Un servocontrôle à 8 canaux sur 868 MHz

Voici une télécommande à 8 canaux où les sorties à relais du récepteur conservent l’état des entrées correspondantes de l’émetteur. La mise à jour de la situation se fait à chaque seconde, ou à chaque changement d’état avec remise à zéro en cas d’éloignement entre les deux unités émettrice et réceptrice. Le protocole de communication garantit la sécurité et l’exclusivité des commandes. Le codage permet d’utiliser plusieurs paires de TX-RX dans la même zone.


La récente disponibilité des modules hybrides pour l’émission et la réception de données dans la nouvelle bande des 868,3 MHz dédiée à la radiocommande, nous a conduits à reprendre de nombreux montages précédents : les plus intéressants et les plus demandés parmi les dispositifs de commande à distance.
Le servocontrôle émerge au-dessus du lot. C’est une radiocommande conçue pour la conservation de l’état des sorties jusqu’à la prochaine transmission de données par l’émetteur et permettant d’actionner des servomécanismes dans le radiomodélisme, pour piloter des véhicules à distance, des machines placées dans des lieux difficilement accessibles, etc.
Le montage proposé dans cet article est constitué de deux unités. La platine réceptrice comporte 8 relais dont chacun prend l’état (travail/repos) correspondant à celui de l’entrée de commande respective de l’émetteur.
L’unité émettrice émet à chaque seconde, mettant ainsi à jour l’état des 8 sorties.
Ces dernières assument au fur et à mesure la condition lue sur les entrées à chaque émission et, par conséquent, si l’état d’une ou de plusieurs entrées est modifié, les relais prennent l’état correspondant.
Entre deux émissions, l’unité émettrice teste (lit) de façon cyclique les 8 lignes d’entrées et, si un changement par rapport à la dernière émission est relevé, elle produit un nouveau signal radio contenant les données de modification.
Nous voyons par conséquent que l’unité émettrice peut envoyer ensemble l’état des 8 canaux et, comme pour tous les servocontrôles qui se respectent, l’unité réceptrice conserve les derniers états reçus, sauf s’il y a perte de la liaison HF. Ce dernier cas est détecté par le fait que le récepteur “s’attend” à recevoir un état des entrées à chaque seconde. S’il ne reçoit rien (ou du moins rien de pertinent) pendant 3 secondes (ce qui correspond à plusieurs tentatives de communication), le récepteur remet à zéro les relais afin d’éviter les problèmes pouvant découler du maintien d’insertion des charges. Cela peut parfaitement se comprendre avec l’exemple du radio-modélisme : supposez que vous vouliez commander un avion ou une automobile radiocommandés et que vous les fassiez voler/rouler hors de la portée du radiocontrôle ; en pareil cas, les servocommandes traditionnelles reviennent au repos, pour éviter que le véhicule ne s’éloigne toujours davantage et ne devienne irrécupérable, voire dangereux, puisque hors de contrôle.
Notre récepteur, lui aussi, s’il perd la commande de l’émetteur (à cause d’une panne, d’un éloignement excessif ou d’une perturbation électromagnétique) désactive tous les relais afin d’éviter de laisser connectées les charges, quand elles sont hors du contrôle de l’unité émettrice, avec tous les dégâts et dangers qui pourraient en découler.

Les schémas électriques
Le TX (figure 1)
Pour comprendre les aspects principaux du fonctionnement du système, il faut analyser tout d’abord les unités qui le constituent. Commençons par l’unité émettrice.
Il s’agit d’un circuit travaillant sur 868,3 MHz, nouvelle fréquence dédiée depuis deux ans à la radiocommande.
Le circuit comprend un microcontrôleur PIC MF0388TX, déjà programmé en usine, auquel est confiée la gestion de l’ensemble et un module hybride émetteur grâce auquel le microcontrôleur peut envoyer les flux de données vers l’unité réceptrice à distance.
Le microcontrôleur est le coeur du circuit : il permet de lire cycliquement et rapidement l’état des 8 lignes (les 8 bits du port RB) configurées comme entrées.
A chaque seconde, ou de toute façon dès qu’il relève une variation de l’état de ces 8 bits, il produit un flux sériel formé de 10 octets, par lequel est envoyée la situation (l’état) des entrées.
Le protocole de communication avec l’unité réceptrice (figure 13) a été étudié pour réduire au minimum les erreurs de communication.
A chaque variation de l’état logique d’au moins une des entrées ou de toute façon cycliquement (une fois par seconde) le microcontrôleur active le module hybride émetteur qui envoie une série de données à l’unité réceptrice.
Il s’agit d’un flux dont les deux premiers octets représentent le “header” (l’entête), soit une sorte de signal de synchronisme permettant au récepteur de “comprendre” tout de suite si ce qu’il capte est bien le signal d’une unité émettrice du système ou une autre porteuse HF qu’il convient d’ignorer.
L’en-tête est composé de deux octets : A5 et 5A hexadécimaux.
Cette série d’octets équivaut à la séquence binaire 1010010101011010 représentant une sorte d’onde carrée “aidant” le démodulateur à rester verrouillé à la porteuse.
Le troisième octet contient l’état des micro-interrupteurs DS1 : cela sert à coder le système de manière à permettre l’utilisation de plusieurs paires d’unité émettrice/unité réceptrice dans un même lieu, tout en évitant des interférences entre ces paires.
Le codage est à 8 bits et il est par conséquent possible d’utiliser, dans le même rayon de couverture, jusqu’à 256 paires RTX, même s’il est nécessaire que les émissions ne soient pas simultanées.
Le quatrième octet représente un “filler” (séparateur) servant à maintenir stable le démodulateur AM en reprenant le concept d’onde carrée introduit dans l’en-tête : en fait la valeur de cet octet est égale à A5 en hexadécimal (10100101 binaire).
Le cinquième octet indique l’état des 8 entrées. Ici le séparateur est répété (A5), l’état des micro-interrupteurs, le séparateur et l’état des entrées.
Le dernier octet représente un flux final et vaut AA en hexadécimal (10101010 binaire).
La répétition de toutes les données significatives sert à s’assurer d’une bonne réception sans erreurs.
Pendant l’envoi de l’état du système (envoyé cycliquement à chaque seconde, indépendamment d’un changement sur les entrées), les octets séparateurs sont remplacés par les caractères AA hexadécimaux.
Cela permet au récepteur de déterminer si le message indique une variation des entrées ou une communication de l’état. Ceci concerne le protocole d’émission utilisé par le microcontrôleur PIC MF0388TX dont la ligne AO est destinée à envoyer, pour chaque émission, les flux de données ainsi “formatées” à la section HF alors que A1 sert à mettre en route, alimenter ce dernier.
En revanche, le port RC est consacré à la lecture des microinterrupteurs, c’est-à-dire au codage de l’unité émettrice.
Arrêtons-nous un instant sur la section HF, constituée par un module hybride émetteur AUREL TX8LAVSA05 opérant en UHF : il s’agit d’un circuit intégré à six pattes unilatérales “en peigne” disposant à l’intérieur d’un oscillateur à 868,3 MHz et pouvant fournir une puissance de +7 dBm sous 50 ohms d’impédance pour 5 V d’alimentation. A l’intérieur toujours se trouve une logique allumant et éteignant l’oscillateur en fonction de l’état logique appliqué à la broche de modulation (2) : tant que l’état logique est maintenu à 0, la section HF est éteinte alors que, quand on passe à l’état logique 1, cette même section est allumée et l’antenne émet l’onde à 868,3 MHz.
Pour réduire le plus possible la consommation et demander à l’alimentation un courant de “stand-by” (repos) du module hybride émetteur minimum quand la broche 2 est à l’état logique 0, nous avons utilisé un transistor PNP en série avec le circuit principal : ce transistor est polarisé à travers la ligne A1, quand un flux de données doit être émis et il se trouve alors saturé, portant le 5 V sur la broche 15 du module hybride émetteur.
Au repos, soit entre deux émissions, A1 du microcontrôleur reprend l’état logique 1 et le NPN est bloqué : son collecteur isole donc la broche 15 du module hybride émetteur.
Chaque émission est soulignée par l’éclairement de la LED LD1, ce qui constitue une aide décisive dans la recherche d’éventuels dysfonctionnements ou pannes du système.
Terminons la description de l’unité émettrice par l’étage d’alimentation : c’est un classique bloc centré sur un circuit intégré régulateur 7805 donnant le 5 V parfaitement stabilisé nécessaire pour alimenter le microcontrôleur et le module hybride émetteur. Le tout reçoit de 9 à 20 Vcc sur les bornes d’entrée, à travers la diode de protection D1.

Le RX (figure 4)
Laissons maintenant de côté l’unité émettrice et allons voir comment est conçue l’unité réceptrice : il s’agit d’un ensemble basé aussi sur un microcontrôleur PIC MF0388RX, déjà programmé en usine pour lire les signaux adressés par l’unité émettrice, interfacé à l’entrée par un module hybride récepteur à 868,3 MHz et à la sortie par un “driver” ULN2803 pilotant 8 relais miniatures.
L’organigramme du microcontrôleur (figure 5) a été conçu pour remplir les fonctions suivantes : lire en boucle l’entrée afin de vérifier l’arrivée des données et, quand ces dernières sont arrivées, en analyser le format.
S’il trouve l’en-tête, cela signifie qu’il s’agit d’un flux de données produit par une unité émettrice du système. Sinon, il s’agit d’un signal non pertinent et il faut l’ignorer.
Si le code est valide, le programme contrôle l’état des micro-interrupteurs et, s’il reconnaît le message comme un signal qui lui est destiné (correspondance exacte des micro-interrupteurs réglés sur l’unité réceptrice avec ceux reçus), il prélève l’état des entrées et l’envoie aux sorties, ce qui commande les relais.
Si nous nous penchons sur le schéma électrique, nous voyons que l’antenne est directement reliée à la broche 3 du module hybride récepteur contenant un récepteur superhétérodyne complet à 868,3 MHz, avec synthétiseur à quartz à conversion de fréquence, démodulateur AM et quadrateur du signal de sortie : la sensibilité d’entrée HF typique est de –100 dBM et la sélectivité est également optimale. Ce module hybride récepteur donne, broche 14, le signal modulant la porteuse radio captée par l’antenne reliée à la broche 3, une série d’impulsions compatibles TTL atteignant la broche 2 du microcontrôleur (la ligne AO, utilisée comme entrée des données).
Le schéma électrique le montre employé dans une configuration typique avec les broches 2, 7, 11 à la masse et les lignes d’alimentation au positif (broche 1 et 15).
A chaque fois qu’un signal radio à 868,3 MHz est capté, U4 le démodule et restitue sur sa sortie les impulsions respectives atteignant la broche 2 du microcontrôleur.
Ce dernier tourne en boucle, au repos, ce qui permet de maintenir l’état des sorties commandant les relais : quand il relève une commutation à la sortie du module hybride récepteur (porteuse), il s’apprête à lire les informations sérielles qui vont suivre.
Pour pouvoir activer les relais avec les signaux logiques produits par les sorties du microcontrôleur, nous avons intercalé un “line-driver” (pilote de ligne !) du type ULN2803 contenant 8 Darlington NPN pouvant fournir 500 mA de courant quand leurs bases reçoivent un état logique 1.
Chaque base est reliée, à travers une résistance, à une des broches 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 et 8. Les collecteurs respectifs se trouvent sur les broches 18, 17, 16, 15, 14, 13, 12 et 11.
La broche 10 est le commun : elle est solidaire des cathodes de toutes les diodes de protection internes dont chacune a son anode connectée au collecteur d’un darlington.
Ces diodes servent à protéger les jonctions quand, comme dans notre cas, le circuit intégré ULN2803 doit piloter des charges inductives. La broche 9 du “line-driver” est la masse commune, c’est-à-dire le noeud d’aboutissement des émetteurs des 8 Darlington internes.
La LED LD1, pilotée par la broche 7 (ligne A5) du microcontrôleur, clignote chaque fois que le circuit reçoit un signal valide.
L’unité réceptrice fonctionne sous une tension continue de 12 à 15 V, appliquée aux bornes “±V”.
La diode de protection, placée en série dans le positif, évite les dommages dus à une inversion de polarité accidentelle et restitue, sur la cathode, le potentiel destiné à alimenter la série des relais de sortie.
Le 5 V stabilisé, nécessaire au microcontrôleur et au module hybride récepteur AUREL RX8L505A70SF, est obtenu grâce à un régulateur 7805.

Figure 1 : Schéma électrique de l’unité émettrice (TX) du servocontrôle.

Figure 2 : Organigramme du programme du microcontrôleur MF0388TX, déjà programmé en usine.

Figure 3 : Brochage du module hybride émetteur AUREL vu côté composants.

1, 4, 13 = GROUND
2 = DATA INPUT
11 = RF OUTPUT
15 = +V

Le module hybride émetteur (TX) utilisé est caractérisé par sa haute efficacité et sa basse émission d’harmoniques.
Réalisé en technologie hybride sur alumine à haute fiabilité intrinsèque, il travaille sur la fréquence de 868,3 MHz obtenue par un résonateur SAW. Sa puissance de sortie HF est de +5 dBm sous 50 ohms avec alimentation de 3 V, 25 mA typique. La fréquence de modulation va de 0 à 3 kHz.

Figure 4 : Schéma électrique de l’unité réceptrice (RX).

Figure 5 : Organigramme du programme du microcontrôleur MF0388RX, déjà programmé en usine.

Figure 6 : Brochage du module hybride récepteur AUREL vu côté composants (blindage).
       1 = +V PRE
2, 7, 11 = GROUND
3 = ANTENNA
13 = TEST POINT
14 = DATA OUTPUT
15 = +5 V

Le module hybride récepteur (RX) est un superhétérodyne travaillant sur la fréquence de 868,3 MHz. De sensibilité élevée, –100 dBm, grâce à l’emploi d’un filtre SAW, sa bande passante HF est de 600 kHz, sa bande passante FI est de 300 kHz, sa réjection des émissions indésirables est de –80 dBm et il s’active en 0,2 seconde. Il est alimenté en 5 Vcc est consomme 7 mA.

Figure 7 : Schéma d’implantation des composants de l’unité émettrice (TX) du servocontrôle.

Figure 8 : Photo d’un des prototypes de l’unité émettrice (TX) du servocontrôle.

Pour utiliser le système, pensez que les relais du RX correspondent directement aux variations des entrées respectives du TX : leur état est mis à jour presque en temps réel et de toute façon quand une entrée est modifiée, le relais correspondant demeure dans le même état jusqu’à une prochaine variation. Ce mode de fonctionnement distingue notre servocommande des classiques radiocommandes dans lesquelles l’unité réceptrice ne peut conserver un état que pendant l’émission du TX, c’est-à-dire inverser son état à chaque émission.
Dans le cas de notre système, chaque relais du RX maintient le dernier état reçu jusqu’à ce que l’entrée correspondante du TX reçoive une modification.
En ce qui concerne la corrélation entre les entrées de l’unité émettrice (TX) et les relais de l’unité réceptrice (RX), elle est la suivante :
IN1 (broche 21 du PIC) = RL1
IN2 (broche 22 du PIC) = RL2
IN3 (broche 23 du PIC) = RL3
IN4 (broche 24 du PIC) = RL4
IN5 (broche 25 du PIC) = RL5
IN6 (broche 26 du PIC) = RL6
IN7 (broche 27 du PIC) = RL7
IN8 (broche 28 du PIC) = RL8


Figure 9 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de l’unité émettrice (TX) du servocontrôle.

Liste des composants
R1 à R8 = 4,7 kΩ
R9 à R16 = 47 kΩ
R17 = 100 Ω 1/2 W
R18 = 4,7 kΩ
R19 = 470 Ω
R20 = 10 kΩ réseau de 8
R21 = 10 kΩ
C1 = 470 μF 25 V électrolytique
C2 = 100 μF 25 V électrolytique
C3 = 100 μF 25 V électrolytique
C4 = 100 nF multicouche
C5 = 100 nF multicouche
C6 = 100 nF multicouche
D1 = Diode 1N4007
DZ1 à DZ8 = Zener 5,1 V
U1 = PIC16F876-MF0388RX programmé en usine
U2 = Module AUREL TX8LAVSA05
U3 = Régulateur 7805
Q1 = Quartz 8 MHz
T1 = PNP BC557
LD1 = LED rouge 5 mm
DS1 = Dip-switch 8 micro-inter.

Divers :
1 Support 2 x 14 broches
10 Borniers 2 pôles


Figure 10 : Schéma d’implantation des composants de l’unité réceptrice (RX) du servocontrôle.

Figure 11 : Photo d’un des prototypes de l’unité réceptrice (RX) du servocontrôle.

Figure 12 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de l’unité réceptrice (RX) du servocontrôle.

Liste des composants
R1 = 100 Ω 1/2 W
R2 = 4,7 kΩ
R3 = 470 Ω
C1 = 470 μF 25 V électrolytique
C2 = 100 μF 25 V électrolytique
C3 = 100 μF 25 V électrolytique
C4 = 100 nF multicouche
C5 = 100 nF multicouche
D1 = Diode 1N4007
U1 = Régulateur 7805
U2 = PIC16F876-MF0388RX programmé en usine
U3 = Intégré ULN2803
U4 = Module AUREL RX8L505A70SF
Q1 = Quartz 8 MHz
LD1 = LED rouge 5 mm
DS1 = Dip-switch 8 micro-inter.
RL1÷RL8 = Relais 12 V 1 RT ci

Divers :
1 Support 2 x 9 broches
1 Support 2 x 14 broches
2 Borniers 2 pôles
8 Borniers 3 pôles


La réalisation pratique
Nous pouvons maintenant faire quelques suggestions pour la construction du servocontrôle en partant des circuits imprimés : bien sûr, il en faut deux, un pour l’unité émettrice et l’autre pour l’unité réceptrice. Ils sont facilement réalisables par photogravure à partir de photocopies sur transparents (figure 9 pour le TX, figure 12 pour le RX).
Lorsque les circuits imprimés sont gravés et percés, on peut monter les composants en commençant par les résistances et les diodes puis en continuant avec les supports de circuits intégrés, à orienter comme le montrent les figures 7 et 10.
Le réseau résistif de “pull-up” du port RC du microcontrôleur MF0388TX réclame un minimum d’attention car il est de type SIL “en peigne” et, son câblage interne étant fort précis, on doit le monter dans le bon sens : afin d’éviter toute erreur, identifiez bien le côté marqué d’un point ou trait de couleur différente ; ce côté, correspondant au commun, au noeud où aboutissent une extrémité de toutes les résistances internes, doit être enfilé dans le trou relié à la piste +5 V.
Ensuite placez les micro-interrupteurs, les autres semiconducteurs, c’est-à-dire les transistors de l’unité émettrice et les régulateurs 7805 puis les LED rouges sur les deux unités.
Montez alors les deux modules hybrides.
Les relais miniatures doivent être du type ITT-MZ ou compatibles. N’oubliez pas les quartz pour l’unité émettrice et l’unité réceptrice, tous les deux de 8,00 MHz et, sur le circuit imprimé de l’unité réceptrice, les deux “straps”, pour que le câblage soit complet.
Soudez maintenant les borniers pour circuit imprimé au pas de 5 mm sur leurs pastilles respectives.
Le montage une fois terminé et après avoir contrôlé que tout est en ordre, insérez enfin les circuits intégrés avec le repère détrompeur orienté dans le bon sens : c’est-à-dire, en principe, dans le même sens que leurs supports.
Chaque unité de la servocommande aura son antenne, laquelle peut être constituée d’un simple fil de cuivre rigide de 9 cm de long (antenne quart d’onde) étamé et relié à la pastille “ANT”.
Quand le câblage est terminé et que les unités sont prêtes à l’emploi, paramétrez de la même manière les microinterrupteurs de l’unité émettrice et ceux de l’unité réceptrice : le codage du TX et celui du RX doivent être identiques.
Alimentez les deux unités, séparément bien sûr, en tenant compte des courants consommés : l’unité émettrice a besoin de 40 mA sous 9 V continu mais pas forcément stabilisé alors que l’unité réceptrice réclame 280 mA sous 12 V minimum à 16 V maximum.
Une fois les deux circuits sous tension et après avoir paramétré le même code sur les deux, maintenez-les éloignés l’un de l’autre de quelques mètres puis attendez le premier clignotement de la LED de chacun.
Dès la mise en marche, la liaison radio a lieu : LD1 du TX commence à clignoter et répète sa séquence à chaque seconde. LD1 du RX doit répéter le clignotement, confirmant ainsi le décodage du signal reçu.
Essayez maintenant de fermer un contact d’entrée et vérifiez qu’aussitôt après LD1 clignote et que, sur l’unité réceptrice, la LED clignote aussi tandis que le relais correspondant est activé.

Protocole de communication
1 - [$A5][$5A][DIP][$A5][ING][$A5][DIP][$A5][ING][$AA]

[$A5][$5A] Représente l'en-tête ("header") du flux.
[DIP] Est l'état des micro-interrupteurs (envoyé
deux fois par sécurité).

[$A5] Séparateur ("filler") permettant de maintenir
stable le modulateur AM (est répété après
chaque donnée significative).

[ING] Est l'état des entrées (répété deux fois par
sécurité).
[$AA] Bouchon ("terminator") du flux.

2 - [$A5][$5A][DIP][$AA][ING][$AA][DIP][$AA][ING][$AA]

[$AA] Séparateur remplaçant [$A5] dans le
message d'état. De cette façon le récepteur
peut distinguer le message normal du
message d'état.
Figure 13 : Protocole de communication.

Le protocole de communication entre unité émettrice et unité réceptrice a été étudié avec soin pour permettre une plus grande stabilité d’émission et ainsi d’éviter les erreurs dues à d’éventuelles perturbations du système TX/RX dans la zone d’utilisation.
Le tout est fondé sur l’émission de deux types de flux.
Le premier indique les variations des canaux en entrée alors que le second contient un message d’état (envoyé chaque seconde) permettant d’établir si la communication est active ou pas (la perte de la liaison HF peut venir de perturbations de niveau trop élevé ou d’un éloignement excédant la distance de portée pratique).

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