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AI1-6.1 DOSSIER DE PRESENTATION ETUDE DU SYSTEME CYCLOCITY DEVELOPPE PAR LA SOCIETE JC DECAUX 1. Présenaion générale... 2 2. Archiecure du sysème e rôle de ses différenes composanes... 2 Descripion du foncionnemen du sysème vélo V:... 3 - Du poin de vue de l uilisaeur... 3 - Du poin de vue echnique... 4 Représenaion schémaique de l archiecure du sysème CYCLOCITY... 6 1 B
1. Présenaion générale Depuis mai 2005, l aggloméraion lyonnaise es doée d un grand parc de vélos en libre service, bapisé vélo V. Le réseau compe à l heure acuelle plus de 4000 vélos, réparis sur 340 saions implanées sur les communes de Lyon e Villeurbanne. Ce service proposé par la communaué urbaine de Lyon es géré par le groupe JC Decaux (sociéé spécialisée dans le mobilier urbain e la communicaion exérieure), propriéaire des vélos mais égalemen concepeur du sysème CYCLOCITY. Ce dernier consiue une soluion complèemen auomaique, combinan bornes de locaion e bicyclees. Equipée d'un module GPRS fourni par Bouygues Telecom, chaque borne perme d'idenifier les abonnés puis de libérer les bicyclees. Selon les modaliés d abonnemen, chacun peu prendre un vélo avec une grauié d uilisaion de 30 mn à une heure, la locaion devenan payane au-delà de cee durée d emprun. Figure 1. Saion Vélo V devan la gare Par-Dieu 2. Archiecure du sysème e rôle de ses différenes composanes Le sysème es consiué de saions comporan chacune une borne d accueil auomaisée, ainsi que des poins d aache individuelle des vélos. Chaque borne rempli les foncions suivanes : pour les non-abonnés au service : disribuer une care d uilisaion emporaire du service au moyen d un écran e d un clavier affecés à un usage monéique (le leceur monéique). 2
pour les abonnés au service : permere le choix du vélo au moyen d un écran acile e d un leceur de care sans conac (le leceur vélo v ). Les bornes signalen à l uilisaeur le nombre de vélos disponibles à la locaion. Figure 2. Borne d accueil auomaisée Chaque poin d aache perme le rangemen d un vélo e es numéroé pour l idenificaion e le choix du Vélo. Figure 3. Un poin d aache e un vélo V Descripion du foncionnemen du sysème vélo V: - Du poin de vue de l uilisaeur Pour pouvoir empruner un vélo, chaque uilisaeur doi disposer d une care (abonnemen permanen ou care emporaire délivrée par la borne). Idenificaion de l uilisaeur : L uilisaeur passe sa care devan le leceur vélo V. Un message sur l écran acile lui demande de saisir son code confideniel e d indiquer le numéro du vélo qu il souhaie uiliser, dans la limie du sock de vélos disponibles à ce insan. 3
Rerai du vélo : Après avoir saisi le numéro du vélo choisi, l uilisaeur dispose d un délai de 60 secondes pour appuyer sur le bouon du poin d accroche (Figure 3). L éclairage du vélo clignoe duran 3 secondes e son buzzer éme un long bip pour confirmer la disponibilié du vélo ; si le vélo n es pas reiré dans un délai de 20 secondes préfixé, le poin d aache se verrouille à nouveau auomaiquemen ; Resiuion du vélo : L uilisaeur doi l aacher à un poin d accroche disponible : l éclairage du vélo clignoe 3 secondes e son buzzer éme un long bip confirman que le vélo a éé correcemen remis en place e que la resiuion a bien éé enregisrée. - Du poin de vue echnique La gesion du parc de vélos es rendue possible grâce à l élecronique embarquée à leur bord, (qui réalise des foncions dédiées à la communicaion avec les différenes bornes), au sockage d informaions, ainsi qu à la gesion de l énergie produie e consommée pendan la course. Nous décrivons ci-après les mécanismes de dialogue enre les différens élémens composan le sysème : La borne es reliée aux différens poins d accroche par 4 liaisons RS485 mulipoins, chacune d enre elles pouvan assurer la liaison avec 10 poins d accroche (une saion peu donc accueillir jusqu à 40 vélos). Chaque poin d accroche compore une care à microprocesseur incluan une saion de base RFID capable de dialoguer avec un ranspondeur se rouvan sur le vélo par liaison radiofréquence. Le vélo compore quan à lui deux cares élecroniques : la première, siuée au niveau du guidon, comprend un microconrôleur 16 bis assuran la gesion de l esseniel des foncions élecroniques réalisées. Nous l appellerons par la suie «care CPU vélo». Un boîier siué à haueur du verrou du poin d aache renferme la seconde care sur laquelle se rouven le ranspondeur e le microconrôleur associé («care ranspondeur»). Ces deux cares communiquen par liaison série asynchrone RS232. Lors du rerai du vélo : La borne envoie au vélo (via les liaisons RS485 e RFID) les informaions suivanes, qui seron sockées dans l EEPROM du ranspondeur : - idenifian clien - numéro de borne - numéro de poin d aache - heure de dépar Les poins d aache son équipés de deux capeurs inducifs permean de déecer l arrivée ou le dépar d un vélo. 4
Capeur croche Capeur palee Lors de la libéraion d un vélo, l élecro-aiman remone le croche pendan un emps variable (20s maximum). En reiran le vélo, l uilisaeur provoque la pere de la déecion de la palee siuée sur le vélo. Lors de la resiuion du vélo : A chaque resiuion du vélo es ransmis à la borne le sau du vélo : - éa des foncions essenielles du vélo (baerie, éclairage, coninuié dynamo), avec impossibilié d uiliser un vélo lorsqu une défaillance d un de ces composans es avérée - informaions permean la gesion des foncions saisiques (heure, durée d uilisaion, kilomérage parcouru, ec.). Ce compe-rendu es ensuie ransféré de la borne vers le serveur principal. Ce dialogue permanen perme une réacivié opimale e assure le conrôle du parc, noammen grâce au logiciel de supervision KIWI (Kiosc Wireless Inerne), programme muli villes e muli services permean le suivi des vélos, mais égalemen de panneaux d affichages e bornes ineracives JC Decaux. Des équipes de mainenance surveillen e enreiennen le parc de vélos (répariion des vélos enre les différenes saions, réparaion des vélos déériorés, mises à jour du logiciel de l élecronique embarquée sur le vélo, ec.). KIWI conrôle le aux d occupaion des saions e envoie des aleres au Module de Collece d Alarmes e de Mainenance MCAM (module de surveillance exerne e de gesion d asreines conacan le personnel de mainenance par courriel e par SMS). 5
SGBD (SQL server) SGBD (SQL server) Baerie Dynamo Représenaion schémaique de l archiecure du sysème CYCLOCITY Liaison au serveur KIWI MCAM Buzzer Module de communicaion Serveur CB 2 VPN SERVEUR VELO Réseau Bouygues Télécom Modem GPRS Terminal de Payemen Auomae (relié à un serveur monéique) Imprimane (reçu) PC indusriel sous Windows XP Ecran acile 10.4 pouces Têe de lecure RFID 13.56 MHz (leceur vélo V) Disribueur de cares d uilisaion emporaire (Leceur/disribueur de cares) BORNE Care CPU vélo (implanée au niveau du guidon) Microconrôleur 16 bis Feu AV Feu AR1 Feu AR2 (sop) Capeur déecion croche Liaison RS485 mulipoins Capeur déecion palee POINT D ACCROCHE Vers aure poin d accroche Liaison RS232 Microconrôleur 8 bis Transpondeur (125 khz) Care ranspondeur - Ensemble moulé dans un boîier siué au niveau du verrou Liaison RFID 125 khz Energie Données Microconrôleur Saion de base RFID Elecroaiman (déclenchemen du mouvemen du croche) Bouon poussoir (libéraion vélo) 6 6
AI1-6.1 QUESTIONNEMENT Ce suje compore 6 paries indépendanes : 1. Eude des suppors de communicaion... 2 2. Mesure de la viesse du vélo... 2 3. Sockage dans la mémoire I²C (Circui U21, M24C64) e resiuion des données sockées.... 3 4. Régulaion du couran dans les phares... 5 5. Alimenaion de la care CPU vélo e gesion de la baerie... 6 6. Eude de la liaison RFID enre le vélo e poin d aache... 10 1 C
1. Eude des suppors de communicaion 1.1. Donner les élémens permean de jusifier les choix echnologiques des différens moyens de communicaion reenus (RS-232 pour la liaison enre la care CPU vélo e la care ranspondeur, RFID pour la liaison vélo-poin d accroche, RS-485 pour la liaison poin d accroche-borne, GPRS pour la liaison borne/serveur). Vous pourrez argumener vore réponse en comparan à d aures echnologies concurrenes qui auraien pu êre reenues. liaison RS485 mulipoins enre les poins d aaches e la borne 1.2. Que doi-on spécifier au niveau du forma des échanges dans le cas d une liaison RS485? 1.3. Donner le principe e la limie du conrôle d erreur par bi de parié. 1.4. Expliquer pourquoi le choix de la liaison RS485 rend l usage du bus CAN impossible au niveau de la couche physique. 1.5. Proposer un mécanisme de parage d accès au suppor adapé à l applicaion. Liaison avec le serveur 1.6. Expliquer le concep de Réseau Privé Viruel VPN (Virual Privae Nework) e en décrire le foncionnemen. 1.7. Quelle évoluion echnologique représene le GPRS par rappor au GSM? 1.8. Le serveur lance un hread dédié à la communicaion avec chaque borne. Expliquer la noion de hread. 1.9. Illusrer à l aide d un exemple pédagogique le problème des accès concurrens à une ressource paragée. Quels mécanismes peuven êre mis en place afin d y remédier? 2. Mesure de la viesse du vélo La mesure de viesse es effecuée à parir du signal produi par la dynamo, en déerminan la fréquence du signal VITM16 (care CPU Vélo, page 4/4) à l aide du microconrôleur IC1 (care CPU Vélo, page 3/4). VITM16 es obenu à parir du signal VIT (care CPU Vélo, page 2/4). Les labels DYNA1 e DYNA2 idenifien les bornes de la dynamo. Cee dernière es une générarice synchrone possédan 14 paires de pôles. On pose V DYNA =DYNA1-DYNA2. Cee ension peu êre considérée comme sinusoïdale, e l on a VDYNAeff 6Vpour V=10km/h. 2.1. Donner l allure du signal V U44-2 (broche 2 du circui U44). 2.2. Quels son les rôles de l inverseur CMOS U44 (care CPU Vélo page 2/4) e de la pore AND U43(care CPU Vélo page 4/4)? 2
2.3. Déerminer la ension V DYNA minimale pour que la mise en roue du vélo puisse êre déecée, compe enu des données suivanes e des documenaions consruceurs fournies en annexe. - V IH = 2.8 V (inverseur CMOS U44) - V F =1.13V (ension direce de la LED émerice de l opocoupleur IL300 (U16). - V D =0.7 V (ension direce de la diode D20). En déduire la viesse minimum mesurable. Acivié pédagogique sur la mesure de fréquence d un signal Cee acivié pédagogique s adresse à des éudians de BTS SE, de BTS IRIS ou d IUT GEII. Il s agi d illusrer le principe de la mesure de fréquence sur l exemple de la mesure de viesse d un vélo à parir du signal produi par sa dynamo. 2.4. Présener les deux sraégies de compage classiquemen uilisées, en caracérisan leur précision. Laquelle semble la mieux adapée, compe-enu de l applicaion? 2.5. Liser les données à collecer sur le sysème pour fournir un cahier des charges exhausif aux éudians. 2.6. Elaborer une séquence pédagogique (cours, TP, synhèse) permean d aborder la mesure de viesse, fréquence Vous donnerez la lise complèe du maériel uilisé ainsi qu un descripif des quesions e des réponses. 3. Sockage dans la mémoire I²C (Care CPU Vélo page 3/4, Circui U21, M24C64) e resiuion des données sockées. Nous nous inéressons dans ce qui sui au sockage e à la resiuion des dae e heure de dépar. Cee informaion es représenée par un enier codé sur 32 bis au forma Unix (nombre de secondes écoulées depuis le 1 er janvier 1970). 3.1. Combien d oces conien le circui M24C64? Préciser le nombre de bis nécessaires à l adressage du conenu de la mémoire. 3.2. Quels son les avanages e inconvéniens des mémoires à inerface série de ype I²C? 3.3. Donner l adresse de l EEPROM sur le bus I²C. Préciser le rôle des broches E0, E1 e E2. 3.4. Quel es le rôle des résisances R76 e R77? Quels son les crières de dimensionnemen généralemen reenus pour ces résisances? 3.5. Quel es le rôle de la broche WC? Commen es-elle uilisée ici? 3.6. Décrire les condiions de débu (START) e de fin (STOP) des ransfers. Préciser égalemen les condiions de changemen d éa e de validié des données. 3.7. Décrire la rame I²C correspondan au sockage de la dae suivane à l adresse 0CH de la mémoire : 4 mars 2008 à 8h (soi 47CD0180H). Les oces son sockés en mémoire dans l ordre big-endian : l oce de poids le plus for socké à l adresse mémoire la plus basse. Un ableau de la 3
4. Régulaion du couran dans les phares La commande des différens phares du vélo es assurée par la care CPU Vélo, page 2/4. Les labels «led-phare1» e «led-feu» désignen respecivemen le phare avan (LED de puissance blanche) e le feu de posiion siué sur le garde-boue arrière (LED rouge). Chacune de ces diodes es connecée enre Valim e le drain d un ransisor MOSFET à canal N (M2 ou M8) : Valim led-phare1 M2 La commande des ransisors M4, Q4, M10 e Q6 foncionnan en commuaion es assurée par les signaux PHARE1 e FEU, en provenance du CPU vélo. Il s agi de signaux en modulaion de largeur d impulsion (MLI), de fréquence 100 Hz. 4.1. Préciser l éa des ransisors M4 e Q4 en foncion du niveau logique du signal PHARE1. Eude de l alimenaion du phare 1 lorsque M4 es fermé 4.2. Quel es le composan assuran la mesure du couran dans la LED? 4.3. Monrer qualiaivemen que le circui réalisé auour de U1A perme la régulaion du couran dans la LED 4.4. Quel es le régime de foncionnemen du ransisor M2? 4.5. Calculer la valeur du couran dans la LED, noé Imax_phare1. 4.6. Quels son les composans assuran la déecion d un circui ouver, indiquan un défau de foncionnemen du phare? Eude du couran moyen dans les LED phare1 e feu 4.7. Exprimer le couran moyen dans la LED phare1, noé Imoy_phare1, en foncion du rappor cyclique 1 du signal PHARE1 e de Imax_phare1. 4.8. On souhaie ajuser les courans Imoy_phare1 e Imoy_feu à 100 ma e à 15 ma respecivemen. En déduire les valeurs des rappors cycliques 1 du signal PHARE1 e 2 du signal FEU. 4.9. Donner quelques crières de choix de la fréquence de découpage des signaux MLI. 5
5. Alimenaion de la care CPU vélo e gesion de la baerie (care CPU Vélo, page 1/4) a) Régulaion de la ension produie par la dynamo Le converisseur SEPIC (Single-Ended Primary Inducance Converer) réalisé auour du circui LT1308 peu êre schémaisé de façon simplifiée comme sui : i L3 L3 C1 i C1 i D4 D4 V IN V isw L3 V C1 SW VL4 L4 V D4 i C C = C4//C9//C8 V OUT i OUT Charge i L4 ON OFF Ts Réroacion Figure 1. SW es un commuaeur saique piloé par un signal recangulaire de rappor cyclique e de période Ts. Ce converisseur perme de mainenir la ension de sorie V OUT consane en dépi des variaions de la ension d enrée V IN e du couran de sorie I OUT. La régulaion de V OUT es assurée par une boucle de reour mean en jeu le circui LT1308. Eude en boucle ouvere Dans ce qui sui, nous négligerons l ondulaion de la ension aux bornes des condensaeurs e nous ferons l hypohèse d un foncionnemen en conducion coninue. Nous ne iendrons pas compe des peres dues à la chue de ension aux bornes de SW à l éa passan ainsi qu à la chue de ension direce aux bornes de la diode D4. Les courans minimum e maximum dans les inducances L3 e L4 seron respecivemen noés I L3MIN, I L3MAX, I L4MIN e I L4MAX. 5.1. Donner la valeur moyenne des ensionsvl3 e VL4. En déduire l expression de la valeur moyenne de la ension VC1. 5.2. Pour apparenan à l inervalle de conducion du commuaeur SW, exprimer : I L3MAX = f(i L3MIN, V IN, L3,, Ts) I L4MAX = f(i L4MIN, V IN, L4,, Ts) 5.3. Pour apparenan à l inervalle de blocage du commuaeur SW, exprimer : I L3MAX = f(i L3MIN, V OUT, L3,, Ts) I L4MAX = f(i L4MIN, V OUT, L4,, Ts) 5.4. Exprimer V OUT = f(v IN, ) 6
5.5. Compléer les chronogrammes des ensions e courans sur le documen réponse DR1 pour = 0.4, = 0.6 e V IN =5V. Préciser les valeurs remarquables. 5.6. Quel es l avanage de la opologie SEPIC sur un converisseur de ype abaisseur ou élévaeur? Jusifier son emploi dans le cadre de l applicaion. Eude en boucle fermée La srucure inerne du circui LT1308a es déaillée sur la figure 2a de la documenaion consruceur. Afin d en facilier l exploiaion, nous baserons dans un premier emps nore éude sur le schéma simplifié de la Figure 2, sur lequel le généraeur de rampe n es pas représené (ce dernier assuran la sabilié du sysème lorsque le rappor cyclique excède 0.5). La commande réalisée consise à conrôler la valeur maximale du couran i SW parcouran le ransisor Q3. Figure 2. 5.7. Donner la relaion enre le couran maximal dans le ransisor Q3 (que nous noerons I SWmax ) e la ension Vc disponible sur la broche 1 du circui. Dans ce qui sui, nous nous placerons dans le cas où le ransisor Q11 es bloqué (care CPU vélo, page 1/4), ce qui revien à considérer que seul le circui série consiué de R14 e C13 es ainsi connecé sur la broche 1. Le comporemen dynamique du sysème peu êre éudié en linéarisan les équaions auour d un poin de foncionnemen. Cee méhode nous permerai d obenir H(p) Vou(p). ISW max(p) 5.8. Compléer le schéma bloc figuran sur le documen réponse DR2. FB* désigne la consigne de ension de cee régulaion. Relever dans la documenaion consruceur les valeurs des V consanes diff I e err. * FB FB Vdiff 5.9. Quel ype de correcion es ainsi effecué? 5.10. En déduire la relaion lian I1 e I2 en régime permanen. 7
On s inéresse désormais à la srucure mise en œuvre pour mesurer l erreur enre la sorie obenue e la consigne. Sur la Figure 2, Q2 es consiué de 10 ransisors ideniques en parallèle. Nous rappelons que le couran colleceur d un ransisor NPN s exprime de la manière suivane : VBE V I T c Is exp. Le couran de sauraion Is es le même pour l ensemble des ransisors inégrés. KT V T avec : q K=1.38.10-23 J/K (consane de Bolzmann) q=1.6.10-19 C T : empéraure en degrés Kelvin (K) 5.11. D après la documenaion consruceur, le monage réalisé auour des ransisors Q1 e Q2 es appelé «bandgap». Expliquer l inérê d une elle srucure en cian quelques exemples d applicaions ypiques. 5.12. Donner la relaion VBE VBE2 V BE1 =f (V T, I1, I2) e exprimer I2= f(v BE1,V BE2, R3) en négligean la chue de ension dans R B. 5.13. En déduire la relaion FB=f(R3, R4, K, T, q, VBE1) en régime permanen. Expliquer qualiaivemen pourquoi la ension FB rese sable en dépi d évenuelles variaions de empéraure. 5.14. Sachan que pour une empéraure de 25 C la ension VBE1 es égale à 0.668V, déerminer la ension FB (Feedback Volage) disponible sur la broche 2 du LT1308. Comparer avec la valeur donnée dans la documenaion consruceur. 5.15. Déerminer l expression e la valeur de la ension de sorie régulée V DYN =V OUT 5.16. Quel es le rôle du circui consiué par Q11, R109, R111, C80? Décrire son foncionnemen de manière succince. Quel sera l effe percepible par l uilisaeur du vélo? 5.17. Compe-enu de la fréquence de découpage, expliquer commen l ondulaion de la ension de sorie es liée à la echnologie des condensaeurs employés. b) Gesion de l alimenaion de la care CPU vélo (care CPU vélo, pages 1/4 e 4/4) Le diagramme d éa décrivan la gesion des différens modes d alimenaion de la care CPU vélo es donné ci-après. Les zones délimiées par un rai poinillé (A, B e C) fon l obje de quesions auxquelles le candida sera invié à répondre dans cee parie. La synaxe uilisée es brièvemen décrie ci-après : Evènemen E déclencheur / acion A Ea 1 Ea 2 En réponse à un événemen E, le sysème se rouvan dans l éa 1 passe dans l éa 2. L acion A es alors accomplie. 8
1 Valim = 0 Consommaion nulle. Vélo à l arrê A / ou START = 1 C Inerrupion horloge emps réel au bou de 2mn / 2 Vélo en cours d uilisaion DEM=1 /déprogrammaion l inerrupion RTC de Déecion arrê du vélo /déclenchemen imer 1 30 B /arrê imer 4 Mode basse consommaion (vélo à l arrê depuis plus de 1 30 e moins de 3 30 Figure 3. 3 Vélo à l arrê depuis moins de 1 30 Fin de empo 1 30 /Programmaion de l horloge emps réel (RTC) pour demande d inerrupion au bou de 2 mn Remarque : Nous nous inéressons à un cycle d uilisaion «normal» du vélo. Aussi, ce diagramme ne ien pas compe de la possibilié offere à l équipe de mainenance de réveiller le CPU vélo par le biais de l uilisaion d un chargeur exerne de baerie (CNVSS sera donc oujours à 0). Dans l éa iniial (éa 1), les signaux WAKEUP, NGAP, CNVSS e START son à 0. Le signal TST_DYN es égalemen à 0 (signal uilisé lors de ess de coninuié de la dynamo). Les nœuds DYNA1 e DYNA2 fon référence aux bornes de la dynamo. Le vélo es équipé d une baerie Lihium polymère don la ension en foncionnemen peu varier enre 2.6 e 4.05V, connecée aux bornes Wago J5 e J6. 5.18. Compléer le documen-réponse DR3 en indiquan dans les cadres représenés en poinillés les références des circuis inégrés correspondan aux différens converisseurs associés. Indiquer dans les cadres représenés en rai plein les composans permean la réalisaion des foncions associées. 5.19. Dans l éa 1, que vau la ension appliquée sur la broche 1 du circui U8 (LTC3441)? Expliquer pourquoi le microconrôleur IC1 n es pas alimené. 5.20. Quelle es la foncion réalisée par les diodes D6 à D9 e la résisance R13? Le circui U28B es câblé en monosable. 9
5.21. Expliquer commen le démarrage du vélo se radui par une impulsion sur START (care CPU vélo, page 4/4). Monrer que cela a pour effe le «réveil» du CPU vélo. 5.22. L impulsion générée par le monosable ayan une durée limiée, quelle acion doi êre réalisée par le programme du microconrôleur pour permere le mainien de son alimenaion? 5.23. Monrer que lorsque le vélo roule à une viesse suffisane, l énergie es prélevée sur la dynamo pluô que sur la baerie. Au cours de l emprun d un vélo, lorsque celui-ci es à l arrê depuis 1min30s, le microconrôleur IC1 passe en mode «basse consommaion» e programme l horloge emps réel I²C (U20) pour qu elle génère une inerrupion au bou de 2min. Si le vélo ne redémarre pas dans ce laps de emps (signal DEM à 1), cee inerrupion a pour effe la coupure complèe de l alimenaion de la care CPU vélo (reour à l éa 1). 5.24. Expliquer pourquoi le microconrôleur uilise le signal DEM, e non pas le signal START, pour déecer le fai que le vélo redémarre après un arrê d une durée inférieure à 3min30s. 5.25. Dans les microconrôleurs possédan différens mode de consommaion, quel es le principe uilisé pour permere la réducion de cee dernière? 5.26. En cas de défaillance de la borne sur laquelle le vélo es resiué, la durée de la course doi pouvoir êre évaluée, afin de débier le compe de l usager. C es donc au vélo qu il apparien de déerminer l insan précis de resiuion. L horloge emps réel (U20) permean ce horodaage, jusifier la srucure uilisée pour son alimenaion. 5.27. Lorsque la durée de l arrê dépasse 3min30s, quelle acion doi êre enreprise par le microconrôleur pour assurer la coupure de l alimenaion (Valim)? 5.28. Lorsque le vélo se rouve sur un poin d accroche, le réveil du CPU (déclenché par le circui U8, care CPU vélo 1/4) n es plus assuré par la déecion d une impulsion sur START. Monrer qu il provien de la monée du champ magnéique au niveau de la liaison RFID. 5.29. Compe-enu des réponses aux quesions précédenes, préciser les évènemens e acions à associer aux ransiions A, B e C. 6. Eude de la liaison RFID enre le vélo e poin d aache Un sysème RFID es formé par un élémen fixe (la saion de base) ayan pour foncion d'idenifier plusieurs élémens déporés (appelés ranspondeurs) par l'inermédiaire d'une liaison radio. La liaison uilisée dans le sysème Cyclociy es bidirecionnelle, puisqu elle perme noammen au sysème hôe (ensemble consiué par une borne e un poin d aache) de socker des informaions dans le vélo au momen de l emprun, e de récupérer un compe-rendu de la course lors de sa resiuion. La saion de base se siue donc côé poin d aache, andis que le ranspondeur es embarqué sur le vélo. Les anennes don son pourvus ces deux élémens formen un ransformaeur dans l air. Le ransfer d énergie e de données s effecue à l aide d un champ magnéique produi par la circulaion d un couran alernaif dans l anenne de la saion de base. Il en résule une variaion de flux magnéique produisan une ension induie aux bornes de l anenne du ranspondeur. Liaison monane (sens saion de base vers ranspondeur) Au niveau de la saion de base, la modulaion d une poreuse carrée à 125 khz à l aide d un signal binaire codé perme la ransmission des commandes e des données au ranspondeur. 10
Données Codage données (Mancheser) Gesion de la communicaion avec la borne Microconrôleur Modulaeur Oscillaeur 125 khz Côé poin d aache Liaison descendane (sens ranspondeur vers saion de base) Ampli Saion de base U2270B Anenne Energie Anenne Redressemen e sabilisaion de la ension capée sur l anenne Demodulaion ASK Transpondeur U3280 Côé vélo Gesion de la communicaion avec le CPU vélo Décodage données Microconrôleur ATMEGA48V Après avoir émis des commandes d inerrogaion, la saion de base passe en mode écoue des données provenan du ranspondeur, en émean de façon permanene la poreuse à 125 khz. Le ranspondeur uilise un procédé appelé réromodulaion pour ransmere de l'informaion vers la saion de base. Ne possédan pas de chaîne d'émission récepion propremen die, il fai varier sa charge au ryhme des données à ransmere, modifian ainsi la consommaion d énergie qu il représene dans le champ magnéique. Cee modificaion es déecée au niveau de la saion de base (à l aide d un circui déeceur d enveloppe). Energie Décodage données Gesion de la communicaion avec la borne Microconrôleur Oscillaeur 125 khz Ampli Filrage, amplificaion, remise en forme Saion de base U2270B Démodulaion Anenne Données Anenne Redressemen e sabilisaion de la ension capée sur l anenne Modulaion ASK de la poreuse reçue Transpondeur U3280 Gesion de la communicaion avec le CPU vélo Codage données Microconrôleur ATMEGA48V Côé poin d aache Côé vélo Les schémas élecroniques des cares sur lesquelles figuren la saion de base e le ranspondeur son donnés dans le dossier «schémas». La ransmission des données binaires issues de la saion de base en direcion du ranspondeur es assurée par modulaion ASK d un signal carré à la fréquence poreuse f 0 égale à 125 khz par un flo binaire encodé au forma Mancheser, de débi f 0 /64. Dans ce ype de codage, les ransiions s effecuen au milieu de l inervalle de emps T b du bi à coder : Codage d un 0 T b Codage d un 1 T b 11
a) Codage e modulaion des données ransmises 6.1. Tracer le chronogramme du signal au forma Mancheser obenu après encodage de la séquence binaire suivane : 1 0 1 1 0 0 1 T b 6.2. Cier un avanage e un inconvénien présenés par le codage Mancheser par rappor au codage NRZ pour la ransmission de données. Dans ce qui sui, on se placera dans le cas où le modulan es un signal carré, de rappor cyclique 50% e de période T b (cas le plus défavorable en ermes d occupaion specrale). 6.3. Le signal de données encodé au forma Mancheser es appliqué sur la broche CFE du circui U2270B. Tracer son allure sur le premier chronogramme du documen réponse DR4 (les niveaux hau e bas seron respecivemen égaux à 5 e 0V). 6.4. En uilisan le schéma bloc figuran en page 3 de la documenaion du circui U2270B, racer sur le documen réponse DR4 les signaux COIL1 e COIL2 (on supposera les niveaux hau e bas sur COIL1 e COIL2 respecivemen égaux à 5 e 0V). Pour rendre ces racés plus explicies, on considérera la fréquence poreuse égale à 4 fois le débi binaire (au lieu de 64). La care «RFID poin d aache» monre que l éage d aaque de l anenne de la saion de base es consiué par une srucure en pon, que l on peu schémaiser, en simplifian, de la manière suivane : 9V 9V COM1 U DRV COM2 COM2 COM1 avec COM1 COIL1 e COM2 COIL2 6.5. En uilisan les résulas précédens, racer sur le documen DR4 la ension U DRV aux bornes du circui RLC. La ension U DRV peu s écrire UDRV u b() u p() a (en vols), u b () e u p () carrés représenés ci-après : éan les signaux 12
u b () (V) u p () (V) 1 0 18 0 T b T 0 =1/f 0 6.6. Quelle es la valeur de la consane a? 6.7. Donner l expression de la décomposiion en série de Fourier des signaux u b () e u p (). 6.8. En déduire l allure du specre du signal U DRV () (en précisan ceraines fréquences e ampliudes significaives). Idenifier la parie uile du specre. b) Eude préliminaire de la saion de base I R 1 L 1 C 1 U DRV Figure 4. 6.9. Donner l expression de l impédance Z du circui RLC, que l on mera sous la forme : Z R 0 1 1 jq1. Explicier la pulsaion de résonance 0 e le coefficien de qualié Q 1 0 en foncion de R 1, L 1 e C 1. Nous nous inéressons à la producion du couran dans l anenne, ce dernier éan à l origine du champ magnéique nécessaire au foncionnemen de la liaison RFID. 6.10. Donner l expression de la foncion de ransfer F(j) I U DRV 6.11. Monrer qu il s agi d un comporemen de ype passe-bande que l on caracérisera en précisan la fréquence cenrale ainsi que la bande passane à -3 db (qui sera exprimée en foncion de Q 1 ). Quelle doi êre la valeur de la fréquence d accord de ce circui? 6.12. Quelle doi êre la relaion enre la bande passane minimale BW min du circui accordé e le débi binaire D pour permere une ransmission sans pere d informaion? En déduire la valeur de BW min. 6.13. En déduire la valeur maximale du faceur de qualié Q 1max de l anenne. 13
Afin d évaluer le champ magnéique produi, nous considérons à présen la siuaion dans laquelle la saion de base se conene d assurer le ransfer d énergie vers le ranspondeur (absence de modulaion). Le signal U DRV es donc un signal carré de fréquence f 0 : U DRV () V DRV -V DRV T 0 =1/f 0 6.14. Donner la relaion lian l ampliude du fondamenal du couran I 1 circulan dans l enroulemen de l anenne (que l on noera I 1F ) e l ampliude crêe V DRV du signal U DRV (). 6.15. es la rélucance qui lie L 1 e le nombre de spires N 1 de l anenne par la relaion : 2 N L 1 1. Quels son les paramères don dépend? Exprimer le faceur de qualié Q 1 en foncion de N 1, V DRV, I 1F e. 6.16. Monrer que le choix de la valeur de Q 1 résule d un compromis enre champ magnéique produi e débi de la liaison RFID. Le dimensionnemen de l anenne de la saion de base implique la connaissance du champ magnéique minimum nécessaire à la éléalimenaion du ranspondeur, que nous nous proposons de déerminer dans ce qui sui. c) Dimensionnemen de l anenne du ranspondeur Modèle équivalen de l anenne placée dans le champ R 2 C R T V L 2 V 20 Les noaions suivanes seron uilisées dans la suie du problème : V 20 : ension induie à vide aux bornes de l anenne L 2 : inducance de l anenne du ranspondeur N 2 : nombre de spires R 2 : résisance de l anenne du ranspondeur C : capacié d accord + capacié parasie de L 2 + capacié parasie d enrée du circui U3280 R : résisance d enrée du circui U3280 (= 43 k) B : champ produi par la saion de base au niveau de l anenne du ranspondeur 14
: résisivié du cuivre = 1.724.10-8.m (à 20 C) Les dimensions de l anenne recangulaire son spécifiées ci-après : - Longueur moyenne d une spire : lg 2Ll - Surface de l anenne : S2 Ll - Secion du bobinage : Whe - Coefficien de remplissage (ou de foisonnemen) : K b =0.35 L=25mm, l=15mm, e=5mm, h=5mm La valeur de L 2 es donnée par la formule : 2 4 0,0276(L l 2h) 10 2 2 L2 N2 ALN2 (H). Toues les dimensions son données en m. 1,908(L l 2h) 9e 10 h La secion du fil de cuivre (hors isolan) uilisé pour réaliser l anenne en foncion du nombre de spires W.K N 2 s obien par : b (nous supposerons pour simplifier que K b ne dépend pas de la secion du fil N2 uilisé). 6.17. Donner la relaion V 20 =f(n 2, S 2, B ) 6.18. Donner l expression des foncions de ransfer V (p) V e (p) en foncion de R, R 2, L 2 e V20(p) B (p) C. 6.19. V La foncion de ransfer (p) fai apparaîre un comporemen de ype passe-bande. B (p) Donner l expression de la pulsaion cenrale 0 e monrer qu à 0 nous obenons : NSB(j 2 2 0) V(j 0). L2 RC 2 R 6.20. 2 Monrer que la résisance R 2 peu se mere sous la forme : R2 RL N2. Exprimer R L en foncion de, l g, W e K b e faire l applicaion numérique. 1 6.21. En prenan 0, exprimer C en foncion de N 2, A L e 0 puis monrer que l on a : LC 2 N2S2 B (j0) V (j0) AL 2 R N L 2 2 R 0AL 15
6.22. Monrer qu il exise une valeur opimale de N 2, maximisan la ension V pour une ampliude de champ donnée. Faire l applicaion numérique. 6.23. En déduire les valeurs de L 2, R 2 e C. 6.24. Quelle es alors la bande passane à -3dB du ranspondeur, de foncion de ransfer V (j )? Comparer avec le résula obenu à la quesion 6.12 e conclure. B (j) Nous prendrons par la suie pour le coefficien de qualié Q 2 du ranspondeur la valeur de Q 1max calculée à la quesion 6.13. 6.25. Exprimer Q 2 en foncion de N 2, R L, A L e 0. En déduire la valeur de N 2. 6.26. En déduire les nouvelles valeurs de L 2, R 2 e C. Cee dernière valeur es-elle cohérene avec celles des composans correspondan sur la care «ranspondeur»? 6.27. La ension V minimale permean d assurer la éléalimenaion du ranspondeur vau 2.9V. En déduire la valeur minimale de l inducion B. d) Dimensionnemen de l anenne de la saion de base L anenne de la saion de base es de forme circulaire, de rayon a=21 mm. La valeur de l inducance 4 2 0,31.10 a 2 es donnée par la relaion : L1 N1. Nous prendrons b = 5 mm e h = 5mm 6a 9h 10b En l absence de modulaion, le champ magnéique produi par l anenne de la saion de base à une disance d sur son axe es donné par la relaion : 2 a B(d,a) 0 N 3 11F I 2 2 2 2a d Afin de garanir l obenion d un champ suffisan au niveau du ranspondeur (du fai des olérances mécaniques, la disance e les posiions relaives des bobines peuven varier), nous prendrons dans ce qui sui B =39 T > B min 16
6.28. Sachan que la disance séparan les deux anennes es de 5cm e que R 1 (voir Figure 4) vau 90, calculer la valeur de N 1. 6.29. En déduire les valeurs de L 1 e C 1. 6.30. La valeur de C 1 obenue es-elle cohérene avec les données disponibles sur le schéma de la care «saion de base»? Quels son les élémens ayan un impac sur la valeur de R 1? Acivié pédagogique sur la ransmission RFID 6.31. A parir d une applicaion uilisan les ransmissions RFID, idenifier les apprenissages (cogniifs ou méhodologiques) qui peuven êre abordés en classe pour un niveau que vous aurez précisé, puis, vous développerez une séquence pédagogique (cours, TD, TP, synhèse) permean l acquisiion de l un de ces apprenissages. Vous prendrez appui par exemple sur le ranspondeur TK5530 (complèemen inégré) e vous donnerez la lise complèe du maériel uilisé ainsi qu un descripif des quesions e des réponses. e) Eude de l alimenaion (care ranspondeur) La liaison RFID rend possible la communicaion enre le vélo e le poin d aache en cas de défaillance de la baerie, ce qui perme noammen la récupéraion des informaions sockées dans le ranspondeur par la borne dans ce dernier cas de figure. Aussi, le circui ranspondeur U3280 es alimené par le champ lorsque celui-ci es déecé, ou par la baerie dans le cas conraire. 6.32. Duran la communicaion enre vélo e poin d aache, sous quelle ension es alimené le microconrôleur ATMEGA48V (préciser sa valeur)? Commen cee ension es-elle générée? 6.33. La consommaion du circui ATMEGA 48V éan esimée à 2 ma, quelle doi-êre la valeur de la capacié C B uilisée pour sabiliser cee ension si l on olère une ondulaion de 100 mv? Quelle es sa référence e sa valeur sur le schéma de la care «ranspondeur»? 17
NE RIEN ÉCRIRE DANS CE CADRE NE RIEN ÉCRIRE DANS CE CADRE MINISTÈRE DE L ÉDUCATION NATIONALE Académie : Session : Concours : Spécialié/opion : Repère de l épreuve : Iniulé de l épreuve : NOM : (en majuscules, suivi s il y a lieu, du nom d épouse) Prénoms : N du candida (le numéro es celui qui figure sur la convocaion ou la lise d appel) Données 1 Documen-réponse DR4 1 1 V IN Documen-réponse DR1 = 0.4 = 0.6 V IN AI1-6.1 T b 5 Ts 5 Ts CFE I L3 I L3 COIL2 Ts Ts I C1 I C1 COIL1 Ts Ts U DRV V C1 V C1 Ts Ts Oscillaeur I D4 I D4 Ts Ts V OUT V OUT Ts Ts D
NE RIEN ÉCRIRE DANS CE CADRE NE RIEN ÉCRIRE DANS CE CADRE Documen-réponse DR2 FB * +_ FB V diff I err V c I SWmax V OUT H(p) Documen-réponse DR3 VDYN VBAT 3.3 V TP1 Baerie Converisseur 1 Converisseur 2 Converisseur 3 Converisseur 4 Dynamo (Machine synchrone 14 paires de pôles) Valim Commuaion Baerie / Dynamo Converisseur 5