L’intégration des divers modules.

Une cohabitation pas forcément évidente.

Logiquement on pourrait s’attendre à trouver dans les premières pages les dessins des divers circuits imprimés, puis quelques images de l’appareil une fois l’assemblage achevé. Au final, on va aborder en premier les divers problèmes qui ont été rencontrés, obligeant à remanier entièrement le circuit principal. Comme ce dernier intègre un nombre significatif de composants et a imposé plusieurs heures pour le concrétiser, le refaire entièrement à cause des aléas de mise au point n’était pas envisageable. Mis sous perfusion, tout a été fait pour le conserver. Récupéré après de sérieuses modifications, le dessin final du circuit que je vous propose semblera parfois étonnant. Il n’a plus « ses belles lignes initiales », forcément quelques « verrues » viennent contrarier un peu un dessin initial qui était plus simple, avec des liaisons plus directes dans certaines zones. Certaines liaisons sont manifestement inutiles, mais laissées en place pour simplifier la mutation. En commençant par ce thème, vous ne vous poserez donc pas de questions inutiles, et pourrez si vous le désirez reprendre le total qui vous servira de base d’études correctives pour aboutir à un circuit plus professionnel.

Quelle galère !

Tout fonctionne sans anicroche, le comportement observé pour l’ensemble est totalement conforme à celui attendu en fonction du programme téléversé sur Arduino. Le ramassis de connections tel que celui montré sur la Fig.2 occupe sur le bureau une place déraisonnable. Des modules, comme celui montré ci-contre qui cache la platine Arduino, ont colonisé de façon sauvage l’environnement de l’ordinateur, et l’on ne peut plus déplacer librement la souris. Bref, il est grand temps d’étudier les divers circuits imprimés et de ramener tout ce petit univers filiforme à un ensemble qui commence à ressembler à de l’électronique. Quand tous les circuits imprimés ont été réalisés, et testés séparément, la phase d’assemblage en autonomie est enfin arrivée … quelle déconvenue !
Lorsqu’un aléa est constaté, une recherche systématique permet d’en isoler les causes et d’en déduire un diagnostic. Mais lorsque plusieurs problèmes se superposent simultanément, il y a de quoi se frapper la tête contre les murs.

Outre une ribambelle de petites fautes commises lors du câblage, tels que des ponts de fils qui n’étaient pas soudés sur les bonnes pistes, des court-circuits intempestifs etc, trois problèmes « vicieux sont venus assombrir dramatiquement l’avenir de PICOSYNTHÉ :

• Une incompatibilité des alimentations à découpage,
• Un comportement pointilleux de l’afficheur OLED,
• Un problème de RESET clandestin sur le petit module AD9850.

Autant dire que déverminer toutes ces bestioles a pas mal électrisé ma sérénité. Une semaine complète a été nécessaire pour en venir à bout. Bon, c’est autant de gagné pour les lecteurs de ce didacticiel qui ne seront plus confrontés à ces problèmes que nous allons passer en revue.

Intégration et promiscuité : Même combat.

Plusieurs phénomènes se sont combinés pour arriver à un total dont le fonctionnement était globalement incohérent. L’affichage était aléatoire, la génération de signal totalement erratique. Du reste on peut éventuellement invoquer la malchance. Désirant réaliser un appareil très compact, le prototype a été pensé avec deux alimentations à découpage qui sur la Fig.1 sont repérées en 2. Pour chercher à comprendre, elles ont été provisoirement remplacées en 4 par l’alimentation de laboratoire. Cette manipulation est élémentaire, car les modules PMA23-06 n’existent pas en 5Vcc, leur plus faible valeur est donnée pour 6Vcc. À vide, la tension monte à +7Vcc. Pour ramener la tension à une valeur nominale de +5V, deux diodes sont mises en série, et débitent en permanence dans deux DEL consommant chacune 30mA. La tension était bonne, et observée à l’oscilloscope ne présentait pas de composante alternative ni « de bruit blanc », ce qui a été désigné « herbe » dans le chapitre sur les capteurs. Une écoute à l’aide d’un amplificateur audio confirmait le comportement en apparence correct de ces deux modules. Et pourtant … dès que l’on branchait à leur place l’alimentation de laboratoire, les aléas diminuaient manifestement. Il était possible de brancher directement l’alimentation auxiliaire, puisque les diodes mises en série empêchaient un retour dans les alimentations à découpage. Par contre, il ne suffisait pas de couper l’interrupteur secteur. Si la ligne 220V~ restait branchée, alors que le courant était coupé, le fonctionnement restait très aléatoire.
DÉDUCTION : Ces alimentations ne conviennent pas.

Une chirurgie pas vraiment esthétique !

Remplacer ces alimentations à découpage par la bonne vieille solution utilisant un transformateur et un régulateur intégré a alors été décidé, et ce d’autant plus raisonnablement, que dans les « tiroirs » tout le matériel était disponible. Refaire entièrement le circuit imprimé principal représentait un travail considérable, aussi, décision a été prise de le conserver, quitte à lui faire subir des transformations un peu scabreuses. Deux petits circuits imprimés destinés à une autre application étaient soudés, et leurs dimensions permettaient d’envisager de les visser sur le circuit imprimé principal, à la place des alimentations à découpage. L’appareil sera un peu plus volumineux, car le transformateur de deux fois 6V~ doit s’intégrer en plus dans le coffret définitif. La Fig.3 montre coté pistes cuivrées le circuit imprimé principal à sa sortie de l’hôpital. C’est toute la zone Z encadrée en bleu qui a subit les interventions du « cutter » et du fer à souder. Noter que dans les quatre coins tels que 2 ou 3 les vis support sont équipées de rondelles métalliques car le contact électrique n’est pas préjudiciable. Par contre, les vis qui supportent les alimentations stabilisés telles que 4 sont isolées par des rondelles idoines. En 5 il était prévu une quatrième vis pour supporter le petit circuit imprimé de l’alimentation positive. Comme les soudures empêchent une portée correcte, et que cette vis n’est vraiment pas utile, ce support surabondant a été abandonné. On remarque bien en 6 que les fils qui arrivent des régulateurs pour alimenter le circuit imprimé principal passent à travers ce dernier au moyen de deux trous prévus à cet effet. Enfin en 7 on peut observer le trou de passage de la troisième vis qui supporte le petit circuit imprimé recevant le clavier.

Présentation du bébé !

Trompeuses sont les différentes photographies, car prises en mode « macro » elles ont tendance à faire croire que les divers modules sont imposants. Il n’en est rien, dans la pratique ils restent de dimensions modestes, et l’appareil définitif ne sera pas volumineux du tout. La photographie donnée en Fig.4 montre l’aspect présenté par le circuit imprimé principal en version modifiée. Notez que les vis dans les angles sont volontairement choisies longues. Ainsi on peut retourner le circuit et travailler coté pistes sans qu’il ne porte sur les composants. Pour montrer la présence de l’opérateur NAND SN7400 l’alimentation

négative n’est pas encore en place. Sur le dessous on place de façon banale des rondelles isolantes pour éviter toute mauvaise surprise. Elle est surélevée car doit se situer au dessus du circuit NAND. L’alimentation positive est placée plus bas pour pouvoir munir son régulateur tripolaire intégré d’un radiateur. En effet, débitant bien plus de courant que son homologue négatif, un petit refroidisseur ne peut que lui être favorable. Maintenant que les alimentations sont correctes, poursuivons la résolution des autres problèmes.

Un afficheur très délicat !

C’est principalement avec l’afficheur bicolore que le programme a été développé. PICOLAB utilise déjà un tel composant. Comme prudence est mère de sureté, j’ai fais l’acquisition de deux autres modules pour le cas où l’un d’eux serait accidentellement détruit. Les quatre ont été commandés à des adresses différentes, car à des époques différentes, et les disponibilités fluctuent. Bien que présentant des références identiques, aucun de ces modules n’est identique à ses frères. Soit le +Vcc et GND sont inversés, soit ils sont bicolores ou monochromes. Les deux monochromes approvisionnés sont soit tout blanc, soit tout bleu. Comme le monochrome bleu n’avait pas encore été mis en circuit sur la petite carte Boarduino, c’est lui qui a ouvert le bal. Force est de constater que ce dernier est bien plus pointilleux que les trois autres. Un échange résous le problème des incohérences d’affichage. Ces dernières ne se produisent pas avec les deux éléments bicolores, un peu avec le monochrome blanc et beaucoup avec le bleu. De fastidieux essais ont montré que pour contourner cette difficulté il suffit de « consolider » les signaux de pilotage avec un opérateur logique de type TTL. Pour pouvoir utiliser n’importe lequel de ces afficheurs OLED, le circuit intégré SN7400 (Ou tout équivalent.) dont la Fig.5 présente le schéma d’utilisation, est ajouté en 1 dans la zone Z du cadre bleu. Les pistes de cuivre dans cette région du circuit imprimé n’étaient pratiquement pas coupées et permettaient facilement cette transformation. Un autre problème est ainsi résolu.

UN PEU DE LOGIQUE.
Il est probable que le contenu de cet encadré vous soit parfaitement connu, et certainement que vous allez le sauter. Toutefois, certains lecteurs peuvent avoir abordé directement la programmation sans passer par la case « logique ». C’est pour eux que cette parenthèse sur les opérateurs NAND est ouverte. Vous avez certainement reconnu en 1 un amplificateur logique. Ce circuit se contente de recopier en sortie S l’état binaire présent sur son entrée. Au point de vue de la logique, sa présence est totalement inutile puisqu’il n’intervient strictement pas sur le « 0 » ou le « 1 » présent en E. Par contre, il devient incontournable pour « muscler » électriquement cette information binaire. On fait appel à lui pour commander en courant la base d’un transistor de puissance, amplifier l’énergie pour soumettre ce signal sur une longue ligne etc. C’est exactement ce qu’il nous faut pour revigorer les deux signaux de pilotage d’OLED. De tels opérateurs sont disponibles par six dans des boitiers « Dual in line » à quatorze broches et vous pouvez naturellement les utiliser. Un quadruple NAND a été utilisé car inutilisé et disponible en nombre en local. Autant en prélever un dans la couvée. En 2 on trouve un INVERSEUR, c’est à dire un circuit qui présente sur sa sortie S le contraire logique de l’état présent sur son entrée E. On utilise alors le vocable d’opérateur NON dont le symbole d’inversion est le petit cercle colorié en jaune. Un tel cercle placé sur une entrée ou sur la sortie d’un circuit logique indique qu’à cet endroit l’information binaire est inversée. Avec le petit dessin 3 on trouve l’opérateur logique ET souvent noté « Porte logique ». Comme il faut que les deux entrées soient à « 1 » pour que sa sortie passe à l’état haut, on peut envoyer une information sur l’une des entrées. Tant que l’autre entrée est maintenue à « 0 » la porte est fermée et la sortie reste à l’état bas. Comme souvent on aura besoin du signal issu de 3, mais complémenté, on aboutit au NON ET de la figure 4 qui se distingue du symbole 3 par le petit cercle d’inversion logique. Cet opérateur est nommé « porte » NAND et constitue l’objet de ce propos. Un circuit intégré TTL de type SN7400 comporte quatre de ces opérateurs. Si l’on relie les deux entrés qui reçoivent alors le même état logique, nous avons réalisé en 5 un opérateur logique NON. Comme la négation d’une négation aboutit à une affirmation, en chaînant deux de ces opérateurs en 6 on réalise un amplificateur suiveur qui en logique peut être nommé OUI. Nous cherchons à amplifier deux signaux binaires, c’est donc deux fois le schéma 6 qu’il faut mettre en œuvre. La Fig.5 donnée ci-dessous détaille l’agencement définitif retenu en précisant le brochage adopté en vue de minimiser les connections sur le circuit imprimé principal. Comme toujours dans ce type de schéma, le circuit intégré est vu par dessus. Les deux opérateurs A et B forment un premier amplificateur suiveur. Les deux autres opérateurs C et D amplifient pour leur compte le signal pour SDA.

RÉSUMÉ :
L’ajout de cet opérateur ne sera indispensable que si l’afficheur OLED utilisé se montre pointilleux, dans le cas contraire vous pouvez parfaitement vous en passer. Par ailleurs, s’il est nécessaire, rien n’interdit d’utiliser un sextuple opérateurs de type SN7004 en modifiant un peu le tracé du circuit imprimé, ou d’adopter toute autre logique, par exemple des transistors fonctionnant en « tout ou rien ». L’éventail des solutions est grand ouvert …

RESET n’est pas jouer !

Particulièrement vicieux, cette vermine très discrète à englouti un nombre d’heures considérables pour la déjouer. Quand la réunion de tous les modules électriques a été tentée, brusquement le synthétiseur s’est montré d’un fonctionnement totalement aléatoire. De nombreuses « variantes » logicielles ont été tentées, en modifiant certains délais, un inversant l’ordre de certaines instructions. Rien à faire, l’AD9850 continuait à bouder dans son coin. Relier la masse du transformateur à la terre du réseau électrique semblait parfois améliorer les choses, mais peine perdue, il suffisait de déplacer dans l’espace l’un des éléments quelconque de l’ensemble pour que le synthétiseur se mette à « bégayer ». Le plus curieux, c’est que des branchements directs sans utiliser le petit circuit imprimé qui lui sert de support rétablissaient le bon fonctionnement, comme lors du développement. C’est donc ce circuit qui a été supposé présenter une erreur. Bernique, un examen à la loupe et les mesures électriques n’ont strictement rien révélé de suspect. La cause était vraiment vicieuse : Les capacités parasites associées aux fils de liaison formaient des capteurs qui superposaient sur l’entrée RESET des parasites suffisants pour déclencher la réinitialisation intempestive du circuit. Autant la recherche de la cause s’est avérée difficile, autant la solution est élémentaire : Une résistance de 22kΩ a été ajoutée entre cette ligne RESET et GND. L’affaire est définitivement classée !

Une cohabitation enfin réussie !

Avec la photographie de la Fig.6 vous assistez en direct au test final de compatibilité électrique et de validation des diverses promiscuité. L’ensemble des circuits qui seront interconnectés dans l’appareil définitif sont reliés électriquement entre eux par des cordons de mise au point. Sans que ce soit évident, cette image vous révèle une foule de petits « secrets » que nous allons détailler. La campagne de test consiste à vérifier l’intégralité du bon fonctionnement

sur toutes les fonctions de PICOSYNTHÉ. Les tensions sont mesurées en divers points pour en vérifier les valeurs nominales. Divers signaux critiques sont également analysés en profondeur à l’aide d’un oscilloscope performant. Pour votre part, vous n’aurez pas à engager une telle action, car l’ensemble aura fait ses preuves, il suffira de quelques tests de base et votre appareil sera opérationnel. En revanche, sur un prototype il faut pousser dans ces derniers retranchements toute l’électronique pour vérifier « qu’elle tient le choc ». Par exemple une surcharge de courant est imposée aux alimentations pour vérifier que le différentiel de tension reste suffisant pour que les régulateurs intégrés puissent fonctionner correctement. La montée en température suite à un fonctionnement continu de plus de 48H permet d’évaluer la compatibilité avec l’incarcération dans un petit coffret, et de prévoir la façon dont sera agencée la ventilation. Bref, tout doit être contrôlé pour pouvoir ensuite concevoir le coffret.

Danger ! Focalisé sur les divers aspects de la campagne d’essai, on finit par oublier que les deux picots du bas du transformateur sont reliés au secteur 220V~. Au moment d’évaluer la température du petit transformateur, on « tripote » sa carcasse magnétique, son bobinage et SCOUICTCHHHH on se prend une « châtaigne électrique ». NON, NON et NON ! On ne laisse jamais des liaisons au secteur non isolées. Le détail le plus important de la Fig.6 se situe donc en zone 1. On voit visiblement que le « tortillon gris » qui va vers la prise 220V~ est isolé sur les connections par du souplisseau. Il en sera également ainsi sur la réalisation définitive. En 2 on observe deux petits connecteurs qui permettent de débrancher les deux secondaires indépendants 6V~ du transformateur. C’est impératif, car il faudra toujours pouvoir extraire entièrement du coffret l’électronique pour la dépanner ou la modifier, alors que le transformateur restera certainement dans la boite.
En 3, comme déjà précisé dans le texte, un petit dissipateur de chaleur en aluminium est solidarisé avec le corps du régulateur positif. En 4 se trouve la ligne qui raccorde les Entrées / Sorties du microcontrôleur au circuit imprimé 6 qui sert de support au clavier 7. Petit détail important : En 5 on peut voir qu’un trou de diamètre suffisant est pratiqué sur 6 pour pouvoir ajuster le zéro du galvanomètre alors que tous les modules sont en place. En 8 une échancrure est pratiquée sur le circuit imprimé 6 pour permettre le passage facile d’un stylet vers le bouton RESET de la minuscule carte Boarduino. En 9 se trouve le module du capteur rotatif. Durant les essais les fils longs autorisent des déplacements de ce dernier qui a été placé pratiquement contre le transformateur pour s’assurer que les fuites magnétiques de ce dernier ne le perturberont pas. Un traitement analogue est effectué avec les divers potentiomètres qui ne sont pas visibles sur la photographie. Surélevé de la carte Boarduino, en 10 se trouve l’afficheur OLED bleu en situation. En 11 on fait débiter au maximum de puissance le petit amplificateur dans un haut parleur strictement identique à celui qui sera inséré dans le boitier. En 12, sa majesté l’AD9850 placé contre le transformateur 13 qui est de petite dimension. Sa puissance annoncée de 5VA est suffisante. Quand l’ensemble est en fonctionnement au maximum des signaux générés et injectés dans le haut parleur, il reste encore potentiellement 80mA de disponible sur les deux alimentations stabilisées. Pour éviter un échauffement des régulateurs, on limitera à 50mA sur chaque alimentation la distribution d’énergie à

d’éventuels modules complémentaires extérieurs. Le galvanomètre 14 est également disposé tout proche du transformateur lors des essais, car ce sera sa position dans l’appareil terminé. Après deux jours de fonctionnement permanent, si rien ne surcharge en externe les deux alimentations stabilisées, la montée en température des régulateurs est parfaitement acceptable. Le transformateur tiédit à peine démontrant son aptitude à faire fonctionner l’ensemble en volume confiné. Reste un petit détail important à souligner : Comme montré sur la Fig.7 en A l’afficheur bicolore sera enfiché sur le connecteur du circuit principal directement à l’aide d’un rehausseur de type HE14 pour le placer au dessus de la carte Boarduino. En croisant deux broches isolées du rehausseur, en B on peut utiliser sans autre forme de procès des afficheurs OLED dont l’alimentation en +Vcc et GND sur les deux broches est inversée. Sur ces deux vues la jonction entre connecteur et OLED est surlignée en jaune.

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