Dans le cas de nombreuses applications électroniques, il est souvent plus rapide de développer des systèmes sur mesure adaptés à chaque sous-système pour les assembler en fonction des besoins que de mettre en place une solution globale. A ce titre, les microcontrôleurs monocartes sont des composants rentables pour des solutions contrôlées par logiciel qui exécutent des tâches de commandes individuelles ou de traitement des données. Ils apportent l’intelligence nécessaire pour y parvenir directement sur le lieu de l’action, dans des unités mécatroniques à l’espace limité.
Pour de nombreuses personnes, les termes « transformation numérique » et « Internet des objets » sont directement liés aux appareils à usage personnel, à l’image des smartphones, des tablettes ou des assistants numériques comme Alexa. Le terme « contrôlé par ordinateur », quant à lui, évoque chez la plupart des dispositifs de commande à logique programmable (PLC),des PC, parfois même de vastes armoires remplies de matériel informatique.
Contrôlable grâce à la modularité
Néanmoins, la miniaturisation constante de la microélectronique a drastiquement transformé et étendu les possibilité liées à la construction et au développement de systèmes électroniques contrôlés par ordinateur. Grâce à la disponibilité de puissance de calcul et de capacité de mémoire peu coûteuses, la quantité des fonctions qui peuvent être exécutées dans le cadre de projets individuels ne fait qu’augmenter. Etant donné que cela provoque une croissance disproportionnée des efforts de développement dans le cadre de projets complexes, de plus en plus de solutions sur mesure voient le jour afin d’accomplir des tâches secondaires individuelles. Ainsi, la solution globale est assemblée à partir de celles-ci en fonction des besoins.
Les microprocesseurs et les microcontrôleurs ont depuis longtemps été introduits au sein d’appareils et de systèmes techniques à destination des consommateurs finaux sans que ceux-ci s’en aperçoivent. C’est notamment le cas des autoradios, des systèmes d’ABS ou encore des thermostats domestiques. Il est tout à fait possible aujourd’hui qu’un compteur de gaz, par exemple, ait plus d’intelligence de calcul que le PC du service comptable.. C’est la tendance que suivent depuis longtemps les applications industrielles. Des machines autrefois purement mécaniques sont aujourd’hui élevées au rang d’appareils indépendants grâce aux processeurs et aux contrôleurs. Alors que les commandes étaient autrefois gérées en détails par des systèmes plus sophistiqués, la modularisation de la tâche globale permet à ces systèmes de se concentrer davantage sur un rôle de coordination.
Application pratique
Un exemple montre clairement que cette évolution n’a rien de nouveau : les skieurs, tout comme les visiteurs de salons ou de stades, sont fréquemment confrontés à des systèmes de contrôle de validité des billets d’admissions. Il s’agit de systèmes complexes au sein desquels tous types de traitement des données électroniques s’entremêlent. En arrière-plan, des systèmes informatiques classiques sont chargés de configurer et de contrôler le système dans son ensemble, ainsi que de consolider et de traiter les données obtenues à partir des lecteurs de cartes, tout en opérant des vérifications supplémentaires.
Le contrôle de la validité et le stockage des données des billets a lieu au sein même des lecteurs, qui sont dotés d’un processeur matériel et logiciel dédié à cette tâche. De plus, des processeurs et des contrôleurs additionnels sont généralement chargés d’assurer le mouvement des billets dans le mécanisme de lecture, le prétraitement des données contenues sur les bandes magnétiques ou de la puce et la communication avec le système environnant. Par ailleurs, des systèmes programmables intégrés au tourniquet contrôlent également le mouvement des barres en fonction de l’occasion.
Flexibilité grâce à l‘intelligence locale
Autrefois les appareils électroniques étaient étroitement connectés au matériel mécanique au moyen de câbles. Aujourd’hui, les processeurs et autres contrôleurs permettent de doter les appareils au sein desquels ils sont intégrés de l’intelligence nécessaire à leur fonctionnement. Ces derniers disposent ainsi d’un certain degré de flexibilité et d’indépendance par rapport aux systèmes environnants, qui serait autrement inatteignable, et s’intègrent plus facilement au sein de solutions globales plus vastes, soit grâce à une connexion directe, soit via l’Internet des objets (IoT).
Les solutions dotées de processeurs intégrés sont généralement appelés « systèmes embarqués ». Le terme est sur toutes les lèvres et pourtant, son sens demeure assez confus. Il semble important de s’intéresser à une situation précise afin de tenter d’apporter un éclairage sur ce sujet.
Des frontières difficiles à définir
Les frontières entre les systèmes embarqués et les ordinateurs traditionnels sont évidemment changeantes, étant donné que des PC entiers peuvent désormais être entièrement intégrés au sein d’autres systèmes. Toutefois, l’un des principaux éléments distinctifs repose sur le fait que les systèmes embarqués se consacrent en général exclusivement à des fonctions de communication ou des tâches de commande concernant les appareils au sein desquels ils sont intégrés.
Le limites du terme « mécatronique » sont encore plus floues. Il existe un recoupement, puisque pour de plus en plus d’éléments électroniques intégrés aux appareils mécaniques, ce ne sont plus des appareils connectés par des câbles qui dotent l’appareil d’intelligence, mais bien des processeurs et des microcontrôleurs intégrés. D’autre part, les systèmes embarqués vont bien au-delà de la mécatronique à proprement parler, car il est rare de les trouver dans des armoires ou des boîtiers de commandes séparés. Au contraire, ils sont directement intégrés au cœur des mécanismes complexes de l’appareil, d’où l’expression « intégrés en profondeur ».
Séparation entre couche matérielle et logicielle
Il y a seulement 15 ans, les couches matérielles et logicielles des systèmes embarqués devaient être développées séparément. Cela nécessitait des connaissances techniques solides dans le domaine de la programmation des systèmes pour micro-ordinateurs, mais aussi dans la conception professionnelle de circuits électroniques complexes. En ce qui concerne les systèmes informatiques classiques, le logiciel était développé séparément du matériel largement standardisé de l’époque. Cela permettait aux développeurs logiciels de se concentrer sur leur cœur de métier.
Les ordinateurs monocartes au format « carte de crédit », comme le Raspberry Pi qui a vu le jour en 2012, sont de véritables PC complets. Ils permettent aux utilisateurs à leur domicile ou dans le domaine de l’éducation de profiter de cet avantage, en particulier pour ce qui concerne les systèmes embarqués. Les bénéfices d’une telle modularisation et standardisation ont permis d’introduire ce type de produits au sein de certains appareils sans même que les ingénieurs électroniques industriels ne s’en aperçoivent immédiatement, comme les pompes à essence, les distributeurs automatiques ou les machines à café.
Modularisation et standardisation
« La tendance indique clairement un penchant pour la modularisation et la standardisation, à la fois en termes de plateformes matérielles et de systèmes d’exploitation, » commente Sven Pannewitz, Responsable produit en charge des ordinateurs monocartes et des cartes de développement chez reichelt elektronik, éditeur de solutions électroniques, en décrivant l’évolution actuelle. « Dans le même temps, en plus de systèmes comparables à de véritables ordinateurs, il existe une grande variété de systèmes de commande monocartes dotés de nombreuses entrées et sorties et capables d’interagir directement avec les capteurs et les actionneurs. »
Les ordinateurs monocartes comme le Raspberry Pi ne sont désormais plus des produits isolés. La marque PiXtend, par exemple, propose une gamme de cartes de PLC destinées aux tâches de commande exigeantes qui se fondent sur la même technologie. À l’autre extrémité du spectre, il existe des microcontrôleurs monocartes, à l’image des cartes de la plateforme open source Arduino ou des cartes de développement Nucleo dotées de contrôleurs ARM Cortex™ compatibles en termes de connectivité.
Des spécialistes miniatures
Ces microcontrôleurs monocartes constituent des plateformes compactes spécifiquement dédiées aux tâches de commande individuelle ou de traitement des données. Leurs dimensions réduites leur permettent d’opérer dans des espaces confinés à l’emplacement de l’action. Grâce aux entrées et sorties numériques et analogiques, ils peuvent directement communiquer avec les périphériques connectés. Des adaptateurs pour les différentes technologies, comme le WLAN ou le GSM, garantissent leur capacité à se connecter facilement au monde extérieur.
À la difference des ordinateurs monocartes dotés d’architectures de PC, ces microcontrôleurs n’ont pas besoin de système d’exploitation. Ils exécutent directement le programme développé pour la fonction correspondante, compilé via un environnement de développement libre et transféré sur le module. Dans de nombreux cas, les utilisateurs peuvent compiler ce programme à partir de fonctions disponibles gratuitement sur Internet. Cela leur permet d’atteindre de bons résultats en peu de temps, sans avoir besoin de disposer de connaissances logicielles approfondies.
La diversité a besoin de choix
Cependant, une bonne compréhension des tâches à accomplir est indispensable à la création d’applications pratiques pertinentes. Cela implique de bien connaître les mécanismes à contrôler et de les équiper de capteurs et d’actionneurs, de disposer d’un concept clair qui permet de guider les utilisateurs sur des écrans et d’échanger des données avec les systèmes sophistiqués voisins.
Ces critères aident également à sélectionner les cartes appropriées. Le nombre d’entrées et de sorties analogiques et numériques nécessaire, tout comme la taille, sont définis en fonction de l’application. L’équipement d’interfaces de communication et de connexions réseau – par exemple au bus de données CAN – dépend de l’environnement système au sein duquel le produit sera utilisé.
Concernant les autres critères, il est souvent nécessaire de mesurer l’importance des différentes variables les unes par rapport aux autres. Par exemple, la puissance de calcul des puces de microcontrôleurs et l’équipement mémoire sous forme de RAM, de flash ROM ou de EEPROM influencent la consommation d’énergie du module. « En particulier pour les applications au sein de systèmes alimentés par des batteries, les besoins en matière de performances doivent être précisément définis sans être surdimensionnés, tout en tenant compte des besoins additionnels à venir, » conseille Sven Pannewitz. « De manière générale, les fabricants de cartes mettent continuellement sur le marché de nouvelles versions de ces produits qui sont compatibles en matière de forme, de connexion et de programme. »
Des produits pérennes
Les systemes embarqués ne constituent ni une nouveauté ni une révolution. La miniaturisation constante de l’électronique a permis de distribuer encore davantage l’intelligence de systèmes complexes et de déplacer certaines composantes logicielles lorsque cela se révèle nécessaire, afin de les rapprocher du matériel ou du mécanisme. Cela permet aux systèmes techniques de s’adapter encore mieux aux individus et à leurs besoins en perpétuelle évolution.
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