Une platine d’essais pour systèmes GPS

Le GPS est en pleine démocratisation. Le marché est tellement porteur qu’on parle même de créer un système européen équivalent.

Le montage que nous vous proposons dans ces lignes permet de visualiser et d’élaborer les données fournies par tout récepteur GPS. Cette “demoboard” pourrait même être utilisée comme tachymètre pour voiture !





Les dispositifs utilisant le GPS (Global Positioning System) pour établir la position d’un véhicule ou d’un bateau ou pour vérifier sa route ou son cap sont toujours plus nombreux. En effet, le système satellitaire est actuellement le seul capable de fournir avec grande précision et en temps réel la position de tout mobile se trouvant à la surface de la Terre, sur la mer ou dans les airs (avion, ballon, etc.).



Notre réalisation

A plusieurs reprises ELM a utilisé des récepteurs GPS pour réaliser des navigateurs ou des appareils de localisation à distance. Cette fois, nous vous proposons de monter une platine d’essais ou d’expérimentation (une “demoboard” si vous préférez) pour GPS : couplée à un ou plusieurs récepteurs GPS (comme ceux que vous connaissez sans doute déjà, le GARMIN GPS25 ou le SIRF GPS900), elle vous permettra de vous familiariser avec cette technique mais aussi de visualiser la latitude, la longitude, la vitesse et le nombre des satellites reçus.

Non seulement de la théorie, donc, mais aussi de la pratique : par exemple, si vous montez la platine d’essais sur votre voiture, vous aurez à votre disposition un tachymètre satellitaire très précis à utiliser comme tel mais encore pour étalonner celui d’origine. En ajoutant des routines simples et en interfaçant dûment la platine d’essais à la voiture, vous pourrez, par exemple, limiter la vitesse de celle-ci ou éviter qu’elle ne sorte d’une fourchette prédéfinie, ou encore mémoriser le parcours effectué.







Figure 1 : Carte de base de la platine d’essais.



Elle est fixée à la carte de visualisation par quatre entretoises hexagonales (mais cela est mieux visible figure 20) et reliée électriquement par une barrette tulipe au pas de 2,54 millimètres. Deux banques de mémoire (en bas au premier plan) ont été enfichées sur la carte principale : elles sont facultatives.



Le système GPS

Avant d’entrer dans le vif du sujet, il faut toutefois rappeler comment fonctionne le système de localisation satellitaire (voir figure 2). Né pour les besoins de l’aéronautique militaire des Etats Unis d’Amérique (USAF) en matière de contrôle terrestre, maritime et aérien, le GPS (Global Positioning System) est un système fonctionnant grâce à 24 satellites : c’est la fameuse constellation GPS, apparue en 1993. Tous les satellites tournent autour de la Terre sur 6 orbites géostationnaires inclinées, chacune, de 55° par rapport au plan équatorial et distantes de 60° l’une de l’autre, à une altitude de 20 200 km/sol soit 26 500 km du centre de la Terre. Chaque satellite parcourt, autour de notre planète, une circonférence de 53 120 km en 12 h exactement.

La méthode de localisation consiste en l’émission par chacun des satellites d’un signal horaire, en même temps que chacune des informations touchant la position et l’éventuelle variation de la position (si l’objet localisé est mobile) du récepteur GPS.

En outre, chaque satellite émet un signal de correction horaire. Le récepteur GPS reçoit le signal horaire, le compare avec celui de sa propre horloge interne (toujours synchrone avec celle du système) et calcule le temps écoulé entre le départ du signal (du satellite) et son arrivée (au récepteur).

Vu la vitesse de l’onde radio (300 000 km/s, comme la lumière) il est facile de calculer la distance.

Et comme les satellites sont tous en orbite géostationnaire, leur position par rapport au sol terrestre est connue : le récepteur peut calculer facilement la distance qui le sépare de chaque satellite dont il reçoit le signal. La géométrie nous enseigne que, pour connaître le lieu exact d’un point dans l’espace, il faut et il suffit de connaître sa distance par rapport à au moins 3 points connus.

Donc un récepteur GPS captant les signaux de 3 satellites peut calculer la distance qui le sépare d’eux et, partant, sa propre position dans l’espace.

En fait on obtient pour cette dernière 2 points, un réel et l’autre improbable (qui en est l’image/miroir) puisqu’il est situé hors de la biosphère terrestre. Si l’on reçoit 4 satellites, la localisation du récepteur (ou du mobile dans lequel il est embarqué : voiture, bateau, avion…) est déjà précise et débarrassée de l’ambiguïté du point irréel. Mais avec 5, 6, 7 ou davantage (nos récepteurs sus-mentionnés peuvent en recevoir jusqu’à 12 en même temps), la localisation s’affine toujours davantage car la tolérance sur la distance diminue de plus en plus. Selon où l’on est situé sur Terre, on peut recevoir de 8 à 12 satellites à la fois : il en faut 3 au minimum mais plus on en reçoit, meilleure est la localisation.

Chaque satellite émet deux signaux radio L1 et L2 : le premier L1 a une porteuse à 1 575,42 MHz, le second L2 à 1227,60 MHz. L1 est modulé par un signal dégradé introduisant une erreur théorique de 30 à 200 mètres, L2, à usage militaire, a une précision de quelques centimètres ! Mais, pratiquement, depuis un an environ, le signal civil a une précision très élevée (l’erreur introduite a été éliminée). Cette décision “d’amélioration de service” (disons-le ainsi) a été prise par les USA sous la pression de beaucoup de gouvernements occidentaux, pressés eux aussi par les fabricants de récepteurs GPS (en particulier pour voitures haut de gamme) et sous la menace de leur monopole actuel par le projet alternatif européen (figure 3).

A dire vrai, ce système alternatif existe déjà depuis 1993 : le système russe GLONASS (GLObal NAvigation Satellite System) utilise lui aussi (en théorie !) un réseau de 24 satellites. Contrairement au système américain, il ne comporte que 3 orbites avec 8 satellites par orbite et une durée de révolution de 11 heures et 15 minutes. L’inclinaison sur l’équateur diffère également : elle est de 64,8°. Les fréquences sont 1 602 MHz pour L1 et pour L2 1 246 MHz. En fait, pratiquement, seuls 6 satellites sont opérationnels pour le moment. En outre, en utilisation civile du moins, les récepteurs sont introuvables et donc le système n’est pas utilisable.

Très différent (du moins on l’espère !) sera le système européen Galilée décidé à Barcelone (voir figure 3). Ce système devrait pouvoir rivaliser, quant aux performances, avec le système américain auquel il ressemble fort, sauf que Galilée sera géré civilement sans contrôle militaire.

Mais voyons en détail le principe de fonctionnement de ces systèmes. Pour l’identification d’un point, on utilise un récepteur spécifique, incorporant un microprocesseur très puissant auquel est confiée la tâche d’élaborer les données arrivant des satellites, puis de les comparer afin de calculer la distance le séparant de ceux-ci et, par triangulation, sa position (étant entendu que, lorsque le récepteur capte un satellite, celui-ci lui communique sa propre position orbitale avec mise à jour de toutes les autres données, notamment les temporelles dotées de la précision d’une horloge au Césium).

Pour mesurer la distance instantanée d’un satellite, le récepteur calcule, en effet, le temps mis par le signal pour aller du satellite à l’antenne réceptrice : il compare ensuite le code temporel (clock) émis par le satellite avec celui produit localement en fonction des indications de tous les autres, auxquels il est connecté. L’écart temporel entre les deux signaux d’horloge multiplié par la vitesse de la lumière indique la distance apparente (ainsi nommée car elle est toute relative et le calcul est basé sur des paramètres mis à jour continuellement mais non absolus) entre l’antenne réceptrice et le satellite.

Pratiquement, le récepteur calcule combien de temps met le signal (allant à la vitesse de la lumière, soit 300 000 kilomètres/seconde) pour parcourir le trajet satellite TX-antenne RX, puis la vitesse et le temps connus, il calcule, selon les lois de la physique, la distance, soit l’espace parcouru s grâce à la formule :

vt = s

où v est la vitesse et t le temps.


Si, par exemple, le signal met 0,08 seconde, la distance entre le satellite et le récepteur est de :

300 000 x 0,08 = 24 000 km


Cela dit, il reste à expliquer comment fait le récepteur GPS pour savoir quand le signal a été émis par le satellite. La réponse est simple : tous les satellites du système GPS ont chacun 4 horloges atomiques au Césium, extrêmement précises et, de plus, mises à jour de façon cyclique par une station terrestre (la véritable centrale du système, à Colorado Spring, aux USA). L’extrême précision et la très grande fiabilité de chaque horloge sont telles que tous les satellites ont la même heure, précise au millionième de seconde, et même davantage ! Le récepteur dispose de sa propre horloge, certes moins précise que celle au Césium radioactif, mais tout de même suffisamment fiable et stable et surtout pouvant recevoir à chaque instant les signaux temporels des autres satellites en dehors de celui avec lequel il est relié pour le calcul du temps.

Dans le signal émis par chaque satellite vers la Terre, on trouve, outre les informations horaires, tous les paramètres indiquant de quel satellite il s’agit (numéro 1, numéro 2, etc.), son orbite (ainsi le récepteur GPS connaît l’exacte altitude/sol du satellite reçu), les corrections d’orbite et la mise à jour du signal horaire. Vu que tous les éléments du système GPS sont à la même heure, “il est facile” pour un récepteur de connaître l’heure de réception du satellite sur lequel il va faire le calcul et, quand celui-ci lui envoie les données contenant l’heure d’émission, de calculer la différence entre les deux temps (elle est très petite, de l’ordre du centième de seconde) de manière à avoir l’indication du temps écoulé entre le départ du signal TX et l’arrivée sur l’antenne RX.

Vous trouvez cela clair ? Ah bon ! Donnons tout de même encore un exemple.

Supposons qu’un satellite envoie un flux de données contenant l’heure et qui “dise” : “il est 12:02:03 et 10 centièmes”. L’horloge du récepteur a été synchronisée avec l’émission précédente de ce satellite ou avec les signaux des autres reçus en même temps. Elle a une précision suffisante pour rester synchrone avec les horloges atomiques en orbite et ne pas causer d’écarts temporels significatifs. Si, lorsque le récepteur reçoit à l’antenne le signal avec l’horaire, son horloge interne “dit” qu’il est 12:02:03 et 20 centièmes, cela signifie que, depuis que le satellite l’a envoyé, il s’est écoulé 10 centièmes de seconde, soit 0,1 seconde. Si nous reprenons la formule ci-dessus, nous voyons que la distance est de 30 000 kilomètres.

Bien sûr, le temps de transfert du signal occasionnera une légère erreur due aux facteurs atmosphériques et à l’écart des satellites par rapport à l’orbite théorique (quoique cet écart, détecté par les stations terrestres, soit communiqué en temps réel aux satellites qui y sont sujets).

Quand les calculs de distances de 3 satellites au moins sont faits et qu’il a reçu d’eux également les signaux indiquant leur position mise à jour, le récepteur élabore les valeurs jusqu’à déterminer la position du point de rencontre des lignes imaginaires partant de ces satellites et de longueurs égales aux distances calculées (dans ses Eléments, Euclide, au IIIe siècle AVJC, avait déjà démontré que ce point P est unique, si toutefois on admet d’exclure son image P’) : vous pouvez d’ailleurs faire l’expérience avec 3 morceaux de fil de fer rigide de longueurs différentes fixés, sous une planche horizontale, aux sommets d’un triangle quelconque : vous ne trouverez (côté sol, le côté ciel étant le point image réputé exclu) qu’un seul point qui puisse réunir les 3 autres extrémités libres.

Ce point, représentant le récepteur, est situé dans les trois dimensions x, y, z (latitude, longitude, altitude).

Le récepteur peut alors donner sa position goniométrique, ses coordonnées (exemple, si le récepteur est à bord d’un planeur au décollage à Aspres-sur-Buech : 44° 31’ 04” N, 05° 44’ 05” E et 2726 ft/QNH ou 831 m/mer) avec précision : théoriquement, en vol IFR (sans visibilité, aux instruments) et même par nuit noire, un aéronef pourrait se poser en seuil de piste, uniquement au GPS, sans casse (même si pratiquement on jette tout de même un coup d’oeil au moment crucial).

Comme nous l’avons dit déjà, le point image de la trilatération (dans notre exemple, situé à quelque 831 m au-dessus du triangle formé par les trois satellites, soit largement au-delà de la biosphère où on rencontre encore peu de monde désirant connaître sa position !) est exclu par l’élaborateur du récepteur.

D’ailleurs cette incertitude peu gênante disparaît dès qu’un quatrième satellite est reçu (car si 3 points sont toujours dans un même plan, la planche de notre expérience, il n’en va pas de même pour 4).

A la sortie du récepteur nous avons donc un flux de données contenant de nombreuses informations, flux transféré avec un protocole spécifique NMEA0183 à une vitesse allant de 1 200 à 19 200 bits/seconde.



Le GPS, système de radionavigation mondiale, a été développé par le Département de la Défense des USA sous le contrôle du Commandement de l’Aéronautique Militaire des Etats Unis (AFSC). Le GPS offre deux niveaux de services : le Service de Positionnement Standard et le Service de Positionnement de Précision. Le SPS est un service de positionnement et de datation disponible en continu pour tous les usagers GPS, utilisable dans le monde entier sans avoir à formuler la moindre demande et gratuitement (il suffit de posséder un récepteur). La fréquence de travail en SPS est la L1 : elle contient un code de communication commun (C/A) et des données de navigation.

SPS a une précision de détection de la position (relèvement) de 100 mètres (95 %) horizontalement, 156 mètres (95 %) verticalement et sur la détection du temps (UTC) 340 nanosecondes (95 %).

Le SPP (PPS en anglais) est un système militaire de haute précision, en vitesse et en temps en particulier et il n’est disponible qu’aux usagers autorisés. Les données du service SPP sont fournies sur les fréquences GPS L1 et L2.

Les satellites émettent sur deux bandes de fréquences de type L : L1 = 1 575,42 MHz et L2 = 1 227,6 MHz.

Trois codes pseudo-aléatoires (PRN) sont utilisés. Le code commun d’acquisition des données (C/A) utilise une fréquence de modulation de 1,023 MHz, une période d’une milliseconde (ms) et il est utilisé principalement pour l’acquisition du code P. Le code de précision (P) a une fréquence de modulation de 10,23 MHz, une période de sept jours et il est le principal code variable de navigation.

Le code Y est utilisé en substitution du code P chaque fois que le mode opératif “anti-spoofing” (A-S) est activé.

Le C/A est disponible sur la fréquence L1 et le code P sur L1 et sur L2. Les divers satellites émettent sur les mêmes fréquences L1 et L2 mais avec leurs propres codes d’identification. Grâce aux caractéristiques du spectre du signal, le système est suffisamment insensible aux interférences. Chaque satellite émet un signal de navigation contenant les éléments de son orbite, des informations sur le fonctionnement de l’horloge, sur le système du temps et sur son état. En outre, il est pourvu d’une liste fournissant les données approximatives pour chaque satellite. Ceci permet à l’usager de trouver plus rapidement tous les satellites après qu’il en ait localisé un. Le réseau GPS comprend 24 satellites opérationnels sur six plans orbitaux. Les satellites opèrent sur une orbite circulaire de 20 200 kilomètres avec un angle d’inclinaison de 55° pour une période de 12 heures. C’est pourquoi la position est la même chaque jour à la même heure sidérale mais les satellites reviennent à la même position avec quatre minutes d’avance chaque jour.

Le réseau de contrôle terrestre est formé de cinq points (Hawaii, Kwajalein, Ile de l’Ascension, Diego Garcia, Colorado Springs), trois antennes terrestres (Ile de l’Ascension, Diego Garcia, Kwajalein) et une station “master” (MCS) à Falcon AFB dans le Colorado. La station “master” distingue tous les satellites en vue et en mémorise les données. Ces informations sont élaborées par le MCS pour déterminer les orbites des satellites et mettre à jour les données de navigation. La mise à jour des informations est transmise à chaque satellite par les antennes terrestres. La station de monitorage a été déterminée en respectant initialement le système géodésique mondial de 1972 nommé WGS-72 mais c’est maintenant le WGS-84 qui est utilisé.
Figure 2.



Figure 3 : En attendant Galilée.



C ’est désormais certain, dans peu de temps nous aussi, les Européens, nous aurons notre propre GPS : Galilée.

Pendant la dernière réunion des chefs de gouvernement des Douze à Barcelone, le Premier Ministre espagnol José Maria AZNAR a annoncé que les chefs d’Etat et de gouvernement de l’UE sont finalement tombés d’accord sur le développement d’un système satellitaire européen baptisé “Galilée”, alternative au GPS “historique” étatsunien.

“Nous avons obtenu un résultat avec Galilée, a dit JM A.

au cours de la conférence de presse finale du sommet, Il est resté longtemps bloqué…

Maintenant ce n’est plus le cas. Galilée a été approuvé. Tous ont été d’accord”.

Avec Galilée, l’Europe mettra en orbite un réseau de satellites pour la navigation compétitif avec le Global Positioning System militaire des Etats-Unis. Jusqu’ici l’Allemagne s’était opposée à cet accord et les USA s’étaient déchaînés contre Galilée, le considérant une inutile duplication d’un système déjà disponible pour ses alliés. Jusqu’aujourd’hui le système de navigation satellitaire GPS a été développé et maintenu par les Etats-Unis pour des motifs strictement militaires, même s’il est devenu accessible gratuitement à tout le monde à partir de 1993, dans une version dégradée, moins précise (obstacle volontairement mis devant ceux qui voudraient utiliser le GPS à des fins illicites…).

Et c’est bien dans la nature militaire du GPS que réside le problème : la communauté européenne ne veut pas accepter comme standard un système militaire, qu’il soit américain ou russe (GLONASS, activé depuis 1993 avec seulement six satellites sur les 24 prévus initialement).

En outre, dit l’Europe, les Etats-Unis ne peuvent garantir la sécurité et la fiabilité d’un système civil si, à chaque fois, sont privilégiées des raisons de sécurité nationale étatsuniennes ou, d’ailleurs, tout autre motif extra-européen.

En pratique, le GPS est toujours assujetti à d’éventuelles éclipses ou interférences de la part du gouvernement américain.

C’est pourquoi la Communauté Européenne a donné l’élan au programme Galilée, pour la construction de notre propre système global de navigation satellitaire. Selon les projets en cours, le système européen serait en mesure de garantir une précision élevée des positionnements et ce sans être assujetti à un contrôle militaire. Cependant Galilée représente un coût élevé : 1,1 milliard d’euros rien que pour la mise en projet et une rallonge de 450 millions d’euros de la Commission Européenne des Transports, en discussion jusqu’au début décembre. L’Union Européenne entend co-développer son projet avec d’autres nations extra-européennes, parmi lesquelles beaucoup se disent préoccupées de voir un monopole américain dans ce secteur. Le Canada a déjà participé financièrement aux premières phases de développement de Galilée, la Russie a donné son aide technique et entend jouer un rôle important dans la structure du projet, mais la Chine, l’Australie, Israël, l’Inde et l’Afrique du Sud ont aussi exprimé leur intérêt.

La position des Etats-Unis est bien sûr plus ambiguë.

Les Américains se préoccupent avant tout de maintenir un avantage militaire mais aussi de sécurité et de standard technologique. Le projet, qui devrait être opérationnel à partir de 2008, avec 30 satellites en orbite circulaire autour de la Terre à une altitude de 24 000 kilomètres, offrirait un positionnement d’une précision de 4 mètres et pourrait informer les usagers en quelques secondes de l’impossibilité d’utilisation des satellites. Outre les satellites, il y aura 14 stations au sol en divers points du globe, reliées à une station centrale européenne tenant sous contrôle la position des satellites et le parfait fonctionnement des instruments de bord.



Le schéma électrique

Après cette longue mais nécessaire introduction, venons-en au montage proprement dit : les figures 4 et 5 donnent les schémas des circuits de base et afficheur (figure 4) et d’une banque de mémoire (figure 5).

Le logiciel installé dans le microcontrôleur gérant la platine d’essais est en mesure d’accomplir un grand nombre de tâches, mais les ressources matérielles déployées permettent d’accroître nettement les prestations du circuit.

La conception a été développée en utilisant deux des récepteurs GPS les plus diffusés du marché : il s’agit du GARMIN GPS25 et du SIRF GPS900, tous deux bien connus de nos plus fidèles lecteurs intéressés par le sujet. L’un comme l’autre se servent du protocole de communication NMEA0183 utilisé par la platine d’essais pour dialoguer avec les récepteurs. Ce qui signifie que notre circuit peut être relié à tout GPS utilisant ce protocole. Un éventuel problème pourrait venir de la vitesse de transmission des données, toutefois le “firmware” du microcontrôleur y fait face : à la mise en marche, il effectue un “autobaud rate” (teste la vitesse de transmission) du GPS relié et se règle dessus.

Le système peut être subdivisé en trois blocs fonctionnels (donnant d’ailleurs les trois cartes des figures 11, 14 et 17) :

a) L’unité principale d’élaboration des données et de gestion des I/O (entrée GPS, buzzer, relais, etc.) : figures 11, 12 et 13.

b) L’unité d’interface usager ou unité d’affichage et de commande comprenant un afficheur LCD de deux lignes de 16 caractères chacune, 4 poussoirs et 5 LED) : figures 14, 15 et 16.

c) Le module d’expansion ou banque de mémoire composé (chaque module, mais on en montera deux) de 4 mémoires 24LC256 : figures 17, 18 et 19 (facultatif, lire l’article).

Le coeur est sans aucun doute le circuit intégré microcontrôleur PIC16F877-MF441, déjà programmé en usine, dans lequel on a installé le logiciel gérant la totalité de la platine d’essais.

Les caractéristiques principales de cet appareil sont les suivantes :

a) Possibilité de programmation “in circuit” (utilisant le programmateur décrit dans le numéro 31 d’ELM, pages 72 à 82, article EF386).

b) Possibilité de connecter directement deux récepteurs GPS : pour le SIRF GPS900 sont disponibles le connecteur DB9 pour la liaison série et la prise PS2 par laquelle il reçoit l’alimentation ; pour le GARMIN GPS25 nous avons prévu un bornier à 4 pôles par lequel passent les données et l’alimentation.

Pour la communication entre le GPS et le microcontrôleur on a prévu un convertisseur RS232/TTL correspondant au circuit intégré U2. La sortie TTL du module GPS25 correspond au port RB1 du microcontrôleur et les données du GPS900 sont envoyées au port RB0. Pour gérer les deux GPS en utilisant un seul port du microcontrôleur, on a monté deux cavaliers, J1 et J2 : le premier J1 permet de connecter ensemble les ports RB2 et RB3 de façon à lire avec un seul port les données reçues par l’un ou l’autre des GPS.

c) Possibilité de piloter la rétro-illumination de l’afficheur LCD directement par le microcontrôleur à travers le port RA2 et le transistor T1. En outre, le microcontrôleur gère aussi directement le buzzer BZ1 (relié au port RA3) et le relais RL1 piloté par T3 ou bien RA4.

Pour la gestion des poussoirs, connectés aux ports RB4 à RB7, on utilise le “pull-up” interne du microcontrôleur de manière à ce que leur pression provoque le passage de l’état logique haut (1) à l’état logique bas (0). Au port RB7 correspond le signal SCK nécessaire à la programmation et le SDT correspond au port RB6.

d) La gestion des deux banques de mémoire (MEM1 et MEM2) présente une particularité intéressante : chaque module utilise 4 mémoires 24LC256 adressées à travers les broches 1, 2 et 3, parmi lesquelles seules les 1 et 2 sont gérées à l’intérieur de chaque module, ce qui permet d’adresser différemment jusqu’à 4 circuits intégrés. La broche 3 (point C) de chaque puce est reliée à l’extérieur de telle manière que, si elle est insérée dans la barrette de MEM1, elle soit mise à la masse, alors que si elle est insérée dans la barrette de MEM2 elle soit soumise au +5 V. Ceci permet d’avoir deux banques de mémoire identiques mais pouvant être adressées par le microcontrôleur de manières différentes à travers la ligne “clock” (horloge : RE1) connectée au SCL de toutes les puces et la ligne de données (RE2) connectée au SDA.

Mais occupons-nous maintenant du logiciel programmant le microcontrôleur U1.



Figure 4 : Schéma électrique du circuit de base de la platine d’essais pour système GPS.



Figure 5 : Schéma électrique du circuit d’une banque de mémoire de la platine d’essais pour système GPS.



Figure 6 : Photo d’un des prototypes de la carte de base avec deux cartes de banques de mémoire implantées verticalement.



Figure 7 : Le GPS900 est un des deux récepteurs utilisés pour les essais avec notre platine d’expérimentation. A la différence du GPS25 (voir figure 8), cet appareil dispose d’une antenne incorporée.



Figure 8 : Le GPS25 (à gauche) et son antenne GA27, utilisés avec notre platine d’essais.



La programmation du microcontrôleur

Le programme permet de gérer les données des GPS indépendamment de la vitesse de communication des modules car, nous l’avons dit, à la mise en marche une routine d’autotest de la vitesse de transmission du GPS s’active et la platine d’essais se règle dessus. Dans ce but, il est nécessaire de fermer le cavalier J2 (on ne peut relier qu’un GPS à la fois !). Le test de vitesse part de 4 800 (configuration par défaut du GPS25), passe à 9 600 (configuration par défaut du GPS900) et poursuit avec 19 200, 1 200 et 2 400 bauds.

Si la routine ne relève aucune donnée (indépendamment de la vitesse), apparaît sur l’afficheur LCD la mention “CONNECTER GPS”. Quand le GPS est détecté, on passe à l’écran principal et, sur la première ligne, est visualisée la qualité de réception (“SATS DETECTES”/“SATS NON DETECTES”) alors que sur la seconde sont visualisées la date et l’heure (exemple, “03/05 - 15:02:25”). Les poussoirs P1 et P2 permettent d’accéder au menu principal et de sélectionner la mention désirée :

1.1 VISUALISE LATITUDE

1.2 VISUALISE LONGITUDE

1.3 VISUALISE VITESSE

1.4 VISUALISE SATELLITES

1.5 PARAMETRES GPS

1.6 PARAMETRES GPS



si l’on confirme avec le poussoir P4, l’information correspondante est visualisée :



1.1 exemple :

LATITUDE

44° 31’ 04” N



1.2 exemple :

LONGITUDE

05° 44’ 05” Est

(l’altitude n’est pas gérée par la platine d’essais mais, à part cela, on reconnaît les coordonnées de l’aérodrome d’Aspres-sur-Buech).



1.4 exemple :

SATS VERROUILLES 04



Si l’on presse la touche 1 ou 2, on entre dans le menu, si l’on presse 3 ou 4, on retourne à l’écran principal.

Si l’on accède au menu 1.5, les possibilités suivantes sont offertes :

2.1 REGLAGE HEURE

2.2 REGLAGE VITESSE



Le premier choix permet de régler l’heure selon notre propre fuseau horaire. Ce réglage s’effectue par les poussoirs P1 et P2 et la mémorisation par les poussoirs P3 et P4. On passe ensuite à l’écran principal. Le second menu nous permet de sélectionner le format de la vitesse visualisée par le menu 1.3. Les formats disponibles sont en kt (noeud) ou en km/h (kilomètre par heure). On passe ensuite à la visualisation de la vitesse.

Les deux réglages sont sauvegardés dans la mémoire du microcontrôleur de manière à retrouver ces paramètres à la prochaine mise en marche. Le menu 1.6 permet de maintenir actif le rétroéclairage de l’afficheur LCD. Normalement, en effet, l’afficheur LCD n’est éclairé que lorsqu’on presse une touche et s’éteint peu après.

Le circuit est complété par une alimentation à découpage produisant, à partir du 12 V de l’entrée, le 5 V stabilisé requis par la platine d’essais et les GPS.



Figure 9 : La structure du menu.



L’organigramme ci-contre représente la structure du menu de la platine d’essais.

En sélectionnant les quatre poussoirs, nous pouvons choisir quelles données, parmi celles reçues par le GPS, nous voulons visualiser. Avec le “firmware” (programme résident en ROM) actuel, il est possible de visualiser sur l’afficheur LCD la latitude, la longitude, la vitesse et le nombre de satellites reçus. En actionnant les poussoirs, il est également possible de choisir si l’on veut visualiser la vitesse en kt (noeud) ou en km/h (kilomètre par heure). De même, il est possible d’aligner l’heure reçue sur notre propre fuseau horaire.

Ces deux derniers paramètres sont sauvegardés dans la mémoire du microcontrôleur de manière à ne pas avoir à répéter l’opération à la prochaine mise en route de l’appareil.



Figure 10 : Les cavaliers sur la carte de base.





Pour pouvoir gérer les deux récepteurs (GPS25 et GPS900) en n’utilisant qu’un seul port du microcontrôleur, nous avons prévu d’utiliser deux cavaliers J1 et J2. J1 permet de relier entre eux les ports RB2 et RB3 : ces ports permettent l’envoi de données de contrôle aux deux récepteurs. J2 permet de relier ensemble les ports RB1 et RB2 de manière à lire avec un seul port les données reçues par l’un ou l’autre GPS.



La réalisation pratique

Comme nous l’avons laissé entendre plus haut, l’appareil est composé de deux cartes juxtaposées dos à dos mécaniquement et reliées électriquement (carte de base et carte afficheur LCD/commandes) et de deux petites cartes de banque de mémoire enfichées verticalement sur la carte principale, ces dernières étant facultatives (figures 1, 6, 18 et 20).

La carte principale (figures 11, 12 et 13) comporte le microcontrôleur, le convertisseur RS232/TTL, les entrées et les sorties. Pour la réaliser, nous avons conçu un circuit imprimé double face à trous métallisés, permettant un haut degré d’intégration, afin que l’appareil puisse garder de petites dimensions.

La carte afficheur LCD/commandes (figures 14, 15 et 16), beaucoup plus simple, accueille l’afficheur LCD, les poussoirs et les LED : le circuit imprimé est un simple face.

Les liaisons électriques entre les deux sont confiées à une barrette tulipe au pas de 2,54 millimètres et, pour la fixation mécanique, nous nous sommes servis de 4 entretoises taraudées (les deux cartes sont en sandwich ou montées dos à dos, si vous préférez : figure 20).

Pour les liaisons avec l’extérieur de l’appareil, c’est-à-dire avec les GPS, on trouve sur la carte principale deux connecteurs (DB9 et PS2) à utiliser avec le SIRF GPS900 et un bornier à 4 pôles pour le GARMIN GPS25. Un autre bornier est utilisé pour le relais et, pour l’alimentation, nous avons utilisé une prise pour circuit imprimé (figure 20). Pour la programmation “incircuit” du microcontrôleur une barrette à 5 pôles est disponible.

La carte de base prévoit en outre la possibilité d’accueillir deux cartes de banque de mémoire pour d’éventuelles applications futures : chacune dispose de 5 broches à enfoncer dans la barrette tulipe correspondante de la carte de base.

Quand le montage de tous les composants sur les deux ou quatre cartes est terminé, il ne vous reste qu’à procéder à la vérification du fonctionnement de la platine d’essais en l’alimentant sous 12 V et en plaçant les cavaliers J1 et J2 comme on l’a dit précédemment et éventuellement en retouchant le trimmer R1 pour régler la luminosité de l’afficheur LCD.



Figure 11 : Schéma d’implantation des composants de la carte de base de la platine d’essais GPS.



La réalisation de la carte de base ne présente pas de difficulté particulière, même s’il s’agit d’un circuit imprimé double face à trous métallisés.



Figure 12 : Photo d’un des prototypes de la carte de base de la platine d’essais GPS.





Figure 13 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés de la carte de base de la platine d’essais GPS. Il pourra être réalisé par la méthode décrite dans le numéro 26 d’ELM. La face composants est marquée C441, la face soudures est marquée S441.



Figure 14 : Schéma d’implantation des composants de la carte afficheur LCD et commandes de la platine d’essais GPS.



Figure 15 : Photo d’un des prototypes de la carte afficheur LCD et commandes de la platine d’essais GPS.



Figure 16 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de la carte afficheur LCD et commandes de la platine d’essais GPS.



Liste des composants

R1 = 10 kΩ trimmer vert.

R2 = 100 Ω

R3 = 47 Ω 2 W

R4 = 4,7 kΩ

R5 = 10 kΩ

R6 = 4,7 kilohms

R7 = 10 kΩ

R8 = 4,7 kΩ

R9 = 10 kΩ

R10 = 470 Ω

R11 = 470 Ω

R12 = 470 Ω

R13 = 470 Ω

R14 = 470 Ω

C1 = 100 nF multicouche

C2 = 100 nF multicouche

C3 = 470 μF 25 V électrolytique

C4 = 2 200 μF 16 V électrolytique

C5 = 100 nF multicouche

C6 = 1 μF 100 V électrolytique

C7 = 1 μF 100 V électrolytique

C8 = 1 μF 100 V électrolytique

C9 = 1 μF 100 V électrolytique

C10 = 1 μF 100 V électrolytique

L1 = 47 μH

D1 = Diode 1N4007

D2 = Diode MBR745

D3 = Diode 1N4007

D4 = Diode 1N4007

U1 = μcontrôleur PIC16F877-MF441

U2 = Intégré MAX232

U3 = Régulateur LM2576-T5

T1 = NPN BC547

T2 = NPN BC547

T3 = NPN BC547

Q1 = Quartz 20 MHz

BZ1 = Buzzer avec électronique

RL1 = Relais min. 12 V 1 RT



Divers :

2 Borniers 2 pôles

1 Connecteur DB9 mâle pour circuit imprimé

1 Connecteur PS2 femelle pour circuit imprimé

1 Support 2 x 20 broches

1 Support 2 x 8 broches

2 Barrettes tulipe 5 pôles femelle

1 Barette tulipe 10 pôles femelle

1 Barrette tulipe 16 pôles femelle

2 Cavaliers pour circuit imprimé

2 Vis 8 mm 3 MA

2 Ecrous 3MA





Figure 17 : Schéma d’implantation des composants d’une des deux cartes banque de mémoire (facultatives, lire texte) de la platine d’essais GPS.



Figure 18 : Photo d’un des prototypes d’une carte banque de mémoire de la platine d’essais GPS.



Figure 19 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés d’une carte banque de mémoire de la platine d’essais GPS. Il pourra être réalisé par la méthode décrite dans le numéro 26 d’ELM. La face composants est marquée C443, la face soudures est marquée S443.



Liste des composants

C11 = 100 μF 25 V électrolytique

C12 = 100 nF multicouche

U4 = Mémoire 24LC256

U5 = Mémoire 24LC256

U6 = Mémoire 24LC256

U7 = Mémoire 24LC256



Divers :

4 Supports 2 x 4 broches

1 Barrette tulipe

5 pôles mâle 90°



Figure 20 : Les deux cartes (de base et afficheur/commandes) assemblées dos à dos à l’aide d’entretoises et reliées électriquement par barrette tulipe. On a mis en évidence les connexions aux deux types de GPS.

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