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Dernières réflexions avant la réalisation du TCO

Jean-Luc — 2014-04-28T17:39:44Z

Après une longue réflexion, j'ai fini par converger sur les différents points techniques qui restaient en suspens et je vais bientôt commencer la construction du TCO.

Le cadre tactile

Après mes premiers essais de barrière IR, j'ai un moment pensé à réaliser un prototype miniature du cadre tactile : un cadre de 4x4 intersections. J'ai depuis renoncé à cette réalisation. En effet, je suis plutôt confiant dans le fonctionnement de ce dispositif. Le logiciel est déjà écrit pour un cadre 20x12 et l'adapter à un cadre plus petit nécessiterait un travail qui, à mon sens, n'est pas utile. De plus je n'ai que quelques exemplaires de LED IR en excédent et je ne peux donc me permettre d'en utiliser sur un prototype sans être sûr de les récupérer par la suite pour le cadre définitif.

L'affichage

Comme expliqué dans « Reflexions ergonomiques sur le TCO » mais aussi dans « Évolution de l'architecture électronique du TCO », l'affichage des boutons, des états des aiguilles et des dételeurs, des itinéraires, de la position du pont tournant, ... sera assuré par des LED RGB WS2812B. À l'origine je prévoyais de réaliser des circuits imprimés comme celui que l'on peut voir dans « Test des LED RGB WS2812B » mais de taille plus importante et d'y souder des LED individuelles. Avec environ 300 LED, le travail s'annonçait conséquent car 4 soudures par LED sont nécessaires ainsi que 2 autres soudures pour le condensateur de découplage nécessaire pour chaque LED. De plus il faut que tout soit parfaitement aligné.

Il se trouve que ces LED sont également disponibles en rubans autocollants de 30 LED/mètre, 60 LED/mètre ou encore 144 LED/mètre. Le choix est conditionné par le pas choisi pour le maillage du cadre IR. La première constatation concerne le pas en Y. J'ai assez peu de recul entre le bord de mon réseau et le placard qui lui fait face. Par conséquent, il est préférable de conserver le pas le plus faible possible en Y, c'est à dire 2cm, afin que le TCO ne dépasse pas 25cm de profondeur. Ce pas disqualifie les rubans de 144 LED/mètre. En effet, avec un pas d'environ 7mm pour un boîtier de 5mm de côtés, il y a peu de place entre 2 LED sur le ruban. Par conséquent, et comme on peut le voir sur la photo ci-dessous, les condensateurs de découplage sont soudés sur le bord du ruban au lieu d'être soudés entre 2 LED comme c'est le cas sur les rubans de 30 ou 60 LED/mètre.

Bande de 144 LED WS2812B par mètre

Ces rubans sont donc assez larges, 12mm. Or il est nécessaire, pour les diagonales de disposer les rubans tous les 1cm, ce qui est impossible avec des rubans de 12mm de large. Les rubans de 30 ou 60 LED/mètre ont, quant à eux, une largeur de 10mm, ce qui convient parfaitement.

Afin d'assurer une densité suffisante, le choix s'est donc porté sur les rubans de 60 LED/mètre, soit une LED tous les 16,6mm et un pas en X de 33,3mm pour les barrières IR.

La réalisation

Bien que le dessin soit encore amené à évoluer dans le détail, le cantonnement du dépôt n'est pas encore fait, le TCO a l'aspect suivant.

Apparence du TCO

Le TCO sera réalisé sur une planche de medium de 10mm d'épaisseur et de dimension 80cm x 40cm. Il viendra s'encastrer comme un couvercle sur un tiroir contenant l'électronique et les alimentations. Ce tiroir à une largeur de 82,5cm, une profondeur de 41cm et une hauteur de 9,7cm. La hauteur interne disponible est de 64mm, ce qui est suffisant pour le matériel électronique.

Les rubans de LED seront collés à l'emplacement prévu puis les fils seront soudés sur les pistes en cuivre que l'on peut voir sur le ruban de LED ci-dessus.

La carte de pilotage du TCO sera fixée au verso de celui-ci. De cette manière il sera simple de le déposer d'un seul tenant puisque le nombre de fils à débrancher sera faible :

Les deux fils du bus CAN ;
L'alimentation 9V de la carte de pilotage ;
L'alimentation 5V des LED.

Nous verrons les détails de réalisation de ces différents éléments au fur et à mesure.

Évolution de l'architecture électronique du TCO

Jean-Luc — 2014-02-22T20:07:02Z

Initialement je pensais séparer les fonctions nécessaires au TCO en deux. Une première carte de contrôle équipée d'un PIC 18F26K80 devait gérer l'acquisition des entrées provenant de l'utilisateur, voir à ce sujet « L'architecture électronique du cadre tactile », et envoyer via le bus CAN les coordonnées touchées. Une seconde carte équipée elle aussi d'un PIC 18F26K80 devait piloter des LED tricolores WS2812B et recevait les ordres d'affichage via le bus CAN également.

Bande de 144 LED WS2812B par mètre

Outre les possibilités offerte par l'éclairage rouge/vert/bleu, le gros intérêt de ces LED est la simplicité de câblage. En effet, les LED de la série WS2812 sont chaînables et un seul fil suffit entre le micro-contrôleur et la première LED de la chaîne. Pour profiter de cette caractéristique il est préférable de faire une chaîne la plus longue possible. Par exemple, sur mon TCO, une architecture logique consisterait à former une chaîne de LED pour le dépôt (100 environ), une seconde pour la gare (75 environ) et une troisième pour le port et les boutons de commande globaux (100 environ).

Ring NeoPixel d'Adafruit

3 versions sont disponibles : 12, 16 et 24 LED WS2812. Il s'agit ici de la version 24 LED.

Une chaîne est rafraichie entièrement par l'envoi d'une séquence de bits à une vitesse de 800kBits/s. cette séquence est très contrainte temporellement car il n'y a pas d'horloge séparée pour synchroniser l'émetteur et le récepteur lors de l'envoi des bits. De plus, le mode de fonctionnement fait qu'un rafraichissement d'une chaîne de LED n'est pas interruptible. Il n'est pas non plus possible de rafraichir une portion qui ne serait pas au début de la chaîne. Cette contrainte est extrêmement gênante car pendant le rafraichissement de la chaîne le micro-contrôleur ne peut pas exécuter d'autre tâche.

Notamment, les messages CAN entrant ne peuvent pas être traités pendant le rafraichissement. Par conséquent, si le temps de rafraichissement excède le temps de transmission d'un nombre de messages CAN plus grand que le nombre de tampons de réception matériels disponibles, un ou plusieurs messages seront perdus. D'une part, le bus CAN des accessoires travaille à 125kBits/s et le message CAN le plus court a une taille de 47 bits. D'autre part, le rafraichissement de 100 LED nécessite la transmission de 24 bits par LED, soit 2400 bits. Le temps nécessaire est donc de 3ms. Pendant ce temps, 8 messages CAN peuvent avoir été reçus.

Permettre de rafraichir les LED et de recevoir les messages CAN nécessiterait donc de saucissonner les chaînes de LED avec pour résultat de complexifier le logiciel mais surtout le câblage.

Il est donc préférable de dédier un micro-contrôleur au rafraichissement des LED et un second micro-contrôleur à l'interfaçage avec le bus CAN, les deux machines communicant via un bus série, le SPI par exemple. Le micro-contrôleur dédié au rafraichissement des LED serait un Arduino avec l'avantage de bénéficier de la bibliothèque Neopixel d'Adafruit. Il serait maître sur le SPI et ce serait donc lui qui initierait la communication afin de recevoir les commandes. De cette manière, l'acquisition de nouvelle commandes et le rafraichissement des LED seraient entrelacées sans concurrence. Le micro-contrôleur d'interfaçage avec le bus CAN serait un PIC 18F26K80. Il mettrait les commandes entrantes venant du bus CAN dans un tampon de taille suffisamment grande, par exemple une page entière de 256 octets, pour ne pas perdre de message alors que l'Arduino est en train de rafraîchir une chaîne de LED.

Cette tâche de passerelle entre le bus CAN et le bus SPI est légère et peut donc venir en plus de la gestion du balayage infrarouge du cadre tactile. Par conséquent, au lieu d'une architecture avec deux cartes, il s'agirait d'une architecture monocarte mais bi-processeurs.

Reflexions ergonomiques sur le TCO

Jean-Luc — 2013-12-01T16:27:36Z

L'ergonomie du TCO me tourne dans la tête depuis quelques semaine et il est temps de fixer les réflexions sur le papier, enfin sur le web.

Les boutons tactiles

Comme expliqué dans « Quelques réflexions », le TCO est constitué d'un cadre tactile de 240 points sensibles disposés selon un maillage de 3cm en X et de 2cm en Y [1]. Tous les points sensibles ne sont pas employés. Ceux qui le sont doivent être matérialisés par une LED.

Un point important avec le tactile est que l'utilisateur doit avoir un retour immédiat de ses actions puisqu'il n'a aucun retour mécanique. Le fait de toucher une zone sensible doit produire un changement visuel.

Imaginons que la zone sensible et la LED qui la matérialise corresponde à la manœuvre d'une aiguille.

L'aiguille au repos est symbolisée par une lumière verte permanente ;
L'aiguille en mouvement est symbolisée par une lumière jaune clignotante ;
Le fait de toucher la zone sensible éclaire en jaune permanent ;
Le fait de retirer le doigt de la zone sensible provoque le mouvement de l'aiguille.

Le mouvement en lui même prend peu de temps mais le contrôleur central peut différer le mouvement de l'aiguille parce qu'une rame, conduite en automatique ou par un autre opérateur la préempte. Dans ce cas faut-il l'indiquer ? par une lumière verte clignotante par exemple ?

Le même principe s'applique pour les boutons des autres dispositifs : dételeurs, coupure d'alimentation, etc, avec évidemment des couleurs différentes selon le dispositif. Mais il y aura aussi des boutons semblables pour les fonctions. Par exemple envoyer une rame en gare cachée pourrait se faire en touchant le canton où se trouve la rame pour la sélectionner puis en touchant un bouton symbolisant la gare cachée.

Les boutons correspondantes aux appareils de voie : aiguilles et dételeurs, seront situés sur le dessin de la voie elle même. Ceux correspondant aux :

coupures d'alimentation ;
sélection de rame ;
position du pont tournant.

seront déportés comme représenté ci dessous avec les boutons des aiguilles en vert et ceux des coupures d'alimentation en jaune.

Annuler une commande

Supposons que l'utilisateur touche un zone sensible par erreur. Que faire pour annuler la commande ? Trois pistes seront explorées.

Disposer d'un zone sensible d'annulation mais l'utilisateur doit avoir ses deux mains libres ;
Ne valider la commande qu'après un appui dépassant une certaine durée. Un appui bref est donc annulé ;
Annuler la commande si l'appui dépasse une certaine durée. Un appui bref est donc validé.

Difficile de dire laquelle des deux dernières solutions est la meilleure. Il faudra expérimenter. L'avantage est qu'il suffit de changer le logiciel pour opter pour l'une ou l'autre des solutions.

La visualisation des itinéraires enclenchés

La visualisation des itinéraires est plus délicate. En effet, le minimum syndical consiste à placer une paire de LED à la fourche de chaque aiguille. Comme ceci.

Toutefois l'oeil aura du mal à voir un itinéraire si deux aiguilles sont distantes. Une alternative consiste à mettre des LED tout le long des voies et de les éclairer selon l'itinéraire enclenché.

Ces LED témoins font double emploi avec les LED de rétro-éclairage et il est tentant de fusionner les deux. C'est une voie que je compte explorer.

Il existe des LED RGB adressables individuellement que Pierre m'avait signalées en août dernier, les WS2812 et WS2812B. Je reviendrai sur le fonctionnement de ces composants prochainement.

L'idée est donc de disposer à intervalle régulier en position de rétro-éclairage des LED RGB dont la teinte serait adaptée à l'information communiquée avec par exemple :

Bouton, couleur adaptée au type et à l'état du bouton
Voie non alimentée, blanc peu lumineux
Canton libre ne faisant pas partie d'un itinéraire, blanc
Canton libre faisant partie d'un itinéraire, vert-jaune
Canton occupé ne faisant pas partie d'un itinéraire, violet
Canton occupé faisant partie d'un itinéraire, bleu

Les boutons ayant des couleurs saturées et les voies et cantons des couleurs peu saturées.

Difficile de juger de l'effet rendu sans essayer mais le système semble séduisant. L'un des avantages évident est de pouvoir régler l'éclairage et la couleur après-coup alors que l'utilisation de LED bicolores fixes oblige à décider de l'aspect à priori.

Un peu plus de 400 LED RGB seraient nécessaires pour mon TCO. À 60mA de consommation unitaire, les mettre toutes au blanc à l'intensité maximum nécessiterait 24A. Mais comme elles sont très lumineuses, il ne sera pas nécessaire de les illuminer au maximum et il est très probable que la consommation effective soit de moins d'un quart de la consommation maximum. Un fois encore, il faut faire des essais pour juger de l'intensité lumineuse nécessaire.

[1] Suite à une adaptation technique, la géométrie du TCO a changé entretemps. On a maintenant 20 points en X et 12 en Y

L'architecture électronique du cadre tactile

Jean-Luc — 2013-10-25T22:35:00Z

La commande des 32 LED IR du TCO et la lecture des 32 phototransistors IR nécessiterait 64 entrées / sorties numériques sur le micro-contrôleur de pilotage. Les entrées / sorties n'étant pas disponibles en telle quantité, il est nécessaire de disposer d'une interface. La solution la plus logique est d'utiliser une séries de registres à décalage (RàD), à la fois pour commander les LED IR et pour lire les phototransistors.

Les RàD sont des circuits intégrés de 16 à 20 broches selon les modèles. Il s'agit généralement de registres 8 bits. Ils ont généralement un sens d'écriture et de lecture. C'est à dire que ce sont soit des registres que l'on va écrire en série [1] et dont le contenu sera mis à disposition sur 8 des broches en parallèle ; soit des registres qui vont échantillonner 8 valeurs en parallèle sur 8 des broches et que l'on va vider en série.

On peut les cascader, c'est à dire que la sortie série d'un registre peut être branchée sur l'entrée série d'un autre. De cette manière, il est possible de constituer un très long registre à décalage de plusieurs dizaines de bits.

Pour rythmer, la progression des bits dans le registres, il faut faire bagotter une horloge. Le front montant, c'est à dire une transition de l'état bas (0) à l'état haut (1) de l'horloge provoque le décalage des bits du registres et l'entrée, ou la sortie, d'un nouveau bit.

Dans les RàD entrée série/sortie parallèle, les bits que l'on va entrer en série ne sont pas disponible directement sur les sorties parallèle afin d'éviter d'avoir des valeurs indésirable sur les sorties parallèles lorsque l'on remplit le registre. Les bits sont entrés en série dans le RàD puis, en faisant bagotter un signal, les bits du RàD sont recopiés dans un second registre en parallèle. Ce n'est qu'alors que les bits chargés dans le RàD sont disponibles sur les 8 broches de sortie.

Les registres à décalage de pilotage des LED IR

Les RàD de pilotage des LED sont du type entrée série / sortie parallèle. Il s'agit du Texas Instruments TPIC6B595 qui m'avait été signalé par Marc-Henry. Le gros avantage de ce circuit intégré est de conduire des courants relativement forts : 150mA en permanence et 500mA en impulsion. Il est donc tout à fait adapté au pilotage des LED IR par impulsion avec un courant de 200mA. Le TPIC6B595 possède 8 broches DRAINx qui sont tirées à la masse via un transistor MOS si le bit correspondant du registre parallèle est à 1. Une entrée SER IN permet de fournir les bits en série, une sortie SER OUT permet de les récupérer en série à l'autre bout. Pour cascader deux RàD, il suffit de connecter le SER IN du second RàD au SER OUT du premier. Les signaux d'horloge et de contrôle sont :

SRCK : horloge série, les bits progressent dans le RàD sur le front montant de cette horloge ;
RCK : horloge parallèle, les bits sont copiées du RàD au registre de sortie sur le front montant de cette horloge ;
/G : si à 0, les sorties DRAINx ne sont pas tirées à la masse. Si à 1, les sorties DRAINx sont tirées à la masse selon le contenu du registre parallèle.
/SRCLR : si à 0, tous les bits du RàD sont mis à 0. Le registre parallèle n'est pas affecté.

Comme une seule des LED IR est allumée à un instant, il n'y a qu'un seul 1 dans le RàD et le jeu consiste à l'y faire progresser à raison d'une position toutes les 600µs, 32 fois de suite puis de recommencer. Le fonctionnement est donc assez simple. Au démarrage de la séquence :

Mise à 0 puis à 1 de /SRCLR pour initialiser le RàD à 0 ;
Positionnement d'un 1 sur SER IN ;
Mise à 1 puis à 0 de SRCK pour faire entrer le 1 à la première position du registre ;
Positionnement d'un 0 sur SER IN ;

Ce qui correspond au chronogramme suivant

Initialisation du TPIC

Mise à 0 du RàD et chargement d'un bit à 1.

On va ensuite répéter 32 fois :

Mise à 1 puis à 0 de RCK pour copier le RàD dans le registre parallèle ;
Mise à 1 puis à 0 de SRCK pour faire progresser le 1.
Mise à 1 de /G ;
attendre 600µs ;
Mise à 0 de /G.

Décalage d'un bit et allumage de la LED IR

Il faut aussi faire attention aux contraintes temporelles du TPIC6B595. Entre le moment où on met une valeur sur SER IN et le front montant de SRCK (t_su) il faut laisser s'écouler 20ns minimum [2]. De même entre le le front montant de SRCK et le changement de valeur sur SER IN (t_h), il faut aussi laisser s'écouler 20ns minimum [3]. Les horloges SRCK et RCK doivent rester au minimum 40ns à l'état haut (t_w). Le micro-contrôleur PIC utilisé fonctionnant à 16MHz, après division par 4 de l'horloge en interne, il a un temps de cycle de 62,5ns. Par conséquent si on change, par exemple, SER IN et SRCK dans deux instructions successives, le temps écoulé entre la nouvelle valeur de SER IN et le front montant de SRCK sera de 62,5ns, ce qui satisfait les exigences. De même le temps d'une impulsion d'horloge sera de 62,5ns [4].

5 broches de sorties numériques du micro-contrôleur sont donc utilisées pour le pilotage des LED IR.

Les registres à décalage de lecture des phototransistors IR

Les RàD de lecture des phototransistors IR sont du type entrée parallèle / sortie série. Il s'agit de circuits intégrés MOS CD4014.
La sortie Q8 sera utilisée avec l'entrée SERIAL IN pour cascader les RàD intermédiaires. La sortie Q8 du dernier RàD sera connectée à une entrée du micro-contrôleur pour récupérer les bits du RàD et donc l'état des phototransistors.

Les signaux d'horloge et de contrôle sont :

CLOCK : l'horloge permettant soit de décaler le registre, soit de le charger en parallèle selon le signal suivant ;
PARALLEL/SERIAL CONTROL ou P/S C : Si 0 le registre est décalé sur un front montant de l'horloge. Si 1 le registre est chargé en parallèle ;

Échantillonner les phototransistors revient donc à :

Mettre à 1 le signal P/S C ;
Mettre à 1 le signal CLOCK ;
Mettre à 0 le signal CLOCK ;
Mettre à 0 le signal P/S C.

Échantillonnage de l'état des phototransistors

Il suffit ensuite de répéter la séquence suivante 32 fois pour lire l'état des 32 phototransistors.

Lire Q8
Mettre à 1 le signal CLOCK ;
Mettre à 0 le signal CLOCK ;

2 broches de sorties numériques et une broche d'entrée numérique du micro-contrôleur sont donc utilisées pour la lecture de l'état des phototransistors.

Schéma de principe de l'électronique

Une seul LED IR étant active à la fois, une seul résistance de limitation du courant est nécessaire.

Les contraintes temporelles sont plus sévère avec un t_w de 180ns et un t_su de 200ns. Il faudra donc mettre quelques instructions de temporisation ici et là. La fréquence minimum de CLOCK à 5V est de 3MHz. Comme on dispose de 600µs pour vider les 32 bits du registre à décalage, avant le prochain échantillonnage des phototransistors, il n'est pas utile de pousser le CD4014 aux limites. En effet, en fixant le cycle de CLOCK à 500ns, soit 2MHz, 16µs sont nécessaires à la lecture des 32 bits, ce qui laisse énormément de temps pour calculer les intersections touchées.

L'architecture logicielle

Comme pour la carte 6 servos, le logiciel sera séparé en deux parties :

La partie temps-réel qui s'exécutera sous interruption toutes les 600µs
La partie communication qui s'exécutera dans le programme principal et enverra les messages CAN indiquant quelle intersection est touchée.

La partie temps-réel

C'est dans cette partie que s'exécute le programme permettant le pilotage des LED et la lecture des photo-transistors tels que décrit précédemment. Un programme d'interruption exécuté toute les 600µs par un timer effectue les opérations de

Échantillonnage des phototransistors ;
Extinction des LED IR (mise à 0 de /G) ;
Décalage pour sélectionner la LED IR suivante ;
Allumage des LED IR ;
Récupération de l'état des phototransistors ;
Si le balayage est teminé :
- Si l'état des intersections est différent de celui du balayage précédent, positionnement d'un flag pour la communication.

Exemple de fonctionnement pour les couples LED IR/phototransistor IR 0 et 1

Une interruption provoque, toutes les 600µs le passage d'un couple LED IR / phototransistor IR au suivant. Le signal CLOCK des 4014 échantillonnent l'état de tous les phototransistors. Le logiciel traite ces données dans le temps indiqué par les pavés oranges, pendant que le couple suivant est activé.

Le balayage des 32 couples LED IR / phototransistor IR prendra donc 19,2ms.

La partie communication

Par comparaison entre deux balayage successifs, la partie communication construit un message CAN correspondant aux intersections qui ont changé. Ces messages seront du type « intersection touchée » ou « intersection relâchée ».

[1] C'est à dire que les bits qui sont mémorisés dans un registre sont fournis les uns après les autres, à la queue-leu-leu au rythme d'une horloge

[2] C'est ce qu'on appelle le set-up time

[3] C'est ce qu'on appelle le hold time

[4] Par sécurité, il est préférable d'ajouter une instruction qui ne fait rien entre les deux

Expérimentation de barrière infra-rouge

Jean-Luc — 2013-10-19T19:33:15Z

Le TCO comportera donc 32 barrières infrarouge disposées en X avec un pas de 3cm et en Y avec un pas de 2cm. Chaque barrière est constituée d'une LED infrarouge (IR) et d'un phototransistor IR. Il n'est ni souhaitable ni possible que les 32 barrières soient alimentées simultanément.

Pas souhaitable parce que chaque LED IR va baver sur les phototransistors IR de ses voisines. Si les LED IR sont alimentées en permanence, l'interruption de faisceau ne sera pas détectable car les LED voisines illumineront le phototransistor correspondant au faisceau interrompu.

Impossible car alimenter 32 LED IR sous 5V avec, disons, 100mA demanderait 3,2A ce qui nécessite plusieurs régulateurs 5V et des complications sur la carte de pilotage du TCO.

De plus, les LED IR permettent une alimentation par impulsion avec un courant bien supérieur au courant admis pour une alimentation permanente. De cette manière on peut envoyer une impulsion lumineuse de forte intensité et différencier nettement l'impulsion reçue par le transistor de la lumière IR ambiante.

Caractéristiques des composants

La LED IR choisie est une Vishay® TSHF5210 dont voici la datasheet. Il s'agit d'une LED IR conçue pour les télécommandes et plus généralement pour la transmission de données. Ses caractéristiques dynamiques sont donc bonnes avec des temps de réponse de 30ns. Son intensité lumineuse est excellente avec 180mW/sr. Le faisceau d'émission est assez étroit : 10°, ce qui permet de ne pas trop éclairer le paysage. Les autres caractéristiques qui nous intéressent sont données à la figure 3, page 3 de la datasheet. Figure que je reproduis ci-dessous.

Courant maximum admissible dans la LED IR

Le courant est donné en fonction de la durée de l'impulsion et du rapport cyclique de l'impulsion. Chacune des courbes correspond à un rapport cyclique. En partant du bas, la première courbe correspond à un rapport cyclique de 50%.

Comme on peut le voir, il est possible de monter jusqu'à 400mA avec des impulsions de 1ms pourvu que le rapport cyclique soit autour des 15%.

Le phototransistor est un L-93DP3C de KingBright dont voici la datasheet. Voyons donc expérimentalement de quoi il retourne.

Le banc d'essai

Le banc est constitué d'une baguette en pin et de deux supports pour d'un côté la LED IR et de l'autre le phototransistor IR. Afin de mettre le plus de chances du côté de Murphy, la distance entre les deux est de 74cm au lieu des 59cm que j'aurai sur le TCO. Pour la même raison, les fils qui vont de la platine d'essai au phototransistor font 1m de long.

Montage de la LED IR sur le banc

Un trou de 5mm est pratiqué dans le tasseau pour loger la LED.

Montage du phototransistor sur la banc

Le phototransistor est monté au fond d'un tube pour limiter le bruit IR ambiant. De même le culot est mis à l'abri par un tour de scotch noir.

L'électronique de commande est très simple est est représentée dans le schéma ci-dessous. Lorsque le faisceau IR n'est pas interrompu, le phototransistor IR est passant et un niveau bas est mesuré. Lorsque le faisceau est interrompu, le phototransistor IR est bloqué et un niveau haut est mesuré.

Montage expérimental

Le BC547 est théoriquement limité à 100mA. Toutefois, il s'agit d'une courant maximum permanent. En commutant le transistor par impulsions, il est possible de monter plus haut comme ici, 200mA. Avec un gain de 200, il faut au moins un courant de base d'1mA pour saturer le transistor et donc sous 5V une résistance de 4,7kΩ.

Il s'est rapidement avéré que la durée de l'impulsion avait une grande influence. En effet, le phototransistor a un temps de réaction assez long. Avec une impulsion de 200mA dans la LED IR, il faut de 700µs à 800µs pour que le signal au point de mesure descende en dessous de 1V. Le signal récupéré au point de mesure est montré à la figure suivante.

Réponse du phototransistor avec une résistance de tirage de 39kΩ à une impulsion de 200mA dans la LED IR.

Le niveau haut s'établit à 4,3V à cause du bruit IR ambiant. Le niveau bas est à 0,8V. Il pourrait être légèrement meilleur avec une impulsion plus longue.

Pendant ces mesures, j'ai posé, par hasard, ma carte de référence des codes de couleur de résistances sur le banc. Il s'agit d'une carte noire mais dont la surface est légèrement glacée. J'ai constaté que la réponse du phototransistor avait changé comme ceci :

Réponse du phototransistor avec un réflecteur

La résistance de tirage est toujours de 39kΩ et l'impulsion de 200mA dans la LED IR.

En effet, la carte glacée agit comme un réflecteur et le phototransistor voit le faisceau direct de la LED mais aussi son image sur la surface réflechissante et par conséquent reçoit une intensité lumineuse plus importante.

J'ai réalisé que mon banc était assez éloigné de ce que serait le TCO. Le TCO aura un fond noir recouvert d'une surface transparente. De plus, le faisceau IR direct sera plus proche de la surface et le faisceau réfléchi aura un angle d'incidence plus important [1] et correspondra donc à un angle d'émission où l'intensité lumineuse de la LED est plus importante.

J'ai donc entrepris de rapprocher la conception de mon banc de ce que serait le TCO. J'ai rehaussé le « fond » du banc d'essai de 3mm avec une feuille de Depron puis j'ai ajouté par dessus une bande de Canson noir et enfin une bande de verre synthétique d'épaisseur 1,2mm.

Ajout d'une surface semblable à ce que sera le TCO

Le résultat est spectaculaire. Le phototransistor recevant plus de lumière de la part de la LED IR, sa réponse est beaucoup plus rapide et le niveau bas descend à 0,2V. Pourtant la résistance de tirage a été diminuée à 22kΩ, ce qui explique le meilleur niveau haut.

Réponse du phototransistor avec une surface semblable au TCO définitif

Le résultat est spectaculaire. L'état bas de 0,2V est atteint en moins de 400µs.

Il reste à mettre en place la dernière amélioration. Le tube d'aluminium au fond duquel était logé le phototransistor n'est pas idéal. Il réfléchit le bruit IR ambiant et fait que le phototransistor conduit un peu en permanence. Le tube d'aluminium est donc remplacé par un assemblage de deux tubes en plastique Evergreen [2] peint en noir à l'intérieur et à l'extérieur par trempage.

Tube anti bruit IR pour le phototransistor

La peinture a été complétée par un tour d'adhésif noir.

Avec cette dernière modification, le niveau haut devient aussi bon que le niveau bas

Réponse du phototransistor avec un montage limitant le bruit IR ambiant

Le niveau haut passe à 4,7-4,8V

Pour parfaire les essais il reste à vérifier que le phototransistor réagit faiblement à l'éclairage de la pièce comme par exemple la lampe de travail

Ce que permet de vérifier que le tube peint en noir remplit son office même avec un éclairage ambiant à proximité.

Réponse du phototransistor en présence de la lame de travail

Le niveau haut est dégradé par l'augmentation du bruit IR ambiant mais reste malgré tout très proche du maximum.

[1] L'angle d'incidence est l'angle par rapport à la normale à la surface

[2] Le tube dans lequel s'insère le phototransitor est de diamètre 4mm. Il est lui même coiffé d'un tube gigogne de diamètre 5,5mm qui vient recouvrir le culot du phototransistor.

Quelques réflexions

Jean-Luc — 2013-10-05T08:00:01Z

Le TCO, pour Tableau de Contrôle Optique, est en modélisme ferroviaire détourné de l'usage de son grand frère. En effet les TCO des postes d'aiguillage ou des postes de commande centralisés ne servent qu'à l'affichage de l'état du réseau alors qu'en modélisme, ils servent aussi à la commande des aiguilles, des dételeurs, etc.

Il y a quelques temps, le TCO n'était pas dans mes priorités, j'avais d'autres chats à fouetter. Les choses ont changé avec la réalisation de la carte de pilotage des servo-moteurs mais aussi avec la décision de progresser sur tous les fronts en me concentrant sur un seul lieu du réseau : la gare terminus et principale de Messingrohrstadt. Le but est de mettre en œuvre les systèmes (commande des aiguilles, alimentation traction, déconnexion des voies de garage, commande des dételeurs...) au fur et à mesure qu'ils seront disponibles afin de valider le tout avant de passer à l'installation sur le reste du réseau.

La totalité du réseau ne sera pas représentée. Seules les parties visibles le seront. Les parties cachées seront gérées automatiquement. Peu m'importe qu'elle voie est disponible dans la gare cachées ou si la rame doit être retournée ou non, c'est l'informatique qui doit se charger de gérer ces détails.

Philippe avait pris plusieurs longueurs d'avance dans ses réflexions sur le TCO. Il voulait notamment un TCO tactile. Les technologies envisagées étaient les systèmes résistifs ou capacitifs. Dans le premier la résistance du doigt est détectée, dans le second c'est le courant induit dans notre corps du fait que nous baignons dans le 50Hz du secteur qui est détecté via un condensateur (voir Touches sensitives).

Ces technologies ne sont pas très faciles à mettre en œuvre. La technologie capacitive est plus séduisante car mono-point mais demande une mise en œuvre électronique plus complexe. Elle consomme aussi une E/S du micro-contrôleur par bouton ce qui, étant donné le nombre d'aiguille visibles, nécessitait plusieurs microcontrôleurs. Je m'étais donc orienté vers des boutons poussoirs soudés sur des circuits imprimés ad-hoc et lus en matrice. Tant pis pour le tactile.

Et puis Philippe a trouvé LA techno qu'il fallait. Peu chère, et très souple à mettre en œuvre : un tableau tactile doté d'un cadre comportant à gauche et en bas des photodiodes infra-rouge et en vis-à-vis, à droite et en haut (par exemple), des phototransistors infra-rouge également. Un doigt posé à une intersection interrompt un faisceau en X et un faisceau en Y et permet de connaître la position du doigt.

J'avoue avoir été sceptique au début mais Philippe a effectué les premiers essais de détection à une distance de 60cm avec succès ce qui a levé mes doutes. J'ai aussitôt entrepris de redessiner mon TCO selon une grille de pas 3cm en X et 2cm en Y. Cet espacement est calqué sur celui choisi par Philippe et permet de garantir [1] que le doigt n'interrompe pas deux faisceaux horizontaux ou verticaux simultanément. Un espacement plus important en X qu'en Y conduit à un dessin plus harmonieux du TCO avec des angles de bretelles d'environ 30°.

Voici donc le dessin auquel j'ai abouti. Le TCO ferait 62cm de largeur sur 22cm de hauteur. Le dessin est en contraste inverse de ce que sera la réalisation. En effet, il est prévu de rétro-éclairer le TCO pour une exploitation en nocturne et les voies seront par conséquent illuminées tandis que les surfaces libres seront noires et opaques. La grille représente le maillage des couples photodiode / phototransistor et permet la mise en œuvre de 231 zones tactiles. 30 d'entre-elles sont occupées par les boutons de commande des aiguilles et du pont tournant. Le reste est libre pour les autres fonctions qui sont encore à définir.

Dessin du TCO sur une grille 3cm x 2cm

Le cadre tactile

La réalisation du cadre nécessite 32 couples photodiode / phototransistor. J'envisage de piloter les photodiodes via 4 registres à décalage 8 bits [2] chaînés entre eux. Ces circuits permettent de charger une information binaire en série et de la placer sur les sorties en parallèle. De même les phototransistors seront lus via 4 registres à décalage 8 bits implémentant la fonction inverse des précédents et qui permettront de récupérer les entrées en parallèle et de les extraire en série.

Ces opérations d'illumination des photodiodes et de lecture des phototransistors seront effectuées au moyen d'un micro-contrôleur PIC. Comme les informations sont émises et récupérées en série, peu de broches d'entrées / sortie sont nécessaires et un PIC 18F26K80 dédié à cette fonction suffira. Le balayage des couples photodiode / phototransistor sera effectué à fréquence moyenne, probablement supérieure à 100Hz. À chaque changement de l'état du TCO, le micro-contrôleur enverra, sur le bus CAN des accessoires et à destination du contrôleur central, un message donnant l'intersection qui a changé d'état. Nous ne sommes pas en analogique classique et le TCO sera simplement relié au reste du système via le bus CAN, un câble en entrée et un en sortie, une alimentation 9 ou 12V, c'est tout.

Les composants sont arrivés dernièrement et il reste à faire une preuve de concept avec quelques photo-diodes et photo-transistors et une paire de registres à décalage avant de passer à la réalisation du cadre et à l'écriture du logiciel. La gravure d'une carte suivra pour finaliser le cadre tactile.

L'affichage : témoins et matérialisation des boutons

L'affichage emploiera des LED de diverses couleurs voire bicolores en 5mm de Ø pour les zones tactiles et en 3mm de Ø pour les témoins. Ici aussi je pense employer des registres à décalage et un PIC 18F26K80 pour piloter les LED. Structurés en 4 séries de 5 à 6 registres, ces modules permettront de piloter de 160 à 192 LED en n'employant que 16 broches du micro-contrôleur.

L'affichage sera rafraîchi à fréquence élevée [3] afin de permettre le réglage de l'intensité lumineuse en laissant les diodes éteintes une partie du temps sans que l'oeil ne puisse voir de fluctuation. J'envisage ainsi de régler le rétro-éclairage et l'intensité des voyants avec un réglage manuel tactile mais aussi automatiquement en fonction de l'éclairage de la pièce comme c'est le cas pour les claviers rétro-éclairés des MacBook Apple.

[1] Pourvu que l'on garde le doigt suffisamment vertical

[2] Je remercie SavignyExpress pour m'avoir révélé l'existence de ces circuits intégrés qu'il utilise dans une application de commande de relais

[3] Difficile d'être définitif à ce sujet à l'heure actuelle mais une étude rapide sur le coin de l'évier montre qu'il est possible de charger 1 bit en 5 instructions PIC qui chacune met, en se basant sur une horloge à 16MHz et en arrondissant, 100ns à s'exécuter. Par conséquent, le chargement de 1000 bits (on maximise largement encore une fois en multipliant par 5) demandera 500µs. On peut raisonnablement penser qu'un rafraîchissement toutes les 1ms est faisable. La fréquence maximum de fonctionnement du micro-contrôleur étant de 64MHz, il reste une marge de manœuvre.