Résolution de la problèmatique¶

Les problèmes posés¶

Des calculs préliminaires sur certains points du projet montre que la partie acquisition rapide et simultanée de 15 grandeurs physiques est source de difficulté.

Un premier aspect concerne l'acquisition "rapide" : le cahier des charges impose 500 000 échantillons par seconde minimum d’une grandeur physique. Cela implique de transformer une quantité continue en une quantité discrète sur une durée inférieure à 2 µs.

Un deuxième aspect porte sur la simultanéité de la conversion du continu en discret. Il est crucial que chaque acquisition d’une grandeur physique soit faite au même moment. En effet, sans la concordance du temps de chaque grandeur physique, il est difficile de faire les liens entre les variations de chaque grandeur. Pour illustrer ci-dessous, si on a un signal A (en rouge) et un signal B (en bleu). Quand le signal A augmente, B également, et quand A diminue, B diminue aussi. Le premier graphique montre quand il y a concordance du temps, on peut conclure que A et B ont un lien mathématiques. Dans le second graphique, s'il n'y a pas de respect du temps, on ne peut déduire s'il y a un lien entre les signaux A et B.

Un dernier aspect vient après la conversion de 15 grandeurs physiques : il faut mémoriser la valeur obtenue après conversion de chaque grandeur. Cet aspect touche donc une gestion de flux de donné. On rappelle que l'acquisition d'un échantillon se fait tous les 2 µs, cela comporte la conversion de 15 grandeurs physiques et la mémorisation des valeurs obtenues. Le composant de mémoire doit donc stocker la donnée très rapidement.

Solutions envisagées¶

2 solutions sont envisagées pour résoudre le problème exposé précédemment.

Solution 1¶

Un microcontrôleur sera utilisé comme Convertisseur Analogique Numérique (CAN), pour la partie conversion d'un signal continu en un signal discret. Il y a donc 15 CAN, et ces CAN sont reliés par un même fil. Sur ce fil présente un signal top départ, pour lancer la conversion d'un échantillon, et donc assurer la simultanéité. Le fil de top départ est en fait relié à un microcontrôleur dit "maître", et il sera responsable du cadencement de l'échantillonnage.
Une fois qu'un CAN a fini de convertir, il doit envoyer le résultat à un composant de mémoire. À la fin d'une acquisition, le microcontrôleur consulte chaque composant de mémoire pour former un fichier texte et stocke ce fichier dans un autre composant de mémoire plus volumineux.

Cette solution est onéreuse car elle nécessite 15 mémoire tampons, mais ces mémoires facilitent de respecter la contrainte de temps sur l'échantillonnage, voire même une amélioration de la fréquence d'échantillonnage.

Solution 2¶

Cette solution reprend le même schéma que la première solution. La seule chose qui change est qu'il n'y a plus de mémoire tampon. Les CAN envoient directement les données vers le microcontrôleur. Cette méthode requiert un contrôle de flux de donné très précis et très contraignant dans le temps pour respecter l'échantillonnage tous les 2µs.
Cette solution est moins coûteuse par rapport à la première, mais le respect de la fréquence d'échantillonnage peut se révéler difficile

Adaptation en tension¶

L'échantillonnage requiert à son entrée un certain plage de tension, typique de 0 à Vmax. Or, les tensions issus des capteurs ont chacune leur plage de variation. Une partie analogique s'impose pour adapter les tensions issus des capteurs pour être acceptable à l'entrée de la fonction échantillonnage.

Pour répondre à ce problème, un réseau d'amplificateur opérationnel(AOP) avec possibilité de paramétrer l'offset et l'amplification semble être adéquat.

BROUILLION (PIERRE):¶

Echantillonage et conversion analogique numérique¶

Afin de réaliser l’échantillonnage et la conversion analogique numérique à une fréquence d'au moins 500KHZ (une acquisition inférieure ou égale à 2µs), il faut avant tout trouver un composant électronique capable d'échantillonner et convertir les tensions issues des capteurs de mesure à une fréquence aussi soutenue. En effet, cette fréquence d’échantillonnage étant très grande et peu utilisée d'une façon générale, le choix du composant est donc primordiale pour le respect du cahier des charges. De plus, ce convertisseur doit être capable de recevoir un signal électrique permettant de démarrer l'acquisition ainsi que d'un module de communication SPI. Le choix d'un tel composant s'est donc porté sur un microcontrôleur possédant toutes ces caractéristiques. Puisque plusieurs développements sur microcontroleurs microchip ont déjà été réalisés au cours de projets des années précédentes et puisque les outils de dévelopement sur ces microcontroleurs sont déjà connus, le choix concernant le composant éléectronique recherché s'est naturellement porté sur le microcontroleur microchip dsPIC33FJ06GS101A.
Ce composant dit "High_speed PWM and ADC" dispose d'un convertisseur analogique nuémrique dont la fréquence de conversion peut être imposé par le générateur interne de PWM et peut ainsi permettrent de réaliser les conversions à une fréquence réspectant le cahier des charges.

Le nombre de signaux à échantillonner étant de quinze, il est nécessaire d'avoir autant de microcontrôleurs dans le système.

Adaptation en tension¶

En choisisant cette solution, une contrainte intervient. En effet, les capteurs utilisés pour mesurer les grandeurs physiques délivrent à leur sortie des tensions qui ne sont pas acceptées dans la gamme de tension d'entrée des microncontroleurs-convrestisseurs. Pour le microcontroleur-convertisseur choisi, sa gamme de tension d'entrée est comprise entre 0V et 3,3V.. Il est donc nécessaire de réaliser en amont une fonction d'adaptation en tension pour que la gamme de tension en sortie des capteurs s'ajuste à la gamme de tension d'entrée des microcontroleur-convertisseur. De plus, puisque les grandeurs physqieus sont de nature différentes, on utilise des capteurs différents. Et ces capteurs ont tous une plage de tension en sortie différente. Ceci signifie que pour chaque capteur, une adptation en tension doit être réalisée.

Regroupement des données acquises¶

Après que chacun des microcontroleurs-convertisseurs ait convertis les différents echantillons des signaux issus des capteurs, il est important de recueillir ces données afin de les exploiter par la suite. Afin de réaliser cette fonction, un autre microcrontrolleur est placé en aval des quinze microcontroleurs. Ce composant est déstiné à recueillir toutes les conversions des microctroleurs-convertisseurs par liaison SPI afin de les ordonner, chronologiquement et en fonction du capteur d'où proviennet les conversions, puis ensuite, d'envoyer ces données sur un ordinateur capacle de les traiter.

Concordance des temps¶

Le problème de ce fonctionnement est que les microcontroleurs-convertisseurs travaillent à une fréquence bien trop élevé pour que chaque échantillion converti soit directement envoyé au microcontroleur père. Une solution apportée est d'ajouter un module mémoire directement après le micrcontrolleur-convertisseur afin que celui-ci puisse y stocker quelques echantillions avant que le microcontroleur père ne viennt charger ces valeurs. Cette mémoire serait en fait une mémoire de type FIFO où l'écriture de la part du microncontroleur-convertisseur se fait beaucoup plus vite que la lecture per le microcontroleur père. De cette façon, les deux types de convertisseurs pourrait être synchroniser pour ne perdre aucune acquisition.

Choix du microcontroleur père¶

La solution précédente ayant été detérminée, le choix du microcontroleur père peut être fait. En résumé, ce dernier doit remplir les conditions suivantes:

• Posséder au moins un module SPI servant à lire les acquistions dans les boitiers mémoire
• Posséder un module USB afin d'envoyer l'ensemble des résultats recueilli et ordonner à un ordinateur
• Etre capable de supporter l'ajout d'une carte mémoire SD dans laquelle seront stockées ces résultats. En effet, puisque le nombre d'acquisiton est important, la mémoire interne du microcontroleur ne sera pas suffisant pour tout sauvegarder et l'ajout d'une mémoire extérieure est donc indispensable. De plus, l'ensemble des résultats sera transférer à l'ordinateur sous la forme d'un fichier texte (.txt) généré par ce microcontroleur. Il faut donc assez de place mémoire pour stocker ce fichier.

De plus, le choix d'un microcontroleur faisant parti de la même famille que le convertisseur choisi pour la fonction de conversion semble légitime puisque le fonctionnement des deux composants est supposé être similaire. Dans la même famille, un microcontroleur réspectant les conditions citées précedémment et dont le prix est le plus faible possible est le microncrontroleur dsPIC33EP256MU806. Un désavantage de ce microcontroleur est qu'il n'existe aucun package de type traversant. Ce qui signifie que pour le tester, il est nécéssaire de réaliser une carte électronque qui une fois réalisée dans l'atelier de Polytech Clermont-Ferrand permet de dire si ce composant est efficace pour la fonction qu'on veut lui donner. Cela constitue une phase de développement qui aurait pu être évitée si le microcontroleur avait éxisté en type tranversant au lieu de CMS puisqu'il aurait pu être directement sur une plaque de test de l'école.

Solution complète¶

L'ensemble des différents points evoqués ci-dessus peut être résumé par le schéma suivant:

AJOUTER LE SCHÉMA DE LA SOLUTION COMPLÈTE RETENUE