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CONCEPTION ET REALISATION D’UN OBJET ELECTRONIQUEApplication : Relais bluetooth – Balance connectéeDe la conception à la fabricationDépartement GEII de l’IUT de l’IndreEric PERONNIN
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De nombreuses disciplines du DUT GEII en jeu
Gestion de projet
Mathématiques
Electronique Analogique
Electronique Numérique
Informatique
Embarquée
Physique des
capteurs
Anglais
CAO Electronique
Physique des
Capteurs
CarteElectroniqu
e
Aspects relatifs à la Gestion de ProjetDe la conception à la fabricationDépartement GEII de l’IUT de l’IndreEric PERONNIN
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Cahier des charges : critèresConception d’un boitier pilotable à distance permettant de commuter une lampe, peser un objet, mesurer la température ambiante.Critère N°1 : pilotage possible à partir d’un smartphone permettant également d’afficher diverses informations en provenance du boitier.Critère N°2 : offrir une cible aux étudiants de première année. Utilisable durant les séances de TP d’Informatique
Embarquée. Montrant sur un exemple concret l’ensemble des disciplines
mises en jeu pour développer un système électronique.Critère N°3 : faible coût de fabrication. Les composants et le circuit imprimé sont financés par le
département GEII.
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Cahier des charges : critèresCritère N°4 : consommation réduite. Enjeux écologique. Limiter le coût de fonctionnement. Permettre un fonctionnement sur batterie en mode balance
connectée.Critère N°5 : permettre différentes activités de travaux pratiques avec un système de développement simple d’utilisation, des boutons poussoirs et LEDs pour interagir simplement
avec l’utilisateur, un capteur de température, divers capteurs et périphériques via une connectique de type
Grove issue du le monde Arduino.
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Analyse et exploitation du cahier des charges
Deux aspects à considérer La possibilité de piloter une lampe, peser un objet, mesurer
une température. L’utilisation comme cible pour des travaux pratiques.Cas de l’application exploitant un smartphone Boitier autonome et mobile en mode balance connectée
intégration d’un système de communication sans fil compatible avec la majorité des smartphones et de petites exigences énergétiques,
alimentation par piles. Eléments de test :
Au moins un bouton poussoir, 1 LED.
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Analyse et exploitation du cahier des charges
Cible pour les travaux pratiques LEDs et Boutons poussoirs en nombre (3 de chaque
minimum). Ajout :
d’un capteur de température, d’un connecteur de type Grove pour des entrées tout
ou rien, d’un connecteur Grove pour une communication entre
composants ou des entrées analogiques, d’un connecteur de communication (liaison série)
pour la programmation et visualiser des informations envoyées par la carte sur un PC hôte.
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Analyse et exploitation du cahier des charges
Synoptique du système
Système de
contrôle
Capteur de température
Alimentation par bloc secteur USB ou piles
LED 1LED 2LED 3
Relais
Bouton Poussoir 1Bouton Poussoir 2Bouton Poussoir 3
Jauge de contraintesConnecteur
GroveCommunication /
AnalogiqueConnecteur
GroveTout ou Rien
Liaison PCProgrammation
Affichages divers
Liaison
sans fil
Conception Matérielle : orientation informatique embarquéeBoitier multifonctionDépartement GEII de l’IUT de l’IndreEric PERONNIN
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ConceptionChoix permettant de limiter le coût de fabrication. Utilisation d’un microcontrôleur faible coût pour jouer le
rôle du système de contrôle.– Offre pléthorique à entre 0,50€ pièce et 5€ / 1000 .– Programmation aisée dans un langage de haut niveau.– Famille Atmega pour accéder aux bibliothèques Arduino.
Exploitation d’un capteur de température électronique.– Sensibilité réduite vis-à-vis des variations de la tension d’alimentation
et tension d’alimentation minimale inférieure à 2v.» 2 piles AAA ou une pile plate CR2032 :
en début de vie : 3v de tensionen fin de vie : 1.8v
– Très faible consommation.– Mise en œuvre et exploitation aisée.– Précision de +/- 0.2°C en faible coût (0,60€ unité / 1000).– Plage de température de -20°C à +100°C.
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ConceptionChoix du mode d’alimentation. Bloc secteur 220v - 5v pour téléphone portable Batteries ou piles dans le cas de la balance connectée.
– 2 à 3 piles AAA. Solutions rejetées
– Dispositif stockant l’énergie des mouvements.» Les + :
• Bilan écologique.» Les - :
• Coût élevé car technologie propriétaire.• Difficulté de mise en œuvre.
– Piles boutons.» Les + :
• Encombrement limité.» Les - :
• Coût plus élevé que les piles AAA (pour leur remplacement par l’utilisateur final).
• Faible capacité de stockage énergétique Autonomie moindre.
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ConceptionSolutions limitant la consommation. Choix du module de communication sans fil compatible
avec un smartphone : WIFI :
– consommation élevée rédhibitoire en mode balance connectée,– protocole permettant les accusés réceptions.
Bluetooth Low Energy :– portée limitée à un peu plus d’une dizaine de mètres,– consommation inférieure à une vingtaine de milliampères en
fonctionnement. Exploitation des modes de mise en veille des
composants. Mise en fonction pour quelques minutes uniquement
après appui sur un bouton poussoir.
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Conception détaillée du produit finalChoix des composants et bilan en terme d’entrées/sorties sur le microcontrôleur. 1 module Bluetooth 4.0 dit BLE
2 signaux de communication nécessaires. 1 capteur de température analogique
1 signal analogique. 3 boutons poussoirs et 3 LEDs
6 signaux digitaux (tout ou rien). 1 pont de mesure de la tension délivrée par les piles
1 signal analogique. 1 convertisseur Analogique/Numérique dédié à l’instrumentation de jauges
de contrainte3 signaux digitaux pour la configuration et la lecture de l’information
convertie. 1 relais
1 signal numérique partagé avec une sortie LED.
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Conception détaillée du produit final 1 liaison ICSP pour assurer la mise au point des programmes par
un module dédié Atmel ICE. 1 dispositif d’entrée opto-isolée (destination non liée au projet
exposé dans ce document). 1 connecteur I2C
2 signaux digitaux dédiés à l’I2C utilisable également en entrées analogiques.
1 connecteur pour capteur externe 2 signaux digitaux.
1 connecteur pour une liaison série 2 signaux numériques pour la transmission et la réception.
1 microcontrôleur Atmel compatible Arduino : ATmega328p. Un bloc d’alimentation à base de 2 piles AAA ou point de
connexion pour un bloc secteur 5v.
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Conception détaillée du produit finalDessin des composants avec l’outil de CAO électronique empreintes physiques. Exemple avec le microcontrôleur.
Symbole sur le schémaEmpreinte physique en
vue de dessus sur le circuit imprimé
Composant réel
U 1
ATm ega328p
PC IN T0 /C LKO / IC P 1 /P B 014
O C 1A /P C IN T1 /P B 115
SS /O C 1B /PC IN T2 /PB 216
MO S I /O C 2A /PC IN T3 /P B 317
M ISO /P C IN T4 /P B 418
SC K /PC IN T5 /P B 519
PB 6 /XTA L19
PB 7 /XTA L210
PC IN T16 /R XD /P D 02
PC IN T17 /TXD /PD 13
PC IN T18 / IN T0 /PD 24
PC IN T19 /O C 2B / IN T1 /PD 35
PC IN T20 /XC K /T0 /PD 46
PC IN T21 /O C 0B / T1 /PD 511
PC IN T22 /O C 0A / A IN 0 /PD 612
PC IN T23 /A IN 1 /PD 713
AD C 0 /P C IN T8 /PC 023
AD C 1 /P C IN T9 /PC 124
AD C 2 /PC IN T10 /PC 225
AD C 3 /PC IN T11 /PC 326
AD C 4 /SD A /PC IN T1 2 /PC 427
AD C 5 /SC L /PC IN T13 /PC 528
PC 6 /R ES ET1
AVC C20
AR EF21
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Conception détaillée du produit finalDessin du circuit imprimé avec l’outil de CAO correspondant. Importation du schéma.
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Conception détaillée du produit finalDessin du circuit imprimé. Tracé des pistes électriques sur les couches de cuivre.
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Réalisation : fabrication du PCB1
Transmission des fichiers du dessin du circuit imprimé à un fabricant (1,20€ le circuit imprimé pour 50 pièces produites).Le circuit imprimé peut être vu comme un sandwich pour lequel chaque couche est décrite par un fichier (type GERBER étendu) : Couches de sérigraphie représentant les composants et
précisant leurs références (peinture sur le circuit) :
1 : PCB = Printed Circuit Board = Circuit Imprimé
Sérigraphie dessus.Couche SST pour Silk Screen TOP.
Sérigraphie dessous.Couche SSB pour Silk Screen BOT.
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Réalisation : fabrication du PCBCouches de vernis épargne : Protection du cuivre contre l’oxydation. Isolation électrique. Les zones cuivrées non recouvertes de vernis sont
métallisées.
Vernis dessus.Couche SMT pour Solder Mask TOP.
Vernis dessous.Couche SMB pour Solder Mask BOT.
Les pastilles des CMS placés sur le dessus n’apparaissent que sur le dessus.
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Réalisation : fabrication du PCBCouches de cuivre : Présentes sur le dessus et le dessous du PCB. Peuvent exister à l’intérieur du PCB (plus de 16 couches
possibles en interne).
Cuivre dessus.Couche TOP.
Cuivre dessous.Couche BOT.
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Réalisation : fabrication du PCBCouche de contour du PCB Inexistante par défaut sur Orcad (le contour du PCB est
indiqué par un contour fermé sur une couche de cuivre) mais exigé par certains fabricants pour la découpe du circuit.
Contour du circuit imprimé.Couche GKO/GML sur Altium Designer.
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Réalisation : fabrication du PCBCouche de perçage Fichier spécifiant la liste des trous de perçage (position
et diamètre; format Excellon)
Trous de perçage.Couche DRILL sur Orcad.
Fichier : thruhole.tap
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Réalisation : fabrication du PCBCouche de brasure : Permet la fabrication du masque de brasure pour souder
les CMS
Masque de brasure sur le dessus et sur le dessous.Couche SPT pour Solder Paste TOP sur Orcad et SPB en dessous.
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Travail de soudure.Placer le composant.
Le composant.
Le circuit imprimé.
Nettoyer la panne du fer à souder.
Chauffer la broche du composant et la pastille du circuit imprimé.
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La panne du fer à souder.
La broche du composant.
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Travail de soudure.Apporter du fil d’étain progressivement.
Lorsqu’il y a assez d’étain, enlever-le.
Puis enlever le fer à souder la soudure est terminée.
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Le fil d’étain.
Le fil d’étain devient liquide quand sa température atteint 232°C !
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Logiciel du boitier multifonctionsDéveloppement logiciel ? Sans logiciel, le microcontrôleur ne fait rien.
Microcontrôleur = un ordinateur complet dans un unique circuit intégré, utilisé en informatique embarquée.
il faut le programmer !Comment ? Avec des outils de développement semblables à ceux
employés pour créer des applications sur un PC en langage C.
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Environnement de développementEnvironnement Arduino Les + :
Très grand public et donc facile d’accès. Nombreuses bibliothèques développées par une
communauté très active. Les - :
Processus de mise au point restreint.
Fiabilité des bibliothèques et documentation de qualité trèsvariable.
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Environnement de développementEnvironnement Atmel Studio Les + :
Outil professionnel avec de nombreuses possibilités de mise au point, multi-langages ....
Editeur avec coloration syntaxique gérant parfaitement l’indentation, les versions …
Plugin permettant le développement pour les cartes Arduino.
Les - : Plus difficile d’accès.
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Environnement de développementApproche « mixte » : utilisation du logiciel Arduino avec un éditeur de texte performant Intérêts
Disposer de la coloration syntaxique, des saisies prédictives …
Profiter des bibliothèques du monde Arduino avec toutes les réserves déjà évoquées.
Inconvénients Toujours pas professionnel. Mise au point temps réel impossible.
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Logiciel sur le smartphonePlusieurs approches possibles Divers environnements/langages spécifiques pour chaque
cible Java sous Android Studio pour Android. Objective C pour iOS.
Des solutions multiplateformes Apache Cordova et ses dérivés. Microsoft Visual Studio Xamarin.
Solution retenue Apache Cordova reposant sur le développement d’une
application Web. Framework : ionic et AngularJS. Langages : html5 html et Javascript.