Microcontrôleurs. Chaîne de traitement numérique ANDROID- IUT GEII

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Yves Bonin
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1 Microcontrôleurs Chaîne de traitement numérique 1

2 Chaîne de traitement numérique Les acteurs Le micro-contrôleur Manipule des valeurs numériques issus de capteurs divers Objectif : Fournir un résultat à l'aide d'un algorithme de traitement ou de commande Interagit avec le monde extérieur Convertisseur Analogique-Numérique Convertisseur Numérique-Analogique 2

3 Chaîne de traitement numérique Le Convertisseur Analogique Numérique En anglais : ADC ( Analog to Digital Converter) Convertit une tension analogique fournie par un capteur en un mot numérique compréhensible par le microcontrôleur Paramètres de l'adc Résolution, Vitesse de convertion, linéarité... L'ADC est intégré en général à l'intérieur du micro-contrôleur Atmega 328p : mot de 10 bits, temps de conversion min 13us Le Convertisseur Numérique Analogique En anglais : DAC (Digital to Analog Converter) Convertit un mot numérique fournit par le microcontrôleur en une tension analogique envoyée vers un transducteur Paramètres du CNA Résolution, Vitesse de convertion, linéarité... Le DAC n'est pas forcément intégré en général à l'intérieur du micro-contrôleur Atmega 328p : PAS de DAC => solution : utilisation d'une PWM 3

4 Chaîne de traitement numérique Les capteurs Capteurs numériques Fournissent une valeur numérique au micro via un bus de communication (I2C, SPI, RS232..) L'utilisation d'un ADC est inutile dans ce cas Capteurs analogiques La sortie du capteur varie continûment en fonction de la grandeur physique captée Un bloc de conditionnement du signal est souvent nécessaire entre le capteur et le micro Exemple : Amplificateur de tension, Amplificateur transimpédance Jauge de contrainte La résistance de sortie varie en fonction la force exercée Capteur d'oxygène Le courant de sortie varie en fonction du taux d'oxygène Capteur pyrosenseur Le courant de sortie varie en fonction de la variation différentielle de température 4

5 Chaîne de traitement numérique Transducteur et Actionneurs Transforme les ordres du micro en une action physique Tourner, déplacer, éclairer... Les ordres du micro sont : Un mot issu d'un DAC Des signaux TOR (Tout Ou Rien) Des signaux PWM Notre shield CMD est le signal de commande du transistor Broche TOR ou PWM suivant l'application Vous brancherez l'alimentation stabilisée sur P1 Attention : ne pas dépasser 2W dans le résistor 5

Chaîne de traitement numérique Transducteur et Actionneurs (2) Un bloc d'interfaçage est en général nécessaire entre l'actionneur et le micro Adaptation en tension, en courant, en puissance Exemple :

6 Chaîne de traitement numérique Transducteur et Actionneurs (2) Un bloc d'interfaçage est en général nécessaire entre l'actionneur et le micro Adaptation en tension, en courant, en puissance Exemple : hacheur, ampli de tension. Commande d'un relais Commande d'un moteur Transistor en bloqué/saturé Hacheur 4 quadrants Chaîne de traitement numérique Commande d'un haut-parleur Amplificateur classe AB 6

7 Chaîne de traitement numérique Notre carte d'extension Mise en œuvre du shield IUT pour ce cours Un potentiomètre pour simuler un capteur Un capteur de température LM35 + son bloc de conditionnement (amplification + mise à l'échelle) La résistance chauffante (transducteur) et le bloc d'interface de puissance (transistor en commutation) 7

8 ATMega 328 : une introduction au CAN Hardware : notre microcontrôleur ATmega328 Synoptique du CAN de l'atmega328 8

9 ATMega 328 : une introduction au CAN Software Utilisation de l'api arduino pour une mise en œuvre rapide! Les étapes : Initialisation : voie à convertir, config voie en entrée, choix tension de référence Conversion et lecture de données Exemple 1 : Le delay est bloquant Mauvaise pratique (pour test uniquement) 9

10 ATMega 328 : une introduction à la PWM Software Utilisation de l'api arduino pour une mise en œuvre rapide! Contrainte : fréquence fixe de 490Hz sur broche 3,9 et 10 fréquence fixe de 980Hz sur broche 5 et 6 Exemple (non bloquant) 10

11 CAN : compléments Les étapes clés d'une conversion analogique L'échantillonnage et le blocage Objectif : prélever la tension analogique et la maintenir le temps de la conversion Cet échantillonnage s'effectue en général à intervalles périodiques 11

12 CAN : compléments la quantification Objectif : transformer le niveau analogique en entrée en un mot numérique équivalent Le CAN est caractérisé entre autres par : sa fonction de transfert sa résolution C'est le nombre N de bits composant le mot son quantum incrément de tension d'entrée produisant une variation du résultat de une unité ( soit une variation de 1LSB) La pleine échelle Full Scale Range : excursion max du convertisseur Pour exploiter au mieux le convertisseur la tension du capteur doit s'approcher le cette valeur q= (V refh V refl ) 2N FSR=(V refh V refl )=N. q V refl V capt (V refl + N. q) 12

13 CAN : compléments Gestion de la fréquence d'échantillonnage Version non bloquante (sans timer) 13

14 CAN : compléments Déclenchement d'une conversion sur un événement Exemple : conversion à chaque appui d'un bouton poussoir 14

15 Application : contrôle de température Notre application Mesure de température avec un LM35 Le client souhaite une résolution en température de 0.5oC sur la mesure et une plage de température de 20oC à 100oC Solution 1 : changement de la référence du CAN (1.1V) Le client change finalement d'avis car la température de fonctionnement du procédé sera entre 45oC à 65oC.Il souhaite avoir la meilleure résolution dans cette plage de fonctionnement Solution 2 : amplificateur de tension avec mise à l'échelle Vcap Vconv 0.65V 5V Amplificateur De tension 0.45V T o 45 C 65oC 0V Vcap 0.45V 0.65V Une contrainte : nous souhaitons réaliser un amplificateur monotension (Vmax=5V et Vmin=0V) 15

16 Application : contrôle de température Conditionnement du capteur bloc électronique qui transforme la grandeur de sortie du capteur en une tension analogique qui sera ensuite convertie Ce bloc inclut l'amplification et la mise à l'échelle nécessaires à l'obtention de la pleine échelle qui permettra d'atteindre la résolution imposée par le cahier des charges Amplificateur trans-impédance Grandeur sortie capteur : I Grandeur sortie conditionneur:v Source courant contrôlée Grandeur sortie capteur : R Grandeur sortie conditionneur:v 16

17 Application : contrôle de température Amplification mono-tension 5V Vconv Amplification de type DC Nous souhaitons transformer la tension comme ceci y=mx+b y=mx-b 0V 0.45V0.65V Vcap y=-mx+b y=-mx-b 17

18 Application : contrôle de température commande tout ou rien Principe À compléter Modélisation logicielle par un grafcet à 2 états Programmation 18

19 CAN : approfondissement Fonctionnement d'un CAN Cas de l'atmega328 Convertisseur à pesée successives La tension du convertisseur numérique analogique est comparée en permanence à la tension d'entrée et le mot numérique est ajustée en conséquence 19

20 CAN : approfondissement Pesée successive Le CNA 20

21 CAN : approfondissement Autres solutions technologiques Convertisseur simple rampe le CAN utilise un intégrateur qui reçoit le signal de référence VR. L'électronique de traitement comporte un compteur qui mesure le temps que mets V3 a atteindre V2. La valeur du compteur reflète la valeur de V2 a un coefficient près qui dépend de C. Un système à double rampe permet d'améliorer la rapidité et la précision de la mesure Convertisseur Flash La structure parallèle de ce type de convertisseur permet d'obtenir des temps de conversions des petits 21

22 CAN : approfondissement Synthèse Le fréquence d échantillonnage du cahier des charges est un des critères de choix de la technologie employée et donc du choix éventuel du microcontrôleur employé Extrait datasheet ATmega328 22

Se reporter à la doc pour avoir toutes les infos

23 CAN : approfondissement Programmation Utilisation des registres du micro pour accéder à toutes les fonctions du CAN! Se reporter à la doc pour avoir toutes les infos fconvmax=200khz mais en pratique possibilité d'overclocker sans perte de résolution 23

24 CAN : approfondissement En combinaison avec ADATE=1 les bits ADTS permettent de choisir la source de déclenchement d'un départ de conversion. Par exemple, pour obtenir une fréquence d'échantillonnage fixe, la conversion sera déclenché sur le timer 1 -attention le timer 0 est utilisé pour la fonction millis() - 24

25 CAN : approfondissement Exemple1 : convertisseur overclocké 25

26 CAN : approfondissement Exemple2 : convertisseur déclenché par timer INITIALISATION 26

27 CAN : approfondissement ROUTINE d'interruption TÂCHES DE FOND Traitement différé de la valeur convertie Communication au travers d'une variable globale volatile 27

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