Organigramme des tâches confiées au PIC 16F877

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STRUCTURE DE LA CHAINE D’ACQUISITION 

Notre méthode consiste d’abord à la recherche du modèle de quelques blocs fonctionnels constitutifs du système électronique étudié en faisnt la simulation par des logiciels convenables et référencés ; cette étape permet deérifierv les fonctionnalités de ces logiciels. Il se présente sous la forme d’un ensemble électroniqu composé par :
les capteurs du champ magnétique et du champ tellurique qui captent le signal de variations bruitées provenant de la source vers le système analogique et le convertissent en signaux électriques (tension).
le système analogique qui sert à filtrer et amplifier le signal d’entrée.
le comparateur à fenêtre qui permet de visualiser la présence d’un signal exploitable. le système programmé qui convertit le signal analogique en signal numérique.
l’adaptateur DB9-USB qui convertit les données de norme RS-232 en norme USB et les transférer vers le PC ou le flash disque.Les ports série (appelésRS-232) représentent les premières interfaces ayant permis aux ordinateurs ou bien le flash disque d’échanger des informations avec la chaîne.
le flash disque qui est utilisé pour le stockage dedonnées à traiter vers le PC.

Principe de fonctionnement

La carte d’acquisition se présente sous la forme d’un ensemble électronique composé par les capteurs et les deux circuits imprimés analogique et numérique. Le principe de fonctionnement résulte de l’ensemble de fonctionnement des différentes fonctions électroniques qui la constituent.
Le schéma synoptique est donné par la figure I.1 Lecircuit analogique comprend deux voies identiques d’amplification et de filtrage .L’une e st appelée M et l’autre T (magnétique et tellurique). Chaque voie comprend :
Un préamplificateur ou amplificateur anti-repliement contenu dans un boîtier métallique amovible, spécialement étudié pour lespplications géophysiques au point de vue bruit et protection contre les ondes des signaux HF provenant des émetteurs de radiodiffusions.
Un amplificateur bande large assurant un complémentde gain et filtrant les fréquences VLF hors gamme de mesure.
Un amplificateur à gain variable.
Un système de filtrage sélectif à Q = f /∆f constant.
Les fréquences couvrent 3 décades (4.1 Hz à 10 kHz)et le gain de 70 dB à 120 dB.
Un comparateur placé en sortie du circuit analogique signale la présence d’un champ magnétique quand il s’allume, et d’un champ tellurique quand il s’éteint.
Le circuit numérique comprend le microcontrôleur et ses circuits associés, le circuit annexe nécessaires au bon fonctionnement de l’appareil.
Le microcontrôleur du type microchip ou PIC 16F877 assure l’acquisition et la conversion des signaux naturels bien filtrés et amplifiés en signal numérique et le transfert de ce dernier vers une mémoire externe ou PC pour le traitement.
Les circuits annexes comprennent essentiellement :
L’alimentation 5 V régulée nécessaire au fonctionnement du microprocesseur et 7.5 V pour les autres circuits intégrés et des circuitsassociés.
Le circuit numérique qui contrôlent le bon fonctionnement de l’appareil et permettant le changement automatique pendant une durée bien définie et constante, c’est-à-dire, que le voyant rouge s’allume en fixe lorsque le champ magnétique passe pendant cette durée et s’éteint quand l’autre champ passe pendant cette durée en fugitif signalant le fonctionnement du comparateur.

Caractéristiques du circuit analogique 

La fréquence de mesure varie jusqu’ à 10 kHz qui s’échelonne sur trois décades.
Le gain en tension varie de 70 à 120 dB par pas de 10 dB de 70 à 100 dB et par pas de 5 dB de 100 à 120 dB.
Pour pouvoir réaliser ce matériel, il faut décrireles modèles de chaque système.
L’optimisation de la conception matérielle a été faite à partir de trois logiciels référencés, et disponibles dans notre Laboratoire : PROTEUS, Le MPLAB 7.11 et ICPROG. PROTEUS est bien adapté pour la simulation des systèmes analogiques. MPLAB 7.11 et ICPROG sont utilisés pour le codage et le gravage des instructions destinées pour la programmation du microcontrôleur PIC16F877 – 20/P. Ce chapitre est consacré à la simulation des grandes fonctionnalités des circuits analogiques utilisés ansd « un Resistivimètre Audio MT », illustré sur la figure II.1 :

Les modèles du système analogique

Le système analogique comprend deux voies identiques ; l’une appelée M et l’autre T (magnétique et tellurique). Chaque voie est constituée d’un capteur, d’amplificateurs du signal et des filtres haute fréquence. Pour comprendre les rôles de chaque élément monté dans le circuit, nous les avons simulés à l’aide de logiciels PROTEUS adaptés au besoin de chaque bloc fonctionnel. Le système analogique peut se représenter selon la figure II.1 comme suit :

Les capteurs

Le « Résistivimètre A.M. T ECA 542-O » de la figureII.1 utilise deux capteurs : un capteur de champ magnétique et un capteur de champ tellurique. Afin de mieux cerner les grandeurs mesurables, nous avons pris comme référence celle ourniesf par ce « Résistivimètre ».
Le capteur du champ magnétique ou magnétomètreest adapté aux conditions de mesure du phénomène naturel. Le magnétomètre ECADM 216 ER (licence ANVAR-CNRS) est un capteur inductif à contre réaction de flux. Il se compose essentiellement d’un noyau magnétique en numétal sur lequel sont bobinées [4] concentriquement les bobines de mesure du flux magnétique et le bobinage de contre-réaction, et d’un amplificateur à faible bruit. Sa sensibilité est de 100 mV / γ , constante dans toute l’étendue de la bande passante ; dans laquelle on définit la gamme des variations lentes qui a de fréquence entre ] 4Hz, 40 Hz [et la gamme des variations rapides de fréquence entre] 40 Hz, 4 000 Hz [.
Le capteur du champ tellurique [4] est constitué de deux ou trois électrodes de en acier de longueur 250 mm environ et d’une ou deux lignes telluriques courtes qui sont des câbles électriques à un conducteur non bli ndé terminé à chaque extrémité par une fiche banane de 4 mm. Les trois câbles fournies ( deux de 50 m et un de 2 m ) permettent la réalisation d’une ou de deux lignes telluriques nécessaires au fonctionnement en résistivimètre ou en voltmètre. Chaque câble de 50 m porte des repères de couleur permettant de disposer de base de 15, 25, et 50 m. Les trois repères blancs placés aux extrémités et au milieu définissent les longueurs de 50 et 25 m. Les deux repères jaunes définissent deux longueurs de 15 m par rapport aux repères blancs des extrémités correspondantes. La figure II.1 nous présente la disposition pratique de mesure indiquant ainsi le mode de fonctionnement de chaque capteur.

Amplificateur du signal

Cet étage permet d’adapter le niveau du signal issu du capteur à la chaîne globale d’acquisition. L’amplificateur d’instrumentation (F igure II.3) est un circuit intégré associant plusieurs amplificateurs opérationnels et les composants nécessaires à leur bon fonctionnement : résistances, capacités de compensation en fréquence. Le but de ce travail est de simuler l’amplificateur du signal électrique directement issu du capteur et d’en déduire les valeurs caractéristiques des composants utilisés pour sa réalisation matérielle. La tension de sortie Vs est donnée par la relation suivante : Vs = ( 1+2R1/Rg )( Ve2-Ve1 )
Nous utilisons le circuit intégré LM741/NS pour assurer le faible bruit de fond. Les valeurs des résistances sont R1 = 25k et Rg = 50 pour donner une amplification théorique de 1001.

Filtre actif

Avant d’échantillonner le signal, on place en amontun filtre anti-repliement qui a pour but d’éliminer toutes les fréquences supérieures à 5kHz.Son rôle est de limiter le contenu spectral du signal aux fréquences qui nous intéressent. Ainsil atténue le signal de fréquences élevées. Deux filtres actifs en série passe bas d’ordre 2 de Sallen et Key sont bien adaptés à notre montage (Figure II.4).

Filtre à gain variable

Filtre actif d’ordre n = 1 (Figure II.5), sa fréquence de coupure doit être supérieure ou égale à celle des deux filtres de Sallen et Key précédents.Son rôle est de faire varier le gain de la chaîne de 50dB à 120dB par pas de 10 dB en évitant un déphasage notable entre Ue et Us.

PROTEUS, l’outil numérique de simulation analogique

Logiciel de simulation du circuit électronique, PROTEUS permet de créer, de tester et d’analyser des circuits électriques et électroniques. L’application est capable d’afficher toutes les informations nécessaires sur le circuit en cours, et d’indiquer les points non fonctionnels en cas de test. Facile à utiliser, il offre une gra nde quantité d’exemples simples et pédagogiques. Nous pouvons, en tout point du circuit et à l’aide d’une sonde :
Mesurer la résistance (R), la puissance (P), le potentiel (V), l’intensité du courant (I). Visualiser les signaux de tous les points du circuit à l’aide d’un oscilloscope.
Faire varier certains composants dynamiques (inters etc.).

Résultat et interprétation

Les réponses en fréquence du système analogique simulé donnent les deux courbes résultantes ci-dessous (Figure II.8) qui ont été tracées avecMatlab. PROTEUS ne dispose pas de traceur de diagrammes de Bode.
Le signal d’entrée utilisé est un signal sinusoïdalsimulé à partir des caractéristiques des capteurs tellurique et magnétique. Pour un champ tellurique de l’ordre EAB = 5 mV/km et AB = 25m, nous obtenons une tension de U AB = 125µV. Pour des raisons de commodité, nous avons pris un signal sinusoïdal de fréquence 1kHz et d’amplitude 1mV (Figure II.9), correspondant à la gamme des variations rapides :
A la sortie de l’amplificateur d’instrumentation, l es observations sur l’oscilloscope (Figure II.10) nous montre que l’amplification est d’enviro n de 750. Un tel amplificateur, une fois réalisé, donne un gain en tension moyenne de 40dB ans distorsion en sortie. Il est bien adapté pour nos signaux magnétique et tellurique.
La figure suivante (II.11) montre que le signal de sortie subit un déphasage de -11.55° avec la fréquence de 1 000Hz.
La tension d’entrée est la tension issue de l’amplificateur d’instrumentation avec une amplitude de 110mV.
L’oscillogramme de la figure II.12 montre que le signal de sortie du filtre actif est amplifié d’environ 3.60. Cette amplification est une des raisons d’utilisation de ce filtre. Le signal de sortie subit un déphasage assez élevé par rapportuasignal d’entrée.

La communication série RS232

Les échanges d’information entre le PIC16F877 et PC se font à partir d’une liaison série asynchrone. L’octet à transmettre est envoyé bit par bit (poids faible en premier) par l’émetteur sur la ligne Tx, vers le récepteur (ligne Rx) qui le reconstitue. La vitesse de transmission de l’émetteur, exprimée en baud, doitêtre identique à la vitesse d’acquisition du récepteur. La transmission étant du type asynchrone(pas d’horloge commune entre l’émetteur et le récepteur), des bits supplémentaires sont indispensables au fonctionnement: bit de début de mot (start), bit(s) de fin de mot (stop). D’autre part, l’utilisation éventuelle d’un bit de parité, permet la détection d’erreurs dans la transmission. En effet, la parité permet de vérifier si le contenu d’un mot n’a pas été changé lors de as transmission. L’émetteur compte le nombre de  » 1  » dans le mot et met le bit de parité à  » 1  » si le nombre de bit trouvé est impair, ce qui rend le total pair : c’est la parité paire et « 0 » pour la parité impaire.
Dans la pratique, la communication sérielle fait réduire le nombre de fils utilisés. Trois fils seulement peuvent suffire : Tx, Rx et GND, d’où son intérêt. Développée par « Electronic Industries Association (ElA) » (Biggerstaff T.J.,1989) et fournie avec tous les ordinateurs (COM 1, COM 2, COM3 et COM4), la RS232 est actuellement utilisée pour véhiculer les données entre le PC et le PIC16F877. La sérialisation utilise un « protocole » bas niveau pour relier l’ordinateur à notre système d’acquisition. Le brochage, illustré sur la figure III.8, correspond à celui d’un DB9 :
On a la définition et le rôle de chaque broche dans ce port (voir l’annexe)

Mode de transmission

Pour transmettre les 8 ou 9 bits de l’information du registre TXREG, la broche RC6 du Port C est configurée en sortie (égal à 1). La mise en œuv re de cette fonction nécessite de positionner à 1 le bit SPEN du registre RCSTA et le bit TXEN d u registre TXSTA. La détection des erreurs se fait en mettant le 9ième bit dans le bit TX9D du registre TXSTA. Il faut également s’assurer qu’avant la transmission, le registre de transmission soit libre via le bit TXIF (c’est-à- dire TXIF = 1) et la mise à 1 du bit TMRT de ce registre indique la fin de transmission. Le registre TXSTA est le plus important pour la transmission et RCSTA celle de la réception.
La transmission asynchrone est utilisée pour la transmission de caractères, généralement ASCII sur 8 bits, auxquels sont associés des bits ndiquant le format des données pour constituer une trame. Cette dernière possède au minimum 1 bit de START, 7 bits pour le caractère et un bit de STOP. Tout les bits de la trame possèdent la même durée T =1/ vitesse de transmission. La durée séparant deux trames peutêtre quelconque. Le Bit de START indique au récepteur, le début de la trame. La parité permet de contrôler la transmission. Enfin le bit de STOP, détermine une durée minimale entredeux caractères et assure ainsi la détection du bit START suivant.

Carte standard d’acquisition de données magnétotelluriques

Le caractère est codé sur 7 bits en ASCII, le codage peut aller jusqu’à 128 caractères. Les 32 premiers sont soit des caractères de contrôle pour les terminaux (saut de ligne, tabulation, etc.) soit des caractères utilisés pour le contrôle de flux dans les protocoles de transmission (Xon, Xoff, etc.). Les 96 caractères suivants codent les éléments alphabétiques. Le LSB du caractère est émis en premier. Le chronogramme de la figure II.8 ci-après montre la transmission asynchrone type RS232: Dans la pratique, il faudra adapter le niveau de sortie du PIC16F877 à la liaison série RS232. Le MAX232 assure la conversion des signaux TTL (0V/5V) en signaux RS232 (+12V/-12V). Ensuite, les signaux RS232 sont convertis en signaux NRZI compatible USB (Universal Serial Bus. La clé USB nous sert de zone de stockage de données.

Programmation du PIC 16F877

MPLAB permet de coder en assembleur les instructions sources à graver dans le PIC 16F877 et de les compiler en fichier HEX compatible avec ICPROG. Ce dernier assure l’implantation du code dans le microcontrôleur. MPLAB comporte :
Un éditeur de programmes Un éditeur de liens
Un simulateur
Le macro-assembleur MPASM supportant l’assemblage conditionnel.
Tous ces logiciels sont interactifs donc il est ainsi possible de passer immédiatement de la fenêtre affichant le listing source du programme asemblé à la fenêtre d’édition afin de corriger une erreur. Le simulateur intégré permet ed tester toutes applications grâce à de multiples possibilités de visualisation des registres, de la mémoire et des entrées/Sorties du circuit simulé.

MPLAB 

Ce système de développement comporte en premier lieu un assembleur et parfois un ou des compilateurs adaptés au langage évolué que l’on souhaite utiliser pour programmer.
L’assembleur MPASM contenu dans MPLAB dispose de toutes les fonctions dont on peut avoir besoin. Il connaît les mnémoniques de tous les PIC ainsi que les définitions d’étiquettes, de constantes, de variables. Il autorise l’écriture d’expressions arithmétiques, logiques et relationnelles. En sortie, cet assembleur produit divers fichiers :
Un fichier objet destiné à la programmation du PIC Un fichier listing
Un fichier des messages d’erreur et d’avertissement Un fichier symboles pour le simulateur
Le simulateur MPSIM permet de vérifier sur un PC le déroulement et le fonctionnement du programme. Il dispose de multiples modes d’affichages et permet ainsi de visualiser le contenu de registres, de mémoires particulières ou de ports d’entrées/sorties. Ce simulateur autorise également la mise à jour du programme en cours de simulation. Les étapes nécessaires permettant de voir un programme s’exécuter sur un PIC sont :
Ecrire un programme en langage assembleur dans un fichier texte et le sauvegarder avec l’extension .asm
Compiler ce programme avec l’assembleur MPASM fourni par Microchip. Le résultat est un fichier exécutable avec l’extension .hex contenant une suite d’instruction compréhensible par le pic. Transplanter le fichier .hex dans la mémoire programme du PIC (mémoire flash) à l’aide d’un programmateur adéquat.

DISCUSSIONS

La réalisation signifie l’implantation des différents composants utilisés et leur mise en forme pour accomplir la tâche d’acquisition des signaux A udio MagnétoTelluriques (AMT). La réalisation matérielle proprement dite est diviséen deux grandes parties : validation du programmateur PIC, et assemblage des éléments consti uant notre chaîne d’acquisition.

Organigramme des taches confiées au PIC 16F877

L’algorithme représente l’ensemble de règles opératoires rigoureuses, ordonnant à un processeur d’exécuter dans un ordre déterminé un nombre fini d’opérations élémentaires. L’organigramme donne une représentation graphique et normalisée de l’algorithme. Les tâches confiées au PIC 16F877 sont résumées dans organigrammel’ de la figure IV.1. Après les initialisations des ports, des banks et l’effacement du RAM, elles concernent le choix des capteurs, la numérisation des données acquises et ’acheminementl vers une unité de stockage. L’organigramme a donc pour but de faciliter la compréhension et le déroulement du programme, et ne représentent que les actions principales effectuées par le microcontrôleur. Ils ne traduisent pas intégralement le code ASCII et ne reflètent pas les particularités du PIC. Le programme peut se décomposer en plusieurs fonctions:
• Une horloge pour la datation des informations
• Gestion de temps pour la visualisation des mesures et de l’état de fonctionnement
• Gestion du convertisseur Analogique/numérique
• Gestion des transferts de données sur port sérieRS-232

Table des matières

INTRODUCTION
LA MAGNETOTELLURIQUE
I.1. Théorie de Cagniard
I.1.1. Cas d’un sous-sol homogène
I.1.2. Cas d’un sous – sol hétérogène
I.2. Structure de la chaîne d’acquisition
I.2.1. Principe de fonctionnement :
I.2.2. Caractéristiques du circuit analogique
LE SYSTEME ANALOGIQUE SIMULE
II.1. Modele du système analogique
II.1.1. Capteurs
II.1.2. Amplificateur du signal
II.1.3. Filtre actif
II.1.4. Amplificateur à gain variable
II.1.5. Redresseur
II.1.6. Comparateur à fenêtre
II.1.7. Condensateurs de liaison
II.2. Résultat et interprétation
DESCRIPTION FONCTIONNELLE ET SIMULATION DU SYSTEME NUMERIQUE
III.1. Le microcontroleur PIC 16F877
III.2. Communication série : RS 232
III.3. Mode de transmission :
III.4. Programmation du PIC 16F877
III.4.1. MPLAB
REALISATION MATERIELLE ET DISCUSSION
IV.1. Organigramme des tâches confiées au PIC 16F877
IV.2. Réalisation du programmateur
IV.3. Câblage et implantation des composants du matériel
IV.4. Résultat et discussions
IV.4.1. Résultat du système analogique
IV.4.2. Résultat du système numérique
IV.4.3. Discussions
IV.4.4. Addendum
CONCLUSION

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