Ce cours donne les bases théoriques et pratiques nécessaires à une bonne compréhension et utilisation des microcontrôleurs. De nombreux exemples seront abordés. Des exercices seront proposés, compatibles avec les cartes à microcontrôleurs Arduino ou LaunchPad MSP430G.
Pratique : Simulateur logique Logisim
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En provenance du cours de École Polytechnique Fédérale de Lausanne
Comprendre les Microcontroleurs
62 notes
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À partir de la leçon
Semaine 1 : électronique et logique
Durant cette première semaine, nous allons poser quelques bases nécessaires à la suite du cours. Ceux qui sont déjà familiers avec l'électronique n'auront aucune peine à comprendre : nous n'allons qu'effleurer quelques sujets. Mais prenez la peine de suivre en détail les explications. En effet, elles seront orientées vers les concepts dont nous aurons impérativement besoin pour comprendre les Microcontrôleurs.Que ceux qui ont de la peine avec l'électronique et pour qui ces notions sont nouvelles ne s'inquiètent pas : en effet, il leur sera possible de continuer le MOOC même sans avoir maîtrisé ces bases. Ils auront l'occasion de les assimiler progressivement lorsqu'ils feront de la pratique durant les semaines qui viennent.
Rencontrer les enseignants
Jean-Daniel NicoudHon. Prof.
Informatique
Pierre-Yves RochatChargé de cours
EPFL, Génie mécanique
Bonjour.
Je vais vous présenter aujourd'hui un logiciel de simulation logique,
c'est un logiciel très simple, c'est un logiciel qui s'appelle Logisim, qui
est un logiciel libre, qui est écrit en Java, qui est
facile à installer sur les plateformes
couramment utilisées, Windows, Linux, et cetera.
Vous allez voir qu'il est simple à
utiliser, et qu'il permet de réaliser par exemple
un montage comme celui-ci, pour ceux qui
ont suivi le MOOC Comprendre les microcontrôleurs, vous
reconnaissez le schéma, qui a été utilisé
pour piloter la perceuse semi-automatique que nous allons
ensuite programmer avec un microcontrôleur, c'est beaucoup
plus facile Mais les schémas logiques sont intéressants,
c'est utile de comprendre un petit peu la logique et
quelle est la meilleure manière
de comprendre que d'expérimenter par soi-même?
Ce logiciel se présente comme beaucoup de logiciels de dessin, avec une zone
de travail ici, et des objets qu'on va pouvoir déposer Choisissons
tout d'abord ce curseur, cette forme de souris, nous
allons choisir ici les portes logiques, Gates,
et on va déposer une porte OU au milieu de notre montage
Parmi les autres objets que l'on peut avoir,
il y a ici des objets Input/Output, donc
des objets d'entrée et sortie, dans lequel on
va pouvoir choisir un bouton, qu'on va placer ici.
On va directement en placer un second pour la seconde entrée.
Et ici un indicateur à diode lumineuse.
Il nous reste maintenant évidemment à connecter ces éléments, c'est extrêmement
simple, il suffit d'approcher la souris, et la souris permet de déposer des fils.
Je complète ici ce premier montage très simple
qui me permettra de tester une porte OU.
Je suis immédiatement en mode de simulation, je n'ai rien à faire,
je vais ici utiliser le doigt pour travailler sur mes boutons par exemple.
Si j'allume ici, je presse sur le bouton, j'ai une valeur
un qui apparaît en vert clair sur le fil, et
on voit que la sortie a aussi été activée à un, ça marchera aussi
quand je presse sur ce bouton, on reconnaît ici la fonction OU
dont je vais vous donner la table de vérité.
Essayons de dessiner un autre montage.
Je vais reprendre cette forme de souris, je
vais supprimer cette porte, je vais revenir
au choix des portes et déposer une porte NAND,
là ça va être plus difficile de la faire fonctionner, vu que
je suis incapable de presser sur les deux boutons en même
temps avec ma souris.
C'est la raison pour laquelle je vais plutôt utiliser une autre forme
d'interrupteur, je vais choisir de
nouveau Input/Output, prendre
ce, cet ensemble d'interrupteurs, et câbler
tout naturellement les deux entrées de
ma porte ET.
Et là, je vais pouvoir vérifier le fonctionnement
et la table de vérité, si je mets les deux entrées à un, j'obtiens un un,
dans tous les autres cas, ma sortie reste à zéro.
Les portes logiques sont les éléments de base des systèmes logiques,
il est facile de réaliser avec elles toutes sortes de systèmes combinatoires,
je rappelle qu'un système combinatoire a la particularité que les
sorties sont connues, dès le moment qu'on connaît l'état de chacune des entrées.
Essayons par exemple de réaliser la fonction Logique ou Exclusif.
Je vais à nouveau déposer des interrupteurs pour pouvoir agir
sur mes entrées, on se souvient de la table de vérité du OU exclusif.
Je vais donc réaliser ici
un montage qui va comporter une porte
OU précédée par deux
portes ET, avec un
câblage nécessitant des
valeurs inversées de certains signaux, je vais pouvoir
maintenant réaliser mon câblage avec mes fils.
La première entrée je la relie ici inversée,
mais je la relie aussi directe sur l'autre porte.
La deuxième entrée, ira ici
et la valeur complémentaire sur
la deuxième porte, et finalement je
connecte les deux sorties de mes
portes ET et j'obtiens une sortie de mon système
que je vais afficher à l'aide d'une diode lumineuse.
Voilà mon montage, regardons si c'est bien
la table de vérité d'une porte OU exclusif.
Lorsque mes deux entrées sont à zéro, la sortie est à zéro.
Lorsque une entrée passe à un, la sortie passe à un, de même lorsque la deuxième
entrée passe à un, ma sortie passe à un, et lorsque mes deux entrées sont à un
alors j'ai l'exclusion, j'ai le zéro à la sortie.
Les systèmes combinatoires ne sont pas très intéressants, la plupart des systèmes
concrets nécessitent des systèmes séquentiels, c'est-à-dire dont
le comportement n'est pas seulement lié à l'état actuel
des entrées mais aussi à ce qui s'est passé précédemment.
Et vous allez voir que des très simples
montages utilisant des portes, qui sont des systèmes combinatoires,
permettent déjà de réaliser des systèmes séquentiels, et
nous allons ici prendre l'exemple de la bascule Set/Reset.
Je repars d'un écran vide, je vais déposer
deux portes NOR, bien que le montage soit symétrique, je vais
les dessiner de cette manière-là, pour qu'on comprenne bien ce qu'on réalise.
Je vais ici utiliser des interrupteurs pour agir sur
la première entrée de mon système, pour agir sur
la deuxième entrée de mon système, je les relie sur la
première porte, sur la deuxième porte.
Je relie ces deux portes ensemble, je vais afficher
l'état de cette sortie, également
l'état de cette sortie.
La particularité de ce montage, c'est que je vais
connecter cette entrée à la sortie de ma bascule.
Voyez qu'ici le système affiche des traits rouges, en fait le système
ne sait pas ce qu'il doit afficher, et vous allez bien voir pourquoi.
Je vais maintenant agir sur cette entrée, mon système
reprend des couleurs normales, et cette sortie est à un.
Si j'agis maintenant sur cette entrée, c'est cette sortie qui passe à un.
Mais vous remarquez bien que, maintenant, ces deux entrées
sont à zéro, et on a une sortie zéro, un.
Maintenant ces deux entrées sont toujours à
zéro, et pourtant on a l'inverse qui s'est produit sur les sorties.
On a donc bel et bien ici un mécanisme de mémorisation,
on a réalisé une bascule avec une entrée Set qui permet de la mettre à un, une
entrée Reset qui permet de la mettre à zéro, et lorsqu'on n'agit ni sur le
Set, ni sur le Reset, alors la bascule conserve la valeur qu'elle avait.
On est en présence d'un élément de
mémorisation, c'est la base des systèmes séquentiels.
Les bascules se trouvent dans la famille Memory, ce
qui est normal puisqu'elles sont là pour mémoriser des valeurs.
Déposons une bascule D, vous remarquez, sans l'entrée
horloge, l'entrée D et les deux sorties, l'une étant le complément de l'autre.
Je vais utiliser un bouton pour générer
mon signal d'horloge, et je vais prendre un Dip
switch pour pouvoir avoir une valeur permanente sur l'entrée D.
Je vais bien évidemment afficher la sortie.
Si je passe en exécution, je vois que
lorsque je presse sur le bouton, ben je ne vois rien,
mais il se passe que la valeur de D est mémorisée.
Ici si je mets D à un, on voit que la valeur un va être prise par la bascule.
Ce qui est intéressant c'est que D peut changer, il ne se passe rien, c'est
seulement lorsqu'il y a un flanc montant de
l'horloge que la valeur passe dans la sortie.
On a donc véritablement une sorte de photographie d'une valeur,
la bascule D est l'élément de base pour mémoriser une valeur.
Essayons maintenant de brancher une seconde bascule D,
en utilisant la même
horloge, en reliant la même horloge, en reliant la
sortie à l'entrée D de la suivante.
Et nous allons voir un effet de décalage des données.
Ici, j'affiche la seconde sortie, je vais par exemple
faire passer la valeur un dans ma première bascule.
Si je mets une valeur zéro, maintenant
ce zéro va passer ici, et ce un va se retrouver ici.
Et si je donne encore un coup d'horloge, ce un
va être perdu et ce zéro va passer dans cette bascule.
Je vais maintenant essayer d'envoyer deux valeurs un successivement,
elles passent dans la première bascule, elles passent dans la
deuxième bascule, je peux continuer, il ne se passe plus
rien, puisqu'il y a toujours des un qui sont chargés.
Si maintenant je cherche à refaire passer les zéros, voilà le
zéro dans la première bascule, voilà le zéro dans la deuxième.
On a fait ici un registre à décalage, élément essentiel des systèmes numériques.
Essayons maintenant de réaliser un tout autre montage.
Supprimons l'entrée de la bascule D, et relions-là cette fois
à la sortie complémentaire de la bascule.
Nous allons voir un phénomène intéressant.
Regardez ce qui se passe, chaque fois que je presse sur le bouton,
chaque fois qu'il y a un flanc montant de l'horloge, la sortie change
d'état, c'est encore le cas,
imaginez que vous avez maintenant une horloge régulière avec une
fréquence donnée sur l'entrée, observez la sortie, vous verrez que la fréquence,
c'est la moitié.
Je vais essayer de réaliser un deuxième montage de ce type-là,
je vais relier
l'horloge ici à cette sortie,
je vais relier de nouveau
l'entrée D à la sortie complémentaire
de sa bascule, je vais afficher le résultat, et
je vais voir maintenant que la fréquence ici,
vous pouvez l'observer, sera encore deux fois plus lente
que celle-là donc quatre fois plus lente que celle-là.
Voyez le phénomène.
Je vais m'amuser maintenant à compter en binaire, avec le premier chiffre ici, le
deuxième chiffre ici, j'ai zéro, un, dix, 11, zéro, un, dix, 11.
Si je traduis maintenant en décimal, j'aurai zéro, dix, 11, un
deux, trois, zéro, un, deux, trois.
J'ai réalisé ici un compteur binaire, et
c'est extrêmement utilisé, par exemple dans les
ordinateurs, le compteur ordinal, le Program Counter
du processeur, c'est justement un compteur binaire.
Je vous propose maintenant pour terminer de reprendre
le montage que nous avions tout au début,
celui de la commande de la perceuse, et
nous allons essayer de voir comment il s'exécute.
Vous remarquez que nous avons trois entrées, l'entrée
Start, les deux capteurs de fin de course Bas
et Haut, nous avons deux sorties qui permettent
de faire avancer le moteur dans les deux sens.
Généralement, on se trouve dans la situation où l'interrupteur O est
activé, c'est-à-dire la perceuse est en haut, et le moteur est arrêté.
On peut avoir des coups d'horloge, je vous rappelle que nous
avons un système avec une horloge permanente, par exemple à 100 hertz.
Il ne se passe rien sur la sortie pour le moment.
Par contre, lorsque l'utilisateur presse sur le bouton Start, au premier
coup d'horloge, le moteur se met en marche, et la perceuse descend.
Je continue mes coups d'horloge, il ne se passe rien de particulier,
il ne va rien se passer non plus lorsque on quitte le haut, lié au mouvement.
L'utilisateur très probablement ne va pas garder son doigt sur le bouton Start, on
continue toujours à descendre, maintenant c'est seulement lorsqu'on
arrive en bas que le sens va changer, que la sortie recul va être activée,
on va probablement quitter le bas,
et on continue à monter, et c'est seulement lorsqu'on
va arriver en haut que le système va s'arrêter, et nous avons terminé un cycle.
Vous voyez que ce logiciel permet tout simplement de
dessiner des schémas et de les simuler, ça va
vous permettre de vous familiariser avec les portes logiques,
avec les bascules, et peut-être faire des montages plus compliqués.
Mais je vous rappelle que, par exemple pour ce montage,
ce sera beaucoup plus simple de la réaliser avec un microcontrôleur.
En effet, il faudrait un circuit intégré
pour ces deux bascules, un circuit intégré pour
générer l'horloge, plusieurs circuits intégrés pour les
différentes portes logiques, alors qu'avec un microcontrôleur, il
est possible de réaliser toute l'application avec
un seul circuit intégré, et ce qui est
intéressant, c'est qu'on a un dispositif très
flexible, puisqu'on peut le reprogrammer à tout moment.
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