Contrôle d'accéléromètre, 2013/2014, TD1

Introduction

L'objectif de ce projet est de réaliser un sous-système d'acquisition pour accéléromètre. L'interface Web associée permet à l'utilisateur de suivre les accélérations et de sélectionner une couleur.

Cahier des charges

Sur la carte NanoBoard

Ce module a pour but de mesurer l'accélération selon trois axes de la carte. La mesure se base sur l'utilisation d'un accéléromètre trois axes et sur la conversion analogique-numérique de signaux. La conversion analogique-numérique développée dans ce projet est basée sur la génération de signaux PWM (Pulse Width Modulation, ou Modulation de Largeur d'Impulsions) puis par leur filtrage (filtre passe-bas) permettant d'obtenir une tension continue variable représentant la valeur numérique. L’accéléromètre donne, pour chaque axe, une tension continue proportionnelle à la valeur de l’accélération mesurée. Ce module est composé de deux parties : une partie implémentée dans la carte FPGA de la NanoBoard et une partie analogique réalisée sur une plaque d'essais.

• Partie FPGA
  

La partie implantée dans le FPGA a pour fonction de générer 3 signaux PWM (1 signal par axe) dont la tension moyenne (après filtrage) varie de zéro volt jusque la tension maximale de l’accéléromètre. Le signal PWM est un signal de fréquence constante mais dont on change le rapport cyclique grâce à une donnée de commande codée sur cinq bits. Ainsi, la donnée de commande correspond indirectement à la valeur moyenne du signal PWM.

• Partie analogique
  

La partie analogique permet de comparer la valeur moyenne du signal PWM (signal issu de la NanoBoard) avec la tension provenant de l'accéléromètre. Tant que la valeur moyenne du signal PWM (réglée par la donnée de commande) est inférieure à la tension provenant de l'accéléromètre, la sortie du comparateur est à 0V. Lorsque la valeur moyenne du signal PWM devient supérieure ou égale à la tension de l’accéléromètre, la sortie du comparateur passe à +Vcc. A ce moment là, la donnée de commande correspond à la représentation numérique de la tension de l'accéléromètre (conversion analogique- numérique). L’écriture dans la mémoire ne se faisant que sur un seul octet, il conviendra donc d’effectuer un multiplexage pour envoyer les trois octets correspondant aux 3 axes vers la mémoire. Afin de simplifier la vérification du fonctionnement, l'utilisation de l'analyseur logique est fortement recommandée.
Entrées : pas d'entrée.
Sorties : un octet représentant la tension délivrée par l'accéléromètre suivant l’un des trois axes, un bit indiquant la fin de la conversion analogique-numérique

Sur la FoxBoard

L'interface devra être du type Web 2.0 avec utilisation de la bibliothèque JavaScript jquery.js (voir l'exemple d'utilisation E.1 en annexe). Cette interface Web sera constituée de six carrés de couleur disposés symétriquement sur la page. Une télécommande munie d'un accéléromètre est utilisée pour désigner un carré. D'un point de vue technique, un minuteur JavaScript se déclenche périodiquement pour effectuer les actions suivantes.

• une requête Ajax est effectuée vers un programme C CGI-BIN de scrutation pour récupérer les accélérations sur les trois axes, ce programme peut être basé sur le programme C de communication sur le port série donné en annexe (voir C.4) ;
  
• un calcul est effectué, en fonction des valeurs d'accélération sur les axes x et y, pour sélectionner l'un des 6 blocs en l'entourant d'un cadre noir.
  

Pour l'évaluation de la partie informatique, en cas de réalisation tardive sur la NanoBoard, un accéléromètre fixé à une télécommande en balsa et géré par un micro-contrôleur LilyPad est disponible. Les données acquises peuvent être lues via une liaison série sans fil (protocole ZigBee). Utilisez la télécommande dans le mode blanc (sélection avec le bouton de gauche et validation avec le bouton de droite).

Avancement du projet

Partie Electronique

Séance 1 : Découverte de la NanoBoard & d'Altium

N'ayant aucune notion de projets FPGA sous Altium, il nous a d'abord fallu nous familiariser avec cette interface.
Nous avons donc suivi le tutoriel nous permettant d'apprendre à programmer la NanoBoard.
Nous avons alors réalisé avec succès notre premier compteur 4 bits sous Altium.

Séance 2 : Phase de réflexion

Conversion Analogique Numérique : Principe

La NanoBoard ne travaillant qu'en signaux numériques, il est nécessaire de convertir le signal analogique émis par l'accéléromètre (de 0 à 5 V).
Elle envoie soit 0V, soit 5V. Nous utilisons donc une PWM (Pulse Width Modulation, ou Modulation de Largeur d'Impulsions).

On utilise un compteur qui fixe la fréquence du signal à générer.
On compare en permanence la valeur du compteur à une valeur fixe qui permet de définir le rapport cyclique

Nous obtenons ceci :

Pour obtenir la valeur moyenne du signal de sortie de la NanoBoard (comme montré ci-dessus), nous utiliserons un filtre passe bas afin d'éliminer toutes les harmoniques qui ne nous intéressent pas.

Un comparateur AOP de type TL081 nous permettra de comparer notre signal ainsi filtré avec la sortie de l'accéléromètre :
Traits en pointillés : Valeur de l'accéléromètre

Schéma résumant notre système de conversion Analogique Numérique :

Partie FPGA

Conception du programme de conversion analogique numérique sous Altium Designer

Sur la photographie ci-dessus, on peut voir le début de notre travail sous Altium. Nous avons créé notre Modulation de Largeur d'Impulsion. Un bloc "PWM" est disponible dans la bibliothèque proposée par Altium, mais nous devions créer notre propre MLI. C'est évidemment plus intéressant dans le sens où nous maîtrisons alors son principe de fonctionnement.

Nous avons d'abord travaillé sur les 3 axes X,Y et Z, mais par la suite nous n'avons travaillé que sur un seul axe puisque nous avons évidemment 3 fois la même MLI.

Nous avons utilisé 2 générateurs de fréquence ainsi que 2 compteurs afin de compter les impulsions. La sortie HA2 (à droite de la photographie) nous permet d'envoyer le signal de MLI vers le filtre passe-bas qui supprimera toutes les harmoniques qui ne nous intéressent pas.

Partie Analogique

Nous devons récupérer la valeur moyenne de notre MLI.

Pour cela, nous utilisons un filtre passe-bas.

Calcul du Filtre :

Nous choisissons une résistance de R=100 kΩ afin de limiter raisonnablement le courant.

Afin de calculer la capacité, nous utilisons la formule ci-dessous, avec fc la fréquence de coupure du filtre :

$C = \frac{1}{2.\pi.R.fc}$

Nous souhaitons que notre filtre coupe à 100 Hz (pour ne garder que les fréquences qui nous intéressent). Nous choisissons donc C=22 nF.

Voici donc notre filtre dans lequel on envoie la sortie de la NanoBoard à savoir la MLI :
(Sur la droite de l'image, on peut voir l'accéléromètre utilisé pour les essais)

Séance 3 : Mise en pratique

Compilation sur la NanoBoard et Câblage

Lors de cette séance, nous avons voulu comparer la tension envoyée par l'axe X de l'accéléromètre avec notre MLI filtrée.
La comparaison renvoie 1 si la MLI est supérieure à la tension de l'accéléromètre, 0 sinon.

Pour ce faire, nous utilisons l'AOP TL081 déjà introduit dans la partie précédente.

La sortie du comparateur est renvoyée en entrée de la NanoBoard afin de mémoriser à l'aide d'un registre la valeur de la tension pour laquelle le comparateur est passé à 1.

Résultats

En observant la sortie du filtre à l'oscilloscope (sans encore faire la comparaison) nous avons remarqué que la valeur moyenne de signal en sortie dépend bien du rapport cyclique de notre MLI.

Avec le comparateur, nous n'avons pas obtenu de résultats satisfaisants, car les variations de tension sont trop importantes. Nous avons alors pensé que d'envoyer une tension continue à l'aide d'un générateur serait plus judicieux pour observer des résultats convaincants.

Nous avons commencé par envoyer une tension de 3V. Nous avons bien remarqué en observant la sortie du comparateur qu'elle passe bien à 1 lorsque la sortie du filtre est supérieure ou égale à 3V.

Partie Informatique

Séance 1 : Familiarisation avec l'accéléromètre et communication série

Lors de la première séance, nous avons essayé dans un premier temps de faire fonctionner le port série en récupérant les données de l'accéléromètre par un programme C. Après avoir configuré le port série, nous pouvons l'utiliser sur le port USB0. Nous nous sommes aidés de l'exemple fourni. Voici ce que fais l'exécutable créé :

• On envoie un octet nul au port série. Notre système sans fil équipé de l'accéléromètre reçoit cet octet.
  
• Le système sans fil envoie 4 octets au port série qui correspondent à :
  
  • octet 1 : accélération horizontale
    
  • octet 2 : accélération verticale
    
  • octet 3 : accélération en profondeur
    
  • octet 3 : état des 2 boutons (00 : 2 boutons non enfoncés, 01 : 1er bouton enfoncé, 02 : 2ème bouton enfoncé, 03 : les 2 boutons enfoncés)
    
• Affichage de ces 4 octets en hexadécimal dans le terminal

Séance 2 : réalisation de l'interface web

Lors de cette séance nous avons réalisé une interface web rudimentaire pour pouvoir tester notre programme. La page est réalisée en php pour pouvoir utiliser par la suite un script cgi. Le choix initial de la disposition était d'arranger six blocs de couleurs sur deux colonnes et trois lignes. Cependant par anticipation, nous avons préféré les arranger sur une seule ligne pour utiliser les données de l'accéléromètre d'une seule dimension. Nous avons également créé un champ qui affichera les données récupérées par le script cgi.
Nous avons téléchargé la bibliothèque JQuery.js et nous l'avons ajouté à la racine de notre répertoire de travail. Pour la sélection du bloc, la solution adoptée est un code javascript qui modifie l'épaisseur de la bordure de la cellule que le curseur survole. L'utilisation de la souris permettait de tester cette fonctionnalité directement. Comme nous étions sur la partie javascript de l'interface, cette séance a aussi servi à nous familiariser avec le minuteur qui doit être implémenté.

Séance 3 : réalisation du script CGI

Le script cgi a été entièrement créé lors de cette séance. Grâce à l'exemple fourni, le travail a consisté à adapter le script en C et a le compiler avec l'option "-lcgi" qui ajoute donc la bibliothèque cgilib. Une légère optimisation du code a été envisagée, pour récupérer les données de l'accéléromètre par 4 requêtes différentes. Ceci aurait permis de pouvoir manipuler les données directement, et de pouvoir les utiliser pour la sélection du carré sans intermédiaire. Cependant, nous avons été prévenus de l’existence d'une fonction javascript qui permet de séparer les données reçues en spécifiant le caractère séparateur (non implémentée) :

chaine.split(RegExp motif)

Nous avons alors codé sur la page web une requête AJAX (largement inspirée de l'exemple fourni). Le résultat est récupéré dans le champ prévu à cet effet. Nous avons également implémenté un bouton sur l'interface web, pour lancer manuellement les requêtes AJAX. Ceci remplace le minuteur.

Chargement sur la FOXBOARD

Tout le travail effectué a dû être chargé sur la FOXBOARD. Une fois la board connectée au réseau, nous avons changé les paramètres comme indiqué dans la documentation fournie avec le sujet. Cependant la modification des adresses où se trouvent les paquetages n'était pas prise en compte, ce qui donnait des résultats affolants : lors d'un appel à la commande apt-get, nous obtenions une erreur de segmentation due au manque d'espace de la FOXBOARD. Cependant ce problème a été corrigé et nous avons pu installer les libraires php5 et cgi. La libraire JQuery a été rajoutée à la racine du dossier de travail. Nous avons aussi configuré automatiquement le port série, toujours sur le port USB0.

Etat actuel

Notre travail répond partiellement au cahier des charges :

• L'interface web met effectivement à disposition 6 carrés de couleur, disposé de façon symétrique.
• L'implémentation du minuteur n'est pas terminée. L'utilisateur peut néanmoins déclencher de manière manuelle les requêtes en cliquant sur le bouton prévu à cet effet.
• La requête AJAX récupère parfaitement les données de l'accéléromètre lors de l'action sur le bouton. Elle les affiche pour vérifier le bon fonctionnement du système.
• Aucun calcul sur les données récupérées n'est effectué pour sélectionner un bloc. un cadre noir se forme lors du survol de celui-ci avec la souris.
• Aucun test n'a été effectué sur le banc d'essai.
  
  

Conclusion

Ce projet nous a été fort gratifiant dans le sens où nous avons appris à résoudre nos problèmes de manière autonome. Nous avons pu se faire une bonne idée de ce que le métier d'ingénieur nous réserve.
Il est très intéressant de définir nos tâches à effectuer, savoir dans quel sens nous allons et obtenir des résultats satisfaisants.
Finalement, ce projet a été l'occasion idéale pour nous de découvrir de nouveaux outils ainsi que la prise en main rapide de ceux-ci. Ce fut donc une expérience enrichissante où nous avons pu travailler en autonomie, en appliquant nos connaissances acquises au cours de l'année.

Annexes

Acteurs du projet

Projet réalisé par Julien Hérin, Shuai He et Jérémie Denéchaud

Liens externes

Sujet et annexes fournies
Ressource javascript : mouseover
Ressource javascript : minuteur