Atelier CUI Initiation à la mise en oeuvre matérielle et logicielle de l interface en Matériel Libre Create Usb Interface de Dan Overholt, Université de Santa Barbara, Californie, version CUI(AD) de Thomas Ouellet Fredericks ( 13 entrées analogiques pour capteurs 0-5V et 12 entrées numériques seulement), avec l idée d apprendre deux techniques de prototypage éléctronique: la plaque d expérimentation type breadboard pour le microcontroleur, et la plaque à souder pour l alimentation de la CUI Mars 2007 Centre de Ressources Art Sensitif http://www.craslab.org http://www.artsens.org Livret CUI en français par Jean-Noël Montagné, Centre de Ressources Art Sensitif, mars 2007, sous licence CC, http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/deed.fr
AVANT
Tension fournie par la CUI APRÈS Carte modèle CUI(AD) Apprentissage CUI et électronique 5Volts 0 V 5 entrées analogiques 8 entrées numériques Port USB: pour le transport des données 1 entrée numérique 0 V 5 Volts 3 entrées numériques 8 entrées analogiques Connecteur d alimentation de la CUI (si beaucoup de capteurs gourmands) ou par sécurité du port usb. : 9v à 12 V Connecteur 2,1 mm avec le + au centre (DC) 1
2 solutions : -Alimentation électrique par port USB : le cavalier est du coté du port USB, comme ici sur la photo, il connecte les deux broches de gauche ou bien -Alimentation électrique par une alimentation externe( recommandé) : le cavalier connecte les deux broches de droite, et il faut donc brancher une alimentation 9 à 12 V, avec plus au milieu. Cette configuration est préférable pour les débutants, car il y a moins de risques de griller votre port USB en cas de mauvaise manip. Mais dans tous les cas, il faut que l USB soit branché pour envoyer les données à l ordinateur...
Présentation du projet Arduino Présentation de la CUI La CUI est une carte électronique en Matériel Libre pour la création artistique interactive, créée par Dan Overholt du Center for Research in Electronic Art Technology. de l Université de Santa Barbara, Californie. Elle sert comme interface entre capteurs et ordinateur, en transmettant les informations par le port USB. Elle peut être alimentée par le port USB si les capteurs ne sont pas trop nombreux ou ne consomment pas trop de courant. La CUI est basée sur un microcontroleur PIC 18F4550 qui peut être configuré de façon multiples. Bien que la CUI originelle de Dan permette de programmer des entrées et des sorties grâce à un logiciel pouvant écrire son programme interne, réservé à des utilisateurs avertis possedant un programmeur de microcontrolleurs PIC, nous choisirons pour cet atelier, la version CUI(AD) de Thomas Ouellet Fredericks de Montréal ( Canada) qui a conçu une version ne comportant que des entrées analogiques et numériques. Aucun programme à écrire. La CUI(AD) peut traiter 13 signaux de capteurs analogiques 0-5volts ( capteurs donnant une variation de tension en fonction de ce qu ils captent), et 12 entrées numériques ( interrupteurs) et envoyer tout cela à l ordinateur. La carte envoie ses données en 10 bits. L ordinateur voit la CUI comme un matériel de jeu: un joystick à plusieurs manettes et plusieurs boutons. C est la spécification HID ( Human Interface Device). Cette spécification nous permet d'envoyer les informations des capteurs vers les logiciels de création interactive comme Pure Data, Processing et tous les logiciels sachant recevoir les spécifications HID. Il est également possible de faire appel à des logiciels tiers qui vont transformer les signaux HID en MIDI, OSC OU DMX, trois standards de l interaction dans le domaine artistique, mais aussi en d autres protocoles pour la domotique ( X10) ou des applications industrielles (RS232).
Sur MacOSX -Objet [Hid] de Pure data -Objet [hi] de MaxMSP -Librairie Procontroll pour Processing (http://texone.org/procontroll/) et tous les logiciels qui recoivent des données de joysticks, tablettes, souris etc Sur Windows -Objet [Joystick] de Pure data -Objet [hi] de MaxMSP -Librairie Procontroll pour Processing (http://texone.org/procontroll/) et tous les logiciels qui recoivent des données de joysticks, tablettes, souris etc Sur Linux -Objet [Hid] de Pure data -Librairie Procontroll pour Processing et tous les logiciels qui recoivent des données de joysticks, tablettes, souris etc et aussi Comment recueillir directement les données envoyées par la CUI SuperCollider : HIDDeviceService (XixiHID) Pure Data: [hidio] en cours d écriture pour fin printemps 2007 ChucK: HidIn, HidMsg Python: Use Pygame Joystick classes Java: JInput or JXInput LIBHID :http://libhid.alioth.debian.org/ et la source http://www.usb.org/developers/devclass_docs/hid1_11.pdf
Recueillir et transformer les données envoyées par la CUI par un logiciel tiers, avant de les utiliser dans nos logiciels de création interactive: Il suffit de transformer les signaux HID ( joystick) de la CUI en signaux MIDI, Série, OSC, X10, DMX ou tout protocole de communication avec d autres logiciels. Windows vers MIDI: http://vellocet.com/software/vmidijoy.html vers MIDI: http://carl.kenner.googlepages.com/glovepie vers MIDI, OSC, X10, RS232: http://automatepc.free.fr/phebus.htm vers MIDI: http://www.chaossurfers.com/softs/ MacOSX vers MIDI et OSC http://www.hf.uio.no/imv/forskning/forskningsprosjekter/musicalgestures/resources/multicontrol/index.html vers Midi http://www.steim.org/steim/junxion_v2.html Linux vers OSC http://www.xdv.org/twiki/bin/view/gulli/joysend
Où et comment connecter des capteurs? Les capteurs de type interrupteur ( on-off) sont à brancher sur les entrées numériques ici en vert Ils ont deux fils pour laisser passer ou non le courant, un qui va vers le point vert, et l autre vers le 0 volts Montage Interrupteur voir page suivante Capteur analogique sur l entrée 1 Les capteurs qui donnent une variation sont à brancher sur les entrées analogiques ici en fuschia. Ils ont trois fils: deux fils pour l alimentation électrique du capteur, en général noir ou sombre pour le 0V et rouge pour le 5 volts, et un fil pour le signal renvoyé vers la CUI, en général jaune ou orange (ou autre couleur que rouge et noir)
Montage de boutons poussoirs et interrupteurs On pourrait brancher directement des boutons poussoirs entre une entrée analogique et le 0V, mais c est au risque d avoir quelques rebonds très rapides ( ouvert-fermé-ouvert-fermé...etc consécutifs) lorsqu on actionne le bouton, et d avoir des fausses lectures sur les entrées. Le mieux est de mettre une résistance de 10K selon le schéma suivant: Entrée numérique CUI Entrée numérique CUI Entrée à zéro lorsqu on appuie Entrée à 1 lorsqu on appuie
Important: Les entrées analogiques non utilisées doivent être désactivées par un pont électrique entre le signal et le 5 V. +5 V En effet, les entrées non désactivées risquent de produire des parasites sur les entrées utilisées et de perturber les signaux captés
Connecteur type KK cable bidon pour tirer sur l ensemble sans tirer sur les soudures des cables connectés gaine thermo ( à placer sur la soudure après la soudure, puis à chauffer ) La connectique maison pour la CUI en 6 étapes Pour les capteurs analogiques, type 0/5volts, on a trois fils à connecter sur la CUI: 0 V à brancher à la masse ( GND) 5V à brancher sur l alimentation de la carte et le Signal, à brancher sur l entrée analogique du microcontrolleur 4 L entraxe entre les picots correspond exactement aux entraxes entre les trous de la plaque d expérimentation, et le plastique noir est assez souple pour se déformer un peu et bien fixer le cable sur la carte. 1 2 3 5 1/ acheter les picots et de la gaine thermo rétractable, 2/ Séparer 5 picots 3/ en retirer deux en poussant/ 4 mettre la gaine thermo rétractable 5 /souder des cables, 6/ couvrir les soudures avec la gaine thermo et chauffer la gaine avec un briquet pour protéger les soudures. Signal 0 V 5V
Un peu d électronique interactive Vous savez maintenant où connecter des capteurs, mais comment aborder la partie électronique? Faire des montages électroniques simples est à la portée de tous et les ressources sur l électronique interactive (physical computing) sont multiples sur le web, il y a cependant des notions de base à avoir pour se lancer dans la réalisation de ses propres montages, même si on ne fait que copier un montage sans le comprendre : il est toujours utile de savoir reconnaître les composants il est toujours utile de savoir déterminer la valeur d un composant (le code visuel des couleurs, les sigles et les abréviations) il est utile de connaître la fonction d un composant il est utile de savoir lire un schéma, c est-à-dire reconnaître les symboles des composants, et la raison des cablages. Il faut aussi prendre quelques précautions: faire les essais et les connections avant de brancher le port USB Utiliser les sources électriques recommandées en l occurrence de 9 à 12 V ( on peut aussi utiliser une pile 9 V) Certains composants électroniques ont un sens = ils sont polarisés. Certains composants se ressemblent mais n ont pas du tout la même fonction: toujours bien regarder leur signalétique. brancher les montages avec beaucoup de capteurs sur une alimentation externe plutôt que celle de l USB, ce qui évitera de trop solliciter l alimentation de votre port USB dans l ordinateur.
S équiper en composants Des capteurs du commerce Si vous n avez pas réussi à faire vos capteurs vous-mêmes, trois fabricants Français (Interface-z, La-Kitchen et Eowave font des capteurs 0-5V spécialement destinés à un usage créatif, et que l on peut directement brancher sur la CUI. Ils ont en général trois conducteurs comme on peut voir ci-dessous, et certains ont une électronique de pré-traitement du signal qui supprime bien des comportement parasites: 0 V à brancher à la masse ( GND) 5V à brancher sur l alimentation de la carte et le Signal, à brancher sur l entrée analogique Pour préserver votre carte et éviter d y bricoler dessus, l idéal serait de se faire une carte connecteurs sur une plaque à souder comme celle de l alimentation, et d y mettre des connecteurs pour les 13 capteurs et les 12 interrupteurs. Cela évitera de toucher à la plaque d expérimentation qui supporte la CUI, et permettra de brancher très rapidement des capteurs sans risque et aussi de mettre des cavaliers sur les entrées analogiques non utilisées afin qu elles ne fassent pas de bruit. Pour cette manip, je conseille particulièrement les connecteurs type KK, comme ici, qui ont un détrompeur, sont compatibles avec les connecteurs des capteurs interfacez, et surtout avec les cavaliers courants. Du matériel Une grande plaque d expérimentation, un bon fer à souder d électronicien avec une panne fine ( à partir de 15/20 euros), une troisième main (petit support avec deux pinces et une loupe environ 5 euros), du cable de qualité, et de plusieurs couleurs ( toujours repérer la masse en noir, les tensions (les plus ) en rouge, le signal en orange ou en jaune) sont des achats à considérer pour continuer en électronique interactive.
Une plaque d expérimentation (breadbord en anglais) permet de cabler de nombreux composants sans faire de soudure, et en gardant un montage entièrement démontable. Equipement en électronique interactive Aller plus loin en électronique Dans ce sens, les trous sont connectés entre eux Si les fils souples de certains matériels ne veulent pas rentrer, on peut les étamer avec un peu de soudure. Dans ce sens, les trous sont connectés entre eux Dans ce sens, les trous ne sont pas connectés
Electronique interactive Reconnaitre les composants/1 Savoir reconnaitre quelques composants électroniques, savoir reconnaitre leur symbole, connaitre leur usage, vous permettra de concevoir vos propres expériences et de progresser à partir de données trouvées sur le web. Vous saurez ainsi fabriquer quelques capteurs, et actionner quelques matériels. La résistance Les condensateurs Le transistor La résistance s oppose au passage du courant, proportionnellement à sa résistance exprimée en Ohm. Un code de couleurs, ci dessous permet de reconnaître cette valeur. Symbole européen Les condensateurs peuvent stocker un peu de courant si on les charge, mais comme un tonneau percé, ils renvoient ce courant instantanément si ils sont branchés à un organe consommateur de courant. Ils peuvent être polarisés ou non, dans des boitiers très divers. Leur valeur s exprime en Farad ( F) non polarisé polarisé Reconnaissance de leur valeur: Symbole A cause de la diversité des modèles, se reporter aux ressources sur le web http://perso.orange.fr/sonelec-musique/electronique_theorie_condensateur.html Le transistor est généralement utilisé comme une sorte de multiplicateur de puissance: lorsqu on lui fait passer un courant faible, mais variable dans un de ses 3 pattes, il autorise proportionnellement le passage d un gros courant dans une autre des 3 pattes. transistor NPN Symboles transistor PNP Code des couleurs des résistances au delà de 1000 Ohms, on parle en KiloOhms, par exemple 10 K est 10 KiloOhms, puis en MegaOhms notés M 220 K 100 1000 10000
Electronique interactive Reconnaitre les capteurs /2 L interrupteur La cellule photo-électrique (LDR) Le piezo L interrupteur ouvre ou ferme un circuit. Il y a toutes sortes d interrupteurs. Sur la CUI, utiliser un interrupteur pour déclencher un événement nécessite d utiliser un composant supplémentaire: une résistance de 10K ohms. Voir pages précédentes La cellule photo-électrique (LDR) C est une résistance variable, en fonction de la luminosité qu elle reçoit. Sa résistance diminue quand elle reçoit de la lumière. On s en sert donc de capteur de luminosité. Non polarisée. Pour lire sa valeur avec une CUI, il faut également l associer avec une résistance équivalente à sa résistance maxi ( dans le noir) Voir Montages d électronique interactive. Le transducteur piezo-électrique est un composant réversible: il peut aussi bien être utilisé en capteur de chocs ou de vibrations qu en actionneur pouvant émettre des sons stridents parfois modulables. Quelques ressources sur l électronique http://etronics.free.fr/dossiers/index.htm Quelques ressources sur l électronique interactive ici: http://www.tigoe.net/pcomp/index.shtml
Electronique interactive Le potentiomètre ( bouton rotatif comme sur une radio) Le potentiomètre Le potentiomètre 0 volt +5 volts Le potentiomètre, rotatif comme ici, ou à glissière, est une résistance variable. Entre les extrémités, il y a la résistance maximale. La patte centrale est le curseur. C est la résistance entre cette patte centrale et une extrémité que l on peut faire varier en tournant le bouton. Le potentiomètre est donc un capteur. Il se branche sur les entrées analogiques de la CUI. De très nombreux capteurs sont basés sur le principe de résistance variable et se cablent presque de la même façon: la cellule photo-électrique, le capteur de pression, le fil résistif, etc les 8 entrées analogiques du bas NB: lorsque un ou plusieurs potentiomètres sont branchés, il est conseillé pour la qualité et stabilité des signaux de rajouter un condensateur de découplage de 100 nanof ( = 0,1 microf) à coté de l endroit où le capteur se branche, entre le 5V et le 0V. On peut installer des potentiomètres sur n importe quelle entrée analogique de la CUI, ici en mauve les huit entrées du bas. Le signal, ici sur le fil bleu se prend au centre du potentiomètre, et se connecte à l entrée analogique. Les deux autres fils aux extrémités du potentiomètre se connectent indifféremment sur le 5 V ou sur le O volt.
Montage d un capteur résistif à faire soi-même +5V cellule photoélectrique Signal capteur résistance Masse ( GND) Schéma électronique ( symboles U.S.A) Montage d un capteur résistif, type cellule photoélectrique, capteur de pression, capteur de flexion, etc:
Sauriez-vous cabler ce capteur de température? Exercices (non corrigés) Attention, il est polarisé... Ne pas oublier le condensateur Ain = analog in = entrée analogique Ce capteur piezo-électrique, en capteur de choc et vibrations? CUI Ce capteur de flexion ( Bend sensor)?
Ce capteur piezo-électrique, en capteur de choc? CUI Exercices (non corrigés) Le mieux est d avoir une plaque d expérimentation à part pour faire plein de montages.
Lexique ANALOG : Analogique. AREF : Abréviation pour Analog REFerence, référence analogique. AVAILABLE : Disponible. BEGIN : Début. BIT : bit, unit d'information informatique pouvant prendre soit la valeur 0 soit la valeur 1. BUFFER : Tampon, dans le sens de "zone tampon". BYTE : Octet, soit un groupe de 8 bits. bps : Abréviation pour Bits Per Second, Bits Par Seconde. Attention, abréviation toujours en minuscules. BREADBOARD: plaque d expérimentation CAPACITOR: condensateur CHAR : Abréviation de CHARacter, caractère (typographique). Type de variable d'une taille d'un octet. C'est un synonyme de "byte" utilisé pour déclarer des variables stocka un caractère ou des chaines de caractères. DEFINE : Définit. Dico pour aborder les termes en anglais DIGITAL : Numérique. DO : Faire. FALSE : Faux. FOR : Pour. GND : Abréviation pour GrouND, la terre. C'est la masse, 0 Volt. HIGH : Haut. ICSP : Abréviation pour In Cicuit Serial Programming, programmation série sur circuit. IF / THEN/ ELSE : Si / Alors / Sinon. IN : Souvent l'abréviation pour INput, Entre. INCLUDE : Inclut. INPUT : Entrée. IS : Est (souvent dans le sens d'une question : Est?). INT : Abréviation pour INTeger, entier. Groupe de 16 bits, 2 octets groupés, considérés comme représentant un nombre entier négatif ou positif. LONG : Abréviation pour "entier long". Groupe de 32 bits, 4 octets groupés, considérés comme représentant un nombre entier négatif ou positif. LOOP : Boucle. LOW : Bas. OUT : Souvent l'abréviation pour OUTput, Sortie. OUTPUT : Sortie. PIN : Broche. POWER : Puissance, alimentation. PWM : Abréviation de (Pulse Width Modulation), soit Modulation en Largeur d'impulsion. PWR : Abréviation pour PoWeR, puissance, alimentation. READ: Lire. RESISTOR: résistance. RELAY: relais. RX : Abréviation pour Receive, réception. SERIAL : Série. SETUP : Initialisation. SENSOR: capteur TRUE : Vrai. TX: Abréviation Transmit, transmission (mission). WIRE: cable WHILE : Tant que. WORD : mot, soit dans le mot de langage ; soit dans le sens d'un groupe de 16 bits, 2 octets groups considérés comme représentant un nombre entier positif (>= 0). WRITE: Ecrire.
le site originel de la CUI http://www.create.ucsb.edu/~dano/cui/ Quelques ressources générales sur la CUI ou l électronique interactive: Le forum de la CUI pour tout problème: http://www.mat.ucsb.edu/cui/viewforum.php les sites Make, Hackaday, Sensorwiki, Physical Computing, et bien d autres encore pour avoir des conseils, des schémas, des idées... les sites de service de liens, de video et d image ( google, delicious, youtube, flickr,) pour avoir des images, des videos, des liens très utiles avec des mots-clés comme sensor et physical computing Quelques ressources précises: le site de Tom Igoe http://tigoe.net/pcomp/ Le livre Physical Computing de Tom Igoe, Dan O'Sullivan Capteurs: http://itp.nyu.edu/physcomp/sensors/reports/reports Ressources sur les capteurs et les actionneurs, dans la section Publications et conseils : http://www.interface-z.com puredata.info processing.org Remerciements Livret conçu avec des ressources en ligne de Thomas Ouellet Fredericks, Dan Overholt, Joseph Jaouen et bien d autres encore que je remercie tous ici, et que je n ai pas contacté avant de piquer leurs images ou tutoriels, par manque de temps, supposant qu ils ont mis sur le web des documents respectant l idée de matériel Libre de la CUI. La CUI étant un projet potentiellement évolutif, ce livret sera obsolète en partie ou en totalité un jour où l autre. Merci de m indiquer d éventuelles erreurs ou omissions, tout en prenant compte qu il s agit d un livret d initiation et non d un livret destiné à explorer des fonctions avancées. contact: jnm à rom. fr Livret atelier CUI en français par Jean-Noël Montagné, Centre de Ressources Art Sensitif, mars 2007, sous licence CC http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/deed.fr http://www.craslab.org http://www.artsens.org