Master Spécialisé EEAII: Systèmes Embarqués S8

Introduction aux systèmes embarqués

• Un système embarqué est un système électronique et informatique autonome qui exécute une tâche spécifique.
• Il n'a pas de raison d'être seul, mais est plutôt un composant d'un système plus large, parfois invisible.
• Le matériel et l'application sont intimement liés.
• Les systèmes embarqués sont partout, discrets, efficaces et dédiés à leur fonction.

Définition selon l'IEEE

• Un système embarqué est un dispositif utilisé pour contrôler, surveiller ou aider au fonctionnement d'équipements, de machines ou d'installations.

Exemples d'applications

• Systèmes de navigation aérien, contrôle de système en temps réel.
• Traitement du signal, transmission d'information et communication.
• Domaines d'application : grand public, industrielle, transport, défense, santé, information et communication.

Caractéristiques

• Contraintes de taille, poids et packaging.
• Contraintes de consommation d'énergie.
• Contraintes de fiabilité et de sécurité.
• Contraintes de coût.
• Contraintes de fonctionnement en temps réel.

Règles de conception des systèmes embarqués

• Faire simple.
• Ne pas réinventer la roue : utiliser ce qui est déjà fait.
• Utiliser de nouvelles méthodes de conception : co-design.
• Utiliser des technologies éprouvées qui ont fait leur preuve.

Méthodologie de conception des systèmes embarqués

• Spécifications.
• Modélisation.
• Partitionnement.
• Synthèse et optimisation.
• Validation.
• Intégration.
• Test d'intégration.

Challenges en conception des systèmes embarqués

• De quoi avons-nous besoin en terme de hardware ?
• Comment respecter les délais ?
• Comment minimiser la consommation ?
• Est-ce que cela fonctionne ?

Systèmes embarqués à base d'Arduino

• Présentation de la carte Arduino.
• Programmation avec Arduino.
• Gestion des entrées / sorties dans Arduino.
• Grandeurs numériques et grandeurs analogiques.

Note: Please let me know if this meets your requirements.### Système embarqué

• Un système embarqué est un système électronique et informatique autonome, souvent en temps réel, spécialisé dans une tâche bien précise.
• Il est composé d'un microcontrôleur qui réunit tous les éléments d'une structure à base de microprocesseur :
  • Unité CPU (central processing unit)
  • Mémoire RAM pour stocker les données et variables
  • Mémoire ROM pour stocker les programmes (EPROM, EEPROM, flash)
  • Ports d'entrées/sorties

La carte Arduino

• La carte Arduino est une carte électronique programmable à base de microcontrôleur.
• Elle est composée de :
  • Un microcontrôleur (le cerveau de la carte) qui reçoit le programme et le stocke dans sa mémoire
  • Une alimentation qui peut être fournie en 5V par le port USB ou par une alimentation externe comprise entre 7V et 12V
  • Des éléments de visualisation (LED) pour tester le matériel et visualiser l'activité sur la voie série
  • Une connectique pour brancher des modules et des montages
  • Une LED verte qui témoigne de la bonne alimentation de la carte

Les microcontrôleurs Arduino

• Les microcontrôleurs les plus courants qui équipes les cartes Arduino sont l'ATMEGA328, l'ATMEGA168 et l'ATMEGA2560.
• Chacun d'eux a des caractéristiques différentes en termes de mémoire et de nombre d'entrées/sorties.

Pourquoi choisir Arduino ?

• La carte électronique est programmable et le logiciel est gratuit.
• Le prix est dérisoire étant donné l'étendue des applications possibles.
• La communauté est très développée avec des milliers de forums d'entre-aide, de présentations de projets, de propositions de programmes et de bibliothèques.
• La documentation est disponible en anglais et en français.
• Les schémas des cartes électroniques sont en libre circulation sur internet.

Les applications possibles

• Contrôler des appareils domestiques.
• Donner une "intelligence" à un robot.
• Réaliser des jeux de lumières.
• Permettre à un ordinateur de communiquer avec une carte électronique et différents capteurs.
• Télécommander un appareil mobile.

Le logiciel Arduino

• L'interface du logiciel est divisée en plusieurs parties :
  • Les options de configuration du logiciel.
  • Les boutons pour compiler et téléverser le programme.
  • La zone de création du programme.
  • Le débogueur pour corriger les fautes.
• Le menu File permet de gérer les fichiers, les exemples de programmes et les préférences.
• Les boutons permettent de compiler et téléverser le programme, de créer un nouveau fichier, d'ouvrir un fichier et d'enregistrer le fichier.

Programmation Arduino

• Le programme est divisé en deux grosses parties :
  • La déclaration pour stocker les informations.
  • La fonction setup() pour initialiser les paramètres du programme.
  • La fonction loop() pour exécuter les actions du programme.
• La syntaxe du langage est basée sur des règles d'écriture :
  • Les instructions sont des lignes de code qui permettent d'orchestrer le programme.
  • Les points virgules terminent les instructions.
  • Les accolades sont les "conteneurs" du code du programme.
  • Les commentaires sont des lignes de code qui seront ignorées par le programme.
• Les variables sont des valeurs stockées dans la mémoire vive du microcontrôleur.
• Les types de variables sont :
  • Les variables booléennes qui ne peuvent prendre que deux valeurs : vrai ou faux.
  • Les variables numériques qui peuvent prendre des valeurs entières ou décimales.
  • Les variables caractères qui peuvent prendre des valeurs alphanumériques.

Les opérations de base

• L'incrémentation qui consiste à ajouter 1 à un compteur.
• La décrémentation qui consiste à retirer 1 au compteur.

Les conditions

• Les conditions permettent de tester des variables et d'exécuter des actions en conséquence.
• Les types de conditions sont :
  • If...else pour tester une condition et exécuter une action si elle est vraie, ou une autre action si elle est fausse.
  • If...else if...else pour tester plusieurs conditions et exécuter des actions en conséquence.
  • Les opérateurs logiques pour tester plusieurs conditions combinées.

Les boucles

• Les boucles permettent de répéter un bout de code.
• Les types de boucles sont :
  • La boucle while qui teste une condition et exécute les instructions tant que la condition est vraie.
  • La boucle do...while qui exécute les instructions tant que la condition est vraie.
  • La boucle for qui exécute les instructions un nombre de fois prédéterminé.

Les fonctions

• Les fonctions sont des bouts de programme qui permettent de réaliser une tâche bien précise.
• Les fonctions reçoivent des paramètres, exécutent des instructions et renvoient un résultat.
• Les fonctions peuvent être définies dans le langage Arduino ou créées par l'utilisateur.### Les Fonctions
• Pour écrire une fonction en langage Arduino, il faut préciser le type de valeur renvoyée, donner un nom à la fonction, indiquer les paramètres à utiliser, et définir le code de la fonction.
• Les fonctions peuvent être de type void, sans retour de valeur, ou "typées", avec un ou plusieurs paramètres.
• Les deux fonctions de base obligatoires dans tout programme Arduino sont setup() et loop().

Les Fonctions setup() et loop()

• La fonction setup() est exécutée une seule fois au début du programme, pour les instructions d'initialisation et de configuration.
• La fonction loop() est exécutée en boucle, pour les instructions à exécuter de façon répétée.
• Si on souhaite exécuter un programme seulement une fois, on peut mettre toutes les instructions dans la fonction setup() ou utiliser l'instruction while(1) dans la fonction loop().

Appeler une Fonction

• Pour appeler une fonction, on écrit son nom, suivie de deux parenthèses vides et d'un point-virgule.

Gestion des Entrées/Sorties dans Arduino

• Les entrées-sorties numériques sont employées pour les broches numérotées de 0 à 13, et pour les broches analogiques A0 à A5.
• Les sorties numériques sont employées pour les DEL, les transistors, les afficheurs LCD, etc.
• Les entrées numériques permettent de connecter des interrupteurs, des boutons poussoirs, des capteurs de présence, etc.
• La fonction digitalRead(...) permet de lire une tension sur une broche, et digitalwrite(...) permet d'écrire un chiffre binaire sur une broche.

Sorties PWM

• Les sorties PWM (Pulse Width Modulation) permettent de disposer de tensions intermédiaires, par exemple pour régler la luminosité d'une DEL ou la vitesse de rotation d'un moteur.

Bus I2C

• Le bus I2C est un bus de communication pour dialoguer avec d'autres circuits périphériques.
• Les broches SCL et SDA sont employées pour l'horloge et l'adresse/donnée.

Entrées Analogiques

• Les entrées analogiques sont employées pour les broches étiquetées A, pour numériser les tensions présentes sur ces broches.
• La fonction analogRead(...) permet de lire la valeur numérique d'une tension sur une broche analogique.

Broches d'Alimentation

• Les broches d'alimentation sont employées pour alimenter l'Arduino et les circuits externes.
• Les broches IOREF, RESET, 3.3V, 5V, Vin, et GND sont employées pour l'alimentation et la réinitialisation.

La Diode Électroluminescente (LED)

• Une LED est un composant électronique qui crée de la lumière quand il est parcouru par un courant électrique.
• Pour allumer une LED, il faut calculer la résistance à placer avant la LED, en fonction de la tension d'alimentation et de la tension aux bornes de la LED.

Le Bouton Poussoir

• Un bouton poussoir est un interrupteur électrique qui est activé ou non selon sa position.
• Les boutons poussoirs normalement ouvert (NO) et normalement fermé (NF) ont deux positions : relâché et appuyé.
• Un bouton poussoir agit comme une bascule, avec des états stables (ouvert ou fermé).

Résistance de Pull-up

• Une résistance de pull-up est placée en série avec le bouton pour contrer les perturbations générées par les lampes à proximité, les téléphones portables, etc.

Filtre Anti-rebond

• Un filtre anti-rebond est placé en parallèle avec le bouton pour atténuer les rebonds qui se produisent lors de l'appui ou du relâchement du bouton.

Afficheur 7 Segments

• Un afficheur 7 segments est un type d'afficheur qui écrit les caractères en allumant ou en éteignant des segments (une portion de l'afficheur).
• Les interrupteurs a, b, c, d, e, f, g représentent les signaux qui pilotent chaque segment.