|
1°
Plan large sur notre sujet
|
Les ordinateurs habituels, constitués d'un
boîtier contenant les circuits électroniques
auquel on relie des claviers, souris, écrans, haut-parleurs,
imprimante (ce que l'on nomme des "périphériques")
sont constitués d'une partie matérielle (
hardware ou "hard") que nous examinons brièvement
dans cette page
et d'une partie immatérielle (
software ou "soft") à savoir : les programmes
informatiques.
Il en est ainsi également des tablettes, téléphones
mobiles, GPS, etc. qui intègrent certains périphériques. |
1.1°
Le Schéma Général
De même, les automatismes de tous genres - robots - domotique
- informatique embarquée dans des véhicules terrestres
ou des sondes spatiales, etc.,
sont gérés par des modules de commande ayant les
mêmes structures de base que les ordinateurs
et animés par des programmes informatiques.
Voici un schéma général pontrant les principaux
blocs fonctionnels d'un automatisme géré par informatique.
Bien qu'il faille deux fils pour transmettre une tension analogique.
et 8+1 = 9 fils pour transmettre 8 signaux électriques binaires
(référence 0V commune)
la référence commune des tensions a été
omise comme c'est habituel dans les schémas électriques.
1°
La partie commande
est constituée par un processeur  .
entouré de divers circuits intégrés soudés
sur une carte imprimée
et interconnectés par des nappes de fils imprimés sur
cette carte.
Le
processeur
Circuit intégré assurant principalement les fonctions
:
- d'exécution d'un programme dont les codes
sont enregistrés dans une mémoire (généralement
implantée sur la carte).
- des calculs arithmétiques et logiques (+ ,
- , ×, / , ET, OU, etc...)
imposés par ce programme.
|
Le processeur est également appelé " Unité
Centrale de Traitement" : UCT ou UC
Central Processing Unit CPU
2°
La partie opérative
d'un automatisme industriel ou robotique contient
un ensemble d'actionneurs
assurant physiquement les fonctions pour lesquelles que l'automatisme
a été créé.
(moteurs, vérins, vannes électriquement contrôlées,
etc...)
Elle comporte également des capteurs permettant entre
autre à la partie commande
de connaître les paramètres de fonctionnement des actionneurs
afin d'en réguler le fonctionnement.
(états d'ouverture ou fermeture de vannes, capteurs de température,
de vitesse, etc...)
Les
données
Les données traitées dans la partie commande
sont exclusivement des nombres binaires de n bits (n=16, 32,...)
"n" dépend du processeur utilisé.
Les
voies de circulation
Dans la partie commande, le Bus des Données est un ensemble
de n fils imprimés groupés
qui charie ces informations binaires en mode parallèle
.
Chacun de ces n fils, généralement nommés Dn-1
...D0,
transporte une donnée binaire représentée par
2 tensions signifiant chacune une niveau logique.
(P. ex. 0V pour "niveau bas" ; 5V pour "niveau haut"
- ou inférieure suivant les technologies - )
Ces données sont échangées bidirectionnellement
sur ce bus :
- entre circuits internes de la carte de commande
par des BUS parallèles.
- entre la partie commande et la partie opérative externe
par des Ports de commnucation.
|
Le
dialogue-
- Des informations sur l'état des actionneurs et sur
les conditions ambiantes
est nécessaire à la partie commande, pour décider
ou non de déclencher telle ou telle action,
ou de l'intensifier, ou de l'amoindrir.
Ces informations sont prises sur des capteurs disposés
dans la partie opérative.
Elles sont communiquées à la partie commande
à travers des ports d'entrée de données
situés sur la carte de commande.
Le processeur vient lire ces codes par le bus des données
auquel sont également reliés ces ports.
- Les actionneurs de la partie opérative attendent
des ordres de la partie commande.
Ces ordres, codes binaires à n bits (n= 1, 8,16,32,
etc), sont élaborés par le processeur qui les
présente à des ports de sortie sur la
même carte de comammade, lesquels présentent
l'information aux actionneurs à travers des interfaces
d'adaptation de tension, de puissance etc.
|
|
|
1,2°
Actionneurs - Capteurs
Exemples
|
Actionneurs
|
Capteurs
|
Moteurs
Commande de marche/arrêt (Tout Ou Rien)
Commande de la puissance (Analogique)
|
Capteur d'état "marche"/"arrêt"
(Tout Ou Rien)
Capteur de vitesse du moteur (Analogique) |
Vérins pour déplacer en translation
ou en rotation
des objets ou des leviers de la partie opérative. |
Capteurs de déplacement linéaire. (Analogique)
Capteurs de finde course (TOR) |
|
Vannes de contrôle d'écoulement d'un fluide
Commande : "Ouvert/Fermé" (Tout ou rien)
ou
Commande : "% d'ouverture" (Analogique) par vérin
commandant progressivement la vanne d'obturation.
|
Indicateur d'état :
"Vanne Ouverte"/"Vanne Fermés" (Tout
Ou Rien)
Capteurs de % d'ouverture (mesure de l'angle de rotation de la vanne.
(Analogiques) |
|
etc.
|
etc.
|
TOR
/ Analogique
Vour remarquerez que certains capteurs ou actionneurs
sont qualifiées de TOR ("Tout Ou Rien")
d'autres d'Analogiques.
Tout Ou Rien concerne des dispositifs à deux états
: marche/arrêt, ouvert/fermé.
Analogiques se rapporte à des dispositifs caractérisés
par une grandeur réelle à variation continue :
la vitesse d'un moteur, le % d'ouverture d'une vanne, la longueur d'un
déplacement, etc.
Tout ceci sera précisé progressivement dans la suite.
Exemples pour un ordinateur
|
Exemples d'actionneurs
|
Exemples de capteurs
|
| Ecran |
Clavier, Souris |
| Haut-Parleurs |
Microphone (entrée son) |
| Imprimante |
Numériseur d'images (
Scanner) |
| Sorties vers les réseaux, WiFi, etc. |
Entrées des réseau, WiFi, etc. |
|
etc.
|
etc.
|
|
|
1.3°
Les PORTS
:
Ce sont des circuits intégrés placés sur la carte
de l' UC (processeur)
et permettant à ce dernier de dialoguer (échanger des
données)
avec l'environnement ecterne (partie opérative).
- Ports de sortie TOR :
Permettent de verrouiller en sortie des donnés TOR destinées
aux actionneurs.
- Ports d'entrée TOR :
Permettent de saisir l'information TOR externe pour la transmettre
à l'UC au bon instant .
- Ports d'entrée analogiques :
Permettent de convertir en numérique ( 8 ou n bits) des
données saisies sur les capteurs analogiques pour les
transmettre au moment opportun à l'UC.
- Ports de sortie analogiques :
Permettent de convertir des données numériques
générées par le proceseur en signal analogique
équivalent pour le transmettre au actionneurs analogiques
de la partie opérative.
- Ports spécifiques : de gérer des écrans,
des affichages alphanumériques des liaisons de communication
(Réseau, WiFi, USB) etc.
Ces ports communiquent aussi avec l'UC par le Bus des Données.
|
|
Cette structure est, dans les grandes lignes,
la même que celle de tout ordinateur de bureau. (Tower-Desktop)
- Entrée TOR : le clavier
- Entrée analogique : le microphone
- Sortie TOR : l'imprimante (ancienne connexion "Centronics")
- Sortie analogique : le son
- Sorties spéciales : l'image de l'écran,
- Entrée/sortie à un format spécial
: l'accès au réseau
- etc...
|
|
|
1.4°
Les INTERFACES
Circuits électroniques externes à la
carte de l'UC ayant pour but :
Un signal de tension et intensité appropriées appliqué
sur l'entrée des diodes éclaire celles-ci.
Les diodes étant tête-bêche, ce signal peut être
alternatif ou continu.
Ce qui, par effet photo-électrique, rend le transistor passant
entre C & E (Collecteur - Émetteur).
Les bornes C et E se comportent comme un interrupteur qui peut être
exploité
pour déclencher un signal TOR de la partie opérative,
ou un signal logique 0...5V sur un circuit de la artie commande.
L'intérêt est d'isoler électriquement le
circuit attaquant les diodes
du circuit commandé par le transistor CE.
C'est important lorsque ces deux circuits ont des références
de tension très différentes
ce qui peut les endommager tous deux (une décharge, des surtensions,
etc).
Isolés par un tel optocoupleur, la tension entre les deux
circuits ainsi couplés
doit être très élevée pour qu'elle puisse
générer une telle décharge.
Par exemple, pour le modèle SH620-A1 de la figure,
on ne doit pas dépasser 5300 V RMS (RMS :
Root Mean Square : 
Tension efficace)
(Justification mathématique ici 
)
|
1.4°
- Le "Processeur"est
la pièce maîtresse de cet ensemble.
(
Processor : process =
traitement)
Comme dans tout ordinateur, c''est un circuit intégré
de quelques cm de côté,
ayant pour fonctions :
-
d'exécuter un programme.
Ce programme, une suite d'instructions
codées en binaire, (codes-machine)
est préalablement chargé dans une
mémoire de la carte de la partie commande.
C'est ce programme (écrit par des
programmeurs) qui anime l'ensemble des entrées
sorties gérant l'automatisme.
- de gérer physiquement les composants environnant
l'UC.
- Sélectionner tel ou tel composant pour qu'il
devienne actif
C'est l'opération de SÉLECTION. (Détaillée
dans la suite)
- Valider le composant actif à un moment précis
et pendant une durée précise afin de synchroniser
l'échange de données avec l'UC.
C'est l'opération d'ÉCHANTILLONNAGE.
(Détaillée dans la suite)
|
La
programmation n'est pas au menu de la présente page.
C'est à la structure matérielle uniquement
de cet ensemble à lasuelle nous nous intéresserons d'abord.
Et surtout aux mécanismes d'échange des données
avec l'extérieur du module de commande
et également entre composants internes de ce module.
Ce
n'est pas le traitement des données qui nous intéresse
ici.
mais, d'abord de décrire ce que sont matriellement ces données
et comment elles circulent et s'échangent.
Vous trouverez dans ce site une description plus complète
de la programmation.
Programmation en C++ ici : 
et Programmation en JavaScript là :
Programmation en HTML ici :
Toutefois, le lecteur pourra trouver Plus loin
une description très succincte de ce qu'est un programme,
et de comment l'unité centrale l'exécute.
|
|
2°
- Autour de l'Unité Centrale de Traitement
|
|
(
UCT ou UC /
CPU Central Processing Unit )
C'est un circuit intégré comportant,
malgré sa taille de quelques cm de côté, des millions
de circuits internes
lui permettant de faire des calculs très rapidement : plusieurs
petaFLOP ! :
Parmi ces calculs possibles :
- des opérations de logique combinatoire (ET - OU -
OU Exclusif, Rotations de bots, etc.)
- des calculs mathématiques de grande précision
|
Il est étonnant de constater qu'un choix très
réduit d'opérations
suffit à réaliser toutes les applications connues de l'univers
numérique actuel.
Si vous suivez ce cours jusqu'au bout, vous verrez que d'étonnants
résultats peuvent être obtenus
en combinant astucieuseùent ce nombre réduit d'opérations.
Et que ce n'est pas si difficile qu'il ne semble !
Tout se construit brique par brique.
Quelle que soit la hauteur du mur !
|
|
Apparences
externes
De nombreux exemples existent : Intel® 8080
- Zilog Z80 vers les années 1970-1980
Intel Pentium (plusieurs modèles) 1993-2000.
Unité Centrale d'usage général
gérant les cartes mères
de la plupart des ordinateurs de bureau,
tablettes ou portables. |
La technologie ARM
intègre sur une même puce l'ensemble de l'Unité
Centrale (Processeur) et des ports d'entrée et de sortie
les plus divers. 
Pour téléphones portables
et applications embarquées. |
ARDUINO |
|
Brochage
typique d'un processeur
Les fonctions de toutes ces broches
seront décrites dans la suite. c.f.
|
Interconnexion
des principaux types de
circuits intégrés fonctionnels environnant l'Unité
Centrale
Cette unité centrale est entourée de circuits intégrés
auxiliaires,
interconnectés par des rubans de cuivre dessinés sur
une carte imprimée
et dont les fonctions vont être décrites ci-dessous.
Tel est le cas des "cartes mères" des ordinateurs
de bureau
Des "cartes filles" supplémentaires pouvant être
connectées sur la carte mère
grâce à des connecteurs (
slots ) appropriés et soudés d'origine sur la carte
mère.
Voici un schéma typique du montage le plus général.
L'écriture /RD , /WR , /CS etc...
utilisée dans le texte faute de mieux
correspond respectivement à :
|
On aperçoit dans le schéma ci-dessus, entre autre
:
- l'Unité Centrale UC
- des Nappes de fils de connexion nommées BUS.
- BUS des DONNÉES : D0...D7 (Circulation
des données 8 bits entrantes ou sortantes)
- BUS des ADRESSES : A0...A15 (Désignation
de tel port d'E/S ou tel registre en mémoire).
- Bus de CONTROLE : /RD, /WR (Validation
en lecture ou écriture d'une donnée)
- une Mémoire (MEM) - Il peut y en avoir
plusieurs en batterie - .
- des Ports d'entrée parallèle : E1, E2,
E3 : chacun à 8 entrées simultannées
(8 bits).
- des Ports de sortie parallèle : S1, S2, S3 :
chacun à 8 sorties simultannées (8 bits).
- des Circuits auxiliaires
Par exemple le "Décodeur 4 vers 16".
Nous verrons comment il permet,
à partir du bus des adresses,
de sélectioner (valider) , un
seul port ou une seule mémoire
parmi d'autres présents sur la carte.
- des Circuits de logique booléenne,
Fonction : combiner certains signaux logiques.
P.ex. les modules notés [>=1] (fonction booléenne
OU
- OR )
|
Note
:
Les fils du bus de contrôle notés : /RD , /WR font partie
des signaux d'échantillonnage.
Ils permettent de provoquer l'action à un mmoment précis
contrôlé par l'UC.
Ceux notés : /CE1 , /S15, /S14 , /S13 font partie des signaux
de sélection.
Ils permettent de valider tel ou tel port parmi d'autres,
tel ou tel boîtier-mémoire parmi d'autres.(
Ces deux mécanismes incontournables
seront examinés en détail dans la suite.
|
Une
Unité Centrale ne peut traiter ou produire
que de l'information sous forme numérique binaire.
- Les informations à traiter (en provenance
de la partie opérative extérieure)
doivent être préalablement mises sous forme de
nombres binaires de 8, 16, 32, 64 bits suivant
les types d'UC. et circulent par le BUS DES DONNÉES.
Lors d'une opération d'entrée de données
c'est la partie opérative qui livre ces informations.
- Les résultats du traitement (destinées
à la partie opérative)
seront également délivrés par
l'UC sous cette même forme numériquebinaire et
avec le même nombre de bits.
Le même BUS DES DONNÉES fonctionne à
l'alternat et, comme sur une voie de chemin de fer unique
entre deux gares, une discipline est imposée par l'unité
centrale grâce à des signaux de contrôle
que nous découvrirons plus loin.
(sélection des éléments actifs
et échantillonnage temporel pour la synchronisation).
|
Mais... quelle est la nature des signaux qui représentent
les nombres binaires circulant sur les BUS ?
Voir ci-dessous. 
|
