Chaîne d'information
La chaîne d'information traite les données issues des capteurs pour élaborer les ordres envoyés aux actionneurs. Elle assure les fonctions acquérir, traiter et communiquer, pilotées par une unité de traitement (microcontrôleur, automate, calculateur embarqué).
Objectifs
- Identifier les trois fonctions de la chaîne d'information dans un système réel
- Décrire le rôle d'un microcontrôleur et d'un automate programmable industriel (API)
- Expliquer les protocoles de communication série courants (UART, I2C, SPI, CAN bus)
Acquérir : de la grandeur physique au signal numérique
La fonction acquérir regroupe tous les éléments qui captent les informations sur l'état du système et de son environnement : capteurs (température, pression, position, vitesse), interfaces homme-machine (boutons, clavier, écran tactile), communications externe (réseau, smartphone). Le signal analogique issu du capteur est conditionné (amplifié, filtré) puis numérisé par un CAN. Un microcontrôleur intègre souvent des entrées analogiques avec CAN intégré (ex : Arduino, STM32) et des entrées numériques TOR (Tout Ou Rien) pour les capteurs à sortie logique (détecteur inductif, fin de course).
Traiter : l'unité de traitement
La fonction traiter est assurée par un processeur qui exécute un programme (algorithme) pour analyser les données et élaborer des ordres. Le microcontrôleur (µC) est utilisé dans les systèmes embarqués compacts (robotique, domotique). L'automate programmable industriel (API ou PLC) est conçu pour l'environnement industriel (robustesse aux perturbations, redondance). Le traitement inclut : comparaisons de valeurs mesurées à des consignes, régulation PID, gestion de séquences (GRAFCET), détection de défauts. Le programme est stocké en mémoire flash et s'exécute en boucle cyclique.
Communiquer : protocoles et bus de terrain
La fonction communiquer assure les échanges de données entre les composants du système. Les protocoles série courants sont : UART (communication asynchrone, 2 fils TX/RX, simple mais lent), I2C (bus synchrone 2 fils SDA/SCL, adressage 7 bits, jusqu'à 127 capteurs sur le même bus), SPI (4 fils, rapide, communication maître-esclave). Dans les systèmes embarqués automobiles et industriels, le bus CAN (Controller Area Network) est standardisé : multi-maîtres, robustesse aux perturbations électromagnétiques, débit jusqu'à 1 Mbit/s. Les liaisons Ethernet, Wi-Fi et Bluetooth complètent l'écosystème IoT.
GRAFCET et programmation séquentielle
Le GRAFCET (Graphe Fonctionnel de Commande Étapes/Transitions) est l'outil graphique de description du comportement séquentiel d'un système automatisé. Il se compose d'étapes (états stables du système), de transitions (conditions de passage d'une étape à la suivante) et d'actions associées à chaque étape. Une transition est franchie lorsque la réceptivité (condition logique) est vraie ET que l'étape précédente est active. Le GRAFCET est transcrit en programme Ladder ou Structured Text pour l'API. Il permet de modéliser des séquences complexes (multi-séquences, convergences, divergences).
Relations et formules clés
T_bit = 1 / débit_baudsT_bit est la durée d'un bit (s), débit_bauds le débit en bauds (bits/s) — ex : à 9600 bauds, T_bit = 1/9600 ≈ 104 µs
N_valeurs = 2^nn est le nombre de bits du CAN (ex : 8 bits → 256 valeurs, 10 bits → 1024 valeurs, 12 bits → 4096 valeurs)
N_adresses = 2^7 = 128 (dont 1 réservée → 127 esclaves max)Le bus I2C utilise une adresse 7 bits pour identifier chaque esclave sur le bus, permettant jusqu'à 127 périphériques distincts
Exercice d'application
Question : Un système de régulation thermique utilise un capteur de température avec un CAN 10 bits alimenté sous 3,3 V. La température mesurée est 85 °C, le capteur délivre 0 V pour 0 °C et 3,3 V pour 150 °C. 1) Calculez la valeur numérique (décimale) envoyée à l'unité de traitement. 2) Si la résolution du CAN suffit à détecter une variation de 0,5 °C, vérifiez si c'est le cas. 3) À 115200 bauds, combien de temps faut-il pour transmettre un octet complet (1 start + 8 data + 1 stop) ?
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Réponse : 1) Tension pour 85 °C : U = 85 × 3,3 / 150 = 1,87 V. Valeur numérique : N = 1,87 × (2^10 - 1) / 3,3 = 1,87 × 1023 / 3,3 ≈ 580 (décimal). 2) Résolution du CAN : R = 3,3 / 1023 ≈ 3,23 mV/LSB. Variation de température correspondante : ΔT = 0,00323 × 150 / 3,3 ≈ 0,147 °C par LSB. Le CAN détecte donc des variations de 0,147 °C < 0,5 °C : la précision est suffisante. 3) T_bit = 1 / 115200 ≈ 8,68 µs. Un octet UART = 10 bits (1 start + 8 data + 1 stop) → T_trame = 10 × 8,68 ≈ 86,8 µs.
