62 t e c h n o l o g i e 1 6 1 A v r i l 2 0 0 9 A v r i l 2 0 0 9 t e c h n o l o g i e 1 6 1 6362 t e c h n o l o g i e 1 6 1 A v r i l 2 0 0 9 A v r i l 2 0 0 9 t e c h n o l o g i e 1 6 1 63

Mise en situationLe concours général bac STI GE 2006 était composé d’une épreuve écrite (de 8 heures) et de trois épreuves pratiques (de 4 heures chacune).

La partie développée du système global 1 portait sur la balise Hermès, dont l’organisation fonctionnelle est donnée en 2 , et plus spécifiquement sur la mesure des caractéristiques du vent par le capteur Éole et la maquette associée.

Présentation matérielleLe capteur Éole est à la fois un anémomètre et une girouette. Autrement dit, il mesure le vent en force (vitesse) et en direction. Il est constitué d’une tête de mesure 3 et de deux cartes électroniques, « maquette Éole » et « discriminateur » 4 .

Le principe de la mesure du vent est fondé sur le phénomène de propagation des ultrasons dans l’air. Cette mesure du vent est de type différentiel, ce qui nécessite également, comme expliqué plus loin, une mesure de température.

La tête de mesure porte les transducteurs piézoé-lectriques et un capteur de température. À partir des mesures brutes effectuées sur cette tête, la maquette Éole calcule les grandeurs « vent » et « température », les affiche sur son module LCD et les transmet sur la liaison série.

Cette maquette module également son propre cou-rant de consommation pour permettre au discrimina-teur d’extraire les chaînes de caractères à destination de la liaison série. Cela permet de réduire la connec-tique aux deux seuls fils d’alimentation, avantage cer-tain dans une configuration réelle puisque le capteur est généralement situé en haut d’un mât.

Présentation fonctionnelleLe schéma fonctionnel de 1er degré d’Éole est donné en 5 .

Le déroulement d’une mesure élémentaire (émet-teur vers récepteur) est contrôlé par le séquenceur logique FP2.

Nous vous avons présenté dans le numéro précédent le système « balise Hermès », dont la richesse autorise de nombreuses exploitations pédagogiques. C’était le support choisi pour le sujet de la session 2006 du concours général STI option Génie électronique, dont voici un extrait et des éléments de correction. Un troisième article sera consacré à l’exploitation pédagogique du système en bac pro SEN (Systèmes Électroniques Numériques).

mots-clés capteurs, énergies renouvelables, logiciels, pédagogie

[1] Professeur agrégé de génie électrique au lycée polyvalent d’altitude de Briançon (05).

1 La représentation schématique du système complet

4 La configuration matérielle de la maquette Éole

LA BALISE HERMÈS (2DE PARTIE)

Étude du capteur ÉoleJÉRÔME Candau1]

Consultation locale par radio

VHF en vol

Consultation locale par radio

VHF au sol

Station automatisée

WebConsultation internet

Consultation téléphonique

Horloge atomique

de Francfort

3 La tête de mesure des caractéristiques du vent

alimentation stabilisée

Tête de mesure

ComRS232

Ordinateur (port série)

12,5 VdC

Relier les + et –

ensemble

62 t e c h n o l o g i e 1 6 1 A v r i l 2 0 0 9 A v r i l 2 0 0 9 t e c h n o l o g i e 1 6 1 6362 t e c h n o l o g i e 1 6 1 A v r i l 2 0 0 9 A v r i l 2 0 0 9 t e c h n o l o g i e 1 6 1 63

2 L’organisation fonctionnelle du capteur de vent

5 Le schéma fonctionnel de 1er degré d’Éole

6 4 t e c h n o l o g i e 1 6 1 A v r i l 2 0 0 9 A v r i l 2 0 0 9 t e c h n o l o g i e 1 6 1 656 4 t e c h n o l o g i e 1 6 1 A v r i l 2 0 0 9 A v r i l 2 0 0 9 t e c h n o l o g i e 1 6 1 65

7 Le schéma structurel de FS21

Le bloc de sélection FP3 permet à l’unité de trai-tement FP1 de faire porter la mesure élémentaire contrôlée par FP2 sur n’importe lequel des axes de mesure.

La fonction FP4 assure à la fois l’excitation de l’émetteur et la sélection du récepteur sur l’axe de mesure sélectionné.

Le signal capté par le récepteur sélectionné est amplifié et filtré (passe-bande) par FP5.

Une mise en forme est ensuite assurée par FP6.Les mesures des variations des temps de propaga-

tion sont effectuées par le détecteur de phase FP7. Quant à l’unité de traitement FP1 qui pilote tout l’en-

semble, ses principales tâches sont les suivantes :

6 Le schéma structurel de FP2

8 Les chronogrammes d’évolution de P6 et P7

6 4 t e c h n o l o g i e 1 6 1 A v r i l 2 0 0 9 A v r i l 2 0 0 9 t e c h n o l o g i e 1 6 1 656 4 t e c h n o l o g i e 1 6 1 A v r i l 2 0 0 9 A v r i l 2 0 0 9 t e c h n o l o g i e 1 6 1 65

MSB signifie most significant bit, soit « bit de poids le plus fort ».

Déterminez le facteur de division de fréquence, noté N21, de FS21 (entre P7 et CLK10M).

N21 = F(CLK10M) / F(H40a) = 10 × 106 / 40 × 103

= 250Le schéma structurel partiel de FS21 est donné

en 7 .

Après avoir identifié le mode fonctionnement de la bas-cule U29B, déterminez le facteur de division, noté N21’, pris entre P6 et CLK10M, que doit fournir le compteur formé par l’association d’U31 et d’U32.

U29B : diviseur de fréquence par deuxN21’ = F(CLK10M) / F(P6) = 250 / 2 = 125

Justifiez la nécessité de deux circuits intégrés pour réaliser ce facteur de division.

Avec un circuit, on peut diviser par 16 au plus (24), ce qui est inférieur à 125. Avec deux circuits, on peut diviser par 256 au plus (28), ce qui est supérieur à 125. Il faut donc deux circuits.

La documentation technique du compteur 74HC191 précise que le chargement parallèle est de type asynchrone. Quelle en est la signification ? Faites la distinction avec un chargement parallèle de type synchrone.

Le chargement parallèle a lieu dès que /PL est actif (niveau bas), indépendamment de l’état de l’horloge. Pour un chargement synchrone, il faudrait /PL actif et un front montant sur CLK.

Complétez le schéma structurel de FS21 7 en respec-tant les consignes suivantes :● Fréquence (P7) = 40 kHz● Mise en cascade synchrone● Mode décomptage● Non-utilisation des sorties TC (broches 12) qui, comme il est précisé dans la documentation technique, sont sujettes à des états transitoires (spikes decoding)

125d = 7Dh = 0111 1101b

On donne en 8 les chronogrammes d’évolution de P6 et P7. Précisez les valeurs de t1, t2, t3 et t4.

t3 = t4 = 12,5 µst2 = 6,4 µst1 = 6,1µs (δ(P6) # 0,5)

Complétez les chronogrammes 9 (sauf H40b) de manière à faire apparaître le cycle du compteur 8 bits (avec P7) ainsi réalisé. Repérez par des traits de couleur les ins-tants des trois chargements parallèles.

● Déclenchement des mesures par activation de FP2 et de FP3● Récupération des résultats de ces mesures en sortie de FP7● Élaboration des informations «vent» et « tempéra-ture » à partir de ceux-ci● Adaptation du format de ces informations au mode de transmission retenu (chaînes de caractères au format série RS232)

FA1 contrôle les tensions internes d’alimentation. Elle assure également la transmission des mesures par l’intermédiaire des deux fils d’alimentation en modulant le courant de consommation (courant porteur).

FP2 : horloges 40 kHz Le schéma structurel de FP2 est donné en 6 . Cette fonction principale génère deux horloges H40a et H40b dont la fréquence est exactement égale à 40 kHz.

H40a sert à l’excitation des transducteurs ultraso-nores (FP4) sous contrôle du séquenceur logique FP3, tandis que H40b sert de signal de référence au détec-teur de phase (FP6).

L’horloge système CLK10M à 10 MHz traverse un diviseur de fréquence FS21 qui donne en sortie un octet P = P[7…0] dont le MSB est H40a. H40b est issu de la comparaison par U34 de cet octet P à un autre octet Q = Q[7…0] écrit par l’unité de traitement FP1 (WR1, D[7…0]) dans le registre U24.

La valeur de Q permet de régler le déphasage entre H40a et H40b.

Donnez les significations anglaise et française du sigle MSB.

8 Le cycle du compteur 8 bits

6 6 t e c h n o l o g i e 1 6 1 A v r i l 2 0 0 9 A v r i l 2 0 0 9 t e c h n o l o g i e 1 6 1 676 6 t e c h n o l o g i e 1 6 1 A v r i l 2 0 0 9 A v r i l 2 0 0 9 t e c h n o l o g i e 1 6 1 67

excite le transducteur utilisé en émetteur (VTX : ten-sions VTN, VTS, VTE, VTO).

Après un retard tro fixé en fonction de la distance D entre transducteurs, une deuxième fenêtre temporelle s’ouvre (signal CE), qui autorise la mesure de phase par FP6 entre H40b et RX2. RX2 provient du signal sélectionné par FP4, correspondant au transducteur qui fait face à l’émetteur.

Le signal LE vient finalement échantillonner le résul-tat de cette mesure dans FP6.

FP4 : commutation transducteursLe schéma structurel de FP4 est donné en 12. Cette fonction assure :● l’excitation de l’émetteur ;● la sélection du récepteur.

Les multiplexeurs analogiques de U15 à U18 (ADG409) sont pilotés par les signaux AXE, SENS, TXEN et H40a à travers un circuit logique programmable GAL16V8 (U19).

Le fonctionnement doit respecter les contraintes données dans le tableau 13.

Lorsqu’un transducteur est émetteur, la tension en sortie du multiplexeur ADG409 concerné (Vbroche 8 – Vbroche 9) doit être VTX.

On rappelle que Vcc = + 5 V et que Vcc– = – 5 V.Lorsqu’un transducteur est récepteur, la configura-

tion doit être celle de la figure 14a.Lorsqu’un transducteur est inhibé, la configuration

doit être celle de la figure 14b.

Compte tenu des caractéristiques des multiplexeurs ADG409 et des contraintes de fonctionnement ci-des-sus, complétez la table de vérité 15.

Donnez les équations logiques développées (sommes de produits) de N1 et N0 en fonction des entrées.

/N1 = /AXE ⋅ SENS ⋅ TXEN /N0 = /AXE ⋅ [/SENS + TXEN ⋅ H40a]

N1 =AXE + /SENS + /TXEN N0 = AXE + [SENS ⋅ (/TXEN + /H40a)]

N0 = AXE + SENS ⋅ /TXEN + SENS ⋅ /H40a

Rappelez succinctement les avantages d’un circuit logi-que programmable de type GAL comparativement à des circuits conventionnels (portes logiques).

Les avantages en sont la versatilité (reprogramma-ble), la compacité (encombrement) et la confidentialité du design (protection contre les lectures).

FP5 : amplification – filtrage – détectionLe schéma structurel de FP5 est donné en 16. Cette fonction est constituée des éléments suivants :● Filtre actif passe-bande à deux étages (U20C et U20D) doté d’une amplification significative● Comparateur U33

Complétez le chronogramme 9 lorsque l’octet Q vaut 250 D, soit 111 1010.

Le déphasage entre H40a et H40b peut être caractérisé par le temps de retard tab mesuré entre le front montant de H40a et celui de H40b. En négligeant l’ influence du filtre R25/C13, déterminez dans les mêmes conditions que précédemment la valeur de tab.

tab = 250 nsPour certaines valeurs « interdites » de Q, les impulsions du signal H40b cessent d’exister, d’où un dysfonctionne-ment de FP6, qui utilise justement H40b comme réfé-rence dans les mesures de phase. Précisez les quatre valeurs « interdites » de Q.

1111 1111b = 255d 0111 1111b= 127d

1111 1110b = 254d 0111 1110b= 126d

Complétez en 10 la caractéristique de tab en fonction de Q3.

FP3 : séquenceur logiqueLa structure du séquenceur logique FP3 n’est pas étu-diée. Cependant, on donne en 11 les principales caracté-ristiques de son fonctionnement, qui seront notamment utiles à l’étude des fonctions FP4 et FP6.

Après avoir fixé l’axe de la mesure et son sens (signaux AXE et SENS), l’unité de traitement FP1 lance une mesure grâce au signal START (WR0).

FP6 s’initialise tandis que FP3 ouvre une première fenêtre temporelle (signal TXEN) durant laquelle FP4

10 La caractéristique de tab en fonction de Q

11 Les principales caractéristiques de FP3

6 6 t e c h n o l o g i e 1 6 1 A v r i l 2 0 0 9 A v r i l 2 0 0 9 t e c h n o l o g i e 1 6 1 676 6 t e c h n o l o g i e 1 6 1 A v r i l 2 0 0 9 A v r i l 2 0 0 9 t e c h n o l o g i e 1 6 1 67

Quelle doit être la fréquence centrale du filtre passe-bande ?

La fréquence centrale du filtre passe-bande doit être de 40 kHz.

Justifiez la présence d’U33 en précisant son rôle. U33 met en forme les signaux analogiques : le signal

quasi sinusoïdal est transformé en signal logique compa-tible avec les circuits logiques. Les dates de passage à zéro de la sinusoïde correspondent aux fronts du signal logique. L’amplitude des signaux est donc sans effet.

FP6 : mesure de phaseLe schéma structurel de FP6 est donné en 17. On note td le temps de retard de RX2 sur H40b (fronts mon-tants) ; tns est mesuré dans FP6 grâce à deux mesu-res successives (sud-nord puis nord-sud) de td – idem pour teo.

Cette fonction met principalement en œuvre :● une porte XOR (U28B) en comparateur de phase ;● trois bascules D (U25A, U25B et U29A) qui permet-tent notamment de s’affranchir des rapports cycliques de H40b et RX2 ;

12 Le schéma structurel de FP4

14 Le schéma structurel équivalent en fonction du mode de fonctionnement du transducteur

Axe Sens Nord Sud Est Ouest

0 0 Récepteur Émetteur Inhibé Inhibé

0 1 Émetteur Récepteur Inhibé Inhibé

1 0 Inhibé Inhibé Récepteur Émetteur

1 1 Inhibé Inhibé Émetteur Récepteur

14 Les contraintes de fonctionnement

6 8 t e c h n o l o g i e 1 6 1 A v r i l 2 0 0 9 A v r i l 2 0 0 9 t e c h n o l o g i e 1 6 1 6 96 8 t e c h n o l o g i e 1 6 1 A v r i l 2 0 0 9 A v r i l 2 0 0 9 t e c h n o l o g i e 1 6 1 6 9

Axe Sens TXEN H40a N1 N0 S1 S0 E1 E0 O1 O0

0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1

0 0 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1

0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1

0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1

0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1

0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1

0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1

0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1

1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1

1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1

1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1

1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0

1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0

1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0

1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0

15 La table de vérité

16 Le schéma structurel de FP5

6 8 t e c h n o l o g i e 1 6 1 A v r i l 2 0 0 9 A v r i l 2 0 0 9 t e c h n o l o g i e 1 6 1 6 96 8 t e c h n o l o g i e 1 6 1 A v r i l 2 0 0 9 A v r i l 2 0 0 9 t e c h n o l o g i e 1 6 1 6 9

Nd = 80 × 10–6 / 100 × 10–9 = 800

Justifiez la présence de deux compteurs en cascade.On peut compter jusqu’à (4 × 25 × 10–6 / 0,1 × 10–6),

soit 1 000, donc un seul compteur ne suffit pas.

Complétez en 19 la caractéristique de Nd en fonction de td pour 0 ≤ td ≤ 25 µs.

Lorsque td ≥ 25 µs, la bascule U25B détecte le ou les sauts de phase. Complétez en 19 la caractéristique de Nd en fonction de td pour td ≥ 25 µs.

On considère l’axe de mesure sud-nord.Lorsque le vent est nul, la propagation du son dans le

sens sud-nord entraîne un temps de retard tds identique à celui du sens nord-sud : tdn. On a tds = tdn = tdo qui définit donc le point de repos du comparateur de phase.

En présence de vent du sud, tds diminue tandis que tdn augmente. La différence tdns = tdn – tds = tns calcu-lée par FP1 donne, à un coefficient de proportionnalité près, la vitesse du vent.

● un compteur 16 bits formé par U26 et U30 montés en cascade. Compte tenu de l’horloge CLK10M et de la fenêtre de comptage ouverte par CE, le contenu Nd de ce compteur est l’image de td. Nd est échantillonné (latch) en fin de mesure par le signal LE.

L’unité de traitement FP1 accède à cette mesure Nd par lectures successives des octets en sortie d’U26 et d’U30.

FP2 contrôle le calage du comparateur de phase par le biais du paramètre tab, retard entre H40b et H40a (fonction FP2).

On rappelle que la fréquence des signaux ultrasono-res (H40a, H40b, RX2) est 40 kHz, tandis que celle de l’horloge système (CLK10M) est 10 MHz.Complétez les chronogrammes 18. NB : les hachures sur Q25B indiquent un état initial indéterminé en sortie de cette bascule tandis que les états initiaux de Q25A et de Q29A sont donnés (0).

Déterminez la valeur de Nd en fin de mesure lorsque td = 20 µs.

Le comptage a lieu pendant 4 × 20 µs, d’où :

17 Le schéma structurel de FP6

70 t e c h n o l o g i e 1 6 1 A v r i l 2 0 0 9 A v r i l 2 0 0 9 t e c h n o l o g i e 1 6 1 7 170 t e c h n o l o g i e 1 6 1 A v r i l 2 0 0 9 A v r i l 2 0 0 9 t e c h n o l o g i e 1 6 1 7 1

● Mesures des temps de propagation des ultrasons sur les deux axes et dans les deux sens● Mesure de la température θ par l’intermédiaire de FP7 et du capteur de température U8 (AD22100)● Calcul du vent en force et en direction● Élaboration d’une chaîne de caractères au standard NMEA représentative de l’information « vent »● Envoi de cette chaîne de caractères sur la liaison série RS232

Quel est à votre avis le rôle du circuit U2 ?Il assure le contrôle du reset du microcontrôleur :

● à la mise sous tension ;● en cas de chute du niveau de l’alimentation.

Quel est à votre avis le rôle du circuit U9 ? Indiquez à cette occasion les caractéristiques technologiques essentielles du bus de données D[0…7].

Le circuit U9 assure le démultiplexage du bus d’adres-ses/données (économie de broches pour le microcon-trôleur). Le bus de données est bidirectionnel ; un seul circuit est actif à la fois en sortie (sélection par le bus de contrôle CTRL) ; les sorties sont de type 3 états (H, L ou Z).

Établissez le plan d’adressage du système pour com-pléter le tableau 21 (mapping).NB : contrairement aux apparences, U24 et U26 ne sont pas en conflit d’adresses.

La tension VU8 issue du capteur de température AD22100 est amplifiée dans FP7 pour donner la ten-sion VT. Cette dernière, filtrée par R6 et C4, est à son tour appliquée sur le port PE0 du microcontrôleur U6 configuré en entrée analogique. U6 mesure cette ten-sion grâce à son convertisseur analogique-numérique 8 bits intégré (CAN ou ADC). La tension de référence VREF du CAN (pleine échelle ou FS, pour full scale) est fixée par les broches VRH et VRL.

On a : FS = VREF = VRH – VRL = Vcc

Précisez la nature et le rôle du filtre R6-C4.

C’est un filtre passe-bas qui élimine les fréquences

supérieures à 1 / (2 ⋅ π ⋅ R6 ⋅ C4) qui sont indésira-

bles, puisque le signal VU8 est quasi continu.

Identifiez dans la documentation la tension VU8 sous la forme VU8 = a ⋅ θ + b.

VU8 = 1,375 + 22,5 × 10–3 × θ

Déterminez le nombre NCAN sur 8 bits en sortie du CAN lorsque la température θ = 20 °C.

Pour θ = 20 °C,

Le calage du comparateur de phase par le biais du paramètre tab consiste en un calibrage du capteur par vent nul. Ce calage doit amener à une valeur optimale de tdo, c’est-à-dire susceptible de donner la meilleur dynamique de mesure en présence de vent.

En notant bien que finalement les temps td sont mesurés modulo 25 µs, précisez en la justifiant la valeur opti-male de tdo dans la gamme [0 µs, + 25 µs].

La valeur optimale de tdo est de 12,5 µs.

Précisez pourquoi et comment il faut ajuster le para-mètre tab pour que le calage tdo ne soit pas affecté par les variations de température (compensation en tem-pérature du calage).

Si θ augmente, alors C augmente, donc td diminue, car l’écho revient plus vite. Il faut donc augmenter tab pour maintenir la valeur optimale de tdo.

FP1 : unité de traitement / FP7 : mesure de températureLe schéma structurel de FP1 est donné en 20. Cette fonction est construite autour d’un microcontrô-leur 68HC11E1 (U6) cadencé à 10 MHz (CLK10M). Le programme résident en mémoire EPROM (U10) est exécuté par U6 qui assure ainsi les tâches suivantes :

18 Les chronogrammes de FP6

19 La caractéristique de Nd en fonction de td

70 t e c h n o l o g i e 1 6 1 A v r i l 2 0 0 9 A v r i l 2 0 0 9 t e c h n o l o g i e 1 6 1 7 170 t e c h n o l o g i e 1 6 1 A v r i l 2 0 0 9 A v r i l 2 0 0 9 t e c h n o l o g i e 1 6 1 7 1

Déterminez la plage de mesure de température. Vérifiez la cohérence de votre résultat compte tenu des indica-tions données dans le dossier de présentation.

Pour NCAN = 255, on aura :VT = 5 V

θ = (2,5 – 1,375) / 22,5 × 10–3 = 50 °CPour NCAN = 0, on aura :

VT = 0 Vθ = (0 – 1,375) / 22,5 × 10–3 = – 61 °C

Ces valeurs sont en cohérence avec les conditions climatiques sévères rencontrées (été et hiver).

Déterminez qθ le quantum de la mesure en température.

q (VT) = 5 / 256 = 19,5 mV

q (VU8) = (19,5 × 10–3) / 2 = 9,76 mVqθ = 9,76 / 22,5 = 0,43 °C

La mesure de la température est obtenue avec une précision de 0,5 °C.VU8 = 1,375 + 22,5 × 10–3 × 20 = 1,825 V

VT = 2 ⋅ VU8 = 3,65 VNCAN = 256 × (3,65 / 5) = 186

186 d = BA h = 1011 1010b

20 Le schéma structurel de FP1

Mode (cochez)Adresses

(hexadécimal)

Lecture Écriture Début Fin

Mémoire programmeFP1 : u10 1 ❏ C000 FFFF

Référencement H40bFP2 : u24 ❏ 1 4 000

ne pas compléter cette case

Lancement mesure, FP3 (STaRT)RaZ compteurs, FP6 : u26 & u30 ❏ 1 0000

Transfert octet poids faibleFP6 : u26 1 ❏ 4 000

Transfert octet poids fortFP6 : u30 1 ❏ 8 000

17 Le mapping relatif à FP1