Un tableau électronique d’affichage des scores "Le panneau d’affichage lumineux"

Dans la première partie nous vous avons invité à construire le pupitre de commande de ce tableau électronique d’affichage des scores. Dans cette seconde et dernière partie nous allons construire avec vous le panneau d’affichage à LED géantes. Nous vous rappelons que la liaison entre les deux peut se faire par câble ou par radio.





Il s’agit en effet d’un système modulaire pouvant facilement être adapté à vos propres exigences.

Pour une utilisation en tableau des scores pour volley-ball, il suffit de quatre chiffres mais, par exemple, pour le basket, six chiffres pourraient s’avérer nécessaires. Aussi, pour satisfaire le plus d’exigences possible, même si le pupitre est prévu pour le pilotage de deux chiffres et demi par équipe, notre panneau lumineux est en mesure de gérer jusqu’à huit chiffres (soit quatre par équipe). Ainsi, lorsqu’un jour ou l’autre l’envie vous prendra de réaliser un pupitre différent et capable de commander davantage de chiffres, vous ne serez pas limité par le panneau lumineux.

Mais revenons maintenant à notre tableau des scores et voyons les raisons qui nous ont conduits à certains choix et comment ceux-ci fonctionnent.







Le schéma électrique

Soyons clairs : le panneau lumineux est constitué d’une platine de contrôle (schéma électrique figure 1) et d’autant de platines afficheur qu’on souhaite de chiffres (schéma électrique de l’afficheur à un chiffre figure 4).

Commençons par le schéma électrique de la platine de contrôle (figure 1) : le microcontrôleur utilisé, un PIC 16F628-EF427, déjà programmé en usine, avec quartz de 20 MHz, s’occupe directement de la gestion des LED indiquant la possession de la balle (la balle est dans quel camp ? voir première partie de l’article) [LD1 et LD2 reliées aux broches 1 et 17] et reçoit en entrée, par la broche 2 (RA3), le flux de données provenant du pupitre de commande. La résistance R5 est nécessaire pour éviter d’éventuels dommages causés par des courts-circuits, toujours à craindre lors de l’insertion ou de l’extraction du jack de liaison portant, outre les données, l’alimentation de la platine.

Le rôle du microcontrôleur est d’interpréter le flux reçu, d’en contrôler l’exactitude en fonction du protocole de communication propriétaire (là encore, voir la première partie de l’article) et d’extraire les données présentes. Celles-ci sont ensuite utilisées pour gérer les deux LED connectées directement au microcontrôleur et pour visualiser les bons chiffres sur les platines afficheur.

Le microcontrôleur doit, par conséquent, convertir les données reçues, en commandes capables de piloter le PCF8574 présent sur chaque platine à un chiffre et de les envoyer (par le bus I2C constitué des données SDA et de l’horloge SCL) aux platines afficheur. A celles-ci arrivent, en outre, la masse et le positif d’alimentation, nécessaires au fonctionnement du PCF8574 (+5 V) et des LED (+12 V). Chaque platine afficheur dispose, par conséquent, d’un PCF8574 ou PCF8574A, nécessaire pour piloter les segments des afficheurs géants réalisés en plaçant quatre LED à haute luminosité de 10 millimètres pour chaque segment, de manière à former le chiffre 8. Ce circuit intégré n’est autre qu’un expanseur de I/O commandé par bus I2C permettant, par deux fils, de piloter huit lignes de sortie. La possibilité d’utiliser indifféremment le PCF8574 ou le PCF8574A est due à un dispositif logiciel présent dans le microcontrôleur : la seule différence notable entre les deux tient à l’adressage du dispositif. Pour le PCF8574 c’est le “header” (en-tête) 0100 qui est utilisé, alors que pour le PCF8574A c’est le 0111. Le microcontrôleur de la platine de contrôle, afin de contourner le problème, envoie deux flux égaux mais avec des en-tête différents.

Ainsi, chaque PCF reçoit le flux qui lui convient (et il est par conséquent possible de monter dans le même panneau des PCF différents).

Si nous jetons un coup d’oeil sur le schéma électrique de l’afficheur (figure 4), nous voyons que les huit sorties de U1 sont connectées à autant de transistors NPN lesquels, recevant le niveau logique haut (1) sur leur base, ferment le collecteur à la masse, ce qui permet à la file des LED associée de s’allumer. Les broches 1, 2 et 3 correspondent à l’adresse identifiant le chiffre : dans la réalisation pratique on a prévu un dip-switchs à quatre microinterrupteurs permettant de fermer à la masse (ON) ou de laisser au +5 V (à travers les résistances de “pull-up” R1, R2 et R3) ces entrées.

La convention utilisée par le microcontrôleur pour gérer les chiffres, prévoit un code de type binaire pour l’identification des chiffres. Ainsi, pour indiquer le premier chiffre, celui des unités, de l’équipe A, on utilise le code 000 (ON ON ON), pour indiquer le second chiffre, celui des dizaines, de la même équipe, le code 001, pour le troisième, celui des centaines, 010 et pour le quatrième, celui des milliers, 011. Quant à l’équipe B, le premier code (unité) sera 100, le second (dizaines) 101, le troisième (centaines) 110 et le dernier (milliers) 111 (voir Tableau 1).

Une autre remarque importante, à propos du schéma électrique de l’afficheur, a trait aux résistances R4, R7, R10, R13, R16, R19, R22 et R25 : elles déterminent la luminosité des LED et sont dimensionnées en conséquence.

Les valeurs utilisées dans notre montage ont été calculées pour bénéficier de manière optimale des LED employées.



Figure 1 : Schéma électrique de la platine de contrôle du panneau lumineux.



Figure 2 : Le pupitre de commande décrit dans la première partie de l’article.



L’utilisation du pupitre de contrôle peut se résumer en quelques mots : tout d’abord, il faut déterminer dans quel camp est la balle (possession de la balle) en pressant le poussoir TEAM A ou TEAM B. Ceci fait, les poussoirs UP et DOWN feront varier le décompte des points de l’équipe sélectionnée. Pour indiquer une manche (“set”) gagnée, il est nécessaire de maintenir pressée la touche TEAM A (ou TEAM B selon l’équipe vainqueur de la manche) et presser la touche UP. Ainsi s’allumera sur le pupitre le point décimal de l’afficheur de l’équipe A (ou B) et sur le panneau lumineux s’allumera la LED correspondant à la manche de l’équipe A. Pour remettre à zéro les points des deux équipes, il suffit de presser TEAM A + DOWN et TEAM B + DOWN. TEAM A + TEAM B produit une remise à zéro générale.





Figure 3 : Le protocole du PCF8574. Voici le détail de la différence d’adressage entre le PCF8574 et le PCF8574A.



Figure 4 : Schéma électrique d’une platine afficheur (un chiffre) du panneau lumineux qui en comporte au minimum quatre.



Figure 5 : Schéma d’implantation des composants de la platine de contrôle du panneau lumineux.



Liste des composants de la platine de contrôle

R1 = 330 Ω

R2 = 330 Ω

R3 = 4,7 kΩ

R4 = 4,7 kΩ

R5 = 10 kΩ

R6 = 4,7 kΩ

C1 = 100 nF multicouche

C2 = 470 μF 25 V électrolytique

C3 = 470 μF 25 V électrolytique

C4 = 100 nF multicouche

D1 = Diode 1N4007

LD1 = LED verte 10 mm

LD2 = LED verte 10 mm

U1 = μContrôleur PIC16F628-EF427

U2 = Régulateur 7805

Q1 = Quartz 20 MHz



Divers :

1 Support 2 x 9 broches

1 Prise pour jack stéréo pour ci, Ø 6,35 mm

4 Vis 10 mm 3MA

4 Ecrous 3MA





Figure 6 : Schéma d’implantation des composants d’une platine afficheur du panneau.



Liste des composants pour une platine afficheur

R1 = 10 kΩ

R2 = 10 kΩ

R3 = 10 kΩ

R4 = 680 Ω

R5 = 4,7 kΩ

R6 = 10 kΩ

R7 = 100 Ω

R8 = 4,7 kΩ

R9 = 10 kΩ

R10 = 100 Ω

R11 = 4,7 kΩ

R12 = 10 kΩ

R13 = 100 Ω

R14 = 4,7 kΩ

R15 = 10 kΩ

R16 = 100 Ω

R17 = 4,7 kΩ

R18 = 10 kΩ

R19 = 100 Ω

R20 = 4,7 kΩ

R21 = 10 kΩ

R22 = 100 Ω

R23 = 4,7 kΩ

R24 = 10 kΩ

R25 = 100 Ω

R26 = 4,7 kΩ

R27 = 10 kΩ

T1 = NPN BC547

T2 = NPN BC547

T3 = NPN BC547

T4 = NPN BC547

T5 = NPN BC547

T6 = NPN BC547

T7 = NPN BC547

T8 = NPN BC547

LD1/LD29 = LED rouge haute luminosité 10 mm

U1 = Intégré PCF8574A ou PCF8574

DS1 = micro-interrupteur 4 voies



Divers :

1 Support 2 x 8 broches





Figure 7 : Photo d’un des prototypes du panneau lumineux avec, au centre, la platine de contrôle et, de chaque côté, deux platines afficheur à un chiffre, ce qui fait quatre platines et quatre chiffres. En médaillons grossissants on a mis en évidence les micro-interrupteurs à quatre voies (voir Tableau 1).



Même si au volley-ball deux chiffres pour chaque équipe suffisent, chaque panneau lumineux peut comporter huit chiffres au maximum car l’adressage de chaque chiffre est effectué par la combinaison de 3 micro-interrupteurs (le micro-interrupteur 1 n’est pas utilisé). La figure 7 montre la configuration standard pour réaliser le tableau des scores pour volley-ball et le Tableau ci-dessus indique toutes les combinaisons pour adresser les chiffres disponibles.

Comme les micro-interrupteurs sont paramétrés seulement au moment de l’installation, il est possible de les remplacer par des “straps” fermant les contacts correspondant à la position ON.



Tableau 1 : Le paramétrage des micro-interrupteurs (lire aussi le texte de l’article).



Figure 8 : Dessins, à l’échelle 1, des circuits imprimés du panneau lumineux.

A gauche : le circuit imprimé de la platine de contrôle. A droite : le circuit imprimé d’un afficheur (un chiffre).




Figure 9 : Les LED utilisées.



Les LED utilisées dans notre montage ont été choisies après de multiples essais et le meilleur résultat a été obtenu en prenant des LED de 10 millimètres rouges à haute luminosité (500 mcd à 20 mA) et à ouverture angulaire de 60°. Ce choix garantit, ainsi que l’adoption d’un plexiglas rouge, une visibilité optimale sous n’importe quel angle.









Figure 10 : Réalisation et montage dans le boîtier du panneau lumineux.



La construction du panneau d’affichage se divise en trois phases principales : le montage des diverses platines, leur assemblage et la construction du boîtier. Pour ce qui est du câblage des platines, il suffit de monter tous les composants (sans oublier les “straps”, lire l’article) et d’effectuer les soudures avec soin. L’assemblage des chiffres (quatre ici) doit être réalisé en plaçant côte à côte les platines et en soudant avec un gros fer à souder les pastilles de connexion comme le montrent les photos. Pour la réalisation du boîtier, nous vous conseillons d’utiliser un fond en compensé ou contre-plaqué, des cornières de bois ou de plastique coupées à onglets (à 45°) et une feuille de plexiglas rouge (nécessaire pour augmenter le contraste des LED) constituant un couvercle translucide.





Figure 11 : Schémas électriques de la liaison radio. En haut, le schéma électrique de l’émetteur ; en bas, celui du récepteur.



Figure 12 : La liaison par câble. En haut : le panneau d’affichage lumineux. En bas, à droite, la console de commande.



Outre la liaison radio, il est possible de relier le pupitre de commande et le panneau lumineux par un câble à deux conducteurs avec blindage, comme celui utilisé avec les micros symétriques : la section des conducteurs doit être de 0,75 mm. La longueur du câble ne doit pas excéder 10 m.



Figure 13 : Schéma d’implantation des composants de l’émetteur de la liaison radio.



Figure 14 : Photo d’un des prototypes de l’émetteur de la liaison radio.



Figure 15 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de l’émetteur de la liaison radio.



Liste des composants de l’émetteur liaison radio

R1 = 10 kΩ

C1 = 100 nF multicouche

C2 = 10 μF 63 V électrolytique

D1 = Diode 1N4007

U1 = Module hybride TX8LAVSA05

U2 = Régulateur 7805



Divers :

1 Jack stéréo 6,35 mm

2 Vis autotaraudeuses 3MA

1 Vis 8 mm 3 MA

1 Ecrou 3 MA

1 Coupe de fil de 8 cm

1 Nappe à 3 fils de 5 cm

1 Boîtier plastique SC/703





Figure 16 : Schéma d’implantation des composants du récepteur de la liaison radio.



Figure 17 : Photo d’un des prototypes du récepteur de la liaison radio.



Figure 18 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du récepteur de la liaison radio.



Liste des composants du récepteur liaison radio

R1 = 10 kΩ

C1 = 100 nF mulicouche

C2 = 10 μF 63 V électrolytique

D1 = Diode 1N4007

U1 = Module hybride RX8L50SA70SF

U2 = Intégré 7805



Divers :

1 Jack stéréo 6,35 mm

2 Vis autotaraudeuses 3MA

1 Vis 8 mm 3MA

1 Ecrou 3MA

1 Coupe de fil de 8 cm

1 Nappe à 3 fils de 5 cm

1 Boîtier plastique SC/703





Figure 19 : Le raccordement du jack 6,35 mm sur l’émetteur et sur le récepteur.



Figure 20 : Mise en place du panneau lumineux dans le gymnase.



Bien que le panneau, grâce à l’utilisation du plexiglas rouge, offre un contraste optimal et soit bien visible sous n’importe quel angle, il est tout de même important de le placer de telle manière que les rayons du soleil passant par les fenêtres du gymnase ne rendent sa lecture impossible.

Avec une lumière artificielle il n’y a, en effet, aucun problème de ce type à redouter, mais si le panneau était utilisé en plein jour et s’il était placé de manière incorrecte, il pourrait être moins visible. Dans un très petit gymnase, le panneau peut être relié par câble et placé sur la table ou la tribune du responsable des scores. Dans le cas d’une installation fixe, en revanche, il serait judicieux de le protéger des jets de balle par une grille à larges mailles. Mieux vaut en effet que l’expression “pulvériser les scores” reste une métaphore !



La réalisation pratique

Eh bien, puisque nous avons étudié le circuit, nous pouvons maintenant nous consacrer à la réalisation pratique de ce panneau lumineux, c’est-à-dire de ses différentes platines : une platine de contrôle et au moins quatre platines afficheur (jusqu’à huit).

Partons, bien sûr, des circuits imprimés, facilement réalisables par la méthode décrite dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?" : on trouvera figure 8, à gauche, la de contrôle et, à droite, platine afficheur à un chiffre). Tous deux sont à l’échelle 1, bien entendu.

Quand vous vous êtes procuré les circuits imprimés ou que vous les avez vous-même gravés et percés, montez les composants en commençant par ceux ayant le profil le plus bas : comme d’habitude, respectez le sens des composants polarisés (diodes, LED, transistors, circuits intégrés montés sur supports, régulateurs, condensateurs électrolytiques, dip-switchs, etc.) en vous aidant des schémas d’implantation (figures 5, 6) et de la photo du prototype (figure 7).

Pour les LED à haute luminosité, le méplat repère-détrompeur coïncide avec la patte la plus courte, la cathode – (figure 9). Elles doivent, de plus, être enfoncées à fond dans les trous du circuit imprimé et donc être toutes au même niveau.

N’oubliez pas les “straps” sur les platines afficheur (sous la LD24, à gauche de LD29 et à droite de LD6).

Après toutes les soudures, introduisez avec soin les circuits intégrés dans les supports : microcontrôleur et PCF.

Vous pouvez alors assembler les platines (la platine de contrôle et les 4, au moins, platines afficheur), comme le montrent les figures 7 et 10 et constituer le panneau lumineux : chaque platine afficheur est dotée de pastilles latérales servant aux connexions entre platines. Placez deux platines côte à côte et, en utilisant une grosse panne et un fer à souder de 50 watts au moins, soudez avec beaucoup de tinol de diamètre 1 millimètre les points de connexion. Les pastilles situées au bord supérieur des platines ne sont pas vraiment des connexions électriques, elles servent plutôt à donner de la rigidité au panneau.



Le câble de liaison

Quand vous avez créé le tableau lumineux en solidarisant quatre platines afficheur avec la platine de contrôle au centre et que vous avez paramétré les micro-interrupteurs de manière à donner l’adresse exacte à chaque platine (figure 7), vous pouvez réaliser le câble de liaison entre le pupitre de commande et le tableau lumineux (sauf si vous avez choisi la liaison radio, dans ce cas, reportez-vous à la rubrique afférente) et procéder aux essais.

Pour fabriquer la liaison filaire, un câble à deux conducteurs (plus la tresse de masse) et deux jacks 6,35 millimètres suffisent : le fil de masse (la tresse de blindage d’un câble à deux conducteurs de type audio pour micro symétrique) est à connecter à la cosse correspondant à la partie la plus longue du cylindre métallique et la plus proche du cache du jack (en bleu foncé, GND, figure 19), l’un des deux fils au centre (+12 V, en rouge, figure 19) et l’autre au troisième point (DATA, en vert, figure 19). Bien sûr, maintenez la même convention pour les deux jacks.

Quand le câble est réalisé, vous pouvez relier le pupitre et le panneau, alimenter le pupitre et essayer l’ensemble. Tout devrait fonctionner impeccablement du premier coup : le pupitre doit effectuer son test de mise en route. De même pour le panneau. Quand tout est au repos, essayez d’utiliser le pupitre comme expliqué dans la première partie de l’article… et toutes les opérations visualisées jusqu’alors seulement sur l’afficheur du pupitre le seront en grand sur le panneau lumineux.



Le montage dans le boîtier

Pour profiter de manière optimale de votre tableau des scores et pour le rendre encore plus “professionnel”, il est nécessaire de construire un boîtier adapté. Il vous suffira de prendre un fond en compensé ou contre-plaqué (pas trop épais à cause du poids mais tout de même assez pour qu’il soit rigide), des cornières de bois ou de plastique coupées à onglets (avec une scie à onglets, elle aussi, comme en utilisent les encadreurs, justement) et une feuille de plexiglas rouge. Le plexiglas rouge augmentera le contraste et l’éclat des segments constitués par les LED à haute luminosité… et protègera le montage de la poussière et de l’humidité.

N’oubliez pas le passage du jack dans la partie supérieure (figure 20) et, si vous choisissez cette solution, du petit boîtier radio (le récepteur) que nous allons maintenant présenter.



La liaison radio

En effet, nous disposons à présent d’un tableau des scores complet contrôlé par câble. Mais notre système prévoit, en outre, une liaison sans fil radio. Il suffit de substituer au câble de liaison, les deux modules d’émission et de réception radio des données.



Les schémas électriques du TX et du RX

Regardons les schémas électriques des deux modules, figure 11 : l’émetteur reçoit directement l’alimentation du pupitre de commande alors que le récepteur a besoin, lui, d’une alimentation externe 12 volts. Et ce, parce que le panneau lumineux, auquel le récepteur est connecté, ne dispose d’aucune alimentation (dans la version câble, il est alimenté via ce dernier par le pupitre).

Il la reçoit par le jack de liaison et, par conséquent, l’alimentation fournie au module de réception radio servira aussi à alimenter le panneau lumineux.

L’alimentation doit donc être en mesure de fournir un courant assez élevé (au moins 1,5 ampère).

Les résistances R1 reliées entre l’entrée (ou sortie) du module radio et le jack, ont pour rôle, là encore, de protéger l’électronique contre les risques de courts-circuits pendant l’insertion ou l’extraction dudit jack.

Les modules radio utilisés sont tous deux des AUREL, un TX8LAVSA05 et un RX8L50SA70SF. Ce sont des modules AM travaillant sur 868 MHz, garantissant un haut niveau de fiabilité et une portée de 50 à 100 mètres au moins, ce qui est plus que suffisant pour une installation dans tout gymnase.



La réalisation pratique de la liaison radio

Elle ne présente pas non plus de difficulté particulière. Procurez-vous ou réalisez les deux circuits imprimés dont la figure 15 (pour le récepteur) et la figure 18 (pour l’émetteur) donnent les dessins à l’échelle 1. On pourra les réaliser par la méthode décrite dans l'article : "Comment fabriquer vos circuits imprimés facilement ?".

Montez sur les deux circuits imprimés les quelques composants externes et les modules (attention à l’orientation des composants polarisés : diodes, régulateurs et condensateurs électrolytiques) en vous aidant des figures 13, 14, 16 et 17.

Comme antenne, il suffit d’utiliser un morceau de fil de cuivre émaillé de 8,5 centimètres de longueur environ (dont on aura débarrassé l’extrémité à souder de son émail avec une lame de couteau et de la toile émeri).



Le montage du TX et du RX dans leur boîtier

Les jacks sont à fixer au boîtier plastique (modèle TEKO SC704) et à relier au circuit imprimé par deux morceaux de fil en respectant les inscriptions visibles figures 13 et 16. Prévoyez, dans le boîtier du récepteur, un trou pour la prise d’alimentation. Fixez les platines par les trous ménagés dans les circuits imprimés et fermez les boîtiers.

Vous pouvez alors substituer les modules au câble : reliez l’émetteur au pupitre et le récepteur au panneau (attention de ne pas les intervertir !) et alimentez ce dernier. Votre tableau des scores fonctionne parfaitement sans fil. Ce type de liaison permet d’installer le panneau lumineux sans avoir à tirer un câble entre pupitre et panneau. En outre, le système est ainsi aisément transportable et extensible. En effet, si l’on monte plusieurs panneaux radio, il est possible, avec un seul pupitre, de commander plusieurs points de visualisation en même temps. Cela est possible grâce au fait que l’émission est monodirectionnelle et qu’elle n’attend aucune réponse de la part du panneau : par conséquent, le signal émis par le pupitre est capté par tout récepteur calé sur la même fréquence dans l’aire de couverture de l’émetteur. Le seul inconvénient de la liaison radio consiste dans les éventuelles perturbations HF environnantes : c’est pourquoi nous avons choisi la fréquence de 868 MHz car, ayant été autorisée au public depuis peu, elle est n’est pas encore encombrée (ce qui n’est pas le cas de la fréquence 433 MHz).

Si vous aviez tout de même des difficultés de liaison, vous pourriez rapprocher le pupitre de commande du panneau lumineux ou encore optimiser les antennes, quitte à monter des directives (à 868 MHz, elles ne sont pas bien grandes !).

Quant à l’installation dans le gymnase (figure 20), nous vous conseillons d’effectuer plusieurs essais de manière à trouver la position la plus adaptée pour le panneau : il doit être installé dans un endroit bien visible par le public comme par les joueurs et, si possible, à l’abri des tirs de balles. Si une installation “à risque” ne peut être évitée, prévoyez une grille métallique à mailles larges. Lorsque le lieu d’installation optimal est trouvé, prévoyez les liaisons par câble ou par radio, allumez le système et… bon match.



Fin.


La console de commande

Un tableau électronique d’affichage des scores "La console de commande"

De nombreux clubs sportifs nous ont demandé s’il était possible de réaliser un tableau électronique d’affichage des scores simple et portatif. Voici le résultat de nos élucubrations. Étudié dans ses moindres détails, ce système d’affichage en deux éléments permet de visualiser les points, le service de la balle et le nombre de sets gagnés.

Grâce à la possibilité de relier la console de commande au tableau d’affichage par voie radio, l’ensemble peut être installé rapidement sans aucun problème dans tous les gymnases ou sur tous les terrains de sport, pour peu que l’afficheur soit à l’abri des intempéries (et encore, il peut être placé dans un sur coffret étanche en plexiglas).





Il est certainement arrivé à de nombreux passionnés de volley-ball, ou de sport en général, d’avoir suivi une partie importante, dans un petit club, et d’être resté le souffle suspendu jusqu’au dernier point décisif pour l’équipe qu’ils étaient venu encourager, faute d’un affichage correct.

Contrairement aux autres sports de balle, et il partage cela avec le tennis, au volley-ball, seul le score détermine la fin du match et donne la victoire à l’une des deux équipes.











Notre montage

Le tableau électronique d’affichage des scores décrit dans cet article a été développé, d’abord, pour une utilisation en volley-ball mais, comme nous le verrons plus loin, rien n’empêche de l’exploiter aussi au tennis, au basket, au football, aux boules, au billard et nous en passons ! Précisons, avant tout, que le tableau d’affichage proposé ici se subdivise en deux parties principales et qu’il est complètement modulaire.

Dans cette première partie, nous examinerons et réaliserons la console de commande constituant la base de tout le projet. Il s’agit d’un boîtier en forme de pupitre (figures 5, 8 et 9) mettant à la disposition de l’utilisateur les poussoirs de commande, les afficheurs à LED et les LED de visualisation. En fait, tout ce qu’il faut pour gérer le tableau électronique d’affichage des scores.

Voyons maintenant, en détail, les tâches que doit accomplir notre tableau des scores pour volley-ball. Il doit indiquer :

- le nombre de points marqués par chacune des deux équipes,

- le nombre de sets gagnés par chaque équipe et

- quelle équipe a la balle dans son camp, (le reste sera le souci des joueurs, des supporteurs et… de l’arbitre !).

Afin de pouvoir gérer au mieux toutes les fonctions nécessaires, 4 poussoirs, 2 LED et 6 afficheurs à 7 segments ont été prévus. Pour être tout à fait exacts, 4 afficheurs seulement sont utilisés en totalité et deux autres, représentant la centaine, ne peuvent afficher que des 1 (c’est-à-dire deux segments) : ce qui fait deux chiffres et demi, soit la possibilité d’inscrire jusqu’à 199 points. D’ailleurs, si l’on pense utiliser l’appareil pour le volley-ball exclusivement, inutile de monter l’afficheur de centaine car, dans ce sport, les sets se terminent à 25 points ! Mais pour d’autres disciplines, comme le basket par exemple, le chiffre des cent peut servir.



Le décompte des points au volley

Au volley-ball, une partie se termine quand une équipe gagne trois “sets” ou manches. Un set (sauf le cinquième qui est décisif) est gagné par l’équipe qui, la première, obtient 25 points avec un écart d’au moins deux points.

Dans le cas d’un score de 24 partout, le jeu continue jusqu’à l’obtention par une équipe, d’un écart supérieur de deux points au moins (26, 27, 28…) : et cette équipe emporte le set, bien entendu. Le cinquième set (joué seulement en cas d’ex-aequo de sets, soit 2 à 2) est joué à 15 points avec un écart de deux points au moins (15 à 13, 16 à 14…). Chaque fois que la balle tombe à terre, quand une équipe commet une faute ou quand elle reçoit une pénalité de la part de l’arbitre, un point est marqué. Alors, bien sûr, le tableau des scores pour volley-ball doit pouvoir signaler le score en points du set, le nombre de sets gagnés par chaque équipe et dans quel camp est la balle.

Notre dispositif, réalisé essentiellement dans ce but, ne néglige rien : toutes les informations nécessaires sont visualisées sur le pupitre de contrôle comme sur le panneau lumineux électronique d’affichage. Voyons-en de plus près le fonctionnement interne.



Le schéma électrique

Le schéma électrique de la partie qui nous intéresse dans cet article (le pupitre de contrôle ou console de commande) est donné à la figure 1. Nous voyons que toutes les opérations sont confiées au programme EF426, porté par un PIC16F628 de chez Microchip, déjà programmé en usine. Ce microcontrôleur travaille à la fréquence de 20 MHz, dispose de 2 kilo-octets de mémoire programme et de 16 ports d’entrées/sorties (E/S ou I/O).

Le microcontrôleur devant piloter 4 poussoirs, 2 LED et les afficheurs à 7 segments, il a fallu, par la force des choses, lui adjoindre un MM5450.

Ce circuit intégré est un pilote d’afficheur capable de gérer jusqu’à 4 afficheurs à 7 segments en utilisant les données provenant d’une ligne sérielle à 2 fils simplement, pilotée par le microcontrôleur.

Les deux segments de centaine (en parallèle entre eux pour les deux équipes) sont contrôlés directement par le microcontrôleur au moyen des ports RA0 et RA2, à travers les résistances R7 et R6. Ces résistances déterminent la luminosité des chiffres de centaine (des 1) et elles sont dimensionnées de manière à ce que, une fois allumés, ces chiffres aient la même luminosité que les autres. La luminosité des quatre afficheurs à 7 segments est réglée, en revanche, par le trimmer R1 connecté entre la VDD (broche 20) et le signal “BRIGHT” (broche 19) du MM5450. L’idéal, par conséquent, pour rendre uniforme la luminosité des chiffres, est d’utiliser pour R6 et R7 des résistances de 470 ohms et de régler le trimmer jusqu’à l’obtention du résultat souhaité.



Les poussoirs

Comme nous pouvons le voir sur le schéma, le microcontrôleur, en dehors du pilotage direct des chiffres de centaine, gère les LED, indiquant dans quel camp est la balle (LD1 et LD2) au moyen des ports RA1 et RA3 et les quatre poussoirs (P1 à P4) au moyen des entrées RB1, RB2, RB0 et RB3.

Ces poussoirs, une fois pressés, mettent à la masse le potentiel de la broche à laquelle ils sont reliés et, par conséquent, ils indiquent leur état au microcontrôleur. Ce dernier, utilisant les résistances de “pull-up” internes, reconnaît normalement au niveau logique haut (1) ses broches d’entrée (RB0 à RB3).

A la gestion des poussoirs est confié tout le fonctionnement de l’unité de contrôle : ils servent à la mise à jour de l’état des afficheurs, des sets remportés et de la possession de la balle. En appuyant sur P1 ou P2 (correspondant à TEAM A et TEAM B) on attribue la balle à l’équipe A ou à l’équipe B. Les poussoirs P3 et P4 (UP et DOWN) permettent de modifier le score de l’équipe qui, actuellement, est indiquée par LED comme étant en possession de la balle.

Par conséquent, si la LED indique l’équipe A, toutes les variations seront effectuées sur la première équipe ; si la LED allumée indique l’équipe B, toutes les actions effectuées par les poussoirs P3 et P4 se référeront à la seconde équipe.

Outre la modification des scores, les poussoirs P3 et P4 servent à la mise à jour du compte des sets gagnés par chaque équipe et pour la remise à zéro des scores. Ces fonctionnalités sont activées en pressant les touches UP ou DOWN et en maintenant appuyé le poussoir de l’équipe sur laquelle on veut agir. Par conséquent, si nous voulons attribuer un set à l’équipe A, nous devons maintenir appuyé le poussoir P1 (TEAM A) et presser P3 (UP).

Cette séquence de touches attribue un set à l’équipe A de manière cyclique, passant de 0 set gagné à 1, de 1 à 2 et de 2 à 0. Si nous tenons pressé P2 (TEAM B) les mêmes opérations sont effectuées sur l’afficheur correspondant à l’équipe B. Si le poussoir P4 (DOWN) est pressé en même temps qu’un poussoir correspondant à une équipe, le score de cette équipe est remis à zéro. Si nous pressons P1 (TEAM A) et P4 (DOWN) le score (et non les sets gagnés) de l’équipe A sera remis à zéro. Si nous pressons P2 et P4, le score remis à zéro sera celui de l’équipe B.

Mais voyons maintenant comment on envoie les données au panneau d’affichage électronique suspendu dans le gymnase et destiné au public.

Ce panneau d’affichage à LED à haute luminosité sera décrit en détail dans la seconde partie.



La connexion au tableau électronique d’affichage des résultats

La connexion au tableau d’affichage lumineux mérite un regard un peu appuyé (lui aussi !). Le schéma électrique nous montre que la ligne RB4 du microcontrôleur correspond au signal DATA OUT allant au jack stéréo. La résistance en série est nécessaire : elle constitue une protection dans le cas où, quand on enfonce le jack, le contact DATA OUT se trouverait en court-circuit avec le +12 V, ce qui serait dommageable au port du microcontrôleur.

L’intérêt de ce type de connexion est qu’elle peut être établie aussi bien par câble que par radio. En effet, si l’on connecte au jack une interface d’émission de données par radio, il est possible d’envoyer à une platine de réception le signal qui, en cas de connexion directe, est envoyé par câble. Ce procédé permet de réaliser le tableau électronique d’affichage des scores dans sa version de base en réduisant le coût de réalisation (liaison par câble) mais en ayant ensuite la possibilité, si on le veut, sans aucune modification de la console, d’ajouter l’interface radio que vous découvrirez dans un prochain article et d’obtenir ainsi le système complet constitué d’une unité émettrice (la console de commande) et l’unité réceptrice (le panneau lumineux).

Dans notre système, grâce à un protocole d’émission propriétaire à haut nouveau de sécurité (voir figure 8) utilisant une émission unidirectionnelle, le signal radio peut être capté par autant de panneaux lumineux que nous voulons, puisque ceux-ci n’ont aucune réponse à donner à l’unité de base.

Maintenant que les caractéristiques de la console de commande du tableau d’affichage des scores ont été éclaircies, nous pouvons passer à la description de la construction.



Figure 1 : Schéma électrique de la console de commande du panneau d’affichage du tableau électronique d’affichage des scores.



















Figure 2 : Schéma d’implantation des composants de la console de commande.



Sur la face “composants” seront placés les circuits intégrés, le régulateur de tension, la diode, les résistances, les condensateurs, le trimmer, le quartz et les connecteurs. Ne pas oublier de souder les composants sur les deux faces (ces composants ont un fond jaune).

Sur la face “afficheurs” du circuit imprimé double face, on disposera les afficheurs à 7 segments, les poussoirs et les diodes LED. Si vous réalisez vous-même le circuit imprimé, n’oubliez pas de faire les interconnexions entre les deux faces à l’aide de petits morceaux de queues de composants (ces composants sont en pointillé).



Figure 3a : Photo de la face “composants” d’un des prototypes de la console de commande.



Figure 3b : Photo de la face “afficheurs” du même prototype.



Figure 4a : Dessin, à l’échelle 1, du côté “composants” du circuit imprimé double face de la console de commande.



Figure 4b : Dessin, à l’échelle 1, du côté “afficheurs” du même circuit imprimé double face.



Liste des composants de la console

R1 = 10 kΩ trimmer horiz.

R2 = 10 kΩ

R3 = 4,7 kΩ

R4 = 470 Ω

R5 = 470 Ω

R5 = 470 Ω

R6 = 470 Ω

R7 = 470 Ω

R8 = 4,7 kΩ

C1 = 100 nF multicouche

C2 = 470 μF 25 V électrolytique

C3 = 470 μF 25 V électrolytique

C4 = 100 nF multicouche

D1 = Diode 1N4007

LD1 = LED rouge 5 mm

LD2 = LED rouge 5 mm

U1 = μContrôleur PIC16F628-EF426

U2 = Driver MM5450N

U3 = Régulateur 7805

Q1 = Quartz 20 MHz

DIS1 = Afficheur 7 seg. A. C.

DIS2 = Afficheur 7 seg. A. C.

DIS3 = Afficheur 7 seg. A. C.

DIS4 = Afficheur 7 seg. A. C.

DIS5 = Afficheur 7 seg. A. C.

DIS6 = Afficheur 7 seg. A. C.

P1 = poussoirs pour c. i. N.O.

P2 = poussoirs pour c. i. N.O.

P3 = poussoirs pour c. i. N.O.

P4 = poussoirs pour c. i. N.O.



Divers :

2 Barrettes “tulipe” sécables à 20 broches

2 Barrettes “tulipe” sécables à 9 broches

12 Barrettes “tulipe” sécables à 5 broches femelles

1 Plug d’alimentation

1 Prise jack stéréo 6,3 mm pour circuit imprimé

1 Dissipateur ML26

1 Vis 10 mm 3MA

4 Vis 5 mm 3MA

4 Entretoises filetées 8 mm 3MA avec leurs écrous

5 Ecrous 3MA

1 Boîtier TEKO PULT363





Figure 5 : Comment utiliser la console de commande.



La console de commande permet de changer le score des points, le nombre de manches (“sets”) gagnées pour chaque équipe et le camp dans lequel se trouve la balle. Pour modifier cette dernière indication (par des LED marquées “BALL”), il suffit de presser le poussoir “TEAM A” ou “TEAM B”, selon l’équipe en possession de la balle. La LED d’indication de possession de balle signale, en outre, sur quelle équipe agiront les poussoirs “UP” et “DOWN”.

En effet, si l’équipe A est en possession de la balle et qu’elle gagne un point, il suffira de presser la touche “UP” pour voir augmenter de 1 le nombre de points de l’équipe A.

Si, en revanche, A possède la balle et que B marque 1 point, il faudra d’abord changer la possession de la balle (presser par conséquent la touche “TEAM B”) et ensuite attribuer le point à l’équipe B en pressant “UP”.

En effet, maintenant c’est l’équipe B qui possède la balle et par conséquent les poussoirs “UP” et “DOWN” agiront sur le décompte des points de l’équipe B. Bien sûr, le poussoir “DOWN” sert à corriger d’éventuelles erreurs commises par l’appareil… ou la personne qui s’en sert !

Supposons maintenant que l’équipe A atteigne les 25 points fatidiques (en assurant deux points d’écart par rapport au score de l’équipe B) et gagne donc la manche (“set”) : pour indiquer sur le panneau lumineux du gymnase le set remporté, il est nécessaire de tenir appuyée la touche “TEAM A” tout en pressant la touche “UP”. De cette manière, la console affichera le point décimal du premier afficheur de l’équipe A et sur le panneau lumineux la LED correspondant au premier set de l’équipe A s’allumera.

Pour remettre à zéro les points des deux équipes (puisqu’on vient de terminer un set), il faut presser “TEAM A” + “DOWN” et “TEAM B” + “DOWN”. Au début de la nouvelle manche (“set”), il suffit d’attribuer la possession de la balle à l’équipe ayant perdu le set précédent et marquer les points comme on l’a vu ci-dessus. Quand la manche est terminée, on doit presser “TEAM A” (ou “TEAM B”) + “UP” pour attribuer le set et “TEAM A” + “DOWN” et “TEAM B” + “DOWN” pour remettre à zéro les scores de points. Et ainsi de suite jusqu’à la fin de la partie.









Figure 6 : Le protocole de communication



Pour envoyer les données à visualiser au panneau lumineux, la console utilise un protocole d’émission propriétaire atteignant un degré de sécurité très élevé, aussi bien par câble que par radio. Des caractères de synchronisme (U), sans cesse contrôlés par l’unité réceptrice, sont envoyés à intervalles prédéterminés, dans le flux de commande. En outre, pour augmenter la sécurité, un caractère de contrôle est envoyé à la fin du flux (“checksum” ou somme de contrôle).

Le flux complet permet de régler chaque caractère de l’afficheur en envoyant les valeurs des unités, des dizaines et de la centaine de chaque équipe : Si, par exemple, nous devons visualiser le score 21 pour l’équipe A, il suffit d’envoyer, en correspondance avec la cellule “Unités S1” et “Dizaines S1” les caractères “1” (code ASCII = 49) et “2” (code ASCII = 50).

Si, outre le décompte des points, nous devons signaler un set gagné, soit allumer la LED située sous un chiffre, nous devons, pour le chiffre en question, ajouter 10 au code ASCII du caractère à visualiser : Si, par conséquent, dans l’exemple précédent, l’équipe A, en plus d’avoir 21 points dans le set actuel, a déjà gagné un set, il suffit d’envoyer le caractère “2” comme “Dizaines S1” et le caractère “;” (code ASCII = 49 + 10) pour les unités.

Dans le flux de communication sont également prévues des commandes macro servant à remettre à zéro tout le panneau lumineux (“Clear” = éteindre toutes les LED) ou pour l’allumer complètement (“Set” = allumer toutes les LED). Dans la suite de cet article, nous entrerons davantage dans les détails concernant le protocole d’émission car tout est géré de façon entièrement automatique par les microcontrôleurs des deux interfaces.



Figure 7 : La connexion au tableau lumineux.



La possibilité de connecter la console de commande au tableau lumineux en utilisant une interface radio, présente des avantages appréciables par rapport à la liaison par câble. Avant tout, la commodité de l’installation.

Grâce à l’absence de câble, en effet, on pourra placer le tableau lumineux au meilleur endroit en terme de lisibilité par le public et la console de commande sur la table de la personne préposée aux scores du match.

Un autre avantage est celui de pouvoir alimenter la console de commande avec une petite batterie de 12 V, dans la mesure où sa consommation propre est dérisoire, alors que le panneau lumineux, lui, devra être alimenté avec un adaptateur secteur capable de fournir 12 Vcc sous 1 A.

L’aspect le plus important reste cependant la possibilité de relier plusieurs tableaux lumineux à la même console de commande : en effet, comme le signal est unidirectionnel (seule la console de commande émet et le tableau est en réception constante), on ne peut craindre aucune sorte d’interférence.

Enfin, la portée, limitée à une dizaine de mètres dans le cas d’une liaison par câble, se voit portée à 100 mètres, ce qui laisse beaucoup plus de liberté à l’opérateur.

Le seul inconvénient de la liaison radio par rapport au câble (en dehors de l’aspect économique) est que des perturbations peuvent être localement présentes et perturber le signal utile (par exemple, les portables, s’ils sont vraiment proches, peuvent perturber l’émission) : comme dans les salles de cinéma, il faut alors prier le public de bien vouloir éteindre les téléphones. Néanmoins, le risque de subir ce phénomène de perturbation est largement réduit grâce à l’utilisation de modules à 868 MHz.



Figure 8 : Les avantages de la connexion par radio.



La console de commande peut être reliée au tableau lumineux par un câble à trois fils (sur 10 mètres) ou par radio (100 mètres). Les signaux “VCC”, “DATA” et “GND” seront transportés.

Si on choisit la liaison par câble, il faudra utiliser un modèle blindé à deux fils dont la tresse de blindage constituera la masse et devra donc être reliée à la cosse de masse du jack. Les deux fils seront connectés indifféremment aux contacts “DATA” et “VCC” (par contre, repérez bien les couleurs et ne les interpolez pas à l’autre bout du câble).

La consommation du tableau lumineux étant assez importante (environ 1 A), ne prévoyez pas une section inférieure à 75/100 pour le fil “VCC”.

Par radio, nous le verrons dans la suite de cet article, ce problème est supprimé car le panneau lumineux est alimenté de manière autonome.



La réalisation pratique

La réalisation de la platine de contrôle ne présente aucune difficulté particulière sauf que, le circuit imprimé étant à double face, sa fabrication requiert une certaine expérience et le matériel adéquat. Si vous vous lancez, vous pouvez tout de même utiliser la méthode de la “feuille bleue” (PNP blue) décrite dans le numéro 26 d’ELM pour le côté “composants” (la figure 4a en donne le dessin à l’échelle 1).

Percez ensuite les trous, ce qui vous donnera des repères pour l’autre face et appliquez la feuille bleue photocopiée pour graver le côté “afficheurs” (la figure 4b en donne le dessin à l’échelle 1). Ne vous trompez pas dans le sens haut/bas ou droite/gauche de la deuxième face par rapport à la première (les trous sont décisifs).

Réalisez les traversées (via) avec de tout petits morceaux de fil de cuivre (des chutes de queues de composants feront l’affaire) soudés des deux côtés (la figure 2 vous aidera à déterminer quels sont les trous de communication entre les deux faces).

Lorsque vous serez en possession du circuit imprimé, vous pouvez commencer à insérer les composants en faisant bien attention au fait que certains sont à disposer sur un côté de la carte alors que d’autres le sont sur l’autre côté.

Les composants marqués en pointillé seront à monter du côté opposé à ceux marqués d’un trait plein. Pour vous aider dans le montage, nous avons rempli ces composants d’une couleur jaune.

Face “composants”, commençons donc par les résistances et la diode D1 (bague vers le bas) puis continuons par les condensateurs non polarisés, les condensateurs électrolytiques (en prenant bien garde de ne pas inverser leur polarité), le quartz (à monter debout mais bien plaqué contre la carte), le trimmer R1 (couché) puis les deux connecteurs “POWER” et “DATA OUT”, le régulateur de tension U3 (à visser couché dans son dissipateur contre l’aplat de cuivre du circuit imprimé à l’aide d’un petit boulon 3MA de 10 mm) et, enfin, les supports du microcontrôleur U1 et du pilote U2. Pour une fois, ces supports seront de type “tulipe”, à deux lignes de broches sécables, ce qui permettra d’exécuter les soudures d’interconnexion sans endommager les composants.

Les composants à monter sur la face opposée, que nous avons appelés “afficheurs”, sont les deux LED (méplat vers le bas), les 4 poussoirs et les supports des 6 afficheurs à 7 segments (là encore, et pour la même raison que celle que l’on vient d’invoquer, on utilisera des barrettes “tulipe” sécables).

Comme il s’agit d’un circuit imprimé double face, les composants seront soudés des deux côtés : cela constitue les interconnexions principales. Veillez à ne pas les endommager par une surchauffe excessive. En particulier les supports “tulipe” de circuits intégrés, le trimmer et les poussoirs.

Bien sûr, ce n’est qu’à la fin, soudures terminées et vérifiées (pas de soudure froides ou “collées” ni court-circuit entre pistes proches ni oubli d’une interconnexion, etc.) qu’on insérera les circuits intégrés U1 et U2 (repère-détrompeurs en U tournés respectivement vers le centre de la carte et vers R8) et les 6 afficheurs à 7 segments (point repère vers le bas, à droite). Le montage dans le boîtier Quand le montage a été réalisé avec soin, vous devez encore percer la face avant du pupitre dans lequel il viendra prendre place (pour le prototype, nous avons utilisé un boîtier plastique TEKO PULT363 mais vous pouvez utiliser un équivalent à votre convenance).

Les trous étant carrés, percez à un diamètre égal au côté du carré puis limez dans les quatre directions sans perdre courage*… ! Quant à la déco, nous vous faisons confiance mais rien ne vous empêche de vous inspirer de nos photos de prototypes (figures 5, 8 et 9).



*En attendant qu’un génial inventeur ne nous propose des forets à percer les trous carrés !






Figure 9 : Un des prototypes terminé de la console de commande.



Les essais

Nous pouvons maintenant alimenter le dispositif (12 Vcc, batterie ou adaptateur secteur) et vérifier le bon fonctionnement de l’ensemble : un premier test consiste à effectuer un comptage de 0 à 99 pour chaque équipe (pas besoin, pour le moment, d’avoir de vrais joueurs devant soi !).

Vous pouvez ensuite vous familiariser à la pratique de la console de commande en fonction de ce que vous avez appris à la lecture de cet article, notamment concernant le volley-ball (points dans un set, nombre de sets, camp où se trouve la balle).

A un moment, vous pourrez faire ces essais dans un gymnase, en vraie grandeur, sans avoir besoin du panneau d’affichage électronique des résultats suspendu à la vue du public. Ainsi, vous pourrez vous entraîner… et, éventuellement, vous tromper sans conséquence fâcheuse puisque vous serez seul à voir s’afficher les “résultats” du match sur votre console autonome, pour l’instant, non encore reliée aux afficheurs géants.

N’oubliez pas non plus que vous n’êtes pas limité au volley-ball : le tennis, les boules, le billard utilisent un système de scores analogue. Les chiffres des cent vous permettent de vous intéresser au basket, etc.



La suite… au prochain article !

La seconde partie sera consacrée à la réalisation du panneau lumineux d’affichage des résultats. Nous y présenterons aussi les interfaces radio permettant, si on le souhaite (voir figures 7 et 8), d’éviter l’emploi d’un câble pour la liaison entre console et panneau lumineux.

Précisons, par anticipation, que la fréquence utilisée sera 868 MHz, beaucoup moins perturbée que le classique 433 MHz. La portée sera de l’ordre de 50 à 100 mètres. Pour comparer, le câble, lui, ne devra guère excéder la dizaine de mètres.

Nous verrons enfin, dans la seconde partie, comment installer le système à l’intérieur du gymnase.

En attendant, pour patienter, vous pouvez commencer à construire l’élément principal : la console de commande.



A suivre…


Le panneau d’affichage lumineux

Un crypteur/décrypteur vidéo numérique ou comment sécuriser ses transmissions vidéo

Cet appareil permet de coder un signal vidéo-composite, en ayant le choix entre quatre modes de cryptage, ou de décoder une reproduction déjà cryptée par un dispositif analogue. Il est idéal pour rendre incompréhensible aux personnes non autorisées une émission vidéo.

Il trouvera également son utilité dans les installations de télévision en circuit fermé (CCTV).





A plusieurs reprises, nous vous avons proposé de construire de petits émetteurs réalisés spécialement pour envoyer à distance, par voie hertzienne, des films et plus généralement des signaux vidéo-composites provenant de caméscopes, magnétoscopes, lecteurs DVD, etc. Leur diffusion, ainsi que la faveur du public pour ce type d’appareil, sont-telles

qu’on les trouve aujourd’hui dans le commerce à des

prix à la portée de toutes les bourses.

Comme tous ces émetteurs travaillent dans la gamme des 2,4 GHz, il est devenu difficile d’émettre un film ou une séquence vidéo en étant sûr que quelqu’un à qui ils ne sont pas destinés ne les visionnera pas… volontairement ou non !

La seule façon d’empêcher cette “indiscrétion”, volontaire ou involontaire, de la part de tiers, est de coder (ou crypter) l’émission. Les chaînes de télévision à péage font d’ailleurs, et pour les mêmes raisons, exactement la même chose !



Notre réalisation

Cet article vous fera découvrir comment cela peut se faire, pour un coût beaucoup plus modique que celui d’un dispositif du commerce, en se servant d’un codeur/décodeur simple à installer et à utiliser. C’est un appareil compact dont vous pourrez tous profiter, non seulement pour rendre illisibles à des tiers non habilités vos émissions (par exemple, les prises de vue d’une caméra de vidéo-surveillance), mais aussi pour réaliser un système simple de diffusion par câble dans lequel les usagers peuvent visionner des films et autres programmes en insérant l’appareil (utilisé en décodeur) entre le câble coaxial et l’entrée vidéo-composite du téléviseur.

De telles applications et bien d’autres vous seront devenues familières quand vous connaîtrez mieux le dispositif décrit dans cet article.



CARACTERISTIQUES TECHNIQUES

CODEUR/DÉCODEUR

CODIFICATION HI-SEC

CODIFICATION LUMINANCE

CODIFICATION À MIROIR

CODIFICATION “TREMOR”

CLÉ DE CODIFICATION A 16 BITS

ALIMENTATION 12 Vcc

CONSOMMATION 3 W




L’analyse du fonctionnement

Il s’agit d’un circuit réversible pouvant, par conséquent, fonctionner aussi bien comme codeur que comme décodeur : cela dépend du paramétrage des microinterrupteurs.

En effet, la platine dispose de trois groupes de micro-interrupteurs, un de 4 et deux de 8. Le premier permet de paramétrer le mode de fonctionnement choisi et les deuxième et troisième servent à l’usager pour paramétrer le code de sécurité : le cryptage de l’image est opéré non seulement selon un certain format mais encore, à l’intérieur de celui-ci, en fonction d’un code déterminé.

Voilà qui permet une très haute sécurité d’utilisation, étant donné que pour recevoir une émission cryptée (par voie hertzienne ou par câble) on doit, non seulement être en possession d’un dispositif comme le nôtre, mais aussi avoir paramétré le même type de codification et, par-dessus le marché, avoir le même code de cryptage (soit 2 puissance 16 combinaisons).

C’est pour les raisons que nous venons d’énumérer que le système que nous vous proposons ici peut être considéré comme absolument sûr.

Nous disions que le dispositif est réversible : pour le faire fonctionner comme codeur, il faut que le deuxième micro-interrupteur du groupe de 4 soit ouvert (OFF). Toutefois le circuit opère en mode transparent (c’est-à-dire restitue en sortie un signal identique à celui de l’entrée) tant que le premier micro-interrupteur n’est pas sur ON. Dans tous les cas, le signal vidéo-composite est échantillonné par un convertisseur vidéo A/N, élaboré par un puissant microcontrôleur ATMEL MEGA 103. Il est ensuite reconverti par un convertisseur N/A puis envoyé à la prise RCA de sortie.

Quand la codification est active, le programme peut crypter l’image selon quatre modes, que l’usager paramètre facilement au moyen des deux derniers micro-interrupteurs du premier groupe de 4 :

- Le premier (combinaison OFF/ON) est le plus sûr (Hi-Sec) : il prévoit l’élaboration totale de chaque ligne constituant le cadre de chaque photogramme individuel. Sans vouloir trop entrer dans les détails, nous pouvons dire qu’il est obtenu par échantillonnage de chaque ligne, laquelle est ensuite morcelée (ou hachée) puis recomposée en disposant aléatoirement les fragments.

Une ligne échantillonnée par l’A/N est divisée en plusieurs parties, ensuite remises ensemble dans un ordre différent (la première à la place de la cinquième, la deuxième à la place de la troisième, etc.). Ce désordre dans la situation temporelle des fragments crée une image constituée de lignes incompréhensibles.

Le fait que l’inversion temporelle se fasse dans un ordre variable, différent d’une ligne à l’autre, contribue à augmenter la sécurité du cryptage.

- Le deuxième (micro-interrupteur 3 OFF et micro-interrupteur 4 ON) est un peu particulier car il ne crypte que la luminance et laisse telle quelle la chrominance. On obtient ainsi une image cryptée compréhensible mais comme en négatif par rapport à l’image normale.

Vous la choisirez si vous voulez que les images puissent être vues, même si elles le sont difficilement.

Un tel système est utilisé par les TV à péage où l’usager doit pouvoir identifier le programme mais ne doit pas pouvoir supporter longtemps l’émission sans décodeur ou sans validation de sa carte. Cela constitue une bonne incitation commerciale car le téléspectateur se fait une idée de ce qu’il pourrait tranquillement regarder s’il avait acquitté la redevance !*

- Le troisième (micro-interrupteur 3 ON et micro-interrupteur 4 OFF) est appelé “Tremor” (ce qui, en latin, évoque le tremblement) car il modifie le synchronisme de telle manière que le téléviseur ou le magnétoscope auxquels la sortie est reliée, ne puisse rien donner d’autre qu’une image constituée de lignes instables et illogiques, en tout cas illisibles. Il fournit des images ressemblant à celles d’un moniteur d’ordinateur dont le connecteur n’est pas bien enfoncé et dont le signal de synchronisme des lignes horizontales manque.

- Le dernier mode de cryptage est, en revanche, à effet miroir (micro-interrupteurs 3 et 4 tous les deux sur ON), ainsi nommé car dans chaque ligne constituant le cadre, le circuit inverse la position de quelques périodes du signal à partir d’un certain point : cela donne une image normale jusqu’à une limite verticale à partir de laquelle elle devient comme le reflet spéculaire de ce qu’elle devrait être. Ce type de cryptage aussi vise moins l’incompréhensibilité que la sollicitation de la curiosité du téléspectateur. Tout comme le cryptage de la luminance (le deuxième mode décrit), ce mode est à utiliser en CCTV afin de permettre à l’usager de se faire une bonne idée de ce qu’il perd en n’ayant pas encore fait les frais d’un décodeur ou du paiement de l’abonnement.

Quelle que soit l’utilisation envisagée, le système doit utiliser deux dispositifs identiques. Le premier, à placer à l’entrée de l’émetteur et de toute façon à la sortie de la source vidéo, est paramétré comme codeur (micro-interrupteur 2 OFF) ; l’autre, à relier au téléviseur, au moniteur vidéo-composite ou VCR, doit être paramétré comme décodeur (micro-interrupteur 2 ON). Il est bien entendu que l’unité montée en décodeur est en mesure de décrypter les images cryptées par le codeur si, et seulement si, les deux circuits ont leurs micro-interrupteurs des deux groupes de 8 paramétrés du 1 au 16 exactement de la même manière (cela va sans dire mais encore mieux en le disant).

Notez, en outre, que chaque dispositif peut rester connecté même si, momentanément, l’émission (et donc la réception) se fait “en clair”, c’est-à-dire sans aucun cryptage : il suffit alors que le premier micro-interrupteur (n° 1 du premier groupe) soit laissé ouvert (OFF).

Dans ce mode, dit passant ou transparent, le signal vidéo-composite est tout de même élaboré, c’est-à-dire décomposé puis recréé synthétiquement.

Enfin, précisons qu’un signal vidéo crypté ne peut pas être envoyé vers un magnétoscope traditionnel analogique : il ne peut être enregistré sur cassette vidéo qu’à la condition d’utiliser un magnétoscope pourvu d’un TBC (acronyme de Time Base Corrector).



*Note : On a dit, autrefois, que les émissions de Canal+ pouvaient avantageusement être décryptées en agitant devant les yeux un égouttoir à légumes, mais cela ne valait tout de même pas un bon décodeur !




Figure 1 : Organigramme du crypteur/décrypteur vidéo et brochages des convertisseurs A/N et N/A et du microcontrôleur ATMEL MEGA103.







Figure 2 : Cryptage et décryptage.



Physiquement, le cryptage et le décryptage des signaux vidéo-composites traversant le circuit sont opérés par une PAL ACEX 1K-30A, une puce très puissante qui, dûment gérée par un microcontrôleur très performant ATMEL MEGA 103, prend les données numériques passant par le convertisseur A/N (signal vidéo d’entrée) puis les décompose et les recompose selon un schéma dicté par le programme du microcontrôleur. Le résultat est envoyé au convertisseur N/A synthétisant la nouvelle composante vidéo, cryptée si le circuit est paramétré en codeur ou décryptée s’il l’est en décodeur.

Pour obtenir le cryptage, le crypteur/décrypteur écrit les données en les subdivisant en deux mémoires internes et, ensuite, il les récupère dans un ordre pseudo-aléatoire.





Figure 3 : Photo d’un des prototypes du crypteur/décrypteur vidéo dont la haute technologie utilise une platine “multilayer” (multicouche) et une série de CMS (Composants à Montage de Surface).



Figure 4 : Le cryptage du signal vidéo.



Ecran d’un oscilloscope montrant le signal de la ligne originale (en haut) et celui de la ligne cryptée (en bas).



Quand il est utilisé comme codeur, le dispositif élabore le signal vidéo-composite, appliqué à la prise d’entrée, selon quatre modalités, chacune étant paramétrable au moyen des micro-interrupteurs 3 et 4 du premier groupe : complète, à luminance cryptée, “Tremor” et à miroir. Toutes comportent la numérisation, la décomposition et la recomposition plus ou moins ordonnée de chaque ligne constituant le cadre de chaque photogramme. Ce qui fait que le signal restitué à la sortie est en retard d’une période plus longue que la durée d’une ligne PAL (64 μs) par rapport à celui de l’entrée.

Le cryptage complexe, garantissant le maximum de sécurité car il rend l’image incompréhensible et difficilement restituable par un dispositif différent de celui utilisé pour le cryptage, est le plus complet car il opère une fragmentation de chaque ligne et la reconstruction, en sortie, d’une ligne dont les fragments seront différemment raboutés. Si nous analysons à l’oscilloscope numérique la composante vidéo sortant du circuit et celle de l’entrée, nous voyons que, pour chaque ligne, la trace de la première est un collage plus ou moins ordonné de la seconde. Afin de rendre encore plus sûr le cryptage, l’ordre du “collage” change d’une ligne à l’autre. Un mécanisme analogue est le principe du codage à miroir, dans lequel on a établi un point précis à partir duquel l’ordre de recomposition doit être inversé : cette fois, l’ordre est le même pour toutes les lignes et comporte un simple renversement temporel des fragments à partir d’un certain moment, ce qui produit une image constituée d’une portion exacte et l’autre spéculaire par rapport à l’original.



Photogramme original.



Photogramme crypté Hi-Sec.





Figure 5 : Fonctions et connexions.



Sur un côté de la platine se trouvent les micro-interrupteurs nécessaires au paramétrage du mode de fonctionnement (transparent/crypté) et du type de codage ainsi que du code de cryptage.

A gauche du premier groupe de micro-interrupteurs se trouve une LED indiquant que le circuit est alimenté et qu’il est en phase d’auto-test. Une autre diode LED délimite, à droite, la file de microinterrupteurs.

Cette dernière s’allume quand le micro-interrupteur 1 du premier groupe est sur ON et le dispositif élabore (crypte ou décrypte) un signal vidéo. La possibilité d’héberger un lecteur de carte SMART est également prévue.

Option que nous réservons à de futurs développements : la carte devra contenir le paramétrage des micro-interrupteurs et pourra servir pour autoriser l’accès au service du CCTV aux clients des hôtels ou des locaux publics.

Côté opposé du circuit imprimé, se situent les deux prises coaxiales RCA, pour l’entrée et la sortie du signal vidéo, ainsi qu’une prise pour alimenter le circuit avec une alimentation fournissant 12 Vcc (positif au centre) pour un courant de 250 mA.

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