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La carte de commande 6 servo-moteurs, la messagerie et les commandes

Jean-Luc — 2013-08-23T10:05:00Z

Le pilotage des servo-moteurs a été présenté dans « La carte de commande 6 servo-moteurs, le logiciel », voici maintenant la messagerie CAN ainsi que les commandes auxquelles la carte répond.

Sur un réseau CAN, les messages ne comporte pas une entête indiquant quelle est la station réceptrice. Au lieu de cela, chaque message comporte un identifiant qui sert aussi de priorité. Les stations intéressées par un message le reconnaissent grâce à son identifiant.

Les messages peuvent être transportés par des trames standard et avoir un identifiant sur 11 bits, ou bien par des trames étendues avec un identifiant sur 23 bits. La messagerie CAN est définie globalement pour les 3 participants à ce projet de façon à ce que le matériel spécifique à chacun puisse être connecté sur le réseau CAN des deux autres. Il a été convenu que seule les trames standard sont employées en exploitation, les trames étendues sont réservées au diagnostic et à des fonctions spéciales comme le flashage de programme via le CAN.

Par convention, les identifiants des messages en provenance des cartes 6 servos sont donc compris entre 768 et 783 (16 cartes flashées avec le même programme et 96 servos possibles) et ceux destinés aux cartes 6 servos sont compris entre 784 et 799.

Trame émise par la carte

Les cartes 6 servos émettent à intervalle régulier (toutes les 100ms en exploitation mais cet intervalle est réglable) une trame de 6 octets comportant l'état des servos et dont l'identifiant est :

10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
0	1	1	0	0	0	0	n	n	n	n

où nnnn est le numéro de la carte émettrice sur 4 bits.

L'octet de rang 0 correspond au servo 0 et celui de rang 5 au servo 5. Un octet est formé de la manière suivante :

Octet d'une trame « États des servos »

Le champ état est l'état dans lequel se trouve la machine d'états du servo. Les valeurs possibles sont les suivantes :

7	6	5	4	État du servo
0	0	0	0	éteint
0	0	0	1	calib
0	0	1	0	op
0	0	1	1	frein
0	1	0	0	arrêté
1	0	0	0	erreur

Le champ erreur signale sur quel fin de course une erreur a été détectée. Notez qu'il peut aussi s'agir d'une panne de servo-moteur. Les valeurs possibles sont les suivantes :

3	2	Erreur
0	0	Aucune erreur
0	1	Anomalie fin de course horaire
1	0	Anomalie fin de course trigo
1	1	Anomalie sur les deux fins de course

Enfin, le champ fdc donne l'état des interrupteurs de fin de course. Les valeurs possibles sont les suivantes :

1	0	Fins de course
0	0	Les deux fins de course sont enfoncés
0	1	Fin de course trigo enfoncé
1	0	Fin de course horaire enfoncé
1	1	Aucun des fins de course n'est enfoncé

Trames de commande reçues par la carte

Une trame de commande de servo permet d'envoyer une commande à un des servos de la carte ou à la carte dans sa globalité. L'identifiant d'une trame de commande est :

10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
0	1	1	0	0	0	1	n	n	n	n

où nnnn est le numéro de la carte destinataire sur 4 bits.

Si plusieurs commandes doivent être envoyées, plusieurs trames sont nécessaires. Une trame de commande de servo comprend 2 octets de données. Le premier octet contient, dans les 4 bits de poids fort, le numéro du servo et, dans les 4 bits de poids faible, la commande. Le second octet contient l'argument de la commande dont la signification est variable selon la commande. Certaines commandes s'adressent à la carte dans sa globalité et, dans ce cas, le numéro de servo est ignoré.

Trame de commande

Commandes

Les commandes sont résumées dans le tableau à la fin du billet.

Commande Aucune opération

Code : 0000

Cette commande est sans effet.

Commande Position

Code : 0001

La commande de position permet de fixer la consigne de position d'un servo. L'argument peut avoir les valeurs suivantes :

Argument	Signification
00 (0)	Pas de changement de position
01 (1)	Position trigo
10 (2)	Position horaire
11 (3)	Position milieu

Les commandes de vitesse

Les commandes de vitesse permettent de fixer la vitesse de rotation du servo dans le sens trigonométrique, horaire ou les deux à la fois. Si le servo est en mouvement au moment de la réception d'une commande de vitesse, la nouvelle vitesse ne sera prise en compte que pour le mouvement suivant.

Commande Vitesse trigo

Code : 0010

La commande Vitesse trigo permet de fixer la vitesse du servo quand il tourne dans le sens trigonométrique. L'argument est la vitesse sur 3 bits (de 1 à 7) dans les bits 2 à 0 de l'argument. La valeur 0 est sans effet.

Commande Vitesse horaire

Code : 0011

La commande Vitesse horaire permet de fixer la vitesse du servo quand il tourne dans le sens horaire. L'argument est la vitesse sur 3 bits (de 1 à 7) dans les bits 2 à 0 de l'argument. La valeur 0 est sans effet.

Commande Vitesses

Code : 0100

La commande Vitesses permet de fixer à la fois les vitesses trigonométrique et horaire du servo. L'argument est la vitesse trigonométrique sur les bits 6 à 4 (de 1 à 7) et la vitesse horaire sur les bits 2 à 0. Pour les deux vitesses, la valeur 0 est sans effet.

Commande Alimentation servo

Code : 0101

La commande Alimentation servo permet d'allumer ou d'éteindre un servo. L'argument est 0 (extinction) ou 1 (allumage) dans le bit 0 de l'argument. L'allumage est sans effet si le servo n'est pas dans l'état servo éteint. L'extinction est toujours effective.

Commande Reset servo

Code : 0110

Cette commande permet de passer un servo de l'état Servo en erreur à l'état Servo éteint. Aucun argument n'est nécessaire. La commande est sans effet si le servo n'est pas dans l'état Servo en erreur.

Commande Envoi trame d'état

Code : 0111

Cette commande permet de démarrer ou d'arrêter l'envoi de la trame d'état des servos. Le numéro de servo est ignoré. Au démarrage, l'envoi est arrêté. L'argument est 0 (arrêt) ou 1 (démarrage) dans le bit 0 de l'argument.

Commande Période d'envoi trame d'état

Code : 1000

Cette commande permet de fixer la période d'envoi de la trame d'état des servos. Cette période est réglable par multiple de 20ms. La valeur 0 correspond à une période de 20ms, 1 à 40ms, . . . 255 à 5,12s.

Commande Fixer nombre d'erreur maximum

Code : 1001

Cette commande permet de fixer le nombre d'erreurs admissible avant qu'un servo passe dans l'état servo erreur.

Commande Ecrire paramètres dans EEPROM

Code : 1010

Cette commande permet d'enregistrer les paramètres utiles d'un démarrage sur l'autre dans l'EEPROM.

Commande Limiter le nombre de servos en mouvement

Code : 1011

Cette commande permet de limiter le nombre de servos qui peuvent être en mouvement simultanément. L'argument est le nombre de servos. Un argument de 0 est sans effet. Un argument supérieur à 6 est ramené à 6.

Résumé des commandes

Ce billet conclut la présentation de la carte 6 servos. Rendez vous dans la rubrique « Journal de bord » pour la suite.

La carte de commande 6 servo-moteurs, le logiciel

Jean-Luc — 2013-08-21T11:41:50Z

Le logiciel de la carte 6 servos remplit les fonctions suivantes :

pilotage de chacun des 6 servos avec détection d'erreur
interfaçage avec le contrôleur central : réception de commandes, émission de l'état des servos.

Le pilotage des servos

Multiplexage des servos

Comme indiqué dans « La carte de commande 6 servo-moteurs, le matériel » un servo-moteur est commandé via une consigne en PWM qui se répète toutes les 20 ms. Comme 6 servos sont à commander, les 20 ms sont découpés en 6 intervalles de 3,33 ms. Dans chacun de ces intervalles, la PWM du servo correspondant est générée. C'est à dire que le signal de commande est mis à 1 au démarrage de l'intervalle et mis à 0 au bout du temps correspondant à la position demandée.

Multiplexage de la commande des servos sur 6 slots de 3,33ms

Les instants des slots sont gérés au moyen d'un timer 8 bits. Il n'est pas possible de compter jusqu'à 3,33 ms et le tick de base a donc été fixé à approximativement un sixième de 3,33 ms, soit 552 µs. Par conséquent, une interruptions est générée tous les 552 µs et toutes les 6 interruptions le logiciel gère l'un des servos.

Le signal de commande est mis à 1 et un second timer est programmé avec la durée voulue pour la PWM. Lorsque ce timer expire, une interruption est générée et le logiciel remet la commande à 0.

Machine d'états d'un servo

À chaque servo est associée une machine d'états qui permet de fixer la valeur des signaux de commande d'allumage et de PWM. Les entrées de cette machine sont les états des interrupteurs de fin de course et les commandes reçues (allumage, consigne de position) ainsi que des variables internes.

Machine d'états associée à chaque servo

La machine démarre dans l'état initial éteint avec une consigne égale à l'état des interrupteurs de fin de course. Un commande d'allumage, on, conduit au calcul d'une vitesse de déplacement nulle si le servo est dans la position milieu et positive ou négative si l'un des interrupteurs de fin de course est enfoncé. Cette vitesse est telle que le servo va se désengager du fin de course enfoncé. La machine passe dans l'état calib.

Dans l'état calib, la vitesse est maintenue tant que l'interrupteur de fin de course concerné est enfoncé (fdc = consigne). Dès qu'il n'est plus enfoncé (fdc ≠ consigne), la vitesse de déplacement est mise à 0 et la machine passe dans l'état arrêt.

On reste dans l'état arrêt tant que la consigne est identique à l'état des interrupteurs de fins de course (fdc = consigne). Si la consigne n'est pas atteinte ou change (fdc ≠ consigne), la vitesse permettant de satisfaire la consigne est calculée et la machine passe dans l'état op.

Dans l'état op, la vitesse est maintenue tant que l'interrupteur de fin de course concerné n'est pas enfoncé (fdc ≠ consigne). Dès qu'il est enfoncé (fdc = consigne), un compteur est initialisé (cpt ⟵ N) et la machine passe dans l'état frein. On n'arrête pas immédiatement le servo, on continue de manière à bien enfoncer l'interrupteur de fin de course. Évidemment il faut tenir compte de la vitesse et de l'inertie du moteur pour calculer N. Plus la vitesse est grande et plus N doit être petit. Le calcul est le suivant N = 2 × (Vmax - V).

Dans l'état frein, le mouvement du servo est poursuivi et cpt décrémenté tant qu'il n'est pas nul. Si cpt devient nul, la vitesse du servo est mise à 0 et la machine passe dans l'état arrêt.

La PWM n'est générée que dans les états calib, op et frein.

Détection des erreurs

Le logiciel vérifie les conditions d'erreur en confrontant la valeur de la PWM (c'est à dire la position attendue du servo) avec l'état des interrupteurs de fin de course. 3 valeurs de PWM de référence sont employées : la valeur correspondant à la position milieu [1], une valeur extrême dans le sens horaire et une valeur extrême dans le sens trigonométrique. Ces deux dernières valeurs correspondent à des positions mécaniques non atteignables. Si la PWM est entre la valeur milieu et la valeur extrême horaire, on dit qu'elle est dans le secteur horaire. Si elle est entre la position milieu et la valeur extrême trigo, on dit qu'elle est dans le secteur trigo.

Les conditions suivantes sont testées :

interrupteur de fin de course horaire enfoncé et PWM dans le secteur trigo : panne du servo ou fin de course horaire collé ;
interrupteur de fin de course trigo enfoncé et PWM dans le secteur horaire : panne du servo ou fin de course trigo collé ;
interrupteur de fin de course horaire non enfoncé et PWM au delà de la position extrême horaire : panne du servo ou fin de course horaire manquant ou en panne ;
interrupteur de fin de course trigo non enfoncé et PWM au delà de la position extrême trigo : panne du servo ou fin de course trigo manquant ou en panne ;

De façon a être robuste vis-à-vis des erreurs transitoires, la détection d'une erreur ne provoque pas immédiatement le passage dans l'état erreur. Un compteur d'erreurs est associé à chaque servo. La détection d'une erreur engendre l'incrémentation de ce compteur. L'absence d'erreur engendre sa décrémentation. Si le compteur dépasse un seuil, alors le passage dans l'état erreur se produit.

La séquence l'allumage

Lorsque le logiciel démarre, tous les servos voient leur commande d'allumage mise à on. Toutefois, le comportement voulu est un allumage séquentiel, ceci afin de limiter l'appel de courant. Pour cela, un jeton autorisant l'allumage est partagé par les machines d'états des servos. Le premier servo qui s'allume prend le jeton et ne le relâche que lorsqu'il passe dans l'état arrêt ou bien si une erreur est détectée. Le servo suivant ne peut donc démarrer que lorsque le servo qui détient le jeton a terminé son allumage. Ce jeton n'est pas un booléen. En effet, chaque machine d'états doit savoir si c'est elle qui possède le jeton, ceci afin de pouvoir le relâcher au bon moment. Le jeton est donc initialisé à -1 (non possédé) et contient sinon le numéro de la machine qui le possède.

Limitation du nombre de servo en mouvement

Également pour des raisons de consommation, le nombre de servos en mouvement peut-être limité. À cet effet, un compteur est partagé par les machines d'état. Ce compteur est initialisé aux nombre de servos qui peuvent bouger simultanément. Une machine ne peut commencer un mouvement que si ce compteur est > 0. Quand une machine commence le mouvement d'un servo (passage de l'état arrêt à l'état op, elle décrémente ce compteur pour le relâcher quand elle passe dans l'état arrêt ou erreur.

Limitation du nombre de servos en mouvement

Un prochain article présentera les commandes possibles et la messagerie CAN.

[1] une valeur précise n'est pas nécessaire, il suffit d'avoir une valeur correspondant à une position où aucun des interrupteurs de fin de course n'est enfoncé

La carte de commande 6 servo-moteurs, le matériel

Jean-Luc — 2013-07-06T12:25:00Z

La commande des actionneurs des 42 aiguilles de Messingrohrstadt (voir « Conception et mise en œuvre ») nécessite la conception d'une carte ad-hoc qui prendra en charge des fonctions que les boîtiers ou cartes de commande de servo-moteurs disponibles dans le commerce n'offrent pas. Cette carte s'inspire beaucoup de la carte conçue par Pierre. La différence majeure est la fonction de commande des alimentations des servos.

Les fonctions à assurer sont :

l'allumage et l'extinction des servos individuellement.
la commande du servo proprement dite ;
la prise en charge des interrupteurs de fin de course ;
la connexion au bus CAN des accessoires (voir à ce propos « L'architecture générale »).

Avec ces fonctions, le nombre de broches d'entré/sortie disponible sur le micro-contrôleur choisi fixe le nombre de voies à 6. Ça sera donc une carte permettant de commander 6 servos.

Le micro-contrôleur choisi est un PIC 18F46K80 de Microchip. Il possède une interface CAN et a suffisament d'entrées/sorties logiques. Il est disponible en boîtier DIP 40 broches.

Allumage et extinction individuels des servo-moteurs

Les servos sont conçus pour être alimentés entre 4,8 V et 6 V (ce qui correspond respectivement à l'utilisation de 4 accumulateurs NiMH de 1,2 V ou 4 piles bâton de 1,5 V en modélisme). Pour disposer du meilleur couple possible les servos vont être alimentés en 6 V. Leur alimentation va être synthétisée à partir du 9 V qui sert à l'électronique du réseau et au moyen d'un régulateur 7806.

Le courant maximum consommé par les servos utilisés (des HK15178 de chez HobbyKing) lorsqu'ils sont bloqués est d'environ 100 mA. Par ailleurs, quand on allume un servo-moteur, il a un frétillement et donc consomme immédiatement. Par conséquent, on peut craindre que l'allumage simultané d'environ 70 servos (42 pour les aiguilles, une vingtaine pour la signalisation, 6 pour les portes des remises), engendre un appel de courant d'environ 7 A qui va effondrer l'alimentation générale et planter les micro-contrôleurs.

L'allumage des servo-moteurs est donc piloté et va être opéré selon une séquence pour limiter l'appel de courant. Le schéma suivant accompli cette tache.

Alimentation pilotable pour les servo-moteurs

CA0 est la commande en provenance du micro-contrôleur. Quand CA0 est à 0V (0 logique), T7 est bloqué, ce qui a pour effet de bloquer T1. T1 est un darlington qui inclue une résistance de tirage de la base au potentiel de l'émetteur, c'est à dire 6V. R27 assure le blocage de T7 si le micro-contrôleur ne pilote pas CA0. Quand CA0 est à 5V (1 logique), T7 est passant et tire la base de T1 à la masse. Ceci a pour effet d'allumer la LED témoin et de rendre T1 passant. La sortie AL0 est donc à la tension de l'émetteur de T1 (6V) moins le seuil du transistor.

En agissant sur l'entrée CA0, le micro-contrôleur peut permettre ou non l'alimentation du servo-moteur. Ce schéma est répété pour chacune des voies (commandes CA0, CA1, CA2, C3, CA4 et CA5). 6 sorties logiques sont par conséquent occupées.

La commande du servo proprement dite

Un servo-moteur est commandé via une PWM : un signal ayant alternativement pour valeur 0V ou 5V et qui se répète à intervalle régulier. L'information est transmise par le temps passé dans un état. Pour les servo-moteurs, il s'agit du temps passé à l'état haut (5 V). cette impulsion est répétée toutes les 20 ms et la durée de l'impulsion code la position du servo-moteur. Un signal haut d'une durée de 0,5 ms correspond à l'une des positions extrême du servo (-90°), d'une durée de 2,5 ms à l'autre position extrême (+90°) et une durée de 1,5 ms à la position milieu (0°).

La PWM de commande d'un servo

Seuls les durées extrêmes de l'impulsion et la durée médiane sont montrées mais toutes les valeurs entre 0,5 ms et 2,5 ms sont possibles.

Bien évidemment, toutes les positions intermédiaires sont possibles et en faisant varier continuement et doucement la durée de l'impulsion, il est possible d'obtenir un mouvement de vitesse voulue.

La PWM est générée par logiciel et cette génération sera décrite en détail dans un prochain billet. 6 sorties logiques sont occupées par les 6 PWM qui sont nommées de PWM_0 à PWM_5. 6 résistances de 10 kΩ tirent chacune de ces sorties à la masse afin de ne pas envoyer des parasites sur les PWM si le micro-contrôleur ne les pilote pas, ceci afin d'éviter des mouvements erratiques des servo-moteurs.

la prise en charge des interrupteurs de fin de course

Chaque servo-moteur dispose de deux interrupteurs de fin de course. Le servo-moteur étant alimenté en 6V, on ne peut pas utiliser l'état haut pour indiqué qu'un fin de course est enfoncé [1] car le micro-contrôleur ne tolère pas une entrée qui soit au delà de 5V. L'information « interrupteur de fin de course enfoncé » correspond donc à un 0 logique. 2 entrées logique par voie sont utilisées. Un réseau de résistance tire chaque entrée à l'état haut (5 V) quand l'interrupteur n'est pas enfoncé. L'état de ces interrupteurs indique indirectement la position de l'aiguille :

Fin de course Horaire	Fin de course trigo	Signification
0	0	Problème de collage
0	1	L'aiguille est en position horaire
1	0	L'aiguille est en position trigo
1	1	L'aiguille est en court de mouvement

Ces informations ne suffisent pas pour diagnostiquer une panne. En confrontant la valeur demandée de la PWM à l'état des interrupteurs de fin de course, il est possible d'affiner le diagnostic comme nous le verrons dans le billet consacré au logiciel.

La connexion au bus CAN des accessoires

Deux broches CANRx (réception CAN) et CANTx (émission CAN) permettent de connecter le micro-contrôleur au bus CAN. Le bus CAN étant un bus différentiel pour garantir une certaine immunité au bruit, il faut ajouter un transceiver qui convertira les signaux logiques en signaux différentiels. Le MCP2551 de Microchip remplit ce rôle. Des connecteurs RJ11 sont employés pour le bus CAN.

Enfin, 7 cartes seront nécessaires pour les aiguilles. Il est donc nécessaire de pouvoir les distinguer sur le bus en leur donnant des adresses différentes. C'est le rôle d'un DIP-switch à 4 interrupteur qui permet 16 adresses différentes.

Le micro-contrôleur et l'interface CAN

L'alimentation

Il s'agit d'un montage tout à fait classique à base de régulateur de tension 7805 pour l'alimentation de la logique et de 7806 pour l'alimentation des servo-moteurs. Le 7806 a un courant de sortie maximum de 1,5 A ce qui est suffisant pour couvrir la consommation maximum des 6 servos.

En entrée, une diode de protection permet de prévenir les erreurs de branchement. Les deux condensateurs filtres la basse fréquence et la haute fréquence sur l'alimentation.

L'alimentation de la carte

Le typon

La schématique de la carte son dessin ont été réalisés avec le logiciel Canari. Elle est dessinée en double face et occupe une surface de 98,2 mm x 55,2 mm. La figure suivante montre l'implantation des composants.

Implantation des composants

Les deux figures suivantes montrent le typon.

Pistes côté composants

Pistes côté soudure

[1] À moins de placer un diviseur de tension dans le circuit mais cela demanderait 12 résistances supplémentaires.

Alimentation des cantons

Jean-Luc — 2012-12-06T10:31:25Z

Domestiquer la masse de fils qui courent sous un réseau en analogique n'est pas une mince affaire.

Comme expliqué dans « La carte d'alimentation 4 cantons », pour chaque sens de circulation, un canton comporte 1 zone d'arrêt et une zone de pleine voie.

Anatomie d'un canton

Chaque canton est donc alimenté par 4 fils, un pour la zone de pleine voie droite (+, PVD), un pour la zone de pleine voie gauche (-, PVG), un pour la zone d'arrêt droite (+, AD) et un pour la zone d'arrêt gauche (-, AG). La totalité du réseau comporte 24 cantons qui seront donc gérés par 6 cartes d'alimentations 4 cantons.

Ce sont donc 96 fils d'alimentation qui courront sous le réseau. À cela il faut ajouter la ré-alimentation des cœurs d'aiguille, soit environ 40 fils.

Il faut toutefois noter que l'usage des cartes d'alimentations qui sont reliées au calculateur central via un bus CAN permet de les implanter à proximité des cantons qu'elles alimentent. Cela permet de simplifier le câblage car seuls les fils des bus CAN et des alimentations courent d'un bout à l'autre du réseau.

Comme je veux pouvoir dans un premier temps alimenter la partie construite avec un transformateur ordinaire, il faut :

avoir un organisation rationnelle ;
avoir une connexion fiable des fils de cantons ;
ne pas faire un câblage temporaire qui soit remis en cause lors du la mise en place des cartes d'alimentation ;

La solution consiste à positionner un petit bornier 4 fils pour rassembler les fils d'alimentation d'un canton. Le bornier est implanté sous le canton de manière à minimiser la longueur de fil. Il est aussi repéré par une étiquette. Concernant la fiabilité, j'ai opté pour la soudure plutôt que pour des connecteurs qui sont à la fois plus chers et dont la multiplication augmente les chances de mauvais contacts.

Le bornier choisi, disponible chez Conrad, d'un coût négligeable (environ 20 € pour 50 pièces) est présenté ci-dessous et mesure 36 mm x 9 mm. Il servira également pour le raccordement des alimentations des cœurs d'aiguilles.

Barrette de raccordement à souder

La carte d'alimentation 4 cantons

Jean-Luc — 2012-07-12T10:31:35Z

Je viens de terminer de monter une carte d'alimentation 4 cantons avec mes camarades. Nous avons mis 2 jours pleins pour monter 3 cartes, chacun la sienne. Cela représente un travail assez important qu'il va me falloir effectuer encore 8 fois pour mon réseau. Il faut dire qu'il y a plus de 400 composants sur cette carte qui est assez complexe mais fait beaucoup de choses.

La série préliminaire comportait 5 tirages de la carte. 4 sont maintenant montées et vont servir à des essais poussés cet été. La suite sera de lancer la fabrication des exemplaires de la carte définitive pour les 3 réseaux, soit au total une trentaine de cartes.

Chaque carte embarque 4 modules d'alimentation. Les fonctions assurées par un module sont décrites ci-dessous.

Qu'est ce qu'un canton ?

Il ne s'agit évidemment pas exactement de la définition données pour les trains réels. Ici, un canton est une portion de voie alimentée indépendamment. Cela peut correspondre à un canton tel que défini pour les trains réels mais cela peut être aussi une portion beaucoup plus petite comme une traversée de jonction double qui va être toute seule dans son canton. De plus, un canton peut comprendre une section de pleine voie et une zone d'arrêt, et ce dans chaque sens de circulation.

La matérialisation de la section de pleine voie et de la zone d'arrêt est réalisée par une coupure sur le rail gauche vu dans le sens de circulation (c'est à dire le rail de polarité –). Quand le sens de circulation est inversé, le rail (-) devient le rail (+) et la zone d'arrêt passe de l'autre côté du canton. L'anatomie d'un canton est présenté à la figure ci-dessous :

Anatomie d'un canton

De cette manière, il est possible, moyennant l'électronique adéquate de mesure du courant qui passe par le rail (-), de connaître la position d'une rame à l'intérieur d'un canton : seulement en pleine voie, en pleine voie et en zone d'arrêt, seulement en zone d'arrêt. Ceci est illustré dans la figure suivante :

Détection de la position d'une rame

Sur cette figure, les 3 cas possibles sont présentés. En haut, la locomotive est en pleine voie, le courant est détecté sur l'ampèremètre en orange. Au milieu, la locomotive est à cheval entre la pleine voie et la zone d'arrêt, les deux ampèremètres détectent le courant. Enfin la locomotive est en zone d'arrêt, seul l'ampèremètre en orange détecte sa présence.

Pour détecter les wagons, il est nécessaire de graphiter les essieux. En effet, les roues des wagons, bien que pour la plupart métalliques, sont isolées l'une de l'autre. Afin de rendre l'essieu conducteur (modestement), il est graphité (voir A.M.F.N : le graphitage des essieux).

L'alimentation par PWM

L'alimentation des locomotives est faite au moyen d'une PWM [1]. Traditionnellement, les moteurs à courant continue sont alimentés avec une tension que l'on va faire varier pour que le moteur tourne plus ou moins vite. Le problème de ce mode d'alimentation sont les pertes énergétique qui résultent de l'abaissement de la tension.

Avec une PWM, le moteur est alimenté via un signal carré passant alternativement de 0 à la tension d'alimentation maximum. Dans notre cas, ce signal a une fréquence de 20KHz (soit une période de 50µs). Il en résulte que la vitesse du moteur est proportionnelle au rapport entre la portion de temps passée à l'état de tension maximum et la période du signal, c'est à dire ce que l'on appelle le rapport cyclique. Pour changer la vitesse de rotation du moteur, il suffit de changer le rapport cyclique.

La gestion de la PWM est confiée à un micro-contrôleur [2] de type PIC 18F26K80 de Microchip. Le signal émis par le PIC n'est pas suffisant, ni en tension, ni en intensité, pour alimenter le moteur. Il est donc nécessaire de l'amplifier pour attaquer un transistor PMOS qui se chargera de commuter la tension d'alimentation du moteur.

La synchronisation des PWM

Lorsqu'une rame passe d'un canton à un canton adjacent, les deux alimentations sont bien sûr réglées sur la même valeur de manière à ce que la locomotive garde la même vitesse. Ce réglage n'est pas pris en charge implicitement par les modules d'alimentation mais est envoyé aux modules d'alimentation concernés par la carte LPC2294 car seul le logiciel centralisé de gestion du réseau connait le graphe des cantons.

Mais cela ne suffit pas. En effet, le micro-contrôleur PIC de chaque module possède sa propre horloge et va donc synthétiser sa PWM indépendamment de celle des autres PIC. Par conséquent, il n'y a aucune raison pour que les signaux des PWM soient synchrones. Par conséquent, au moment où une locomotive passe d'un canton a un autre, prenant ainsi le courant de traction dans les deux cantons à la fois, elle verra une PWM qui est la superposition de celles des deux cantons et effectuera un bond. La figure ci-dessous illustre ce phénomène.

PWM asynchrones

Les deux cantons A et B sont réglés sur un rapport cyclique de 25% mais ne sont pas synchrones. Par conséquent une locomotive passant d'un canton à l'autre verra la PWM en rouge, superpositions des deux PWM A et B à 37,5%.

Pour éviter ce comportement disgracieux, il est nécessaire de synchroniser les PWM de tous les modules d'alimentation. À cet effet, le PIC de la carte Mezzanine diffuse un signal de synchronisation à tous les PIC des modules d'alimentation. Ces derniers recalent leur PWM en changeant légèrement
la période en fonction du décalage qu'ils constatent.

À suivre...

[1] Pulse Width Modulation ou Modulation de Largeur d'Impulsion en Français

[2] C'est à dire un micro-processeur qui incorpore des circuit additionnels pour gérer des capteurs et des actionneurs et de la mémoire : un ordinateur complet dans un seul composant.

L'architecture générale

Jean-Luc — 2012-07-06T10:00:11Z

L'architecture générale de l'électronique et de l'informatique n'est pas de ma conception mais essentiellement de celle de Pierre. Pour résumer rapidement, le contrôle des convois est effectué par un seul calculateur plutôt costaud et les contrôles des appareils de voie, des signaux et des alimentations de cantons sont délégués à des calculateurs plus simple du type PIC. L'interconnexion entre les calculateurs est assurée par 3 réseaux CAN [1].

Architecture générale du système électronique

Le cœur du système

Le matériel

Le calculateur central est une carte L2294 fabriquée par la société OLIMEX et équipée d'un micro-contrôleur ARM LPC2294 de Philips cadencé à 60MHz. Cette carte est distribuée en France par la société Lextronic. La carte offre 4 bus CAN. 3 d'entre eux sont utilisés et nous verrons leur usage plus loin. De plus un contrôleur Ethernet est présent.

Afin de compléter cette carte, Pierre a développé une carte mezzanine [2] comportant plusieurs fonctions additionnelles :

un écran LCD permettant l'affichage de messages de contrôle et de déverminage ;
un micro-contrôleur PIC accessible via l'un des bus CAN et remplissant plusieurs rôles : contrôle de l'écran LCD, synthèse d'un signal de synchronisation à destination des cartes d'alimentation de cantons, synthèse d'un signal de déclenchement de mesure de vitesse (plus d'informations sur ces fonctions seront présentées dans un billet consacré à la carte d'alimentation de cantons) ;
2 circuits amplificateurs pour 2 des bus CAN. En effet, la carte L2294 n'a qu'un seul des bus CAN équipé d'une amplification, il est donc nécessaire d'ajouter ces circuits pour exploiter les autres bus ;
plusieurs boutons-poussoir, commutateurs permettant de 1) démarrer la carte dans plusieurs modes, 2) mettre en oeuvre un arrêt d'urgence ;
quelques diodes électro-luminescentes (LED) permettant une interaction avec l'utilisateur pour indiquer le fonctionnement, normal ou non, du système.

Carte mezzanine dépourvue de l'écran LCD

Le logiciel

Le logiciel reste à écrire. Pierre et Philippe emploierons un logiciel de suivi de convois appelé Caniche et écrit par Pierre alors que je compte écrire le mien. J'ai quelques idées, que j'exposerai dans un billet futur, sur la manière dont l'exploitation automatique du réseau sera implémentée. Le logiciel d'exploitation reposera sur un système d'exploitation temps-réel (ou RTOS [3]) appelé Trampoline. Trampoline implémente la norme ISO OSEK/VDX et aussi la norme AUTOSAR 4.0. Ces deux normes sont employées dans l'industrie automobile pour les systèmes électroniques embarqués à bord des véhicules. Il s'agit d'un RTOS destiné à de petits systèmes temps-réels dits durs, ou stricts, dont le comportement doit être facilement prévisible.

Les cartes d'alimentation de cantons

Ces cartes ont été conçues par Pierre. Un des 3 bus CAN est réservé à la communication avec ces cartes. Chaque carte regroupe 4 alimentations et possède un système d'adressage sur 4 bits via un DIP switch permettant de distinguer les cartes entre elles. Il est donc possible d'avoir jusqu'à 2⁴ = 16 cartes, soit 64 cantons, sur le bus.

La carte 4 alimentations de canton

Un prototype de cette carte est opérationnel et a été testé de manière très satisfaisante. Philippe a posté un billet à ce propos. De plus amples informations seront données sur ces cartes dans un futur billet.

Les cartes de contrôle des appareils

Ces cartes sont connectées sur un second bus CAN réservé aux « accessoires ». Ces cartes sont de mon cru et sont conçues de manière modulaire : une carte mère banalisée comporte l'interfaçage avec le réseau CAN, le micro-contrôleur PIC, quelques LED, un DIP switch pour fixer son adresse comme pour la carte d'alimentations de cantons, une carte fille « mezzanine » permettant de personnaliser la fonction. Pour l'instant, sont conçues et dessinées 3 cartes mezzanine remplissant les fonctions suivantes :

Carte de commande de 10 aiguilles à moteur électromagnétique avec retour de position ;
Carte de commande de 8 aiguilles à FAM avec retour de position ;
Carte de commande de 16 moteurs à FAM sans retour de position pour les dételeurs et les signaux mécaniques.

Là aussi, 16 cartes sont possibles sur ce bus mais comme les logiciels seront différents, l'adressage pourra aussi être distingué de manière logicielle et il est donc possible d'avoir 16 carte par type de logiciel.

Les postes de conduite

Le 3e et dernier réseau CAN est destiné à recevoir des postes de conduite qui pourront se connecter à chaud. Ils permettent une exploitation manuelle du réseau. Un poste de conduite regroupe un afficheur LCD, un bouton rotatif relié à un codeur numérique, un clavier 12 touches et quelques commutateurs et poussoir. 4 postes de conduite sont possibles.

Connexion PC

La carte L2294 possédant un port Ethernet, il est aisé de le raccorder à un ordinateur. Pierre a écrit une pile TCP/IP qui tourne sur la carte. Cela permettra de communiquer avec elle via le réseau de la maison. De nombreux usages sont possible : maintenance du logiciel des PIC, supervision, traçage des messages CAN, etc.

[1] Voir à ce propos l'article de Wikipédia « Controller Area Network »

[2] C'est à dire une carte qui s'enfiche par dessus une autre via des connecteurs

[3] Real Time Operating System