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Découpeuse et graveuse laser

Jean-Luc — 2024-05-23T06:48:37Z

Une découpeuse et graveuse laser est probablement la machine-outil la plus intéressante pour le modélisme ferroviaire. Elle permet de réaliser ses propre kits de bâtiment avec des matières première très peu chère et une mise en œuvre plutôt aisée.

J'ai découvert cette technologie dans un FabLab. On trouve habituellement installées dans les FabLabs des machines professionnelles d'une puissance élevées, de grand format, 1m² ou plus, encombrantes et de coût non négligeable ; On parle de plusieurs milliers d'euros. Ces machines sont équipées d'un laser CO2 et permettent la découpe de matériaux épais. Un laser à CO2 émet de la lumière à environ 10µm de longueur d'onde, c'est à dire dans l'infrarouge pas si proche que ça.

Les machines pour les particuliers

Les machines accessibles aux particuliers utilisent une technologie différente et moins chère, la diode laser. Ici la longueur d'onde se situe entre 500 et 900 nm [1], donc dans le visible ou le très proche infrarouge. Dans cette catégorie on trouve des machines allant d'environ 150€ à 600-700€ selon la puissance, la taille et le degré de sophistication et d'équipement. La puissance démarre à 5W et monte à 40W. Toutes ces machines ont des architectures similaires :

Un cadre en profilé d'aluminium (axe Y) ;
Un portique en profilé d'aluminum sur lequel se déplace le laser (axe X) ;
Un laser réglable en hauteur pour que la focale soit centrée sur le matériau à découpé ;
Un moteur pas-à-pas pour le déplacement du portique le long de l'axe Y ;
Un moteur pas-à-pas pour le déplacement du laser sur le portique le long de l'axe X ;
Une carte de commande pilotant la puissance du laser et les deux moteurs pas-à-pas et reliée à un ordinateur.

On peut aussi avoir quelques fonctions supplémentaires comme le Wifi pour transférer des fichiers sur la machine et découper de manière autonome.

Contrairement aux machines professionnelles, rien n'est prévu de base pour l'extraction des fumées et il faudra se débrouiller pour concevoir et fabriquer un système d'extraction. La figure ci-dessous montre la machine que j'ai choisie, une Longer Ray5 10W.

Découpeuse/graveuse laser Longer Ray5

Cette machine a une surface de découpe de 400x400mm mais j'ai également acheté l'extension de l'axe Y qui porte cette dimension à 850mm.

Le martyr

Comme on ne va pas découper directement sur la table, il faut prévoir un support adapté. Placer sous les pièces à découper une planche de bois n'est pas la meilleure idée car le dessous de la pièces sera brulé. Le mieux est d'acheter un support en aluminium en nid d'abeille prévu pour la découpe laser, un LaserBed. Des supports de grande taille sont plus rares mais la société MECPOW vend un nid d'abeille de 400x800mm de surface utile. Tant pis pour les 50mm perdus sur l'axe Y. Dans le kit, on a également une plaque en inox qui se place sous le nid d'abeille.

Le LaserBed MECPOW 400x800mm

L'Air Assist

Lorsque le laser découpe un matériau, des gaz et des fumées s'en échappent. Les fumées vont venir diffracter le laser et baisser son efficacité. Les gaz ont tendance à s'enflammer. Ce n'est pas réellement dangereux tant que l'on ne respire pas les émanations [2] mais cela provoque des flashs de brûlure sur la surface du matériau. L'Air Assist est une pompe qui envoie un jet d'air dans l'axe du laser ; les gaz sont dispersés et la fumée est soufflée sous le matériau et dans le LaserBed. Le résultat est une découpe très propre et plus rapide. Cette option est indispensable pour le maquettiste.

Air Assist pour la Longer Ray5

En pratique

La préparation des pièces

La production de pièces découpées au laser commence par le dessin de celles-ci. Un simple logiciel de dessin vectoriel 2D suffit. Inkscape en est un mais on peut aussi utiliser un logiciel de CAO comme FreeCAD pour des pièces complexes qui seront plus difficiles, voire impossible, à faire avec un logiciel de dessin 2D. Pour ma part, j'utilise Graphic et FreeCAD. Une fois la pièce dessinée, il faut l'exporter dans un format permettant de l'importer dans ...

Le logiciel de découpe

Ma découpeuse laser nécessite la version GCode de Lightburn. Lightburn permet l'importation du SVG, du PDF (incidemment car c'est le format d'Adobe Illustrator) et du DXF. Les différents tracés peuvent se voir affecter une couleur et à chaque couleur, on fait correspondre un mode de découpe/gravure : trait ou remplissage, une vitesse de déplacement du laser et une puissance du laser.

Le couple vitesse/puissance donne l'énergie associé à la découpe ou au remplissage. Plus on va vite et moins le matériau est entamé, Plus la puissance du laser est importante et plus le matériau est entamé. Lightburn propose un générateur d'essais qui trace ou remplit une matrice de carrés en faisant varier vitesse et puissance dans des intervalles.

Les opérations sont effectués dans l'ordre de classement des couleurs. Typiquement, si une pièce comprend une partie de gravure par remplissage (couleur A) et une découpe (couleur B), on fera d'abord la couleur A puis la couleur B afin que la gravure ne se fasse pas sur une pièce déjà découpée et qui peut donc bouger.

Pour les petites pièces découpées dans un matériau fin, comme du bristol, Lightburn peut pour chaque couleur engendrer automatiquement des pattes de fixation afin d'éviter que la pièce ne s'envole ou ne tombe dans une maille du LaserBed.

Il va sans dire que lors de la découpe on doit constamment superviser la machine. Il ne s'agirait pas d'aller faire autre chose et de se retrouver avec la maison incendiée.

Quels matériaux

Les matériaux privilégiés sont le bois et ses dérivés. Plus précisément, pour le modélisme ferroviaire, on trouve le MDF qui existe en différentes épaisseurs mais aussi les différents papiers plus ou moins forts, plus ou moins texturés. Il est également possible de découper du plastique mais pas n'importe lequel. Certains se découpent mal car ils fondent et forme un bourrelet disgracieux comme le polystyrène ou l'ABS. D'autres, comme le PVC, diffusent des gaz nocifs comme le chlore lorsque le laser les brûle. On ne pourra pas découper un plastique transparent avec un laser à diode car il est aussi transparent à la longueur d'onde du laser. Ce n'est pas le cas pour un laser CO2. On peut découper pour nos usages de l'acrylique (ou PMMA ou Plexiglas).

Pour conclure

D'autres questions restent bien entendu en suspens comme la manière de combiner tous ces matériaux pour réaliser un modèle, la finesse qu'il est possible d'atteindre ou encore la manière de rendre un effet voulu sur un modèle ou encore l'utilisation de Lightburn. Ces questions seront prochainement abordées au fur et à mesure sur mon blog.

[1] Du moins si j'en crois l'offre disponible chez TME.

[2] Malgré tout j'ai un extincteur de voiture de 1kg à proximité.

Un nouveau départ

Jean-Luc — 2024-05-09T08:19:42Z

Quand l'environnement évolue plus vite que la construction du réseau, le projet devient obsolète. En effet, les enfants s'en vont, la maison se vide et des pièces deviennent disponibles.

J'ai donc pu m'installer dans une pièce d'environ 12m² plus un cagibi que je peux envahir en partie. La présence du cagibi fait que le 4e mur n'est pas utilisable sans implanter un passerelle amovible mais, comme on va le voir, ce n'est pas réellement un problème. Il y a toutefois une contrainte, il faut que je conserve le bureau qui y est déjà présent pour l'électronique et le maquettisme. Le décor ne peut donc être continu d'un bord à l'autre. Ceci n'est pas nécessairement un problème mais aura un impact sur l'entendue des sections de pleine voie. J'aurais pu déplacer le bureau à l'entrée de la pièce et disposer ainsi d'un décor continu mais le poste de travail aurait été dans le passage et dans la zone d'ouverture de la porte.

Plan de la pièce où le réseau sera installé

Sur la droite de la figure, on trouve un chien assis et par conséquent des sous-pentes avec notamment une poutre de la charpente de la maison qui peut poser un problème pour passer la voie. Sur la gauche le cagibi. La présence du bureau, que je ne vais pas déplacer, conduit à un réseau en deux parties scéniques, le bureau formant une division radicale. Le thème reste bien entendu la DRG, compagnie unifiée allemande, et donc un réseau époque II. Les rails sont toujours des PECO Code 55.

Avec toute cette place je vais pouvoir augmenter la complexité bien sûr mais je veux surtout plus de réalisme avec des courbes visibles larges, des longueurs de voie à quai conséquentes et des cantons plus longs que sur mon ancien tracé afin de constituer des trains également plus longs.

Le bureau est donc légèrement avancé (10cm) et amputé de 8cm dans sa profondeur afin de ménager un passage de 18cm de largeur derrière. Les sous-pentes sont mises à profit pour passer la voie.

Le tracé est donc formé de deux zones visibles : une zone située au niveau 0, le long du mur est, où est implantée une gare de passage de moyenne importance et un dépôt de locomotives. une seconde située en îlot sur le mur ouest au nord du bureau où est implantée, au niveau 1, une gare terminus équipée d'un pont tournant pour retourner les vapeurs et d'un petit dépôt. Le tracé est un os de chien avec la première gare cachée dans le cagibi et la seconde sur le niveau 0 de l'îlot, sous la gare terminus. Enfin, un embranchement monte de la gare de passage vers le sud et suit les murs sud et ouest vers le niveau 1 de l'îlot et la gare terminus.

L'implantation des parties visibles du réseau est donnée à la figure ci-dessous.

Parties visibles du réseau

Comme on le voit, l'accent est mis sur deux scènes distinctes et urbaines où il est possible de manœuvrer plutôt que sur des sections champêtres. Ceci va demander pas mal de travail d'installations techniques mais également de décor. Les deux gares cachées permettent de varier les circulations. L'implantation de ces gares est montrée ci-dessous.

Totalité du réseau avec les parties cachées

D'autres articles suivront pour détailler les différentes parties.

Cela faisait 10 ans (!) que je n'avais pas alimenté ce blog. La raison est que l'activité était principalement centrée sur l'électronique et que j'avais basculé sur Locoduino. Le décor ayant démarré, je relance donc le blog.

Les LED WS2812B

Jean-Luc — 2014-06-02T18:54:06Z

Ces composants ont été déjà succinctement présentés dans trois articles : « Test des LED RGB WS2812B », « Évolution de l'architecture électronique du TCO » et « Dernières réflexions avant la réalisation du TCO ». Voici une présentation plus détaillée.

Ces LED sont très différentes des LED tricolores classiques. Une LED tricolore classique intègre 3 LED, une rouge, une verte et une bleue, et possède donc 4 broches. Il existe deux organisations pour les 4 broches. Dans la première les LED sont reliées entre elles par la cathode (1 broche) et les 3 autres broches correspondent aux anodes des 3 LED. Dans la seconde, les LED sont reliées entre elles par l'anode et les 3 autres broches correspondent aux cathodes des 3 LED. On préfère généralement les LED à cathode commune car le point commun est relié à la masse.

Caractéristiques des LED WS2812B

Les WS2812B sont des composants en boîtier 5050, boîtier plat de 5mm de côté et destiné à être soudé en surface [1]. Elles intègrent évidemment 3 LED mais aussi un circuit intégré logique destiné à piloter les LED. Ce circuit intégré gère chacune des LED via une PWM [2] avec une résolution de 8 bits, soit 256 niveau par couleur, pour un total de 16 millions de couleur possibles. Sur le cliché ci-dessous, on peut voir l'implantation des LED et du circuit de pilotage dans le composant.

LED WS2812B en gros plan

À gauche le circuit de gestion des LED et de la communication. Superbe cliché d'Adafruit distribué sous licence CC BY-NC-SA 2.0. Accéder au cliché original.

Le circuit de pilotage gère également la communication. En effet, ces LED sont autonomes et disposent de deux broches de communication permettant de leur envoyer une valeur de PWM pour chacune des 3 couleurs, soit 24 bits de données. La première broche de communication est l'entrée DI (Data In) et la seconde DO (Data Out). Les LED sont conçues pour être chaînées, le DO de la LED amont est connecté au DI de la LED aval.

Le mode opératoire

À l'état de repos, c'est à dire si aucune information ne doit être envoyée à la LED, le signal DI est maintenu à l'état bas. Le passage de DI à l'état haut indique à la LED le début d'une transmission d'une série de bits. Les bits sont transmis à une fréquence de 800kHz, soit 1,25µs par bit. Il n'y a pas de signal d'horloge séparé, la LED se base sur le signal transportant les données pour se synchroniser.

Un bit à 0 est codé en laissant DI à l'état haut pendant 400ns puis à l'état bas pendant 850ns. Un bit à 1 est codé en laissant DI à l'état haut pendant 800ns et à l'état bas pendant 450ns. Dans le chronogramme example ci-dessous, 4 bits sont transmis.

Example de transmission de 4 bits de données, 0110

La tolérance sur les durées est de 150ns.

Le micro-contrôleur n'est connecté qu'à la première LED d'une chaîne. Le mode opératoire consiste à envoyer à cette première LED autant de séries de 24 bits qu'ils y a de LED dans la chaîne. Chaque LED prend pour elle les 24 premiers bits qu'elle reçoit et transmet les suivants à la LED suivante de la chaîne. De fil en aiguille chaque LED reçoit les 24 bits qui lui sont destinés.

Après la transmission, DI est maintenu à l'état bas pendant 50µs afin de réinitialiser le mécanisme de transmission de l'information de LED en LED. De cette manière, à la prochaine transmission, l'échantillonnage des 24 premiers bits reçus sera de nouveau effectué par chaque LED de la chaîne.

24 bits demandent une temps de transmission de 1,25µs x 24, soit 30µs. L'envoi des données à une chaîne de 100 LED demande donc 3ms.

Datasheet des LED WS2812B

La mise en œuvre

Adafruit a publié plusieurs recommandations pour la mise en œuvre de ces LED. On retiendra le fait de monter sur l'alimentation un condensateur de 1000µF pour absorber les pics de tension à la mise en route et l'ajout éventuel d'une résistance d'environ 500Ω en série entre le micro-contrôleur et la LED de tête lorsque le fil est long pour empêcher le signal de se réfléchir et de perturber la transmission.

Une résistance de 10kΩ entre DI et GND garantit également que la LED de tête ne reçoit pas un signal incohérent alors que la broche du micro-contrôleur n'a pas encore été programmée en sortie.

La bibliothèque NeoPixel d'Adafruit

Ecrire le programme de rafraichissement d'une chaîne de LED est un exercice assez difficile. En effet, il est nécessaire de garantir les caractéristiques temporelles du signal de manière précise. Cette garantie ne peut être atteinte qu'en connaissant la durée de chaque instruction employée dans le programme de rafraîchissement et disqualifie donc le langage C. L'emploi de l'assembleur est de fait obligatoire.

La bibliothèque NeoPixel d'Adafruit tombe donc à point nommé pour m'épargner cette tâche. Elle offre une classe C++ représentant la chaîne de LED dans la mémoire de l'Arduino, une série de méthode pour manipuler les couleurs et bien sûr une méthode pour rafraîchir la chaîne.

Chaque LED occupe 3 octets en mémoire SRAM. On peut donc piloter une ou plusieurs chaînes avec un Arduino Uno et de manière générale tous les modèles équipé d'un ATMega328 [3] à condition que le nombre total de LED ne dépasse pas 600 [4].

Une fois la bibliothèque installée à l'emplacement adéquat, elle est utilisable dans un croquis.

#include

Il faut ensuite instancier un objet de type Adafruit_NeoPixel. Comme ceci.

Adafruit_NeoPixel leds = Adafruit_NeoPixel(94, PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);

94, le premier argument, est le nombre de LED dans la chaîne. Ici 94 correspond au nombre de LED dans la chaîne de la gare de Messingrohrstadt. PIN est le numéro de broche d'entrée/sortie numérique où le DIN de la première LED de la chaîne est connecté. Comme d'habitude, on évitera les broches 0 et 1 qui servent à téléverser le programme sur l'Arduino et incidemment à établir une liaison série avec la console de l'IDE Arduino à des fins de debug. On évitera également la broche 13 sur laquelle est câblée une LED présente sur la carte Arduino et dont la charge pourrait perturber la transmission.

NEO_GRB + NEO_KHZ800 permet de spécifier le modèle de LED employé. NEO_GRB indique l'ordre des couleurs dans les 24 bits transmis à chaque LED. Pour les WS2812B, l'ordre est vert, rouge, bleu. NEO_KHZ800 fixe la fréquence de transmission soit 800kHz.

La méthode begin()

Une fois l'objet leds instancié, on peut appeler ses méthodes. La première chose à faire est d'activer la chaîne de LED en invoquant la méthode begin() qui a pour effet de programmer la broche en sortie et de la mettre à l'état bas. L'appel à begin() sera fait dans setup().

Les méthodes setPixelColor(...)

La seconde méthode importante est setPixelColor(...). Elle permet de spécifier la couleur d'une LED de la chaîne. Deux versions, où la couleur est indiquée de manière différente, sont disponibles. Quelque soit la version, le premier argument est le numéro de la LED concernée, de 0 au nombre de LED moins 1. Dans la première version, les composantes rouge, vert et bleu sont données séparément et dans cet ordre. Par exemple :

leds.setPixelColor(10, 100, 150, 200);

réglera la couleur de la LED 10 à 100 (sur 255) pour le rouge, 150 pour le vert et 200 pour le bleu.

Dans la seconde version, un seul argument, un entier 32 bits qui regroupe les 3 composantes. La méthode Color(...) permet de construire un tel entier à partir des composantes et peut être employé directement dans setPixelColor(...)

leds.setPixelColor(10, leds.Color(100, 150, 200));

À quoi cela avance-t-il me direz vous ? À stocker des couleurs prédéfinies dans des entiers 32 bits au lieu de les disperser dans 3 octets chacune.

La méthode setBrightness(...)

La méthode setBrightness(...) permet de changer la luminosité des LED. Les composantes de chaque LED sont ajustées en mémoire. Comme les calculs sont faits en nombre entiers, une augmentation de luminosité ne donne pas un résultat exact. Notamment diminuer la luminosité et la remettre au niveau initial ne redonnera pas la même couleur. Il est donc nécessaire, après un setBrightness(...) de mettre à jour la couleur de la totalité des LED de la chaîne via setPixelColor(...).

La luminosité programmée est appliquée lors du setPixelColor(...). setBrightness(...) prend pour argument une valeur de 0 à 255. 0 correspond à l'extinction des LED et 255 à la luminosité maximum qui est aussi la valeur par défaut à l'initialisation.

leds.setBrightness(127); // luminosité moitié

La méthode show()

Surnommée aussi « méthode que l'on oublie systématiquement d'appeler », show() opère un rafraichissement de la chaîne de LED en envoyant les couleurs stockées en mémoire. Elle doit donc suivre les modification de couleur ou de luminosité effectuées par les fonctions vues précédemment.

leds.show();

Conclusion

D'une très grande facilité de mise en œuvre, offrant beaucoup de possibilités graphiques et une grande souplesse d'emploi, ces LED sont extrêmement intéressante pour la construction d'un TCO. Construction qui sera exposée dans un prochain article.

[1] Un composant monté en surface est soudé sur le cuivre sans que ses broches traversent le circuit imprimé. Sur un CI simple face, il est donc monté côté cuivre. Un composant traversant a ses broches qui traversent le CI et qui sont donc soudées de l'autre côté.

[2] Modulation de largeur d'impulsion.

[3] La taille de la SRAM de l'ATMega328 est de 2ko.

[4] 684 en fait mais il faut compter avec la mémoire nécessaire aux autres variables et à la pile.

Montage du moteur pas à pas sous le pont tournant

Jean-Luc — 2014-05-24T07:47:17Z

Le montage est atypique. En effet, au lieu de séparer la partie mécanique de la partie électronique, j'ai choisi d'utiliser la carte électronique comme support du moteur. Une plaque époxy de 1,6mm d'épaisseur a une rigidité suffisante pour supporter les 260g du moteur.

Voici vu en coupe le montage de la motorisation et de l'électronique sous le pont.

Montage du moteur et de l'électronique de commande sous le pont PECO NB-55

La roue codeuse

Comme expliqué dans « Détection du zéro du pont tournant » le moteur présente 100 positions distinctes qu'il faut être capable de reconnaître. La roue codeuse est un disque comprenant 7 cercles concentriques. Chacun de ces cercles correspond au codage d'un bit de la position du moteur. Une zone blanche correspond à un 0 et une zone noire à un 1. Pour une position angulaire données, la roue codeuse présente donc aux capteurs 7 bit permettant de coder en binaire la position de la roue et donc du moteur.

Il existe des logiciels permettant de dessiner automatiquement une roue codeuse. Malheureusement il ne permettent souvent que de coder un nombre de positions en puissance de 2. Ils ne prennent pas non plus en compte certaines subtilités de dessin ou la compensation de certaines erreurs.

La roue codeuse servant à relever la position absolue du moteur

En effet, sur la carte prototype, les composants ont leur centre géométrique aligné sur le rayon de la roue codeuse. Mais leur centre optique, c'est à dire l'endroit du composant où sont disposés la LED IR et le phototransistor, est décalé. Ceci est indiqué sur la datasheet du EE-SY193. Or, le cercle le plus à l'intérieur de la roue codeuse présente des zones noires ou blanches de largeur inférieure à la largeur du composant. Pas conséquent le centre optique tombe assez proche du bord de la zone, ce qui peut entraîner des lectures erronées. Il est donc nécessaire de décaler l'angle du 0 des cercles selon leur position pour recentrer la zone qui code le bit sur le centre optique du capteur.

Le moyeu de fixation sur l'axe du moteur pas-à-pas

À cet effet, j'ai donc écrit un programme en C qui génère un fichier source LaTeX/Tikz contenant les commandes graphiques de dessin de la roue. pdfLaTeX génère un document PDF à partir de ce fichier source.

La roue codeuse est imprimée sur du papier et collé sur un disque découpé dans de l'époxy 1mm d'épaisseur. Le disque est fixé sur l'axe du moteur au moyen d'un moyeu Pololu pour arbre de 5mm référence 1998.

La roue codeuse en place sur le moteur

Ce moyeu est muni d'une vis de blocage dont l'extrémité est plate. Afin de garantir un blocage plus durable, elle a été remplacée par une vis de blocage d'extrémité pointue.

L'embase du pont

L'embase est en contreplaqué de 5mm. Elle est formée d'un disque et d'un anneau soutenant le pourtour du pont PECO dont la fosse présente une pente. Cette pièce a été tournée à la perceuse. Deux disque de CTP ont été grossièrement découpés puis collés ensemble en ne mettant de la colle que sur l'extérieur et sur une largeur correspondant à la largeur de l'anneau.

La plaque d'embase du pont côté pont

Ensuite, la pièce a été tournée pour la rendre parfaitement circulaire et la partie centrale du disque a été retirée en creusant un sillon avec la pointe d'une rape. Le centre a ensuite été évidé pour laisser passer le moyeu de fixation du pont.

La plaque d'embase du pont côté électromécanique

Il reste maintenant à programmer l'Arduino pour permettre une rotation à la demande et le réglage des positions correspondant aux voies de sortie.

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.

Des postes de conduite sans fil

Jean-Luc — 2014-04-19T17:24:42Z

J'ambitionne de développer des postes de conduite de locomotive, et incidemment de contrôle des appareils de voie, équipés d'une connexion sans fil.

Dans cette optique, je suis en train d'examiner les technologies adaptées, que ce soit au niveau du coût, de la facilité de mise en œuvre ou des fonctionnalités.

En ce qui concerne la communication radio, j'ai récemment mis en œuvre des modules XBee série 1 de Digi. Les modules série 1 implémentent le protocole IEEE 802.15.4, sur lequel le ZigBee repose, alors que les modules série 2 implémentent un protocole propriétaire de Digi. Les modules série 2 offrent plus de possibilités mais les modules série 1 suffisent largement pour l'application envisagée. Donc autant rester sur un standard. Dans les deux cas, la bande des 2,4GHz est employée et les modules permettent un débit de 250 kBits/s. Ces modulent brillent par leur simplicité de mise en œuvre et la fiabilité de la connexion sans fil. Un module coûte une vingtaine d'Euros. Certes il y a moins cher mais dans ce domaine il est préférable de miser sur la qualité et le support du fabricant. Digi fournit régulièrement des mise à jour de firmware et le logiciel de configuration, XCTU, est suivi et qui plus est disponible pour Mac OS X [1]. Je développerai prochainement la mise en œuvre de ces modules que ce soit sur Arduino ou sur PIC.

Module XBee série 1, version à antenne PCB.

L'interaction avec l'utilisateur sera effectuée au moyen d'un encodeur rotatif en quadrature, je développerai également la mise en œuvre de ce composant ainsi que la raison de ce choix dans un futur article, et d'un écran LCD graphique couleur. Le choix d'un écran LCD graphique couleur n'est pas simple. Il existe une myriade de modèles mais on retiendra surtout l'interface de pilotage de l'écran. Cette interface est soit du SPI, donc une transmission série bit à bit des données à afficher, soit une interface parallèle. Des essais fait avec un écran de 2,2" à interface SPI [2] ont montré que les performances sont insuffisantes pour disposer d'une interface graphique réactive. Même en montant la fréquence de l'horloge de transfert SPI à 16MHz ou plus, le rafraichissement complet de l'écran prend un temps conséquent et ne permet pas une fréquence de rafraichissement adéquate.

L'écran envisagé est un LCD graphique de 3,2" également disponible auprès de plusieurs distributeurs pour un tarif également très raisonnable [3]. De plus, cet écran vient avec une dalle tactile qu'il est très tentant de mettre en œuvre. De cette manière, le poste de conduite sera assez minimaliste, toute l'interaction passant par l'écran tactile et l'encodeur rotatif [4].

Le microcontrôleur doit être un modèle musclé pour permettre une gestion aisée des graphisme : une taille de mémoire flash et une taille de SRAM confortables, une puissance importante, un nombre de broches suffisant et une grande facilité de mise en œuvre.

La Teensy 3.1

Dans cette catégorie, on trouve le Teensy 3.1, une breakout board embarquant un microcontrôleur FreeScale à base d'ARM Cortex M4 et cadencé à 96MHz. La taille de la flash est de 256ko et celle de la SRAM de 64ko, ce qui est très confortable dans un contexte embarqué. Il s'agit de plus d'une carte miniature de 3,5cm sur 1,8cm qui permet une intégration facile. Etant donné ses caractéristiques, son prix est également très raisonnable : on la trouve entre 18€ et 20€. Elle peut se programmer dans l'environnement Arduino et dispose de la bibliothèque graphique UTFT qui facilite grandement l'utilisation des écrans graphiques LCD.

Intégration dans l'installation existante

Un poste de conduite filaire a déjà été développé par Pierre et Philippe et construit à 8 exemplaires. Les postes s'interfacent avec le gestionnaire central via un bus CAN dédié et une connectique particulière qui véhicule également l'alimentation du poste.

L'intégration de postes sans fil demande donc de concevoir une carte qui effectuera une passerelle entre le bus CAN et les postes sans fil. Cette carte recevra les ordres d'affichage destinés aux postes via le CAN, construira des trames ZigBee qui seront expédiés aux postes. En sens inverse, elle recevra les commandes des postes en ZigBee et construira les trames CAN correspondantes à destination du gestionnaire central.

Passerelle CAN-ZigBee

En haut le PIC18F26K80, en bas le module XBee.

Afin de valider le fonctionnement dans les parasites émis par les locomotives, nous avons, au cours de la séance d'essais de la carte 4 alimentation de présérie [5], testé une installation consistant en une passerelle CAN-ZigBee unidirectionnelle construire autour d'un PIC 18F26K80 et d'un module XBee d'une part et d'un second module ZigBee et d'un Arduino Uno d'autre part. Le programme sur l'Arduino Uno décode les trames des ordres destinés aux postes de conduite et les affiche en clair sur la console d'un portable.

Récupération des trames ZigBee

Les ordres destinés aux postes de conduites sont décodés et affichés dans la console.

L'essai a été couronné de succès et confirme la viabilité des modules XBee dans ce contexte.

L'étape suivante consistera à ajouter une passerelle XBee-CAN pour connecter un des poste de conduite actuels par radio.

[1] alors que ce n'était pas le cas dans un passé récent. Ceci montre l'investissement de Digi dans le suivi de ses logiciels et ces efforts pour que sa technologie soit utilisable par tous.

[2] Il s'agit de ce modèle disponible chez plusieurs fournisseurs pour un prix très raisonnable.

[3] Une douzaine d'Euros.

[4] Rien ne remplace un bouton rotatif pour régler la vitesse !

[5] Séance d'essai dont je parlerai une prochaine fois.

Cartes de développement pour PIC sur breadboard

Jean-Luc — 2014-03-22T10:50:36Z

Inspiré par les diverses cartes de développement sur breadboard que l'on trouve dans le monde Arduino, comme ce produit d'Adafruit, j'ai décidé de concevoir 2 cartes de ce type pour faciliter les développements.

La carte pour PIC 18F46K80 en action

Le principe est de rassembler sur une petite carte enfichable sur une breadboard l'ensemble minimum de composants nécessaires au fonctionnement du micro-contrôleur ainsi que l'électronique et le connecteur nécessaire pour programmer le micro-contrôleur in-situ. De cette manière le câblage sur la breadboard est simplifié car les composants indispensables sont présents sur la carte et le développement du logiciel est accéléré car il n'est plus nécessaire de retirer le micro-contrôleur de la breadboard pour téléverser un nouveau programme.

Il suffit ensuite d'ajouter sur la breadboard les composants spécifiques à la carte électronique en cours de conception.

En ce qui concerne les développements de cartes électroniques à base de micro-contrôleurs PIC que nous effectuons, l'ensemble de composants minimum inclut un transceiver CAN.

Description des cartes

2 cartes semblables ont été conçues, la première permet de mettre en œuvre un PIC 18F26K80 28 broches et la seconde un PIC 18F46K80 40 broches. Les deux platines comprennent :

une alimentation régulée 5V ;
un strap (A) permettant d'isoler l'alimentation du reste de la carte ;
une diode témoin d'alimentation ;
un connecteur ICSP pour brancher un PIC-KIT 3 ;
un bouton reset ;
un support DIP28 ou DIP40 pour le micro-contrôleur ;
un strap (B) permettant de couper l'alimentation du générateur d'horloge et du transceiver CAN ;
une paire de straps permettant de connecter le transceiver aux broches 17 et 18 ou bien aux broches 23 et 24 sur le 18F26K80 et aux broches 25 et 26 ou bien aux broches 35 et 36 sur le 18F46K80 ;
un support DIP8 pour le générateur d'horloge ;
et enfin un support DIP8 pour le transceiver CAN.

La carte pour PIC 18F26K80

La carte pour PIC 18F46K80

Voici le dossier complet décrivant les cartes, leur schémas et les typons.

Dossier de description des cartes

La carte 4 alimentations traction de présérie est arrivée

Jean-Luc — 2014-03-01T20:28:27Z

La carte 4 alimentations traction de présérie est revenue de chez Eurocircuits. Cette nouvelle carte corrige plusieurs problèmes qui seront présentés dans la série d'articles en préparation. C'est aussi un re-dessin complet avec une implantation différente des composants afin d'obtenir une surface plus réduite [1], une plus grande régularité d'implantation pour faciliter son montage [2] ainsi qu'un montage des micro-contrôleurs en bord de carte pour faciliter leur extraction.

Une fois montée, cette carte sera intégrée au réseau de Philippe, qui est le plus avancé de nos trois réseaux, afin de la valider. L'étape suivante sera la fabrication en série de la carte définitive.

[1] Quand on fait fabriquer, on paye à la surface. il est donc important de faire compact !

[2] Il nous a fallu 2 hommes/jour pour monter la carte prototype.

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.

La carte de commande de pont tournant version Arduino (2)

Jean-Luc — 2014-02-06T19:40:00Z

Le montage de la motorisation sous le pont est atypique. En effet, au lieu de séparer la partie mécanique de la partie électronique, j'ai choisi d'utiliser la carte électronique comme support du moteur. Une plaque époxy de 1,6mm d'épaisseur a une rigidité suffisante pour supporter le poids du moteur et comme on le verra dans l'article suivant, la hauteur du pont est réglable.

La carte doit s'inscrire dans le cercle du pont tournant PECO NB-55. Le diamètre externe de la fosse est de 154mm. La dimension choisie est de 132mm x 80mm, ce qui correspond à une diagonale de 154mm en limant un peu les coins. Ces dimensions permettent de placer un Arduino Nano entre le petit côté et le moteur pas-à-pas ou bien, pour la version PIC + CAN pour mon réseau, un PIC en boîtier DIP 28 broches comme le 18F26K80 et le transcepteur CAN. Elle permet aussi d'utiliser une roue codeuse de grand diamètre sans placer les capteurs sur une diagonale.

Implantation des composants

Vu côté composants, avec l'alimentation et la DRV8824 en haut et l'Arduino Nano en bas, la partie commande et l'alimentation sont placées à gauche, la partie relais pour l'alimentation traction et les capteurs de position sont placés à droite.

Carte vue côté composants et Arduino

Lors du montage du prototype, il est apparu que le connecteur d'alimentation de la DRV8824, en haut à gauche sur la photo, était mal placé. En effet, la prise qui vient se brancher dans le connecteur dépasse un peu côté cuivre et gêne le mouvement de la roue. Une pièce d'époxy de 1mm d'épaisseur vient donc s'insérer sous le connecteur sur la carte prototype. Dans la version définitive, le connecteur sera déplacé sur le petit côté de manière à ne pas gêner la rotation de la roue codeuse.

Supports de la DRV8824 et de l'Arduino Nano

Les deux modules sont montés sur des barrettes à broche femelle. L'espacement entre la carte et les modules est assez important, presque 10mm, et permet de monter des composants sous les modules. Cette caractéristique est assez peu exploitée sur la carte prototype mais pourrait permettre une conception plus compacte en implantant les transistors de commande des relais et des capteurs ainsi que les résistances sous l'Arduino Nano.

Carte vue côté composants et DRV8824

Les capteurs IR par reflexion

Les capteurs sont les OMRON EE-SY193 déjà présentés. Ces capteurs sont en boîtier CMS et soudés côté cuivre. Contrairement à des composants ordinaires qui peuvent être soudés un peu n'importe comment pourvu qu'électriquement tout soit correct, ces capteurs doivent être soudés à leur emplacement précis afin d'être bien alignés au centre des zones noires et blanches de la roue codeuse.

Carte vue côté cuivre

La technique pour souder correctement et rapidement ces composants consiste à les coller à la colle en bombe sur une barre de largeur équivalente à celle du EE-SY193. En l'occurrence, une barre en laiton 3mm x 2mm a été utilisée. L'empreinte des composant est imprimée sur une feuille et collée sur la barre. La barre est ensuite passée à la colle en bombe puis les composants sont disposés à la brucelle.

Positionnement des capteurs sur leurs empreintes

Il suffit ensuite de retourner et positionner l'ensemble sur la carte et de le maintenir avec une pince. Les deux mains restent libres pour les soudures.

Positionnement de l'ensemble sur la carte en vue du soudage

Soudage des capteurs

Les premier essais ont montré un fonctionnement tout à fait satisfaisant de la commande du moteur. Notamment, le moteur ne rayonne pas au point de perturber l'électronique. La résistance en série avec les LED IR des capteurs ayant été mal calculée (180Ω au lieu des 90Ω indiqués dans « La carte de commande de pont tournant version Arduino (1) »), le niveau bas, obtenu pour les zones blanches, était insuffisant car le faisceau IR incident était trop faible et engendrait parfois des lectures erronées. La qualité de réalisation de la première roue codeuse était également insuffisante [1]. Le remplacement de la résistance de 180Ω en série avec les LED IR par une résistance de 100Ω a résolu les problèmes de niveau bas.

Le prochain article traitera du montage de la motorisation sous le pont tournant.

[1] Ce point sera traité dans le prochain article