Information et systèmes embarqués

Information et systèmes embarqués

Définitions clés

• Système embarqué : ensemble électronique autonome intégré à un produit, dédié à une tâche précise (ex. ABS d'une voiture, régulateur d'une chaudière).
• Microcontrôleur (µC) : circuit intégré regroupant CPU + mémoire + périphériques d'E/S sur une seule puce. Familles courantes : ATmega328P (Arduino Uno), ESP32 (Wi-Fi/BLE), STM32 (Cortex-M).
• Capteur : convertit une grandeur physique en signal électrique (thermistance, jauge, encodeur).
• Actionneur : convertit un signal électrique en action physique (moteur, LED, vérin).

Chaîne d'information

1. Acquérir : capteur + conditionneur (pont de Wheatstone, ampli op).
2. Traiter : convertisseur analogique-numérique (CAN), unité de traitement (µC ou FPGA).
3. Communiquer : liaison filaire (I²C, SPI, UART, CAN, Ethernet) ou sans fil (BLE, Wi-Fi, LoRaWAN, Zigbee, Matter).

Numérisation

• Échantillonnage à la fréquence $f_e$. Théorème de Shannon : $f_e > 2 f_{\max}$ pour éviter le repliement.
• Quantification sur $N$ bits, $2^N$ niveaux. Résolution : $q = \dfrac{V_{\max} - V_{\min}}{2^N - 1}$.
• Exemple : CAN 10 bits sur 0-5 V → $q = 5/1023 \approx 4{,}9\,\text{mV}$. Audio CD : $f_e=44{,}1\,\text{kHz}$, 16 bits.

Programmation embarquée (Arduino)

const int pinCapteur = A0;
const int pinLED = 13;
void setup() {
  pinMode(pinLED, OUTPUT);
  Serial.begin(9600);
}
void loop() {
  int v = analogRead(pinCapteur);    // 0..1023
  float U = v * 5.0 / 1023.0;         // conversion en volts
  digitalWrite(pinLED, U > 2.5 ? HIGH : LOW);
  Serial.println(U);
  delay(100);
}

Structure : setup() exécuté une fois, loop() en boucle infinie. Types de broches : numériques (0/1), analogiques (via CAN), PWM (moyenne modulée pour piloter LED, moteur).

Protocoles courants

Protocole	Débit typique	Portée	Usage
I²C	100 kbps – 3,4 Mbps	1 m	capteurs sur PCB
SPI	10–50 Mbps	20 cm	mémoires, écrans
UART	9 600 – 115 200 bauds	quelques m	debug
CAN	1 Mbps	40 m	automobile
BLE 5	2 Mbps	30 m	wearables
LoRaWAN	0,3–50 kbps	15 km	IoT longue portée
Matter (2022)	via Wi-Fi/Thread	maison	domotique interopérable

Cas industriel : compteur Linky

Microcontrôleur ARM Cortex-M, capteur de courant + tension, communication CPL G3 (Courant Porteur en Ligne). Il envoie une trame TIC (Télé-Information Client) sur port série à 9 600 bauds, exploitable par un domoticien.

Normes et sécurité

• NF EN 61508 : sécurité fonctionnelle des systèmes E/E/PE.
• RGPD + NIS 2 (2024) pour les objets connectés traitant des données personnelles.
• Cyber Resilience Act UE (2024) : sécurité by-design obligatoire pour tout produit connecté vendu dans l'UE.

À retenir

• Chaîne d'information = acquérir → traiter → communiquer.
• Shannon : $f_e > 2f_{\max}$, sinon repliement.
• Le choix du protocole dépend de portée + débit + consommation.