PROPOSITION D UNE FORMATION CONTINUE POUR LES PERSONNELS DES ETABLISSEMENTS D ENSEIGNEMENT SUPERIEUR Mise en œuvre rapide de chaînes d acquisition / transmission du signal à l aide d un système «on chip» configurable. EXPERIENCE ACQUISE A TELECOM SAINT ETIENNE: Depuis quelques années, les enseignants en électronique de Télécom Saint Etienne utilisent le PSoC (Programming System On Chip) de Cypress comme support du cours. Ce composant intègre sur la même puce des circuits analogiques, numériques et un microcontrôleur. Le logiciel accompagnant le composant permet la mise en œuvre rapide des différents blocs. On peut donc, avec peu d investissement matériel, faire des mesures sur les amplificateurs, les filtres, les convertisseurs (analogique / numérique ou numérique /analogique), les portes, l affichage, les bus de communication série les plus courants (RS232, I2C, SPI ). Pour permettre une utilisation simplifiée, nous avons élaboré notre propre carte de développement. Equipée de connecteurs d entrées sorties, elle permet de faire rapidement des mesures et de tester des applications. Sous notre autorité, un site internet en français a été crée avec l URL http://psoczone.com/index.php. On y trouve des informations, de la documentation, pas mal d exemples didactiques ainsi qu un forum. Dans la documentation, on trouve des projets, preuve que ce composant n est pas uniquement orienté enseignement mais trouve sa place dans beaucoup d applications industrielles. C est cette expérience acquise que nous voudrions faire partager. INTERET DU STAGE : Dans beaucoup de laboratoires, on utilise des capteurs divers pour suivre l évolution d un phénomène physique ou simplement faire une mesure à un instant précis. Ces capteurs peuvent avoir des sorties de type analogique ou numérique (PWM, I2C, SPI, RS ) Chaque capteur doit donc être équipé d un carte électronique adaptée. La particularité du PSoC, c est qu étant reconfigurable, avec une seule carte, on peut mettre en œuvre très rapidement tout type de capteur. On peut aussi déporter ces mesures par bus filaire ou HF et les stocker dans un
petit serveur WEB ou à l aide d une carte linux embarqué (type Armadeus APF27). Le résultat de ces mesures est alors consultable sur Internet. Cette utilisation du PSoC n est pas exhaustive. Il peut servir dans tout système simple nécessitant un traitement du signal. Il ne se substitue pas au FPGA et autre composant à forte intégration numérique mais son atout est qu il intègre à la fois des circuits analogiques et numériques. CONTENU DE LA FORMATION : La formation se déroule sur trois jours pleins : Lundi matin : accueil des participants, prise de contact avec les intervenants de la formation, présentation du déroulement du stage, présentation des locaux. Lundi après-midi : Cette demi-journée se déroule dans une salle banalisée sous forme d un cours magistral. Il s agit d acquérir des informations sur la finalité du composant et la méthode pour le programmer. Les spécificités des circuits PSoC : PSoC TM est l'acronyme (propriété de Cypress) de Programmable System on Chip. Au premier abord, les circuits PSoC sont des microcontrôleurs 8 bits comme il en existe beaucoup, mais en y regardant de plus près ils présentent des particularités significatives. On cherche aujourd'hui à réaliser les systèmes électroniques en utilisant un nombre minimum de circuits. L'utilisation de composants configurables permet en outre le prototypage rapide de systèmes complexes. La nécessité d'échanger des signaux avec le monde extérieur (traitement des signaux issus de capteurs, commande d'actionneurs), qui, lui, reste analogique, perdure ; ces signaux doivent être amplifiés, filtrés, convertis d'une représentation analogique en une représentation numérique et vice-versa. L'implémentation d'un microcontrôleur dans un SOC mixte analogique / numérique permet la réalisation à faible coût de systèmes embarqués dans un circuit unique. Principales caractéristiques des PSoCs : Des modules utilisateurs pré-configurés permettent d'implémenter dans les PSoCs, grâce à un environnement de développement intégré disponible gratuitement, des fonctions analogiques, numériques ou mixtes telles que : des convertisseurs analogique/numérique (résolution maximale de 14 bits) et numérique/analogique ( résolution maximale de 9 bits) ; des amplificateurs opérationnels et des amplificateurs d'instrumentation, des filtres et des comparateurs programmables ; des compteurs et des timers 8, 16 et 32 bits ; des générateurs de CRC et des générateurs pseudo-aléatoires ; des UARTs supportant les communications RS232 full duplex, des contrôleurs de bus I2C et SPI ; des émetteurs / récepteurs infra rouges IrDA ;
des contrôleurs de cartes SD, minisd, microsd/transflash, MMC, RS- MMC/MMCmobile et MMCplus, permettant d'accéder à 2 Go de fichiers compatibles PC ; des contrôleurs d'afficheurs LCD et 7 segments (modules logiciels) ; un contrôleur de bus USB (version spécifique du PSoC). La fonction des broches d'entrées/sorties (jusqu'à 5 ports 8 bits + 1 port 4 bits)) est paramétrable : entrée et/ou sortie numérique standard (accessible en lecture et/ou en écriture dans l'espace registre du processeur) ; entrée et/ou sortie globale (connectée aux blocs PSoC numériques) ; entrée et/ou sortie analogique. L'environnement de développement intégré (Integrated Development Environment ou IDE) développé par Cypress pour configurer les blocs des circuits PSoC et développer et mettre au point les programmes associés se présente sous la forme d'un logiciel (gratuit) appelé PSoC Designer. Caractéristiques de PSoC Designer : il permet la configuration graphique intuitive des blocs PSoC, du routage interne et des entrées / sorties. Des bibliothèques de Modules Utilisateurs ou User Modules (blocs hardware préconfigurés) fournissent des fonctions diverses (amplificateurs, filtres, Timers, UARTs, interfaces pour bus divers, drivers LCD, CA/N et CN/A, ), pour lesquels des User Modules API (Application Programming Interface) sont fournis et les routines de traitement des interruptions (ISR) sont générées automatiquement. Un compilateur C est disponible. La versatilité des circuits PSoC pour la conception de "Systèmes on Chip" repose en grande partie sur ses blocs à capacités commutées, à partir desquels sont construits un grand nombre des modules analogiques et des convertisseurs A/N et N/A qu'on peut y implanter. Utilisation des circuits PSoC à Télécom Saint Etienne : Nous les utilisons pour les travaux pratiques du premier semestre et au second semestre de la première année TSE (Bac + 3), au cours duquel les étudiants ont à réaliser un projet encadré faisant largement appel à l'électronique. Nous avons trouvé que les circuits PSoC se prêtaient très bien à la réalisation rapide de prototypes de petits systèmes embarqués communicants. Nous les utilisons également en deuxième année dans le cadre d'un cours sur l'acquisition et le traitement du signal. Mardi : mise en œuvre d une chaîne de traitement Cette journée se déroule dans un laboratoire équipé de tout le matériel nécessaire aux mesures sous forme travaux dirigés/travaux pratiques. Chaque stagiaire bénéficie d un poste de travail avec une carte de développement. Toutes les indications fournies sont testées immédiatement sur la carte. Il n y a rien à câbler ; toute l étude se fait sur ordinateur grâce au logiciel PSoC Designer téléchargeable gratuitement sur le site de Cypress. Il suffit ensuite de programmer le composant.
Etude des différents blocs composants la chaîne Il s agit, en fonction du capteur utilisé : a. De calibrer l information fournie en optimisant les niveaux grâce à un amplificateur b. De filtrer éventuellement le signal pour s affranchir du repliement dû à la conversion numérique c. De choisir le convertisseur analogique / numérique en fonction de la précision désirée Transmission et réception de l information par bus série filaire ou RF (type Zigbee) a. L information numérisée est ensuite mise à la norme du bus : RS, I2C, SPI A noter que si le capteur possède son propre convertisseur et délivre l information sur un bus I2C, on peut facilement récupérer la valeur et la transmettre en RS, ou inversement. b. A la réception, si nécessaire, on peut reconvertir la mesure en analogique à l aide d un convertisseur numérique / analogique ou l afficher. Informations disponibles sur Internet par l intermédiaire d un mini serveur WEB ou d une carte linux embarqué (type Armadeus APF27). L information est alors accessible et partagée pour tous les utilisateurs. Mercredi : Cette journée se déroule également en laboratoire. Chaque stagiaire va développer lui-même une application de son choix avec les différents capteurs disponibles. Il peut faire appel aux intervenants en cas de difficultés. Mise en œuvre de différents capteurs : pression, température, accéléromètre Jeudi matin : Intervention d un ingénieur de Cypress sur l évolution future du composant : PSoC3, PSoC5 Nouvelles perspectives, nouvelles applications, accroissement de la vitesse de traitement PUBLIC CONCERNE ET NOMBRE DE PLACES DISPONIBLES: Ce stage s adresse à tous les personnels techniques pouvant intervenir sur des systèmes expérimentaux utilisant des capteurs analogiques ou numériques dédiés à la recherche (agroalimentaire, chimie, électronique, électrotechnique, automatique ) et à l enseignement supérieur. La formation se déroule dans un laboratoire disposant de 16 postes équipés. PRE-REQUIS :
Notion sur la technologie des capacités commutées Notion sur la conversion analogique/numérique et numérique/analogique Savoir utiliser les appareils de mesures de l électronique (générateur de signaux, oscilloscope ) Notion sur le langage C et des commandes linux de base.