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Situation-problème : À partir des fonctions techniques relevant de la fonction générique TRAITER, faire le choix d’un nouveau microcontrôleur.

Pictogramme

Aux élèves des Sciences de l’Ingénieur

de Première

Sur les connaissances des

structures et des principes de

fonctionnement d’un système à

base de microcontrôleur

Activité

de

formation

CI10-I2-A1-DA

Permettre aux élèves d’identifier les différents constituants

matériels de la chaîne d’information et les fonctions

techniques réalisées, lister et caractériser les entrées et les

sorties, de relever les contraintes de compatibilités des

signaux échangés entre la carte µC et les périphériques.

A qui rend-il service ? Sur quoi agit-il ?

Dans quel but ?

Expression du besoin (Intérêt de l’activité)

Support utilisé

Consigne

Lorsque vous rencontrez , énoncez au

professeur vos résultats. Vous devez être

capable d’en faire une rapide description

et de justifier vos choix.

Destructeur d’aiguilles

ACQUERIR les informations

des capteurs

COMMUNIQUER

TRAITER

microcontrôleur Chaîne d’information

Réponse à la situation-problème

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FP1

Ensemble d’injection

de produit

médicamenteux usagé

Corps et poussoir

de la seringue

Aiguille usagée

dans le bol de

récupération

Déroulement de l’activité

Identification des différents constituants matériels de la chaîne d’information et des fonctions

techniques utilisées.

Recensement des entrées et des sorties de la fonction TRAITER.

Caractérisation des entrées et des sorties de la fonction TRAITER.

Analyse de l’organisation fonctionnelle et définition d’un schéma bloc de la fonction TRAITER.

Analyse des contraintes de compatibilité des signaux échangés entre la fonction TRAITER et les

périphériques.

Pictogrammes

Observer Rechercher Internet Décrire Expliquer

Travail demandé

A. Identification des différents constituants matériels et des fonctions techniques

associés à la chaine d’information

Quelles sont les trois fonctions génériques qui constituent la chaîne d’information ?

A partir du développement de la fonction principale FP1 "Traiter une aiguille en toute

sécurité", indiquer sur le diagramme FAST, les fonctions techniques et les constituants

que l’on peut associer à la chaîne d’information.

FP1

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Identifier sur le schéma structurel les constituants de chaque fonction technique, on se

limitera aux fonctions techniques associées à la chaîne d’information.

Convertir

l’énergie

disponible

Exemple

Résistances

Condensateurs

Transistors

Nom

encl

ature

des

com

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sants

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B. Recensement des entrées et des sorties de la fonction TRAITER

La fonction TRAITER est réalisée par un microcontrôleur [IC5]. La communication à partir ou vers les

périphériques extérieurs s’effectue par l’intermédiaire de structures que l’on appelle des ports. On les

distingue généralement par des lettres : A, B, C.... En fonction du format (quartet, octet, mot), ces ports

auront plusieurs broches que l’on note par convention PA0, PA1.....PA7 ou PB0, PB1.....PB7 et qui

représentent respectivement la broche 0 du port A, la broche 1 du port A...... ou la broche 0 du port

B....

Il est possible, par programmation, de définir individuellement le sens de transfert de l’information

(entrée ou sortie) mais aussi la nature de l’information recueillie ou transmise (analogique ou logique).

Dans bien des cas, des fonctionnalités supplémentaire sont possibles telle que la fonction comparateur,

la fonction interruption... rendant la broche plus « intelligente » et permettant ainsi au processeur de se

libérer de certaines tâches.

Le recensement des entrées et des sorties est donc la première étape vers le choix du microcontrôleur.

Circuits intégrés

Diodes

Diode Electroluminescente : LED

Thermistance CTN

Barrière infrarouge

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Sous forme d’un tableau, attribuer à chaque broche du microcontrôleur une fonction qui

explicitera son rôle dans le fonctionnement du système. Vous indiquerez pour chaque

broche s’il s’agit d’une entrée ou d’une sortie.

C. Caractérisation des entrées et des sorties de la fonction TRAITER

On entend par caractérisation la recherche de la nature (analogique, numérique ou logique) de chaque

broche en relation avec les périphériques ainsi que leurs caractéristiques électriques.

Définir un signal analogique, numérique ou logique.

Expliquer ou éventuellement interpréter la nature des broches en relation avec

l’environnement du microcontrôleur.

Rechercher dans la documentation constructeur d’un microcontrôleur (on prendra comme

exemple le PIC 16F688 MICROCHIP) les caractéristiques électriques des différentes

broches et cela en fonction de leur nature définie à la question précédente.

D. Analyse de l’organisation fonctionnelle de la fonction TRAITER

Cette organisation fonctionnelle est donnée par le constructeur du microcontrôleur.

Exemple du

microcontrôleur

PIC 16F688

Mémoire "Programme" de

type Flash

Mémoire RAM

Mémoire

EEPROM

Bus de données

Bus d’adresse

Ports

Bidirectionnels

Module de

transmission

série

2 Timer

Convertisseur

Analogique

Numérique

Comparateurs

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La même broche peut avoir plusieurs fonctionnalités comme l’atteste les informations suivantes :

L’objectif de cette partie est de comprendre l’organisation de la structure interne de la fonction

TRAITER lorsqu’elle est réalisée par un microcontrôleur. Le PIC 16F688 constitue notre support de

recherche, il est représentatif des possibilités offertes par les structures actuelles.

Les documents de référence seront constitués pour l’essentiel du "Data

Sheet" du circuit PIC 16F688 mais également d’un document qui fait

autorité dans le monde des PIC : "La Programmation des PIC" par

Bigonoff.

1. L’architecture

Il existe deux architectures possibles selon que le bus d’instructions et le bus de données sont

séparés ou non. L’architecture HARVARD (bus séparés) à l’opposé de l’architecture VON

NEUMAN (bus commun) permet l’exécution des instructions codées en un seul mot sur 14 bits tout

en manipulant des données d’un format de 8 bits.

Quelle structure vous paraît-elle plus performante en terme de temps d’exécution ?

Quelle est l’architecture du PIC 16F688 ?

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2. Les spécificités et les capacités des mémoires

a. La mémoire PROGRAMME

Le "Compteur Programme" [PC] contient l’adresse de la prochaine instruction à exécuter. Il

possède un format de 13 bits. Au démarrage du microcontrôleur, le contenu du "Compteur

Programme" est initialisé à une adresse contenue à l’adresse 0000h de la mémoire programme. Cet

emplacement mémoire qui contient l’adresse de départ du programme ou firmware est ce que l’on

appelle le Vecteur RESET.

Quelle est la taille maximale de la zone "Mémoire Programme" que peut adresser le

"Compteur Programme" ?

Quelle est en réalité la taille de la zone "Mémoire Programme" du PIC 16F688 ? Donner

l’adresse de départ et l’adresse de fin en code hexadécimal. Quels seront alors les éléments

binaires du "Compteur Programme" qui ne seront pas affectés ?

A chaque adresse, il correspond un mot de 14 bits, justifier l’information donnée par le

constructeur d’un espace mémoire de 4K x 14.

Cet espace mémoire est doté d’une technologie flash (C’est un type E2PROM que nous verrons plus

tard). C’est une mémoire à semi-conducteurs, non volatile et réinscriptible. Ces trois particularités

lui confèrent :

Rapidité, durabilité et faible consommation,

La pérennité des informations mémorisées lors de la mise hors tension,

La possibilité d’être réutilisable par une autre opération d’écriture.

Justifier l’emploi d’une technologie flash pour la "Mémoire Programme" dans le cadre de

notre utilisation.

Quelle est la capacité d’endurance en écriture de ce type de mémoire ?

Pendant combien de temps prévoit-on une parfaite rétention des informations enregistrées ?

b. La mémoire DONNÉES (Données volatiles)

Elle porte l’acronyme R.A.M. pour Random Access Memory (mémoire à accès direct) et se

caractérise par un accès rapide et une volatilité des informations lorsque la mémoire n’est plus

alimentée. Cet espace est donc réservé à la mémorisation des données temporaires.

Quelle est l’organisation de cet espace mémoire ? Vous expliquerez notamment le concept

de bank, le volume mémoire de chaque bank ainsi que l’organisation de leur contenu.

Quelle est la capacité totale de cette zone mémoire ?

Quelle capacité mémoire peut-on utiliser pour sauvegarder des données temporaires ?

Quel pourrait être l’intérêt de ce type de mémoire dans le cadre de l’utilisation du

destructeur d’aiguilles ?

c. La mémoire DONNÉES (Données non volatiles)

Elle porte l’acronyme E.E.P.R.O.M. ou E2PROM pour Electrically-Erasable Programmable

Read-Only Memory (mémoire morte effaçable électriquement et programmable). Elle permet

l’enregistrement d’informations qui doivent rester valide même lorsque l’énergie disparait.

Quelle est la capacité totale de cette zone mémoire ? Décrire son organisation.

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Quelle est son adresse de début et son adresse de fin ?

Vérifier que l’écart entre ces deux adresses correspond à la capacité de la mémoire.

Quel pourrait être l’intérêt de ce type de mémoire dans le cadre de l’utilisation du

destructeur d’aiguilles ?

3. Les périphériques internes

Des fonctionnalités offertes par cette unité de traitement dépendront la souplesse d’utilisation de ce

microcontrôleur. Les technologies actuelles permettent de proposer des microcontrôleurs avec un

grand nombre de périphériques internes dédiés à la communication UART, I2C, SSI... y compris

l’interface USB. Le constructeur propose également de plus en plus souvent un module

d’hibernation pour réduire la consommation en énergie lors des phases de non utilisation, des

procédures de réveil synchronisées sur évènements... Dédiés auparavant à des opérations simples et

relativement lentes, les microcontrôleurs acquièrent maintenant une véritable puissance de calcul.

Dénombrer les principaux périphériques du microcontrôleur PIC 16F688.

Décrire rapidement leur rôle.

Quels sont ceux qui sont en adéquation avec les fonctionnalités recherchées dans le cadre de

l’utilisation du destructeur d’aiguilles ?

E. Analyse de certaines contraintes de compatibilité des signaux échangés

entre le microcontrôleur et les périphériques externes

1. Fonction Technique "Emettre des données sensorielles"

Le mode d’emploi de l’appareil prévoit après connexion de l’appareil au secteur 230V et fermeture

de l’interrupteur général, l’exécution d’un cycle de fermeture / ouverture des lames tandis que le

voyant multifonction est de couleur verte.

Lorsque la seringue est introduite verticalement et que l’embase est en butée, le voyant

multifonction s’allume en rouge et le mécanisme coupe l’embase de l’aiguille.

Ces deux informations, rouge et verte, sont issues d’un ensemble formé de deux diodes

électroluminescentes [DEL (en français) ou LED (light emitting diode)] relié au microcontrôleur

par un port.

Le terme diode désigne un composant formé de deux électrodes, polarisé (une électrode positive :

anode et une électrode négative : cathode). Le passage du courant ne peut s’effectuer que dans un

seul sens.

Il existe sur le marché des DEL de plusieurs couleurs y compris de couleur blanche.

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Sonde

Stoptherme

Thermistance

A chaque couleur, la caractéristique courant-tension est différente.

La tension de seuil correspond à la tension à partir de laquelle des photons commencent à être émis.

Rechercher les valeurs approximatives des tensions de seuil pour les couleurs décrites

précédemment. Consigner ses valeurs dans un tableau dans lequel vous ajouterez les

couleurs ultraviolet et infrarouge (site http://www.led-fr.net)

Les diodes électroluminescentes requièrent une alimentation dont le rôle est de placer un point de

fonctionnement sur la caractéristique de la diode électroluminescente. Cette caractéristique est non

linéaire, une construction graphique est la plus appropriée.

Trois catégories de montage permettent une alimentation de la diode électroluminescente. On peut

les décrire selon trois diagrammes (site http://www.led-fr.net) :

Argumenter chaque solution et indiquer en le justifiant le meilleur choix technique.

Quelle solution est réalisée dans le cadre du destructeur d’aiguilles. Comment peut-on

justifier ce choix ?

En tenant compte du choix des résistances R15, R16 ou R17, montrer que les

caractéristiques électriques des sorties du microcontrôleur PIC 16F688 permettent un

fonctionnement correct des diodes électroluminescentes.

2. Fonction Contrainte "Assurer la protection thermique du moteur électrique"

Il existe plusieurs moyens pour assurer la protection thermique d’un moteur électrique

contre les surcharges consécutives. Citons l’utilisation du relais thermique qui se

déclenche en fonction de la valeur de la surintensité, la sonde "Stoptherme"

placée au cœur du bobinage du moteur dont le fonctionnement repose sur la

déformation d’un disque bimétallique qui fait office de contact et la thermistance,

résistance dont la valeur dépend de la température, mieux adaptée aux petits

moteurs. Cette dernière solution qui a été choisie pour protéger le moteur

électrique du destructeur d’aiguilles.

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Vale

ur

de la r

ésis

tance C

TN

1 Mill

iers

Température en °C

Variation de la résistance en fonction de la température

R

Il existe deux types de thermistance :

- à coefficient négatif [CTN] où la résistance diminue lorsque la température augmente,

- à coefficient positif [CTP] où la résistance augmente lorsque la température augmente.

La représentation ci-dessous donne l’évolution de la valeur de la résistance CTN1 en fonction de la

température. Comme on peut facilement l’observer et le deviner par sa référence, elle a été choisie à

coefficient négatif.

La température limite à détecter est fixée à 52 °C.

Quelle sera la différente de potentiel sur l’entrée du microcontrôleur lorsque la température

du moteur atteindra la limite de température ?

Le microcontrôleur PIC 16F688 a-t-il la possibilité de lire cette information analogique et

d’en faire un traitement numérique ?

Si oui, quel sera le nombre numérique qu’il associera à la température limite ?

F. Réponse à la situation-problème

Vous êtes maintenant en mesure de justifier la possibilité ou non de remplacer l’actuel

microcontrôleur du système le ST62T60 par un microcontrôleur PIC 16F688.

En quelques lignes, proposer un argumentaire permettant de répondre à la situation-

problème.