Présentation :
Il nous a été demandé de façon récurrente depuis plusieurs années de fournir un système de télémesure dans le cadre de la course « Le Défi solaire ».
L'information principale pour les concepteurs de la voiture et les pilotes est la charge de la batterie. Celle ci est calculée par l'électronique embarquée en faisant un cumul signé de ibatt(t)dt depuis le début de la course.
D'autres informations sont également fournies :
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La température batterie qui signale éventuellement un excès de charge.
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Le courant batterie qui permet de juger de la capacité d'un pilote à économiser l'énergie
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Les tensions panneau solaire et batterie qui donnent des indications complémentaires.
Aspect pédagogiques :
Ce type de travail est trop complexe compte tenu du niveau des élèves et du temps disponible en première année. Le travail des élèves s'est donc limité à :
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Un gros travail de routage (dessin de la carte électronique)
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La fabrication qui nécessite du soin, de la patience, et un peu d'habileté compte tenu de la taille de certains soudages
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Les dépannages matériels au moment des premières mises sous tension du prototype
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Les premiers tests du micro contrôleur embarqué (test programmation, test de qq entrées/sorties binaire)
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Un cours a été fait sur les principes de base des cellules solaires et les problèmes les plus simples de mise à l'échelle des entrées analogiques du µcontrôleur.
Le reste (calibrage des capteurs de courant et de température) recherches d'erreurs modifiant peu les résultats, calculs d' interface, programmation, mesure de durée d'exécution des routines utilisées...) à été réalisé par les professeurs.
Les élèves de première année ont réalisé trois cartes.
Un travail en 2ième Année aurait permis d'aborder :
Les problèmes de quantification exemple : comment récupérer avec une précision raisonnable (qq 10mA) un courant (valeur moyenne ≈ 1 A valeur crête 25A, 15A moyenné sur 1ms). Contrainte supplémentaire ce courant change de signe et les extremums ne sont pas symétriques par rapport à zéro.
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Une étude des Pb de mode commun : le courant à mesurer se situe à des potentiels au delà des alimentations de la partie électronique.
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La résolution (saine donc sans réglage) de Pb d'offset liés au fait que certaines grandeurs sont signées.
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La relation entre point de polarisation analogique et son équivalent numérique.
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L'étude des modules radio XBEE (l'interfaçage, la configuration (ID réseau, ID modules, canal, vitesse), l' utilisation des modes faible consommation (réveil au moment de l'émission)
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La mesure des spectres rayonnés dans la bande 2.4 Ghz en fonction du débit transmis.
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Le calcul des équations d'interfaçage du capteur de température.
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Les Pb de couplage entre les entrées dans les ADC à capacités commutées.
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La programmation d'un gestionnaire de taches en interruption qui répartit au moyen de flags les routines non urgentes en tache de fond.
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Le recyclage de logiciels faits en TP (gestion de ports série, timer, sauvegarde en flash...)
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la résolution de pb liés au choix de variables entières (signées ou non)/nbres réels (flottants) et les conversions de types qui s'en suivent.
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le choix du type conversion ADC10bits >16bits parmi 3 possibles et les modèles arithmétiques correspondants.
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Une mise au point approfondie des cartes par les étudiants
Économiser l'énergie :
La carte de télémesure qui fournit des infos importantes sur le timing (quand faut il économiser, quand faut il arrêter la charge) ne doit pas prélever une énergie significative sur le véhicule solaire.
Lors des premiers tests, on constate une consommation de presque 100mA. On supprime le MAX232 et les 2 voyants de mise sous tension (total environ 8 mA), mais le principal coupable est l'émetteur XBEE spécifié à 45mA. Il faut donc le mettre en sommeil quand on n'émet pas. L'engin étant gourmand et souvent embarqué, le fabriquant a prévu de nombreux modes de sommeil (réveil par le port série, par une réception, par les deux, sommeil profond).
Le chronogramme ci-contre montre voie B la commande SLEEP et voie A le courant d'alimentation. On constate un écart de 58mA entre les phases de sommeil ( 29mA) et les phases d'émission (87mA). De plus on peut voir qu'il se réveille vite mais s'endort lentement. Malgré cela, le rapport cyclique reste faible (≈ 10%), on a donc un gain significatif avec une consommation moyenne de 35mA (dont une moyenne de 6mA pour XBEE). Nous décidons que cette consommation est acceptable.
Autres pistes pour plus tard :
Le plus gros consommateur est maintenant le micro-contrôleur (20mA typique). Alimenter le µC en 3,3V limite sa fréquence maxi mais ramène sa consommation vers 8 mA. Ceci en plus aurait l'avantage de maintenir les mesures de ADC exactes jusque des tensions batterie très basses, par contre il faut trouver un ampli de shunt bidirectionnel précis et répandu qui fonctionne en 3V. On pourrait aussi utiliser les modes de sommeil ou demi sommeil du µC mais ceci rendrait plus complexe une future communication bidirectionnelle entre le PC distant et la carte. De plus les temps possibles de repos du µC sont plus courts que pour l'émetteur.
Autres aspects énergétiques
Le rendement des batteries NiMh semble excellent (≈90%) d'après les premières mesures réalisées.
Aspects matériels
La réception coté PC s'effectue en utilisant la carte USB du starter kit des modules XBEE (en bas à droite sur la photo).
Cette carte génère un port COM fictif sur le PC qui peut être utilisé par n'importe quel logiciel prévu pour un port série. Le logiciel d'affichage sur PC est donc le recyclage d'un affichage existant fourni par une entreprise.
Certains élèves ont passé quelques nuits sur le routage...
Le schéma structurel de départ est représenté pages suivantes. Il a un peu évolué au cours des mises au point :
Le fichier téléchargeable contient ces corrections
voir aussi le document de travail des élèves pour quelques explications supplémentaires.
Un tirage à été ajouté au reset.
L'alimentation de la partie électronique a été déplacée de Vbat+ en Vmot pour ne pas fausser le calcul de la charge.
Les atténuateurs des tensions batterie, panneau Vmot ont étés modifiés pour correspondre à 10,24 V pleine échelle (10mV/bit).
Les broches sleep et /CTS des modules XBEE ont été câblées. C16 et R24 inutilement grands ont étés réduits pour rendre l'affichage du courant plus réactif.
Les résistances R17 et R21 doivent être remplacées par des valeurs à 1‰ ou appairées manuellement.
Par ailleurs le AD8210 garantit que ses résistances d'entrées sont égales mais pas leur valeur absolue il faut donc prévoir un ajustement logiciel du gain lors de la première mise en service. Ensuite il n'y a pas de pb de dérive.
Les valeurs de la plupart des condensateurs de filtrage sont peu critiques et peuvent être modifiées.
Il n'a pas été possible de trouver des composants fonctionnant tous en 3,3V ou tous en 5V ceci alourdit un peu le schéma.
Le shunt de captage du courant à été câblé en montage 4 points (soudures puissance à l'extérieur des soudures de mesure) il ne peut donc être remplacé par un modèle CMS.
Les entrées analogiques étant toutes utilisées certaines ne peuvent être utilisées quand la sonde de programmation et de débug est présente sur la carte (cavaliers J7 J14 J13).
Par la suite il serait bon d'ajouter :
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des petites batteries NIMH indépendantes pour la partie électronique car lorsque les tensions s'effondrent la carte µ contôleur continue de fonctionner avec une référence analogique ADC plus basse (fausse) et surévalue les grandeurs analogiques mesurées. Autre solution tout passer en 3,3V ou la batterie descend peu souvent.
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Une liaison radio bidirectionnelle qui permettrait de donner des instructions à l'électronique pendant la course. (ex sauvegarder la charge en flash, modifier la charge, déconnecter une consommation non utilisée, changer de canal si on a des Pb de liaison radio ...)
