Interfaces électroniques : acquisition des signaux de capteurs et commande d'actionneurs
Un microcontrôleur ne perçoit le monde qu'à travers des tensions comprises entre 0 et 3,3 V, et n'agit sur lui qu'avec des sorties de quelques milliampères. Entre un capteur qui délivre quelques millivolts noyés dans le bruit et un moteur qui réclame plusieurs ampères, il faut des interfaces. À l'entrée, on rend le signal mesurable : pont, amplification, filtrage, conversion. À la sortie, on transforme un bit en puissance : transistors, ponts en H, protections. Cinq planches pour suivre ce chemin, du capteur à l'actionneur.
Toute chaîne de mesure et de commande a la même structure. Un capteur traduit une grandeur physique (force, température, lumière, position) en grandeur électrique : une résistance, une tension, un courant. Le conditionnement l'amplifie, la décale et la filtre pour qu'elle occupe au mieux la plage du convertisseur analogique-numérique. Le microcontrôleur calcule et décide. Une interface de puissance transforme ses ordres en courants capables de faire tourner un moteur, de chauffer une résistance ou de fermer un relais : c'est l'actionneur qui agit sur le monde. Entre les deux, des liaisons numériques relient les circuits entre eux.
| Grandeur | Capteur | Signal délivré | Interface typique |
|---|---|---|---|
| Force, pression, poids | jauge de contrainte | variation de résistance de 0,1 % au plus | pont de Wheatstone et amplificateur d'instrumentation |
| Température | thermistance, sonde platine, thermocouple | résistance très variable, ou quelques µV par degré | diviseur de tension, linéarisation logicielle |
| Lumière | photodiode | courant de quelques nA à quelques µA | amplificateur transimpédance |
| Position, vitesse | codeur optique, capteur à effet Hall | impulsions logiques | entrées de comptage du microcontrôleur |
| Action | Actionneur | Besoin | Interface typique |
| Commuter un circuit | relais, électrovanne | bobine de 50 à 500 mA | transistor et diode de roue libre |
| Tourner | moteur à courant continu, moteur pas à pas | plusieurs ampères, dans les deux sens | pont en H commandé en MLI |
Le pont de jauges : mesurer un millième de variation
Une jauge de contrainte est un fin serpentin métallique collé sur une pièce. Quand la pièce s'allonge de ε (en µm/m, ou « microdéformations », µε), la résistance de la jauge augmente de ΔR/R = k·ε, avec un facteur de jauge k ≈ 2. Pour 1 000 µε, cela fait 0,2 % : 0,7 Ω sur 350 Ω. Une mesure directe serait noyée dans l'imprécision. Le pont de Wheatstone compare deux diviseurs de tension. Au repos, il est équilibré et sa sortie est nulle. La moindre variation apparaît seule, sans la grande tension de repos. Avec deux ou quatre jauges actives, montées de façon que leurs variations s'ajoutent, le signal double ou quadruple. Les effets de la température, identiques sur toutes les jauges, se compensent.
La thermistance : un capteur sensible mais non linéaire
Une thermistance CTN (à coefficient de température négatif) voit sa résistance chuter rapidement quand elle chauffe : de 10 kΩ à 25 °C, elle tombe à environ 680 Ω à 100 °C. Elle suit assez bien la loi R = R25·eβ(1/T − 1/T25), avec T en kelvins et β ≈ 3 950 K. On la place dans un diviseur de tension avec une résistance fixe Rf, et le CAN du microcontrôleur lit la tension du point milieu. Le programme inverse ensuite la loi pour retrouver la température. La sensibilité, en volts par degré, dépend de la température et de Rf. Elle est maximale quand Rf est égale à la résistance de la thermistance à la température qui intéresse. Le courant qui traverse la thermistance la chauffe un peu : c'est l'auto-échauffement.
Filtrer et moyenner : le bruit et le 50 Hz
Le signal d'un capteur arrive rarement propre. Il porte du bruit aléatoire (agitation thermique, bruit des amplificateurs) et un parasite à 50 Hz capté sur le réseau électrique par les fils. Le moyen le plus simple de les réduire est de moyenner N échantillons consécutifs. Le bruit aléatoire, indépendant d'un échantillon à l'autre, diminue comme 1/√N : quatre fois plus d'échantillons, deux fois moins de bruit. Le parasite périodique, lui, disparaît complètement si la moyenne couvre un nombre entier de périodes du réseau (20 ms, 40 ms…), car ses alternances positives et négatives s'annulent. C'est le principe des multimètres qui intègrent sur 20 ms ou 100 ms.
Commander une bobine : le transistor et la diode de roue libre
Une broche de microcontrôleur fournit quelques milliampères. Pour actionner un relais de 12 V qui en demande 100, on intercale un transistor MOS qui fonctionne en interrupteur. Mais la bobine du relais est une inductance : son courant ne peut pas s'interrompre d'un coup. Quand le transistor s'ouvre, elle produit la tension qu'il faut pour que son courant continue, quitte à monter à des centaines de volts. Sans protection, le transistor claque en avalanche et absorbe toute l'énergie stockée, ½·L·I². Une diode de roue libre en parallèle sur la bobine offre au courant un chemin où il s'éteint doucement. La tension reste alors sage, mais le relais met plus longtemps à retomber. Une diode Zener en série avec elle accélère l'extinction, au prix d'une tension un peu plus élevée.
Moteurs et liaisons : faire tourner, positionner, communiquer
Trois interfaces que l'on retrouve dans presque tous les systèmes embarqués. Le pont en H commande un moteur à courant continu dans les deux sens, avec une vitesse réglée par la MLI. Le moteur pas à pas se positionne sans capteur, en suivant la séquence des courants dans ses bobines. La liaison série asynchrone (UART) relie deux circuits avec un seul fil par sens, à condition que leurs horloges soient assez proches.
Quatre transistors disposés en H autour du moteur permettent de lui appliquer +V, −V ou 0. En commande unipolaire, on alterne +V et 0 : la tension moyenne vaut D·V, et le sens se choisit à part. En commande bipolaire, on alterne +V et −V : la tension moyenne vaut (2D − 1)·V, le moteur s'arrête à D = 50 % et change de sens de part et d'autre, mais l'ondulation du courant est plus forte. L'inductance du moteur lisse le courant, l'inertie du rotor lisse la vitesse. Moteur simulé : R = 2 Ω, L = 1 mH, constante k = 0,02 V·s/rad, alimentation 12 V.
Un moteur pas à pas hybride a deux bobines, A et B, et un rotor denté à 50 paires de pôles. Le rotor s'aligne sur le champ créé par les courants IA et IB : son angle électrique vaut atan2(IB, IA), et son angle mécanique 50 fois moins. Un tour électrique correspond à quatre pas entiers de 1,8°, soit 200 pas par tour. En alimentant une phase à la fois, puis deux phases (pas entier, couple multiplié par √2), puis en alternant les deux (demi-pas), puis en dosant les courants selon un sinus et un cosinus (micropas), on affine la position. En micropas, les courants sont réglés par un CNA de quelques bits, dont l'arrondi décale légèrement chaque position.
Une liaison série asynchrone envoie chaque octet dans une trame : un bit de départ à 0, les huit bits de données, le moins significatif en premier, puis un bit d'arrêt à 1. Il n'y a pas de fil d'horloge. Le récepteur détecte le front descendant du bit de départ, puis lit la ligne au milieu de chaque bit en comptant avec sa propre horloge. Si celle-ci dérive par rapport à celle de l'émetteur, l'erreur s'accumule bit après bit. Au dixième bit, l'instant de lecture ne doit pas avoir dérivé de plus d'une demi-durée de bit.
Repères historiques
- 1833Samuel Hunter Christie décrit le pont de mesure de résistances.
- 1843Charles Wheatstone le popularise ; il porte depuis son nom.
- 1856William Thomson (lord Kelvin) observe que la résistance d'un fil métallique change quand on le tend.
- 1938Edward Simmons et Arthur Ruge mettent au point, chacun de leur côté, la jauge de contrainte à fil collé.
- 1954Charles Smith mesure la forte piézorésistance du silicium, base des capteurs de pression intégrés.
- 1959Mohamed Atalla et Dawon Kahng réalisent le transistor MOS aux laboratoires Bell.
- 1960Publication de la norme RS-232 pour les liaisons série entre équipements.
- 1982Philips crée le bus I²C, qui relie capteurs et circuits sur deux fils.
Ce qu'il faut retenir
Acquérir
Un pont isole la variation utile et compense la température. Le diviseur de résistance doit être choisi pour la plage de mesure. La moyenne réduit le bruit en 1/√N et supprime le 50 Hz quand elle dure un nombre entier de périodes du réseau.Commander
Un transistor commute la puissance qu'un microcontrôleur ne peut fournir. Toute charge inductive exige un chemin pour son courant à l'ouverture : diode de roue libre, éventuellement avec une Zener pour une extinction plus rapide. Le pont en H inverse le sens et règle la vitesse par MLI.Communiquer
Une liaison asynchrone n'a pas d'horloge commune : les deux côtés doivent garder la même cadence, à quelques pour cent près, sur toute la trame. Les bus synchrones (SPI, I²C) transmettent l'horloge sur un fil dédié et s'affranchissent de cette contrainte.Pour aller plus loin : modèles et calculs de contrôle
Planche 1. Pont résolu exactement. Jauges : R = 350 Ω·(1 + k·(ε ± εT)), avec une déformation apparente thermique εT = 10 µε/K, la même pour toutes les jauges actives ; les résistances de complément sont supposées stables.
Planche 2. Loi β, R25 = 10 kΩ, β = 3 950 K. CAN idéal à arrondi par défaut ; la température est recalculée au milieu du pas. Dérivée numérique centrée sur ±0,01 K.
Planche 3. Bruit gaussien, graine fixe, 4 000 moyennes successives. Parasite et erreur totale : moyennes quadratiques sur huit phases équiréparties du 50 Hz.
Planche 4. I0 = Vdd/R = 100 mA ; claquage du transistor à 60 V, diode à 0,7 V, Zener à 24 V. Capacité de sortie négligée. Intégration par Runge-Kutta, 20 000 pas par constante de temps.
Planche 5. Moteur : J = 10−5 kg·m², frottement visqueux b = 10−5 N·m·s, interrupteurs idéaux, 40 pas d'intégration par période de MLI. Pas à pas : équilibre statique sans charge. Liaison série : détection idéale du front de départ, lecture instantanée.