Information Numérique
Chaîne d'information, capteurs, conversion et protocoles
🎯 Objectifs pédagogiques
- 1.Décrire et modéliser la chaîne complète d'information, de l'acquisition à la communication, en identifiant le rôle de chaque constituant.
- 2.Caractériser les capteurs et les convertisseurs CAN/CNA à l'aide de leurs paramètres techniques (résolution, fréquence d'échantillonnage, sensibilité).
- 3.Identifier et comparer les principaux protocoles de communication numérique selon leurs domaines d'application industriels.
Introduction : L'information au cœur de l'Industrie 4.0
Le monde industriel et notre environnement quotidien sont en pleine mutation, portés par la numérisation massive des données. Dans une usine 4.0, une machine-outil n'est plus une simple entité mécanique ; elle est un système cyber-physique qui acquiert des données (température, vibration, position), les traite pour optimiser son fonctionnement ou prévoir une maintenance, et les communique à un système centralisé.
De même, dans une maison connectée (domotique), un capteur de présence acquiert une information, un microcontrôleur la traite pour décider d'allumer une lumière, et un module WiFi la communique à votre smartphone. Ce flux de données, de la grandeur physique mesurée à l'action pilotée, constitue la chaîne d'information.
1. De la grandeur physique au signal numérique
1.1 La chaîne d'information : un modèle universel
Toute chaîne d'information peut se décomposer en trois fonctions génériques :
ACQUÉRIR
Transformer une grandeur physique en signal électrique à l'aide d'un capteur.
TRAITER
Modifier le signal (amplification, filtrage, conversion numérique) et prendre des décisions.
COMMUNIQUER
Transmettre l'information via des protocoles de communication.
📱 Exemple : Système TPMS (pression pneus)
- 1. Acquisition : Capteur de pression dans la jante mesure la force.
- 2. Traitement : Circuit électronique analyse la mesure. Si pression trop basse → alerte.
- 3. Communication : Émetteur radio envoie l'alerte au calculateur de bord.
1.2 Les capteurs : caractéristiques techniques
Un capteur transforme une grandeur physique d'entrée (mesurande) en une grandeur électrique de sortie.
| Caractéristique | Définition | Exemple |
|---|---|---|
| Sensibilité (S) | Variation sortie / variation entrée | 10 mV/°C pour un capteur de température |
| Étendue de mesure | Plage de fonctionnement | -40°C à +125°C (automobile) |
| Résolution | Plus petite variation détectable | 0.1°C |
| Temps de réponse | Délai pour atteindre 63% de la valeur finale | 100 ms |
1.3 La conversion Analogique-Numérique (CAN)
Le signal analogique doit être converti en valeurs numériques pour être traité par un microcontrôleur.
Quantum (pas de quantification)
Où n est le nombre de bits du CAN. Un CAN 10 bits avec Vref = 5V donne q = 5/1024 ≈ 4.88 mV.
Théorème de Shannon-Nyquist
La fréquence d'échantillonnage doit être strictement supérieure au double de la fréquence maximale du signal.Exemple : Audio 20 kHz → fe = 44.1 kHz (CD audio).
Conversion Numérique-Analogique (CNA)
Un CNA 8 bits avec Vref=10V recevant N=128 → Vout = 128 × (10/256) ≈ 5V.
2. Traitement du signal : conditionnement et filtrage
Avant la conversion numérique, le signal analogique issu du capteur est souvent faible, bruité ou inadapté. Il nécessite un conditionnement.
⚡ Amplification
Les signaux des capteurs (ex: thermocouple = quelques mV) sont trop faibles pour être numérisés avec précision.
Exemple : Amplifier 50 mV vers 0-5V → Gain G = 100
🔊 Filtrage
Élimine le bruit électrique et les perturbations (50 Hz secteur).
- Passe-bas : Atténue les hautes fréquences (bruit)
- Passe-haut : Élimine les composantes continues
- Coupe-bande : Atténue une fréquence précise (50 Hz)
🌡️ Exemple : Station météo IoT
Un anémomètre génère un signal superposé à du bruit radio. Un filtre passe-bas avec une fréquence de coupure juste au-dessus de la fréquence maximale attendue du vent est placé avant le CAN pour nettoyer le signal.
3. Protocoles de communication
Une fois numérisées et traitées, les données doivent être transmises. Le choix du protocole dépend du débit, de la distance, du nombre de dispositifs et des contraintes de coût.
3.1 Série vs Parallèle
Parallèle (obsolète)
Tous les bits simultanément sur plusieurs fils. Complexe, sensible aux interférences, distance limitée.
Série (standard actuel)
Bits transmis un par un. Simple, longue distance, faible coût. C'est le standard dominant.
3.2 Protocoles série filaires
| Protocole | Type | Fils | Débit | Usage |
|---|---|---|---|---|
| UART | Asynchrone | 2 (TX/RX) | 9600-115200 baud | GPS, Debug |
| I2C | Synchrone | 2 (SDA/SCL) | 100 kbit/s - 3.4 Mbit/s | Multi-capteurs |
| SPI | Synchrone | 4 (MOSI/MISO/SCLK/SS) | >10 Mbit/s | Écrans, Flash |
| RS-232 | Asynchrone | 3-9 | 20 kbit/s | Équipements industriels |
3.3 Protocoles réseaux
Ethernet
Filaire, 100 Mbit/s à 100 Gbit/s, 100m max. Standard des réseaux industriels.
WiFi
Sans fil, haut débit, portée ~30m intérieur. Essentiel pour l'IoT.
Bluetooth/BLE
Courte portée (<100m), faible conso. Capteurs portables, domotique.
📌 Points Clés à Retenir
- ✓La chaîne d'information suit le modèle : Acquérir → Traiter → Communiquer
- ✓Les capteurs sont caractérisés par leur sensibilité, étendue de mesure, résolution et temps de réponse
- ✓Le CAN convertit l'analogique en numérique avec un quantum q = Vref/2^n
- ✓Le théorème de Shannon impose : fe > 2 × fmax
- ✓Les protocoles varient selon les besoins : I2C/SPI (embarqué), Ethernet/WiFi (réseaux IP)
🧠 Quiz de validation
Question 1 : Calcul de résolution
Un capteur de température (0-100°C) est connecté à un CAN 8 bits avec Vref = 5V. Quelle est la plus petite variation de température distinguable ?
Voir la réponse
Environ 0.4°C. Le quantum q = 5V/256 ≈ 19.5 mV. Si le capteur couvre 0-100°C sur 0-5V, la sensibilité est 50 mV/°C. La résolution = q/sensibilité = 19.5/50 ≈ 0.39°C.
Question 2 : Théorème de Shannon
Un signal audio contient des fréquences jusqu'à 15 kHz. Quelle est la fréquence d'échantillonnage minimale ?
Voir la réponse
fe > 30 kHz. Selon Shannon : fe > 2 × fmax = 2 × 15 kHz = 30 kHz. En pratique, on utilise 44.1 kHz ou 48 kHz pour avoir une marge.
Question 3 : Choix de protocole
Quel protocole choisir pour connecter 5 capteurs (température, humidité, pression) à un Arduino sur la même carte ?
Voir la réponse
I2C. C'est le choix idéal : seulement 2 fils (SDA/SCL), multi-esclaves avec adressage, débit suffisant pour des capteurs lents. Le SPI serait possible mais nécessiterait 5 fils SS distincts.
Prêt à pratiquer ?
Testez vos connaissances avec nos exercices interactifs !
