Un radiomodem intelligent pour RS232 (et station météo)


Avec ce modem intelligent sur 433,1 MHz, vous pourrez transmettre et recevoir des données par radio (et par conséquent éliminer le câble de connexion entre un périphérique et l’ordinateur). Vous pourrez ainsi rendre “wireless” (sans fil) votre station météo EN100WS, mais aussi bien d’autres appareils.

Ces deux radiomodems (ces deux exemplaires du même appareil en fait) vont vous permettre de relier la centrale de votre station météo EN100WS à votre ordinateur en mode “wireless” (aux débuts de la radio, on disait “sans fil” et on appelait les passionnés des “sans-filistes”) : plus besoin de câble entre les deux, ce qui est plutôt commode ! Bien sûr, l’utilité de cette liaison HF ne se limite pas à la station météo, même si nous l’avons conçue primitivement pour cela.
Dans cet article, nous allons voir en effet que ce modem sans fil, couplé à notre fameuse interface EN1127, permet de réaliser les servomécanismes les plus divers, afin, par exemple, d’activer à distance des moteurs pas à pas, des relais, etc., ou de recevoir des données de capteurs, sondes et autres détecteurs.

Le principe de fonctionnement
Ce radiomodem en deux unités (l’une est près de la station, l’autre près de l’ordinateur : voir figure 1) est constitué de deux “transceivers” (ou TRX ou émetteurs / récepteurs) à 433,1 MHz de marque MIPOT réalisés en technologie CMS.
L’un est appliqué à la sortie série dont on veut transmettre les données (station météo) et l’autre l’est au port série du PC sur lequel on souhaite recevoir les données à mémoriser (voir figure 2). Chaque unité comporte un émetteur et un récepteur, mais quand l’un fonctionne, l’autre est exclu et vice versa (ce mode a pour nom “half duplex”, ou demi duplex).
La donnée numérique à transmettre module la fréquence de la porteuse à 433,1 MHz de l’émetteur du module 1. Il s’agit d’une modulation FSK qui prévoit deux fréquences différentes, l’une f0 correspondant au niveau logique 0 et l’autre f1 au niveau logique 1 du signal, comme le montre la figure 3. Cet émetteur travaille avec un intervalle de modulation de + ou –10 kHz ; cela implique que chaque niveau logique 0 du signal à transmettre donne lieu à une fréquence de 433,1 MHz – 10 kHz, soit f0 = 433, 090 MHz et chaque niveau logique 1 à une fréquence de 433,1 MHz + 10 kHz, soit f1 = 433,110 MHz.
Le signal ainsi modulé en ces deux fréquences f0 et f1 est rayonné par l’antenne et capté par le récepteur distant.
Celui-ci, après l’avoir réduit à une fréquence intermédiaire de 10,7 MHz, le fait à une seconde FI de 435 kHz et en tire un signal numérique.
La figure 4 donne le schéma synoptique du module TRX HF KM0150. Le signal RX reçu sur la broche 8 de ce dernier (et que l’on veut transmettre) est envoyé au synthétiseur dont la fonction est de le moduler en fréquence selon le mode FSK. Le signal ainsi modulé est envoyé à l’amplificateur de puissance PA puis à l’interrupteur électronique TX/RX qui permet à l’émetteur et au récepteur d’utiliser la même antenne sans abîmer le récepteur pendant l’émission. La sortie de cet interrupteur (en position TX) achemine le signal vers la broche 1 et l’antenne. En réception, le signal capté par l’antenne est acheminé vers l’interrupteur électronique (en position RX) puis vers l’amplificateur à faible bruit LNA (“Low Noise Amplifier”) et à un filtre SAW qui réduit la largeur de bande à 2 MHz. A la sortie du filtre, le signal arrive à un premier mélangeur (“Mixer1”), qui réduit la fréquence de départ 433,1 MHz à la FI de 10,7 MHz puis, à travers le filtre IF1, au Mixer2 qui la réduit à une nouvelle FI de 435 kHz.
Après quoi le signal est envoyé à travers le filtre IF2 au discriminateur FM, lequel sépare le signal reçu à l’antenne de la porteuse et ensuite au circuit quadrateur qui reconstruit le signal TX au format numérique sur la broche 9 de sortie. Le contrôle de toutes les fonctions d’émission et de réception est assuré par un microcontrôleur, ce qui garantit une grande fiabilité de réception des données. La puissance d’émission rayonnée par l’antenne est d’environ 10 mW et la sensibilité en réception est de –108 dBm, ce qui correspond à une tension de 0,89 μV sur 50 ohms, à une vitesse de réception de 2 400 bauds.
Le récepteur à double conversion et sa grande insensibilité aux parasites, font du KM0150 le module idéal pour le transfert sans fil des données via RS232 à basse vitesse.

Figure 1 : Si vous reliez votre station météorologique EN100WS à l’émetteur du radiomodem et le récepteur à votre ordinateur, vous pourrez acquérir directement et sans fil les données provenant de la centrale météo distante.

La transmission des données via RS232
Avant de passer à la description du schéma électrique, faisons un bref rappel sur le fonctionnement de la transmission des données au protocole RS232C utilisé ici. RS signifie “Recommended Standard” et il a été défini en1969 par l’EIA (Electronics Industry Association) : il s’agissait alors de définir le standard de communication entre le terminal d’un ordinateur (“Data Terminal Equipment”) et un modem (“Data Communication Equipment”).
Ensuite, ce standard a pris de plus en plus d’importance jusqu’à devenir le protocole le plus utilisé en transmission série des données (dans laquelle les bits composant l’information sont envoyés l’un après l’autre sur une ligne unique). La figure 5 schématise la forme la plus simple de ligne série, réalisée avec des connecteurs DB9, entre un ordinateur (DTE) et un modem (DCE), dans laquelle les signaux émis TX et reçus RX sont mis en évidence.
Vous voyez que l’ordinateur reçoit les données sur la broche 2 de la liaison série et les transmet sur la broche 3, alors que le modem transmet les données sur la broche 2 et les reçoit sur la broche 3. La broche 5 est la masse GND commune. La figure 6 schématise cette fois la liaison entre une unité périphérique (DCE), comme notre station météo EN100WS et un modem (DCE). Dans ce cas, les deux dispositifs transmettent les données TX de la broche 2 et reçoivent les données RX sur la broche 3. Pour que la liaison fonctionne, il est donc nécessaire d’inverser la connexion des broches 2 et 3, comme le montre la figure. Dans le cas contraire, la liaison entre la station météo et le modem ne fonctionnerait pas.
C’est pourquoi nous avons monté sur chaque unité EN1620 deux cavaliers (connecteur J1) permettant d’intervertir ou bien de relier directement les deux broches 2 et 3 de la liaison série, afin d’éviter d’avoir à concevoir des variantes de circuit imprimé selon que la platine ira côtoyer la centrale météo ou l’ordinateur : entre les deux unités, seul le paramétrage de J1 sera différent.
Quand les broches 1 et 2 de la ligne série sont reliés directement, on parle de liaison standard (ST) et lorsqu’elles sont inversées de liaison null-modem (NM).
La transmission série des données se fait selon le protocole :
2 400 bauds
(vitesse de transmission)
8 bits de données
1 bit de start
1 bit de stop
aucun bit de parité.


Autre particularité de ce protocole RS232 : il travaille en logique nulle, soit avec un 0 logique compris entre +3 et +12 V et un 1 logique compris entre –3 et –12 V par rapport à la masse GND.
C’est pourquoi les signaux en logique TTL (0 / 5 V) doivent subir une conversion au protocole RS232.


Figure 2 : On peut voir ici comment relier l’émetteur à la centrale (il est alimenté par une batterie rechargeable de 12 V : à travers le boîtier de connexion, cette batterie peut également alimenter la centrale, voir la première partie de l’article EN100WS) et le récepteur au PC distant (il est alimenté par un petit bloc secteur 230 V / 12 V).


Figure 3 : L’émetteur convertit le signal numérique en deux valeurs distinctes de fréquence (l’une correspond au niveau logique 0 et l’autre au niveau logique 1).


Figure 4 : Schéma synoptique représentant les principales fonctions du “transceiver” (émetteur / récepteur) KM0150. Le signal à transmettre RX est envoyé au circuit synthétiseur puis, à travers l’interrupteur RX/TX, à l’antenne. Le signal reçu par l’antenne, après avoir traversé une série de filtres, est envoyé au discriminateur FM qui le sépare de la porteuse et au circuit de quadrature qui reconstruit le signal TX au format numérique.


Figure 5 : Liaison série standard entre un PC (DTE) et un modem (DCE).


Figure 6 : Pour relier votre station météo EN100WS (DCE) au radiomodem (DCE) on se sert de la connexion NULL-MODEM qui prévoit l’inversion des broches 2 et 3.

Le schéma électrique
Le système comporte deux unités, ne différant que par le paramétrage de J1 (en ST ou en NM), chacune étant en mesure d’émettre et de recevoir : nous ne considèrerons ici qu’un seul schéma électrique (voir figure 7).
Voyons d’abord le fonctionnement du module 1 utilisé pour la transmission des données envoyées par la station EN100WS, puis celui du module 2 utilisé pour recevoir les données sur l’ordinateur.

Le fonctionnement en émission du module 1
Le signal numérique à transmettre, provenant du port série de la station, est appliqué sur la broche 2 du connecteur femelle DB9 conn1 du module 1 ; de là, il est acheminé à travers le connecteur à cavaliers J1 (paramétré en NM) vers la broche 13 de IC2, le convertisseur AD232. Ce dernier convertit le signal TTL (0 / 5 V) de la station en RS232.
Après la conversion, le signal est présent sur la broche de sortie 12 de IC2 et de là il passe sur la broche 8 du module IC3 KM0150, lequel le module en deux fréquences f0 et f1 avant de l’envoyer “on the air” (dans l’éther) via l’antenne reliée à la broche 1.


Figure 7 : Schéma électrique du circuit. DL2 et DL3 indiquent si le module travaille en émission ou en réception.


Figure 8 : Brochages des deux cavaliers à insérer sur J1 (correspondant à la liaison série de type standard ST et à la liaison série de type NULL-MODEM NM) et du connecteur DB9 femelle utilisé pour la connexion série standard.


Figure 9 : Brochages des LED et du circuit intégré LM1117 vus de face et du AD232 vu de dessus.

Le fonctionnement en réception du module 2
En réception, le signal capté par l’antenne du module 2 est envoyé sur la broche 1 de IC3 qui le convertit à nouveau en numérique.
Le signal obtenu, présent sur la broche de sortie 9 du module IC3 KM0150, est envoyé sur la broche 10 de IC2, dont la fonction est de le rendre compatible avec le standard RS232. Le signal présent sur la broche de sortie 7 de IC2 est ensuite envoyé à travers le connecteur à cavaliers J1 (paramétré en ST) vers la broche 2 du connecteur femelle DB9 conn1 et donc sur la broche 2 de la ligne série de l’ordinateur.

Note : dans la description qui précède, nous avons examiné l’application de liaison sans fil entre la station météo EN100WS et le PC recevant ses données.
Si vous envisagez une autre application (c’est possible !), pensez à modifier le paramétrage des cavaliers sur J1 pour chacune des unités émettrice et réceptrice (voir figure 8). Les signaux, CTS (“Clear To Send”) sur la broche 14 de IC3 et RTS (“Request To Send”) sur la broche 8 de IC2, ne sont pas utilisés avec la station météo mais seulement pour la transmission des données entre deux ordinateurs.

L’alimentation
Le module 1 relié à la station est alimenté de manière autonome par une batterie rechargeable de 12 V / 1,5 Ah (voir figure 2) : cette tension est utilisée pour produire le 3,3 V nécessaire à l’alimentation du module KM0150 et à IC2 (c’est le régulateur IC1 LM1117 que se charge de la stabilisation à 3,3 V).
La batterie pourra aussi alimenter, par l’intermédiaire du boîtier de connexion (voir l’article EN100WS), la centrale de la station météo : à cette fin, ôtez le petit bloc secteur (4) relié à ce boîtier de connexion (3) et remplacez-le par le câble muni de connecteurs (voir figure 8 dans l’article précité).
Le module 1 en revanche peut être alimenté sur le secteur 230 V (comme l’ordinateur) avec un petit bloc fournissant 12 VDC. DS1 protège le circuit contre tout branchement erroné et DL1 signale que le module est alimenté.

Les LED DL2 et DL3
La LED verte DL3 et la LED rouge DL2 permettent de comprendre si le module fonctionne correctement en réception comme en émission. Quand il est au repos (qu’il ne transmet ni ne reçoit rien), les deux LED sont éteintes.
Dès que l’émission et la réception des deux modules est activée, la LED rouge DL2 du module émetteur 1 et la LED verte DL3 du module récepteur 2 clignotent de manière intermittente au gré du transfert des informations. Si, quand l’émission est lancée, la LED rouge DL2 du module 1 ne s’allume pas, c’est que ce dernier ne transmet pas les données comme il le devrait : vérifiez alors que les cavaliers sur J1 du module 1 sont bien configurés. Si c’est la LED verte DL3 du module 2 qui ne s’allume pas, cela signifie que le signal n’est pas reçu : vérifiez que le module est correctement alimenté et qu’aucun obstacle nuisant au passage des ondes UHF n’est interposé entre les deux modules.

La réalisation pratique
Vous allez devoir monter deux platines, il vous faut donc deux circuits imprimés EN1620 : la figure 10b-1 et 2 donne les dessins à l’échelle 1 de ce circuit imprimé double face à trous métallisés.
Réalisez-les (par la méthode de la pellicule bleue par exemple, n’oubliez pas de réaliser les connexions entre les deux faces) ou procurez-vous-les puis enfoncez et soudez les picots.
Ensuite, insérez et soudez le support du circuit intégré IC2 et le connecteur J1 avec beaucoup de soin (ni court-circuit entre pistes et pastilles ni soudure froide collée et enlevez l’excès de flux avec un produit décapant).
Montez tous les autres composants, sans vous tromper dans l’orientation des polarisés (en particulier pour IC1, debout sans dissipateur, semelle métallique vers C8). Pour finir, montez les composants du pourtour : le module HF, l’antenne (à visser), la DB9 et la prise jack d’alimentation. Voir figure 10a.
Fixez alors la platine au fond du boîtier à l’aide de vis autotaraudeuses. Puis, toujours en vous aidant de la figure 10a, réalisez les connexions entre chaque platine et la face avant en aluminium de son boîtier plastique : seules les trois LED sont concernées (attention à leur polarité, comme le montre la figure 9, l’anode A est la patte la plus longue et le méplat repère-détrompeur est côté cathode K) puisque les deux connecteurs sont déjà montés sur la platine.


Figure 10a : Schéma d’implantation des composants du radiomodem EN1620. Au centre, le connecteur J1 reçoit les cavaliers correspondant aux connexions ST et NM.


Figure 10b-1 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés du radiomodem EN1620 (côté soudures).



Figure 10b-2 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés du radiomodem EN1620 (côté composants).


Figure 11 : Photo d’un des prototypes de la platine du radiomodem EN1620 dans son boîtier plastique avec face avant et panneau arrière en aluminium. Le module est alimenté par la batterie rechargeable 12 V à travers la prise jack.

Liste des composants
R1 ................ 470
R2 ................ 470
R3 ................ 1 k
R4 ................ 1k
R5 ................ 1 k
R6 ................ 1 k
R7 ................ 470
C1 ................ 10 μF électrolytique
C2 ................ 100 nF polyester
C3 ................ 100 nF polyester
C4 ................ 10 μF électrolytique
C5 ................ 1 μF polyester
C6 ................ 1 μF polyester
C7 ................ 1 μF polyester
C8 ................ 1 μF polyester
C9 ................ 100 nF polyester
C10 ............... 120 pF céramique
DS1 ............... 1N4007
DL1 ............... LED rouge
DL2 ............... LED rouge
DL3 ............... LED verte
IC1 ............... LM1117
IC2 ............... AD232
IC3 ............... module CMS KM0150
J1 ................ cavalier
CONN1 ............. connecteur DB9
ANTENNE ........... fouet 47 cm
Sauf spécification contraire, toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.

L’antenne
Au cours des essais, nous avons obtenu une portée de 60 mètres (en visuel, sans obstacle) avec seulement un morceau de fil de 16 cm.
L’utilisation d’une antenne télescopique (voir figures) permet déjà d’améliorer ce résultat : vissez-la directement sur le circuit imprimé et laissez-la sortir par le trou pratiqué dans le couvercle supérieur du boîtier. Fermée, elle fait quelque 10 cm et dépliée environ 47 cm : vous pouvez la régler en 1/4 d’onde (16 cm) ou en 3/4 d’onde (49 cm). Ce sont les formules suivantes qui permettent d’obtenir ces longueurs :
L 1/4 d’onde en cm = (7 200 : MHz) = 16,62 cm
L 3/4 d’onde en cm = (21 600 : MHz) = 49,87 cm (avec les 47 cm de votre fouet télescopique déployé, vous entrez tout de même parfaitement dans les tolérances)

Éventuellement, si vous voulez augmenter la portée, l’antenne fouet peut être remplacée par une Yagi directive (à plusieurs éléments). Pour cela, montez un connecteur sur le panneau arrière (par exemple une BNC) auquel vous relierez la platine par un morceau de câble coaxial 50 ohms, sans oublier de souder la tresse de blindage des deux côtés : sur le plan de masse de la platine et sur la cosse de masse de la BNC en contact avec le panneau arrière. A l’extérieur du boîtier, la BNC sera reliée à la Yagi par un câble coaxial de 50 ohms d’impédance caractéristique (si la Yagi a une impédance de 50 ohms, bien sûr). Si vous utilisez deux Yagis, une par module, disposez-les toutes deux dans le même sens de polarisation (vertical ou horizontal) ; si vous conservez le fouet pour le module 2, orientez la Yagi du module 1 dans le sens de polarisation verticale (même sens de polarisation que le fouet du module 2).

Les liaisons
La seconde partie de l’article EN100WS, consacrée aux logiciels, présente le CDROM CDR100 où se trouve le programme de gestion permettant de relier la station météo à l’ordinateur.
En outre, un câble CA2100 est disponible (voir les publicités de nos annonceurs) : il permet d’effectuer matériellement cette liaison entre la station et le PC ; eh bien, en liaison sans fil, utilisant le radiomodem à deux unités, ce câble va vous (re)servir pour relier la station (donc la centrale) au module 1 (module émetteur), comme le montre la figure 12.
Vous aurez cependant besoin d’un adaptateur “gender” mâle / mâle, à intercaler entre le câble et le module 1, comme le montre la figure 12 à gauche. Ce câble, d’une longueur de 4 mètres, est doté d’un côté d’une fiche mâle RJ45 et de l’autre d’un connecteur DB9 : la RJ45 va dans le connecteur femelle RJ45 de la centrale et le DB9 femelle du câble va au DB9 femelle du module 1 après interposition de l’adaptateur “gender” mâle / mâle (voir figure 12 à gauche). Le module 2 est relié à l’ordinateur par un câble série ordinaire (voir figure 12 en haut).
La figure 12 montre aussi comment configurer les cavaliers de J1 pour le module 1 et pour le module 2 (c’est évidemment différent) : dans le module 1, les cavaliers seront placés sur J1 de telle manière que le broches 2 et 3 de la ligne série soient inversées (mode NM) ; dans le module 2 pour une connexion directe des broches 2 et 3 (mode ST).
Note : si vous avez du mal à trouver un adaptateur “gender”, un câble CA2200, simplifiant la liaison et permettant de s’en passer, est disponible. Donc, si vous n’avez pas encore acquis le câble de liaison, eh bien prenez tout de suite le CA2200 (là encore, s’adresser à nos annonceurs). Voir figure 12.
La figure 13 montre, elle, comment effectuer une transmission sans fil de données entre deux ordinateurs distants : reliez la sortie série de l’ordinateur 1 (DB9 mâle) au connecteur DB9 femelle du module 1 (à travers un simple câble série à deux DB9) ; reliez ensuite le module 2 à l’ordinateur 2 (même à distance pour le câble). La figure 13 donne, elle aussi, les configurations de J1 pour chaque module (pour les deux modules, connexion directe ST).


Figure 12 : Deux exemples de connexion de la centrale météo au module émetteur et de liaison du module récepteur au PC, avec chaque fois la configuration à adopter pour le paramétrage des cavaliers sur J1.
On voit aussi les deux types de câbles (CA2100 et CA2200) pouvant être utilisés pour relier la centrale au module 1.



Figure 13 : Avec deux radiomodem il est possible de réaliser aussi le transfert sans fil des données entre deux ordinateurs distants.


Figure 14 : Pilotage sans fil d’un moteur pas à pas par un ordinateur au moyen de deux radiomodems et de l’interface EN1127.

Le logiciel à utiliser
Le logiciel nécessaire pour utiliser votre station météo EN100WS en liaison sans fil avec un ordinateur, se trouve dans le CDROM CDR100 (contenant aussi le programme source).
Reportez-vous à la seconde partie (logicielle) de l’article concernant la station. Après avoir installé le logiciel sur l’ordinateur et activé le port série, vous pouvez recevoir à l’écran les données provenant de ladite station.
D’autre part, si vous voulez transférer sans fil des données d’un ordinateur à un autre, vous pouvez utiliser un quelconque programme d’application de communication série (par exemple l’Hyper Terminal de Windows) ; cependant, avec sa vitesse de transmission de 2 400 bauds, ce dernier ne se prête qu’au transfert de fichiers peu volumineux.
En revanche, si vous souhaitez utiliser votre modem sans fil pour piloter notre fameuse interface EN1127, vous devrez installer sur le PC le logiciel se trouvant sur le CDROM CDR1533 : il contient les programmes sources des précédentes applications de l’interface EN1127 (ce CD est disponible auprès de certains de nos annonceurs).


Figure 15 : Si vous voulez utiliser plutôt un ordinateur portable avec un port USB, à la place du port série, vous devrez mettre en oeuvre un convertisseur USB/RS232 (le nôtre est un GBL).

La EN1127, une interface sans fil
Si on couple deux modules EN1620 à notre interface EN1127 (fameuse parce qu’elle a rencontré un énorme succès auprès de nos lecteurs !), on peut s’amuser (ce mot n’est pas péjoratif et n’exclut aucunement une utilisation professionnelle) à réaliser des servomécanismes, tout en utilisant les logiciels d’application de jadis et en leur ajoutant les nouvelles opportunités du “wireless”. La figure 14 montre comment relier modules, ordinateur et interface pour piloter (c’est un exemple) un petit moteur pas à pas : l’ordinateur est relié au module 1 avec un câble série et le module 2 au connecteur femelle à 25 pôles de l’interface EN1127 avec un câble série et un adaptateur “gender” 9 / 25 mâle / mâle. Notez bien la configuration, là encore, des cavaliers sur J1 : ST dans le module 1 et NM dans le module 2.
Reliez ensuite au connecteur mâle à 25 pôles, constituant la sortie de l’interface, le servomécanisme que vous entendez contrôler.
Si vous souhaitez compléter votre pilotage par un contrôle de fin de course, vous pourrez le faire en utilisant une des huit entrées du port B de l’interface.
Pour d’autres applications, vous pouvez utiliser les mêmes entrées pour gérer les signaux reçus de divers capteurs, comme des cellules photoélectriques, des interrupteurs de proximité, etc., ou bien pour élaborer un signal numérique à convertir en analogique. Mais ce ne sont là que des exemples non limitatifs de servomécanismes que l’on peut réaliser avec notre interface désormais en version sans fil. Vous pourrez encore actionner à distance des moteurs, relais, triacs, thyristors…et en même temps vérifier que vos commandes ont bien été exécutées.

Conclusion
Et, comme d’habitude, nos CDROM contenant les programmes sources, vous pourrez personnaliser toutes les applications en fonction de vos besoins.

1 commentaires:

  1. Bonjour,

    Merci pour cet article très complet et facile de lecture

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