Description du proof of concept #1: interface de contrôle.

Orga

TODO:

clmnt: fabrication board commande + tests connectique brique
emptty: expédition proto brique à clmnt
clmnt: commande mouser de stuff (done)
emptty: fabrication proto brique (done ; tu postes le source kekpart ? pic or it didnt happen)

Principe

On rappelle l'objectif de ce sous système: fournir une interface conviviale pour la programmation de la tortue.

On part sur l'idée de briques. Les caractéristiques/expression du besoin sont les suivantes:

96 emplacements
80 types de briques
possibilité d'allumer une led (monochrome) par emplacement lorsqu'il est actif

Le principe d'identification des briques est d'intégrer une résistance de valeur donnée, que l'interface de contrôle va mesurer pour retrouver le type de la brique.

Choix techniques

vitesse de rafraichissement des valeurs

Pas déterminé a priori ; il faut que ce soit réactif, donc qu'un événement soit détecté en moins de 100ms environ.

Monolithique ou plusieurs boards

Est-ce qu'on fait une carte de controle "monolithique", cad tous les composants sont sur une seule et meme carte, ou bien est-ce qu'on prévoit d'emblé une carte master, de controle, et un ensemble de cartes slaves interfacant chacune un sous ensemble d'emplacements ?

Une seule board est de fait moins extensible, mais plus facile à monter/fabriquer. Si tout fit, autant partir sur une seule board.

Un seul ou plusieurs microcontroleurs

Est-ce qu'on utilise un seul microcontroleur, potentiellement avec front end ou périphériques externes, ou bien est-ce qu'on prévoit d'utiliser plusieurs uC (qui ne nécessitent pas de front end/périphériques externes) ?

A priori, il n'y a pas besoin de patate pour le calcul pour un sous ensemble d'emplacements, et avoir à gérer plusieurs microcontroleurs semble overkill.

ADC interne/externe

Est-ce qu'on utilise les channel d'adc du microcontroleur (et donc des mux analogiques), ou bien des adc externes connectés sur bus de donnée type SPI ?

A priori, on peut s'en sortir avec un bête front end constitué de multiplexeurs analogiques pour la mesure. A noter qu'on peut de même piloter chacune des leds témoin d'activité (on pourrait utiliser des I/O expanders I2C/SPI).

Description

On va réaliser 3 protos:

une brique, contenant une résistance, et adaptée au type de connection sélectionné
un premier pcb pour la partie détection des briques ; on reste au possible mcu agnostic, au sens, pas de mcu intégré sur cette board.
un second pcb qui permet de vérifier la bonne connection (mécanique/électrique) des briques sur la carte de commande.

Proto de brique

TODO emptty

Front end analogique

On va utiliser un pont diviseur par emplacement de mesure, avec une résistance fixe (toujours de la même valeur) à chaque emplacement, et dans chaque brique pouvant être connectée, la seconde résistance, qui complète le pont diviseur.

On a besoin de 96 emplacements de mesure, cela peut être réalisé à l'aide de 6 mux analogiques 16 vers 1. Chacun est commandé par 4 signaux de commande (ABCD), et reliant, selon la valeur de ABCD, la sortie X à l'une de ses 16 entrées. A noter qu'une résistance parasite est ajoutée. Ils fonctionnent comme un aiguillage, c'est à dire que si ABCD = 0000, la sortie X est reliée à l'entrée 1 (par une résistance d'environ XXX ohm). Si ABCD = 0001, la sortie X est reliée à l'entrée 2, et ainsi de suite. Référence typique de ce genre de composants: XXX

La sortie de chacun de ces six composants va vers une entrée adc du microcontroleur. On observe qu'il est possible de piloter simultanément tous les mux avec les mêmes signaux de controle. Ainsi, pour ABCD = 0000, on a:

le mux 1 relie le slot 01 à sa sortie, elle même reliée à l'entrée adc0 du mcu
le mux 2 relie le slot 17 à sa sortie, elle même reliée à l'entrée adc1 du mcu

et ainsi de suite. Pour ABCD = 0001, on a:

le mux 1 relie le slot 02 à sa sortie, elle même reliée à l'entrée adc0 du mcu
le mux 2 relie le slot 18 à sa sortie, elle même reliée à l'entrée adc1 du mcu

et ainsi de suite.

Ainsi, pour scanner les 96 emplacements, on doit balayer toutes les valeurs de ABCD = 0000 à ABCD = 1111 (16 valeurs possibles), et à chaque fois, mesurer les 6 entrées analogiques. Puisqu'on veut pouvoir rafraichir tous les emplacements en moins de 100ms au total, il faut être capable de faire une mesure analogique en un peu moins d'une milliseconde ; c'est largement à la portée d'un mcu standard.

Résistances des briques

Il est nécessaire de pouvoir distinguer 80 types de briques différentes, et donc sélectionner intelligemment 80 valeurs différentes de résistance que l'on pourra identifier par le pont diviseur de tension & l'adc interne du microcontroleur. On doit également pouvoir détecter lorsqu'aucune brique n'est branchée.

Partons du principe que la tension d'alimentation est 5v, et que l'adc dispose de 10bits.

On souhaite donc que le ratio de pont diviseur évolue équitablement de 0 à 1, en 80 steps. Disons de 0.5/80 à 79.5/80. On va utiliser des résistances environ entre 0.1k ohm et 1000 kohm ; la logique veut que l'on choisisse la résistance fixe à la moyenne (log) de ces deux extrêmes, soit 10kohm. Ensuite, un tableur permet de trouver les valeurs "idéales" de résistance pour obtenir les ratios successifs, produisant des tensions facilement discriminables en sortie de pont. L'étape suivante consiste à sélectionner, en lieu et place de ces valeurs "idéales", des valeurs de résistance existant réellement. On constate qu'il est nécessaire de piocher dans la série E96 (valeurs normalisées, résistances précises à 1%) pour se rapprocher suffisamment de l'objectif.

Les valeurs de résistance sont les suivantes (en kohm): 0,063 || 0,191 || 0,324 || 0,453 || 0,590 || 0,750 || 0,887 || 1,050 || 1,180 || 1,350 1,520 || 1,690 || 1,870 || 2,050 || 2,210 || 2,430 || 2,550 || 2,800 || 3,010 || 3,240 3,480 || 3,650 || 3,920 || 4,220 || 4,420 || 4,750 || 4,990 || 5,230 || 5,620 || 5,900 6,190 || 6,490 || 6,810 || 7,150 || 7,680 || 8,060 || 8,450 || 8,870 || 9,310 || 9,760 10,20 || 10,70 || 11,30 || 12,10 || 12,40 || 13,00 || 13,70 || 14,70 || 15,40 || 16,50 17,40 || 18,20 || 19,10 || 20,50 || 21,50 || 22,60 || 24,30 || 25,50 || 27,40 || 29,40 30,90 || 33,20 || 35,70 || 38,30 || 41,20 || 45,30 || 48,70 || 53,60 || 59,00 || 66,50 75,00 || 84,50 || 97,60 || 113,0 || 133,0 || 169,0 || 215,0 || 309,0 || 523,0 || 1580

Avec une résistance de 10kohm, un adc 10bits (parfait) et une alimentation 5v (parfaite), on obtient les valeurs brutes suivantes: 6 || 19 || 32 || 44 || 57 || 71 || 83 || 97 || 108 || 122 135 || 148 || 161 || 174 || 185 || 200 || 208 || 224 || 237 || 250 264 || 274 || 288 || 304 || 314 || 329 || 341 || 351 || 368 || 380 391 || 403 || 414 || 426 || 444 || 457 || 469 || 481 || 493 || 505 517 || 529 || 543 || 560 || 566 || 578 || 591 || 609 || 620 || 637 650 || 660 || 671 || 688 || 698 || 709 || 725 || 735 || 749 || 763 773 || 786 || 799 || 811 || 823 || 838 || 849 || 862 || 875 || 889 903 || 915 || 928 || 940 || 951 || 966 || 978 || 991 || 1004 || 1017

On peut également évaluer l'influence de la tolérance (1%) des résistances choisies, pour vérifier qu'on saura toujours discriminer chacune des 8 valeurs (plus lorsqu'aucune brique n'est connectée). Je vous passe le tableau issu du tableur, mais dans le pire des cas, on a une distance de 6 (valeur binaire/brute issue de l'adc), or la majeure partie des adc intégrés aux mcu ont une précision de +/- 1LSB. Yabon.

Pilotage de leds

Histoire de ne pas se prendre la tête, on pose une chaine de registres à décalages tout simples (74HC595 ou 75HC675). On pourrait utiliser des drivers de led dédiés (type TLC5940), mais a priori, ils coutent inutilement cher, même s'ils permettent de piloter des leds plus lumineuses, et de faire varier leur intensité facilement.

Connection des briques

On cherche la solution la moins onéreuse pour réaliser les supports de brique sur chacun des 96 emplacments. Après moultes recherches & débats, on s'oriente vers des contacts de pile (eg, mouser ref XXX). Reste à tester sur un bout de pcb si le prototype de brique se plug bien, si le contact électrique se fait correctement, etc.

Liste matos

Cf commande mouser correspondante. A noter que pour l'instant, on reste mcu agnostic: seule la partie périphériques nous intéresse dans ce premier prototype. Comme les plus agguerris l'auront reconnu, prévoir 6 entrées ADC a le bon gout d'être arduino-friendly...

Plans, schéma & code

Brique

TODO emptty (source openscad, pics, comments pour refabriquer)

pcb1: mesure des slots

TODO clmnt

pcb2: connection d'une brique

TODO clmnt Nécessite d'avoir une brique sous la main, ainsi que les teuteus de connectique pour pile

Fabrication

TODO

Tests