La mécanique et l'électronique dans l'informatique industrielle/Présentation du cours
Définition
modifierL’électronique dans l’informatique industrielle est aujourd’hui utilisée à tous les niveaux dans nos entreprises, que ce soit pour les traitements de données, la CAO, les circuits électroniques dans les machines, les ordinateurs, la programmation… L’informatique industrielle est une branche de l’informatique appliquée qui couvre l’ensemble des techniques de conception et de programmation, de systèmes informatisés à vocation industrielle, qui ne sont pas des ordinateurs.
Les domaines d’applications peuvent être différents : Alarme, automobile, aviation, instrumentation, médicale, téléphonie mobile, terminaux de paiement par carte bancaire …
La mécanographie
modifierA l’origine de l’informatique, le système ne ressemblait pas à celle que nous connaissons actuellement. En effet, avant l’émergence de l’informatique en 1962, c’est la mécanographie qui était le plus appliquée afin de résoudre des calculs. Il s’agit d’une technologie qui s’est développée de la fin du XIX° siècle, jusqu’au milieu des années 1960. La mécanographie a vu le jour grâce aux besoins du recensement américain de 1890, puis s’est rapidement démocratisé dans les secteurs de la finance et de l’industrie. Cependant, la première machine à calculer mécanique remonte à 1645, avec la pascaline. Il s’agit d’une machine créée par Blaise Pascal permettant de résoudre des opérations d’additions et de multiplications. (1) (2)
Les données d’entrées et de sorties étaient supportées par des cartes perforées. Ce sont ces mêmes cartes qui faisaient office de mémoire pour les machines. Il s’agit d’un morceau de papier rigide dont la lecture est faite grâce à un système repérant la présence ou non d’un trou à certains endroits. Une fois les données lues par la machine, elles sont directement transmises à d’autres cartes perforées reliés entre elles et servant de calculateur. Le résultat ressortait sur une troisième carte. (3)
Ces machines à calculer ont permis de gagner beaucoup de temps sur les calculs, tout en fiabilisant ces derniers. Bien que l’informatique mécanique soit aujourd’hui considérée comme archaïque, notamment grâces aux avancés sur le domaine électronique, il est très probable qu’elle réapparaisse dans les années qui vont suivre, notamment grâce aux recherches sur la nano-mécanique. Cela permettrait d’utiliser les mêmes systèmes qu’autrefois, en prenant beaucoup moins d’espace, tout en nécessitant moins d’énergie que l’électronique.
L'électronique analogique
modifierL'Electronique analogique a pour objectif de traiter des données sur des grandeurs (tension, courant, charge) à variation continue. (4)
Domaines d’utilisations :
- Les capteurs
- Les circuits d’instrumentations
- Les calculateurs
- Les filtres
- Les antennes, les applications d’amplifications et de hautes tensions
L'électronique numérique
modifierL'électronique numérique a pour objectif de traiter des données sur des grandeurs quantifiables. Permet d’obtenir des états stables et fiables. Ces grandeurs obéissent à des règles d’algèbre particulières qu’il est indispensable de maîtriser avant d’entreprendre l’analyse ou la synthèse de circuits numériques.
En Electronique numérique on manipule des variables logiques conventionnellement repérées par la valeur 0 ou 1. Ces grandeurs obéissent à des règles d’algèbre particulières qu’il est indispensable de maîtriser avant d’entreprendre l’analyse ou la synthèse de circuits numériques.(5) (6) (7)
Domaines d’utilisations :
- Création d’Ordinateur
- Convertisseur de puissance
- Représentation d’information sous forme de bits
Le transfert de l'information : les signaux
modifierLa plupart des signaux sont désormais traiter par l’informatique industrielle. Ces signaux sont essentiels dans l’informatique afin de transmettre les informations. Il est donc primordial qu’elle puisse être transmises et reçues informatiquement. Les signaux peuvent être de plusieurs natures :
- Les signaux électriques, qui seront les signaux qui seront transmis à l’intérieur d’un système informatique.
- Les ondes radios, qui peuvent être émise et reçu par l’informatique.
- Les signaux lumineux, qui permettent un transfert de signal plus rapide que les précédents signaux.
Les signaux sont transmis via divers support : le cuivre, avec les câbles, l’air, avec les ondes radios et l’optique, avec la fibre optique. Il est important de noter que la distance a pour effet d’affaiblir le signal. Ceci est d’autant plus vrai pour l’informatique. Le contrôle des erreurs et la régénération du signal ralentissent l’acheminement des données. Il est alors possible d’utiliser des composants, tel que des répéteurs, afin d’augmenter la portée potentielle d’un signal.
Parmi les informations les plus transmises dans le domaine industriel, on retrouve les signaux entre les capteurs d’une machine et l’opérateur. Ces signaux sont le plus souvent transmis grâce à des impulsions électriques. Il faut alors que le système de mesure puisse traduire ce signal en une information pouvant être comprise par l’utilisateur. (9)
Les composants d'électronique numérique
modifierLes microprocesseurs
Un microprocesseur est un processeur dont les composants ont été suffisamment miniaturisés pour être regroupés dans un unique circuit intégré. Fonctionnellement, le processeur est la partie d’un ordinateur qui exécute les instructions et traite les données des programmes.
Jusqu’au début des années 1970, les différents composants électroniques formant un processeur ne pouvaient tenir sur un seul circuit intégré. On devait donc les placer sur plusieurs circuits intégrés. En 1971, la société américaine Intel réussit, pour la première fois, à placer tous les transistors qui constituent un processeur sur un seul circuit intégré donnant ainsi naissance au microprocesseur.
Cette miniaturisation a permis :
- d'augmenter les vitesses de fonctionnement des processeurs, grâce à la réduction des distances entre les composants, entre autres ;
- de réduire les coûts, grâce au remplacement de plusieurs circuits par un seul, entre autres ;
- d'augmenter la fiabilité : en supprimant les connexions entre les composants du processeur, on supprime l'un des principaux vecteurs de panne ;
- de créer des ordinateurs bien plus petits : les micro-ordinateurs ;
- de réduire la consommation énergétique.
Un microprocesseur se caractérise aujourd'hui par différentes fonctions :
Le jeu d'instructions qu’il peut exécuter. Voici quelques exemples d’instructions que peut exécuter un microprocesseur : additionner deux nombres, comparer deux nombres pour déterminer s’ils sont égaux, comparer deux nombres pour déterminer lequel est le plus grand, multiplier deux nombres... Un processeur peut exécuter plusieurs dizaines, voire centaines ou milliers, d’instructions différentes.
La complexité de son architecture. Cette complexité se mesure par le nombre de transistors contenus dans le microprocesseur. Plus le microprocesseur contient de transistors, plus il pourra effectuer des opérations complexes, et/ou traiter des chiffres de grande taille.
Le nombre de bits que le processeur peut traiter ensemble. Les premiers microprocesseurs ne pouvaient traiter plus de 4 bits d'un coup. Ils devaient donc exécuter plusieurs instructions pour additionner des nombres de 32 ou 64 bits. Les microprocesseurs actuels (en 2007) peuvent traiter des nombres sur 64 bits ensemble. Le nombre de bits est en rapport direct avec la capacité à traiter de grands nombres rapidement, ou des nombres d'une grande précision (nombres de décimales significatives).
La vitesse de l’horloge. Le rôle de l’horloge est de cadencer le rythme du travail du microprocesseur. Plus la vitesse de l’horloge augmente, plus le microprocesseur effectue d'instructions en une seconde.
Tout ceci est théorique, dans la pratique, selon l'architecture du processeur, le nombre de cycles d'horloge pour réaliser une opération élémentaire peut varier d'un cycle à plusieurs dizaines par unité d'exécution (typiquement une sur un processeur classique). Par exemple, un processeur A cadencé à 400 MHz peut être plus rapide qu'un autre B lui cadencé à 1 GHz, tout dépend de leurs architectures respectives. La combinaison des caractéristiques précédentes détermine la puissance du microprocesseur. La puissance d'un microprocesseur s’exprime en Millions d'Instructions Par Seconde (MIPS).
Dans les années 1970, les microprocesseurs effectuaient moins d’un million d’instructions par seconde, les processeurs actuels (en 2007) peuvent effectuer plus de 10 milliards d’instructions par seconde. (10)(11)(12)(13)
Les microcontrôleurs
Un microcontrôleur est un circuit intégré rassemblant dans un même boitier un microprocesseur (généralement peu puissant), plusieurs types de mémoires et des périphériques de communication (Entrées-Sorties). Il est conçu pour effectuer des tâches spécifiques aux applications nécessitant un certain degré de contrôle, telles que télécommande, écran à LED, montres intelligentes, véhicules, contrôle des feux de circulation, contrôle de température, etc.
Les différents composants programmables représentent la plus grosse partie des ventes dans le marché des microprocesseurs. En effet, un foyer moyen d'un pays développé est susceptible d'être équipé de seulement un ou deux microprocesseurs généralistes (ordinateurs), mais d'une ou deux douzaines de microcontrôleurs (appareils électroménagers).
Les microcontrôleurs sont des composants microprogrammés. Plusieurs langages sont utilisés : assembleur (bas niveau), Basic, langage C et plus récemment C++.
Un microcontrôleur est donc une unité de traitement de l’information de type microprocesseur à laquelle on a ajouté des périphériques internes permettant de réaliser des montages sans nécessiter l’ajout de composants externes.
Les microcontrôleurs améliorent l'intégration et le coût (lié à la conception et à la réalisation) d'un système à base de microprocesseur en rassemblant ces éléments essentiels dans un seul circuit intégré.
L'unité centrale, généralement constituée par un microprocesseur plus ou moins évolué, exécute le programme qui va donner vie à l'application. Pour les applications industrielles, ces programmes ont en commun le fait qu'ils ne nécessitent que très rarement des calculs complexes alors qu'ils sont très friands de manipulations d'informations d'entrées/sorties.
Plusieurs Constructeurs se partagent le marché des microcontrôleurs, citons INTEL, MOTOROLA, SEAGATE-THOMSON, AMTEL, ZILOG, PHILIPS et enfin MICROCHIP.
Un microcontrôleur (µC) se présente sous la forme d’un circuit intégré réunissant tous les éléments d’une structure à base de microprocesseur. Voici généralement ce que l’on trouve à l’intérieur d’un tel composant :
- un microprocesseur (C.P.U.), avec une largeur du chemin de données allant de 4 bits pour les modèles les plus basiques à 32 ou 64 bits pour les modèles les plus évolués,
- de la mémoire vive (RAM) pour stocker les données et variables,
- de la mémoire non volatile (ROM) pour stocker les programmes, différentes technologies EPROM, EEPROM, flash,
- souvent un oscillateur pour le cadencement. Il peut être réalisé avec un quartz, un circuit RC ou encore une PLL,
- des périphériques, capables d'effectuer des tâches spécifiques. Parmi les périphériques, on peut mentionner entre autres :
- les convertisseurs analogiques-numériques (CAN) (donnent un nombre binaire à partir d'une tension électrique),
- les convertisseurs numériques-analogiques (CNA) (effectuent l'opération inverse),
- les générateurs de signaux à modulation de largeur d'impulsion (MLI, ou en anglais, PWM pour Pulse Width Modulation),
- les timers/compteurs (compteurs d'impulsions d'horloge interne ou d'événements externes),
- les chiens de garde (watchdog),
- les comparateurs (comparent deux tensions électriques),
- les contrôleurs de bus de communication (UART, I²C, SSP, CAN, FlexRay, USB, Ethernet, etc.).(14)(15)(16)(17)(18)
La différence entre les microcontroleurs et les microprocesseurs
Les microprocesseurs et les microcontrôleurs sont des puces électroniques programmables typiques utilisées à des fins différentes. La différence clé entre eux est qu’un microprocesseur est un moteur de calcul programmable constitué d’une unité arithmétique et logique, d’un processeur et de registres, capable d’effectuer des calculs et de prendre des décisions. Tandis qu’un microcontrôleur est un microprocesseur spécialisé considéré comme un ordinateur sur une puce car il intègre des composants tels qu’un microprocesseur, une mémoire et des E/S. Le microcontrôleur est principalement conçu pour gérer des tâches en temps réel, contrairement au microprocesseur.
Un microprocesseur peut effectuer des opérations générales pour plusieurs tâches différentes. Au contraire, un microcontrôleur peut effectuer des tâches définies par l’utilisateur lorsqu’il gère la même tâche pendant tout le cycle de vie. (19)
Les composants électronique
modifierGénéralités
Il faut d’abord définir un composant électronique, c’est un élément qui, une fois assemblé dans un circuit électrique permet de répondre à une fonction spécifique. La raison pour laquelle on utilise un composant électronique est simplement l’attendu de sa fonction.
Un montage électrique est l’assemblage de plusieurs composants que l’on connecte les uns aux autres, cela correspond finalement à un schéma électrique.
Il faut aussi savoir qu’il existe plusieurs types de composants, en effet les composants sont catégorisés en fonction de leur fonctionnement :
Composants actifs : cela correspond aux composants qui permettent d’augmenter la puissance d’un courant et/ou d’une tension. La spécificité de ces composants est le besoin d’une source d’énergie pour fonctionner. On y retrouve par exemple les diodes, transistors.
Composants passifs : cela correspond aux composants qui n’augmentent pas la puissance d’un signal électrique. Ils n’ont pas besoin d’une source d’énergie pour fonctionner. On y retrouve les résistances et condensateurs.
Les condensateurs
Le condensateur est un composant électronique, celui-ci est constitué de deux armatures conductrices, aussi nommés « électrodes » séparées par un isolant polarisable ou diélectrique. Sa propriété principale est de pouvoir de stocker des charges électriques opposées sur ses armatures. La valeur absolue de ces charges est proportionnelle à la valeur absolue de la tension qui lui est appliquée. Son unité est le Faraday (F).
Le condensateur est principalement utilisé pour :
- Stabiliser une alimentation électrique
- Traiter des signaux périodiques (filtrage)
- Séparer le courant alternatif du courant continu, ce dernier étant bloqué par le condensateur
- Stocker de l’énergie, auquel cas on parle de supercondensateur.
Petite remarque historique : C’est en octobre 1745 que le physicien originaire d’Allemagne, nommé Ewald Georg von Kleist, invente le tout premier condensateur et peu de temps après, en 1746 c’est cette fois-ci un physicien hollandais Pieter van Musschenbroek qui invente le condensateur de façon indépendante. Il l’appellera bouteille de Leyde en rapport avec le nom de son université ou il travaillait, l’université de Leyde.
Il faut savoir qu’il existe plusieurs catégories de condensateur, en effet en raison de l’évolution de la chimie, les performances des condensateurs se sont améliorées, c’est notamment lié à la qualité du diélectrique employé que les performances varient.
Exemples de condensateurs :
Condensateurs électrolytiques : possède une grande capacité de stockage, grande résistance en série, mauvaise réponse aux hautes fréquences, grande tolérance. Ils sont principalement utilisés dans la partie filtrage des circuits d’alimentation.
Condensateurs au tantale : résistance série (ESR) réduite, faible inductances série, faibles résonances, pas de dégradation dans le temps en matière de stockage ou d’utilisation. Avec une résistance série extrêmement faible, ils sont un composant préférentiel pour les découplages d’alimentation sur les cartes.
Condensateur à isolant : inductance extrêmement faible et très grande résistance en parallèle. Etant ajustable à l’air, ils sont utilisés dans les postes récepteurs radio pour le choix des stations.
Condensateurs film à base de matériaux synthétiques : ils ont été conçus spécifiquement pour fins de découplage de signaux et d’utilisation dans les filtres. (20)(21)(22)
Les diodes
La diode est un composant électronique. C’est un dipôle non-linaire et polarisé (non symétrique). Le sens de branchement d’une diode est donc important sur le fonctionnement du circuit électronique où l’on utilise la diode.
L’intérêt d’utiliser une diode dans un circuit électrique c’est que ce dipôle ne laisse passer le courant que dans un seul sens. Il est aussi appelé diode de redressement lorsqu’il est utilisé pour réaliser les redresseurs permettant de transformer le courant alternatif en courant unidirectionnel. Son unité est le volt (V).
Petite remarque historique :
C’est en 1874 et par Karl Ferdinand Braun que le premier dispositif capable de laisser passer le courant électrique dans un sens fut découvert, et cela à l’aide d’un cristal de galène. Aujourd’hui ce dispositif est connu et appelé « diode à pointe ». En 1970, la diode à vide est mise au point par John Fleming, l’avantage de cette diode étant qu’en chauffant la cathode, celle-ci émet des électrons que l’anode peut capter alors que le contraire est impossible. Après la seconde guerre mondiale, la diode semi-conducteur (à base de germanium ou silicium) vient remplacer les tubes à vide, cette nouvelle diode n’exige pas de courant de chauffage. Le développement des semi-conducteurs a entraîné la création de nombreuses variétés de diodes, exploitant les caractéristiques de la jonction P-N, ou, dans le cas des diodes électroluminescentes, des propriétés annexes du matériau.
Exemples de diodes :
- La diode Schottky : possède une chute de tension directe réduite et une dynamique nettement améliorée, en revanche elle est incapable de supporter des tensions au-delà d’une cinquantaine de volts.
- La diode Zener : sous l’effet d’une tension inverse suffisante, l’augmentation du champ électrique provoque la libération des porteurs de charge afin que le courant augmente brutalement et que la tension aux bornes reste pratiquement constante. Elle peut servir comme source de bruit.
- La diode Transil : c’est un composant « parasurtenseur » utilisé pour la protection des circuits.
- La diode électroluminescente : elles servent pour le rétroéclairage des écrans à cristaux liquides des TV, PC portable, appareils photos, smartphones etc...
- La diode Laser : elle permet d’émettre une lumière monochromatique cohérente. Son utilisation est liée au transport d’un signal de télécommunication sur fibre optique par exemple.
- La photodiode : cette diode est utile pour réaliser des commandes en fonction de l’intensité lumineuse perçue par une diode.
- La diode Gunn : elle permet d’avoir un courant alternatif en partant d’un courant continu.
- La diode PIN : elle permet de redresser de fortes tensions
- La diode à effet tunnel : elle possède une caractéristique, celle d’avoir le courant qui diminue lorsque la tension augmente, qui est utilisée par les oscillateurs
- La diode à vide : ancêtre des diodes à semi-conducteurs, en raison de sa taille et sa consommation de courant, elle n’est plus utilisée. (23)(24)
Les résistances
La résistance un est composant faisant partie des dipôles électriques, une résistance permet d’approcher de manière très réel la loi d’Ohm. Elle représente l’aptitude d’un matériau conducteur à s’opposer au passage d’un courant électrique sous une tension électrique donnée. L’unité de la résistance est l’Ohm (Ω)
Une résistance est donc liée aux notions de résistivité et de conductivité électrique.
Il faut savoir qu’une résistance dissipe de l’énergie sous forme de chaleur, cette propriété spécifique est l’effet Joule. C’est une propriété qui peut être aussi bien souhaité que non souhaité, selon le système dans lequel on utilise la résistance.
Le problème majeur de ce composant qui est lié à la conductivité et résistivité dépend fortement de la température. C’est l’un des rares composants qui possède une plage de valeurs pouvant aller de 0 (supraconducteurs) à PLUS L’INFINI (isolants parfaits).(25)
Exercices
Exercice 1 :
Soit le schéma ci-contre.
Sachant que les valeurs If et Vf standards des DELs rouges Ø5mm sont : If = 10 mA et Vf=1.6V et que Ve= +5V.
Déterminer la valeur de la résistance Rp permettant de polariser correctement la DEL.
Réponse :
Ve – Urp – Vf = 0 V
URp = Ve- Vf = 5,0 – 1,6 = 3.4 V
URp = Rp x If donc Rp = (URp/If) = (3,4/10.10^-3) = 340 Ω
Exercice 2 :
Soit le schéma ci-contre.
Calculer VR2 si E= +5V et R1=R2 = 1k Ω
Réponse :
Pour E= +5V : la diode n’est pas passante.
I = 5 / 2000 = 0,0025 A = 2,5 mA
Vr2 = 1000 x 0.0025 = 2,5V
Exercice 3 :
Soit le schéma ci-contre.
Calculer la capacité du condensateur équivalent.
Calculer la charge sur le condensateur de 12 µF.
Trouver la chute de tension à travers le condensateur de 12 µF.
Réponse :
Equation de la capacité équivalente de la combinaison en série :
1 / Ceq = (1/3) + (1/6) + (1/12) + (1/24) = 1,6 µF.
La charge désirée est égale à la charge du condensateur équivalent :
Q = Ceq x ΔV = (1,6x10^-6) x (18V) = 29 µC.
En appliquant l’équation basique du condensateur on obtient :
C = (Q / ΔV) → ΔV = (Q / C) = (29 / 12 ) = 2,4 V.
QCM
modifierChoisir la/les bonne(s) réponse(s) :