Bac Pro SEN Epreuve E2 Session Baccalauréat Professionnel SYSTÈMES ÉLECTRONIQUES NUMÉRIQUES

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1 Baccalauréat Professionnel SYSTÈMES ÉLECTRONIQUES NUMÉRIQUES EPREUVE E2 ANALYSE D UN SYSTÈME ÉLECTRONIQUE Durée 4 heures coefficient 5 Note à l attention du candidat : vous devrez répondre directement sur les documents du dossier sujet dans les espaces prévus pour les réponses vous devrez rendre l intégralité du dossier sujet à l issue de l épreuve vous ne devez pas noter vos nom prénom sur ce dossier vous devrez rendre ce dossier dans une copie d examen anonymable que vous complèterez Coefficient : 5 1 / 21

2 Présentation du système On étudie l équipement d une entreprise de transport routier qui possède une flotte de dix véhicules. Afin d optimiser les coûts de fonctionnement et améliorer sa réactivité, cette entreprise s est dotée d un système de géolocalisation offrant plusieurs services connexes. Le système étudié utilise le principe de positionnement par satellites GPS pour situer géographiquement l ensemble de ses véhicules, ainsi que le réseau GSM pour transmettre les informations de position de ceux-ci. Ce système est constitué : - d un sous-système en mode stationnaire qui se situe au siège de l'entreprise, - de 10 sous-systèmes en mode embarqué installés dans chacun des véhicules constituant la flotte. Chaque sous-système s'articule autour d'un boîtier GENLoc25 conçu et distribué par la société ERCO & GENER. Ce boîtier intègre un récepteur GPS et un modem GSM équipé de sa carte SIM (1), ainsi que des interfaces de commande, de visualisation, de communication ( pour PC) et audio. Grâce à une antenne spécifique, le sous-système en mode embarqué reçoit et traite les informations envoyées par les satellites pour établir la position du véhicule et traduire celle-ci sous la forme d une trame NMEA, image de sa position géographique. Cette trame peut être envoyée sous forme de SMS via le réseau GSM/GPRS par exemple. Coefficient : 5 2 / 21

3 Le sous-système en mode stationnaire, reçoit cette trame NMEA et la traite pour la transmettre au PC par la liaison série RS232. Cette trame peut être affichée sous forme de texte à l'aide du logiciel Hyper Terminal. Elle peut aussi être interprétée par un logiciel de cartographie. La localisation et la navigation par satellites Le système de radio-navigation le plus utilisé à l'heure actuelle est le système GPS (Global Positionning System : "Système de Positionnement Global Terrestre") Des signaux émis par ondes radio à partir d'une constellation de satellites sont reçus par un récepteur au sol, qui en déduit une datation précise et sa position en latitude, longitude et altitude. Des traitements appropriés permettent de déterminer la vitesse de déplacement du véhicule, et de fournir au mobile sur lequel se trouve le récepteur, des indications de navigation. (1) La carte SIM (Subcriber Identify Module) s'insère dans le tiroir prévu du boîtier GENLoc25. Elle mémorise les paramètres d'identification du modem intégré au boîtier GENLoc25 dans le réseau GSM. Pour recevoir des données en mode DATA, elle doit être du type «SIM-DATA» Partie 1 : Description du système 1.1 Organisation de l installation A partir de la présentation du système et du diagramme sagittal en Annexe, compléter le tableau suivant : Lieu d affectation Entreprise Véhicules GENLoc25 Embarqué ( Préciser le nombre) Stationnaire (Préciser le nombre) En terme de communication, les liaisons peuvent être unidirectionnelles ou bidirectionnelles. Compléter le tableau suivant (Mettre une croix dans les cases concernées) : Sens de la Unidirectionnelle liaison Bidirectionnelle Fréquences ou Gamme de fréquences Satellite / GENLoc25 LIAISON Réseau GSM / GENLoc A partir de la description et du schéma fonctionnel en Annexe, repérer sur le schéma les structures : FS2-1 : Interfaçage PC, FS2-2 : Aiguillage GPS/GSM, FS2-7 : Alimentation Antenne. Coefficient : 5 3 / 21

4 Coefficient : 5 4 / 21

5 1.1.4 Le module de communication (Fonction Gestion FP1) nécessite une antenne GPS dont les caractéristiques sont rapportées ci-dessous : L'antenne GPS retenue a les caractéristiques suivantes : Donner la valeur du courant consommé par l'antenne active choisie En mode alimentation interne, quelle est la valeur de l'intensité du courant disponible? Justifier la présence de la fonction secondaire FS2-7 (Alimentation externe antenne) A partir de la documentation constructeur du circuit MIC29204 fournie en Annexe, justifier que ce composant peut fournir ce courant. Coefficient : 5 5 / 21

6 1.1.5 Validation de la tension d'alimentation de l'antenne A partir de la documentation constructeur du circuit MIC29204, donner les deux tensions disponibles en sortie de FS2-7 en fonction des niveaux logique de GPO1. GPS_VANT(en volts) GPO1 = 0 GPO1 = Sachant que l'expression de Vout = Vref ( 1 + R1/R2), calculer et justifier la valeur de R2 correspondant aux différents niveaux logique de GPO1. Etat de T1 GPO1 = 0 GPO1 = 1 R2 (Expression littérale) R2 (Valeur numérique) La structure de FS2-7 permet-elle de répondre aux exigences de l'alimentation de l'antenne choisie? Justifier votre réponse. 1.2 Configuration et exploitation du module stationnaire Enumérer les appareils à interconnecter dans ce mode de fonctionnement On souhaite relier le module GENLoc25 à l ordinateur équipé d un port série. Identifier les broches correspondantes du connecteur SUB-D 9 de l'ordinateur. Numéro de broches SUB-D 15 Signal affecté à la broche (GENLoc25) 1 DCD 2 TXD 3 NC 4 MICRO + 5 MICRO - 6 RXD 7 DSR 8 DTR 9 GND 10 SPEAKER + 11 CTS 12 RTS 13 RI 14 NC 15 SPEAKER - Numéro des broches SUB-D 9 (Ordinateur) Coefficient : 5 6 / 21

7 1.2.3 Configuration de la liaison entre l'ordinateur et le GENLoc A partir de la documentation "Configuration du GENLoc25" donnée en Annexe, identifier l'utilitaire de communication utilisé Compléter la copie d'écran ci-dessous pour dialoguer avec le GE NLoc Identifier la commande "AT" qui permet de vérifier la vitesse de communication du GENLoc25 sur le port RS232 à partir de l'annexe "Mise à jour de l'os" On se propose de vérifier les paramètres de l'antenne GPS à travers la commande "AT" suivante : AT+WGPSANT=2 La réponse du module est : +WGPSANT=2,1,1,3350 Interpréter cette réponse. Champ Signification En déduire l'état du bit GPO1 dans ce cas. Coefficient : 5 7 / 21

8 1.3 Installation ou mise à jour de l'applicatif des modules embarqués Note : Les modules à embarquer sont tous paramétrés au siège de l'entreprise avant d'être installés dans les véhicules. La configuration s'effectue dans les mêmes conditions de raccordement que le module stationnaire étudié précédemment A partir de l'annexe " Comment charger ou supprimer une application OpenAT", compléter l'algorigramme de chargement. DEBUT Brancher le PC (au GENLoc25) Configurer l utilitaire Hyper Terminal Non Oui Attendre la fin du téléchargement Taper AT+CFUN=1 pour quitter le mode téléchargement et Reseter le modem FIN Coefficient : 5 8 / 21

9 1.3.2 Ce schéma de câblage montre que le circuit de masse se referme au travers du blindage du câble d'antenne et du modem lors de l'activation du démarreur. Ces derniers seraient alors instantanément détruits. Proposer sur le schéma ci-dessous la modification qui permettrait d'éviter ce risque. Coefficient : 5 9 / 21

10 1.4 Protections ESD Les appareils embarqués sont susceptibles d'être soumis à de fortes décharges d'électricité statique. Ces dernières risquent d'endommager de manière irrémédiable certains composants. Une protection efficace est alors nécessaire. Nous cherchons à évaluer le niveau de protection réalisé grâce aux composants SIOV2 choisi par le constructeur Que signifie le sigle ESD? On donne l'expression de la tension de sortie du composant SIOV2 dont la référence est ESDA6V1SC6 : Vg VOUT = Vbr + Rd Rg A partir de la documentation constructeur, déterminer : La valeur de Vbr min La valeur de Rd Pour une décharge électrostatique de 5 kv, calculer la tension résiduelle présente aux bornes du composant SIOV2 Coefficient : 5 10 / 21

11 Partie 2 : Géolocalisation & Module GPS Généralités Des signaux émis par radio à partir d'une constellation de satellites sont reçus par un récepteur au sol, qui en déduit à tout instant, et n'importe où sur Terre, en mer ou dans les airs, une datation précise et sa position en latitude, longitude, altitude. Ces satellites doivent obligatoirement être visibles par l antenne. Pour effectuer une mesure correcte, un récepteur doit capter les signaux d au moins trois satellites (triangulation). On définit ainsi des sphères centrées sur des satellites et dont l'intersection donne la position. Extraction et exploitation des données : Le récepteur GPS peut alors communiquer ses informations traitées avec son environnement (ordinateur, autre GPS, traceur de route, etc.) selon le protocole de communication NMEA-0183 (National Marine Electronic Association). Ces données (au format NMEA) peuvent être transmises selon les besoins, par voie GSM ou en GPRS Format de la trame NMEA : $ ID MSG, D1, D2, D3,., Dn * CS [CR][LF] Début du message Message id Talker id GP pour GPS Champ de données du message Délimiteur Checksum 2 Héxa pour 8 bits Terminateur Exemple de réception de trames NMEA : Partie d en-tête Début de séquence Fin de séquence $GPRTE,1,1,c,0*07 $GPRMC,154354,A, ,N, ,E,000.0,211.1,191097,002.6,W*6F $GPRMB,A,,,,,,,,,,,,V*71 $GPGGA,154354, ,N, ,E,1,03,2.9,37.3,M,47.6,M,,*72 $GPGSA,A,3,02,,,,,,26,27,,,,,2.9,2.9,1.0*30 $GPGSV,2,1,08,02,56,112,50,09,14,244,00,10,39,186,00,17,17,296,00*73 $GPGSV,2,2,08,19,06,066,00,23,08,322,00,26,54,296,49,27,45,064,47*75 $PGRME,68.3,M,150.0,M,164.8,M*1C $GPRTE,1,1,c,0*07 $GPRMC,154356,A, ,N, ,E,000.0,211.1,191097,002.6,W*6A $GPRMB,A,,,,,,,,,,,,V*71 Coefficient : 5 11 / 21

12 La séquence la plus importante pour connaître sa position est celle qui débute par : $GPRMC Exemple d analyse d une séquence reçue : $GPRMC,154356,A, ,N, ,E,000.0,211.1,191097,002.6,W*6A /*68 caractères*/ Traduction des points importants : $GPRMC = en-tête protocole RMC = heure de réception (unité UTC) : heure - minutes - secondes A = donnée valide (sinon V : donnée non valide) ,N = minutes 188 millièmes de secondes, N déclinaison North ,E = minutes 603 millièmes de secondes, E longitude East = date : ici 19 octobre 1997 La latitude fait toujours 8 caractères + la lettre : la latitude varie de 0 (niveau équateur) à 90 (niveau des pôles Nord ou Sud). La longitude fait toujours 9 caractères + la lettre : la longitude comporte 3 chiffres de 0 à 180 East ou West. 2.1 Principe du positionnement par GPS En admettant que les 11 modules GENLoc25 de l entreprise soient en fonctionnement, quelles sont les deux conditions pour qu une géolocalisation soit possible? En réponse à la commande AT+WGPSPOS, le module GENLoc25 stationnaire implanté dans l entreprise renvoie la trame au format NMEA suivante : +WGPSPOS : 1,153625,110506, N, E,433.1,0.85,25.5,153.0,07 En regard des lignes ci-dessous, décoder les informations contenues dans la trame. Heure : Date : Latitude : Longitude : Altitude : Nombre de satellites en vue : Coefficient : 5 12 / 21

13 2.1.3 Sur l extrait de la carte page suivante, marquer d une croix la position reçue. 2.2 Paramétrage et configuration de la partie GPS du module embarqué Paramétrage de l antenne GPS. L'antenne GPS retenue pour équiper le véhicule nécessite une tension d alimentation de 5 volts, et consomme un courant de 25 ma Donner la commande AT ainsi que sa valeur qui va permettre de configurer le module pour une alimentation d antenne externe Donner la commande AT ainsi que ses paramètres permettant d obtenir la tension d alimentation requise. Coefficient : 5 13 / 21

14 2.2.2 Un des véhicules du parc de l entreprise ne transmet plus sa position. Après échange du module GENLoc25 et vérification de toutes les connexions, la panne subsiste. Via un PC portable en mode Hyper terminal, le technicien envoie la commande AT+WGPSANT = 2. Il reçoit du module la réponse ; +WGPSANT : 2,0,0,5000 OK Quel doit être son diagnostic? Justifier votre réponse. Inventorier toutes les causes de défaut possibles Etude de la communication entre le PC et le sous module GPS (commutation GSM/GPS) La broche 8 du connecteur J3 (SUBD 15 broches) est susceptible de transmettre soit le DTR du sous module GSM, soit les données du sous module GPS. La broche 7 est susceptible de recevoir soit le DSR du sous module GSM, soit les données du sous module GPS. Quels sont les composants qui permettent d'assurer ces commutations? Donner une description sommaire du fonctionnement de l ADG Quels doivent être les niveaux logiques des bits GPIO_2 et GPIO_3 pour qu une communication soit possible entre le modem GPS et le PC? Quelles commandes AT faut-il envoyer pour configurer correctement ces deux bits? Coefficient : 5 14 / 21

15 Synthèse On se place dans cas d une communication entre le PC et le sous module GPS. Sur le schéma structurel suivant : Indiquer par 0 ou 1 le niveau des entrées IN des IC5 et IC6. Pour ces deux circuits, relier par un trait noir les liaisons internes. Tracer, en vert, le cheminement de l'information entre la broche 8 de J3 et le sous module GPS. Tracer, en bleu, le cheminement de l'information entre la broche 7 de J3 et le sous module GPS. Coefficient : 5 15 / 21

16 2.2.4 Les appareils embarqués sont soumis à de très fortes variations de température. Au travers de l'étude d'une structure particulière et plus précisément la diode D5, on se propose de valider la plage de température d'utilisation garantie en fonctionnement par le constructeur Pour un courant direct de l ordre de 50 µa, la tension de seuil VF répond à l équation suivante : V F = 0,21 (0,002 T) Où : 0,21 représente la tension de seuil exprimée en volts à 25 C, T est l écart en C entre la température ambiante et 25 C. Montrer que pour les valeurs minimale et maximale de température d utilisation du module GENLoc25, les tensions de seuil sont respectivement 0,33 v et 0,09 v. Pour la température maximale : T= => V F = Pour la température minimale : T= => V F = On donne ci-dessous les caractéristiques électriques des broches du port GPIO (Module WISMO). En négligeant la résistance R ON de IC6, montrer que les niveaux de tension de la broche 12 de IC2 restent compatibles avec le niveau d'entrée GPS_TXD2 du Module WISMO pour les conditions suivantes à une température de 35 C : Pour V OLmax =0,4v sur la broche 12 de IC2 Etat de D5 Valeur de GPS_TX2 Pour V OHmin =2,75v sur la broche 12 de IC2 Etat de D5 Valeur de GPS_TX2 V Ilmax (Pour V CC =2,8v) V IHmin (Pour V CC =2,8v) Conclusion Coefficient : 5 16 / 21

17 Partie 3 : Communication des données en mode GSM puis en Mode GPRS 3.1 Par Voie GSM On souhaite transmettre les données de positionnement d'un véhicule via le réseau GSM. Les modules GENLoc25 embarqués sont configurés pour fonctionner dans les conditions suivantes : Envoi des trames NMEA au format RMC : En mode DATA, Lorsque le chauffeur met le contact sur son véhicule, le GENLoc25 : Stocke les paramètres de sa position, puis régulièrement toutes les 10 mn, Transmet ceux-ci toutes les heures. Vers le GENLoc25 stationnaire de l entreprise (équipé d un logiciel de cartographie), dont le numéro d abonné « » doit se trouver au premier emplacement de l annuaire des numéros autorisés Pour la réception des données, de quel type doit être la carte SIM du module stationnaire? Le stockage et la transmission des trames de positionnement peuvent être conditionnés par des événements externes au module embarqué. Par défaut, la broche CGPIO1 est définie en Entrée. A partir des schémas structurels, Repérer le connecteur et le numéro de la broche correspondants en vue d'un raccordement avec le contact actionné par la clé du véhicule Identifier (nom et numéro) la broche du Module WISMO recevant ce signal (événement externe) Paramétrage du GENLoc25 embarqué pour communiquer en mode GSM Donner les paramètres de la commande AT+LOCPHN à saisir Donner les paramètres minimums de la commande AT+LOCSTK à saisir Programmer l envoi des trames NMEA (position GPS) au format RMC. Coefficient : 5 17 / 21

18 3.2 Par Voie GPRS Le mode GPRS conditionne l'envoie des données sous forme de paquets. La société de développement Erco & Gener utilise actuellement le protocole TCP et le protocole FTP pour communiquer les données stockées. FTP appartient à la couche 7 dite Application (ou couche 4 du modèle DoD soit TCP/IP) TCP appartient à la couche 4 dite Transport (ou couche 3 du modèle DoD soit TCP/IP) Laquelle de ces deux méthodes permet de localiser un véhicule en temps réel? Que l'entreprise choisisse le Protocole TCP ou le Protocole FTP, il est indispensable de connaître la structure d'une adresse IP. Sur le PC Serveur, la commande DOS, "IPCONFIG /ALL" nous donne ses caractéristiques réseau. C:\Documents and Settings\>IPCONFIG /ALL Configuration IP de Windows Nom de l'hôte : Serveur FTP Suffixe DNS principal : Type de nœud : Mixte Routage IP activé : Non Proxy WINS activé : Non Carte Ethernet Connexion au réseau local : Suffixe DNS propre à la connexion : Description : National Semiconductor /816 10/100 MacPhyter PCI Adapter Adresse physique : D-0C-0D-E6 DHCP activé : Non Adresse IP : Masque de sous-réseau : Passerelle par défaut : Serveurs DNS : Donner l'adresse MAC de la station Quelle est la classe de l'adresse IP? Coefficient : 5 18 / 21

19 Déterminer l'adresse du sous-réseau. Présenter votre calcul Identifier alors la partie de l'adresse qui concerne l'hôte Déterminer le nombre d'hôtes maximum connectables à ce sous réseau. Coefficient : 5 19 / 21

20 3.2.3 La représentation suivante permet d'interpréter un fichier de données récupéré sur un serveur FTP (File Transfert Protocol), sur un logiciel de cartographie. Antenne GPS Antenne GSM/GPRS Câble réseau SERVEUR FTP Port COM Genloc25 Mode Embarqué Réseau Internet Cartographie Carte SIM Batterie Combiné téléphonique Port COM En activant le port COM à travers le logiciel de cartographie et en se plaçant en mode "Lecture de fichier" avec hyper terminal du PC Serveur, il est possible de visualiser le trajet de l'appareil Embarqué. Quel type de câble doit-on utiliser pour relier les deux ordinateurs? Le paramétrage du GENLoc25 Embarqué pour envoyer des trames NMEA en Mode FTP à travers le réseau GPRS, est représenté à travers l'algorigramme ci-après : DEBUT Saisir le nom du domaine ou l'adresse IP du serveur FTP distant Saisir le numéro du port du serveur FTP distant Saisir le nom utilisateur Saisir le mot de passe Définir le répertoire distant de sauvegarde des données Définir le format du fichier "txt" à sauvegarder dans le répertoire Stocker les trames NMEA (format RMC) toutes les 10 minutes Transférer les données stockées en mode FTP toutes les 5 heures FIN Coefficient : 5 20 / 21

21 Lors de la création du serveur FTP, le logiciel FTP (ex : FileZilla) demande une adresse IP fixe. Or, au moment de la connexion à Internet, le prestataire de service (Wanadoo, Free,..) alloue une adresse IP dynamique. Dans ces conditions, la probabilité d'établir la communication est quasi nulle. Pour résoudre ce problème technique, comment s'adresser à un site FTP en occultant son adresse IP? Les données suivantes vont vous permettre de paramétrer entièrement le GENLoc25 Embarqué : Adresse du site FTP : FTP://siteftp.free.fr:21 Arborescence de stockage distant (sur le site FTP) : C:\GENLOC\TRAMES_NMEA Nom utilisateur : TRANSEN Mot de passe : EMBARQUE Identifiant de l'appareil : POSTE1 Trames NMEA à envoyer au format RMC : $GPRMC, ,A, ,N, ,E,0.063,293.64,170206,,,D*66 $GPRMC, ,A, ,N, ,E,0.021,166.07,170206,,,D*6C $GPRMC, ,A, ,N, ,E,0.126,348.38,170206,,,D*6F $GPRMC, ,A, ,N, ,E,0.091,319.40,170206,,,D* Donner le nom complet du fichier "txt" qui sera présent sur le site FTP, suite à la saisie de la commande : AT+LOCFPF="%I_%D_%H.txt" A l'aide du document technique "Muse pour GENLoc25" de Erco & Gener et de l'algorigramme précédent, donner l'ensemble des commandes AT à entrer sous hyper terminal permettant le paramétrage complet du GENLoc25 Embarqué en mode FTP : AT+LOCFSV= AT+LOCFPT= AT+LOCFUN= AT+LOCFPW= AT+LOCFPP= AT+LOCFPF="%I_%D_%H.txt" AT+LOCSTK= AT+LOCSND= Coefficient : 5 21 / 21