⚙ Spécialité Sciences de l’ingénieur Première Générale · Chapitre 6

Information numérique et programmation embarquée

Microcontrôleur et carte de développement, entrées-sorties logiques et analogiques, signal MLI (PWM) et rapport cyclique, structure d'un programme embarqué (initialisation, boucle), algorigrammes, liaisons série et bus de communication.

1. Le microcontrôleur

Définition

Un microcontrôleur réunit sur une puce un processeur, de la mémoire et des interfaces d'entrées-sorties. Monté sur une carte (Arduino, micro:bit, ESP32), il lit des capteurs et commande des actionneurs selon un programme stocké en mémoire.

Propriété · Entrées et sorties

Entrées logiques : bouton, fin de course (digitalRead, $0$ ou $1$). Entrées analogiques : tension convertie par le CAN (analogRead). Sorties logiques : LED, relais (digitalWrite). Sorties MLI : variation de vitesse d'un moteur, de luminosité d'une LED (analogWrite).

2. Le signal MLI (PWM)

Signal MLI (PWM) : en faisant varier la durée à l'état haut, on règle la tension moyenne (ici 0,75 × 5 = 3,75 V).

Propriété · Rapport cyclique

Un signal MLI alterne état haut et état bas à fréquence fixe. Le rapport cyclique $\alpha = \dfrac{t_H}{T}$ fixe la valeur moyenne $U_\text{moy} = \alpha \times U_\text{max}$. Sur Arduino, analogWrite(broche, v) avec $v$ de $0$ à $255$ donne $\alpha = \dfrac{v}{255}$.

3. Structure d'un programme embarqué

Exemple · Allumer une lampe quand il fait sombre

void setup() {
  pinMode(13, OUTPUT);
}
void loop() {
  int lum = analogRead(A0);
  if (lum < 300) {
    digitalWrite(13, HIGH);
  } else {
    digitalWrite(13, LOW);
  }
  delay(100);
}

setup s'exécute une fois (initialisation) ; loop se répète indéfiniment. Le même programme peut s'écrire en MicroPython avec une boucle while True.

Méthode · Algorigramme

Avant de coder, on représente l'algorithme par un algorigramme (début, actions dans des rectangles, tests dans des losanges, flèches) ou un diagramme d'états.

4. Communiquer

Propriété · Liaisons

Liaison série (UART) : les bits sont envoyés un par un sur un fil, à un débit en bauds (par exemple $9\,600$ bits/s) ; utile pour dialoguer avec un ordinateur. Bus I2C : deux fils (données SDA, horloge SCL), un maître et plusieurs esclaves identifiés par une adresse. Liaisons sans fil : Bluetooth, Wi-Fi, LoRa.

Activité · Varier la vitesse d'un ventilateur

Matérielcarte Arduino, petit moteur CC avec transistor de commande, potentiomètre.

ConsigneLire le potentiomètre ($0$ à $1\,023$) et commander le moteur en MLI ($0$ à $255$).

RésultatanalogWrite(9, analogRead(A0) / 4); dans loop : la vitesse suit la position du potentiomètre.

BilanLa division par $4$ adapte l'échelle de l'entrée ($10$ bits) à celle de la sortie ($8$ bits).

S'entraîner

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