma. Si vous y connectez des DELs, utilisez une résistance de sécurité de 1 kω, en série avec la DEL write_outputs PROTOTYPE None write_outputs (int) DESCRIPTION La fonction prend un entier comme argument dont les 4 bits de poids le plus faible sont utilisées pour xer le niveau logique de la tension des quatre bornes de sorties numériques. USAGE 15

16 p.write_outputs (15) EXEMPLES p.write_outputs (15) p.write_outputs (8) La première ligne passera à l'état HAUT les 4 sorties numériques (15 vaut 1111 bin ), la deuxième passera à l'état HAUT D3 et toutes les autres à l'état BAS. Mesurer les tensions de sortie à l'aide d'un voltmètre ou en connectant une DEL entre la borne et la masse, sans oublier une résistance de 1 kω en série. 2.4 Sortie Analogique Phoenix a une source de tension programmable, marquée DAC (Digital Analog Converter, CNA en français : Convertisseur Numérique Analogique). Le niveau de tension sur la borne DAC peut être ajusté de 0 V à 5 V. La résolution n'est que de 8 bits, la tension ne changera que par pas de 19 mv environ. Le DAC est implémenté en contrôlant le fonctionnement du générateur basse fréquence PWG. Pour cette raison, on ne peut pas employer PWG et DAC en même temps set_voltage PROTOTYPE None set_voltage ( float mv) DESCRIPTION Fixe la tension de sortie. La valeur de mv est censée être entre 0 et Elle représente la tension en millivolt. USAGE p.set_voltage (2000) # Met 2 volt à la borne DAC 16

17 2.5 Entrées analogiques Phoenix a quatre canaux d'entrées analogiques, CH0, CH1, CH2 et CH3. La tension d'entrée DOIT être dans l'intervalle de 0 V à 5 V. La tension d'entrée peut être numérisée avec une résolution de 10 bits, ce qui requiert 2 octets pour enregistrer la donnée. On peut aussi ignorer les deux bits de poids le plus faible et renvoyer une donnée sur 1 octet Réglages du CAN (ADC) select_adc PROTOTYPE None select_adc(int chan) DESCRIPTION Sélectionne un canal analogique parmi quatre. La tension de cette entrée analogique sera numérisée lors des appels suivants pour mesure la tension. Le numéro de canal est dans l'intervalle 0 à 3. USAGE select_adc(0) # sélectionne le premier canal set_adc_size PROTOTYPE None set_adc_size(int size) DESCRIPTION Le CAN Phoenix a un résolution réglable à 8 ou 10 bits. Si on appelle celte fonction avec l'argument 1, on choisit 8 bits, et avec un argument 2 on choisit 10 bits. Le réglage à la mise sous tension est 8 bits. USAGE p.set_adc_size(1) #règle la résolution à 8 bits p.set_adc_size(2) #règle la résolution à 10 bits 17

18 2.5.2 Lectures en mode Unique (Single) get_voltage PROTOTYPE tuple get_voltage() DESCRIPTION Lecture de la tension analogique du canal CAN courant, et renvoi d'un tuple. Le premier élément du tuple est un horodatage du PC et le deuxième est la tension en millivolt. L'horodatage est nécessaire pour tracer des graphiques de paramètres variant lentement en fonction du temps. Cette fonction était appelée zero_to_5000() dans les versions précédentes. USAGE res = p.get_voltage() EXEMPLES Connecter la borne DAC à la borne CH0 à l'aide d'un l électrique et lancer le programme plusieurs fois. Le résultat uctuera près de 20 mv. Connecter une résistance de 1 kω entre DAC et CH0 et un condensateur de 1 µf entre CH0 et GND. Lancer le programme à nouveau plusieurs fois pour observer la diérence 1. p.set_voltage(3000) p.select_adc(0) p.set_adc_size(2) print p.get_voltage()[1] # afficher la tension seulement get_voltage_bip PROTOTYPE tuple get_voltage_bip() 1 Le bruit sur la sortie CNA (DAC) est réduit par le ltre résistance-condensateur supplémentaire, ce qui entraîne une sortie de tension continue de meilleure qualité. 18

19 DESCRIPTION L'entrée CAN (ADC) de Phoenix n'accepte des tensions que dans l'intervalle de 0 à 5 V. Les amplicateurs décaleurs, ( x + 5)/2, convertissent un signal dans l'intervalle -5 V à +5 V en un signal dans l'intervalle 0 à 5 V. L'appel de la fonction get_voltage_bip() renverra la tension donnée à l'entrée de l'amplicateur décaleur, si bien que le programme utilisateur n'a pas besoin de la calculer. USAGE res = p.get_voltage_bip() EXEMPLES Connecter l'entrée d'un amplicateur décaleur à GND, et sa sortie à CH0 puis lancer le programme suivant. La troisième ligne achera environ 2500 mv et la quatrième environ zéro millivolt. On peut trouver des valeurs diérant d'environ 10 mv, qui est le niveau de précision qu'on peut atteindre avec le CAN utilisé. On peut le corriger jusqu'à un certain point en calibrant le CAN à l'aide de tensions connues. p.set_adc_size(2) p.select_adc(0) print p.get_voltage()[1] print p.get_voltage_bip()[1] 19

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