Objectif

Cette section vise à réaliser un lien de communication RF fiable à deux directions (full duplex) dont les entrées et les sorties sont compatibles avec le protocole RS-232.

 
Stratégies

1. Module transmetteur/récepteur intégré

Le choix d'un module transmetteur/récepteur intégré comporte l'avantage d'être peu dispendieux et offre une économie de temps appréciable comparée à la conception à neuf de circuits de modulation et de démodulation

2. Fréquence porteuse de 433,92 MHz

Une fréquence autour de 40 MHz est initialement visée. À cette fréquence, l'électronique des circuits est plus robuste et la longueur des antennes se situe dans des dimensions acceptables. Pour des raisons exposées dans la section des contraintes, ce choix est mis de côté et une porteuse de 433,92 MHz est retenue.

3. Modulation en amplitude (AM)

La modulation en amplitude (AM) est retenue car elle est plus facile à visualiser si des problèmes surviennent. Toutefois, avec les modules utilisés, le type de modulation importe peu, étant donné que ces derniers sont déjà tout monté et ne font que prendre une entrée et la moduler et vice-versa.

4. Module RTL-DATA-SAW

Le module choisi est le RTL-DATA-SAW de la compagnie ABACOM Technologies Inc.. Ce dernier est un " transceiver " qui peut moduler une entrée TTL (0-5 V) de 0 à 3 KHz par la modulation OOK (On Off Keying) à 433,92 MHz. Il peut aussi démoduler un signal identique provenant d’un autre module. La modulation OOK est en fait une modulation en amplitude (AM) avec des niveaux On (5 V) ou Off (0 V). . La puissance d’émission du module se situe autour de 9 mW, ce qui est suffisant pour les besoins du projet.

5. Conversion RS232 - TTL

Pour convertir les entrées du protocole RS-232 en TTL, et vice-versa, un circuit intégré de la compagnie MAXIM est choisi. Le MAX-232N convertit parfaitement des entrées du protocole RS-232 en TTL, de même que des entrées TTL en RS-232. Ses fonctions ont facilité la réalisation du circuit des modules de transmission/réception.

6. Alimentations indépendantes

L’alimentation des circuits s'effectue par des alimentations indépendantes. Ainsi l’intégration est beaucoup simplifiée et les batteries d’alimentation du robot sont moins exploitées. Chaque module a sa propre batterie 9 V. Pour fournir l’alimentation 5 V aux modules ABACOM nous avons utilisé des régulateurs L7805CV.

7. Antenne "quart d'onde"

Des antennes de type "quart d’onde" sont utilisées. Leur longueur d'onde de 17,2 cm est très satisfaisante.

 
Contraintes

1. Dimension du boîtier

• Visant une modulation aux alentours de 40 MHz, le premier module commandé est le MAX2450CEP de la compagnie MAXIM. Ce circuit intégré module et démodule en amplitude (AM) pour des porteuses de 35 à 80 MHz, en fonction de de l’alimentation de son oscillateur local.
• La dimension du boîtier de ce circuit intégré présente une contrainte: il n'est disponible qu’en modèle "surface mount" avec 0,025 po d’espacement entre les pattes, détail non spécifié dans la documentation sur le Web.
• Comme un adaptateur de QSOP 0,025 po à DIP ordinaire est introuvable et que les échéances sont considérablement avancées, le MAX2450CEP est mis de côté pour le modèle d’ABACOM ci haut spécifié.

2. Longueur des fils et soudure

La deuxième contrainte concerne la longueur des fils porteurs du signal modulé et de la nécessité de soudures bien réalisées. L’utilisation des hautes fréquences (ici 433,92 MHZ) est plus exigeante. Pour limiter les réflexions entre le modulateur/démodulateur 433,92 MHz et l’antenne, les circuits ont été montés directement sur des plaques perforées (Vero Board).

3. L'électro-aimant

À la relâche des pièces, ce dernier génère des perturbations magnétiques intenses autour des modules. Pour éviter toute perturbation des communications entre l'ordinateur et le robot lors de la décharge, une pause de l'ordre d'une seconde est introduite dans les communications.

4. Mode d’opération Full-duplex

• Probablement la plus grande contrainte est celle d'essayer d'appliquer la communication Full Duplex à nos modules dans lesquels le modulateur et le démodulateur fonctionnent à la même fréquence porteuse.

• Dans le protocole RS-232, lorsque le port de transmission se met en attente, il transmet un Stop bit. Ce Stop bit est de niveau logique 1, soit entre -5V et -25V pour le protocole RS-232, et 5V pour le TTL. Ainsi lorsque le lien Tx du port série du PC ou du robot se met en attente, le modulateur reçoit 5 V qu'il module et transmet sur l'antenne.
  • Ceci nuit à la réception par le lien Rx du même module. Nous avons réglé ce problème en inversant les signaux TTL avant la modulation et après la démodulation.
  • En utilisant des inverseurs TTL SN74S04, avec une réponse d'environ 12ns, les Stop bits deviennent alors un niveau 0 avant la modulation et redeviennent un 1 après la démodulation.
  • De cette façon le lien Tx ne gêne pas la démodulation du Rx à la réception d'un signal.

• Au cours de la période d'intégration, lorsque qu'un module émettait un signal par Tx, ce même signal se retrouvait sur le lien Rx et était inscrit dans un buffer. Pour ne pas nuire à la communication dans les deux sens, il aurait fallu bloquer la réception pendant l'émission du même module. Nous avons pensé utiliser le port E du Robot et du signal RTS du PC pour bloquer la réception, en entrant ces signaux dans une porte logique ET avec le signal de réception.

• Toutefois cette application s'est avérée infructueuse en pratique à cause des tensions minimales et maximales requises pour respecter la logique des entrées de la porte ET. Un 0 sortant du circuit intégré de MAXIM n'était pas assez pour bloquer le signal. Le mode de communication unidirectionnel a été retenue pour la démonstration finale du projet

Solution

Nous pouvons maintenant parfaitement communiquer entre deux ordinateurs par le biais de leur port série et de l'interface d'Hyper Terminal de Windows. Dans une telle communication le taux d'erreur est très faible et ne vaut pas la peine d'être considéré. Toutefois la dernière contrainte mentionnée ci-haut n'a pas été complètement surmontée. C'est notamment la seule qui nous a vraiment causé problème.

Pour la démonstration, avec l'équipe de programmation et de l'interface personne-machine, nous nous sommes préparés à communiquer uniquement du PC au Robot. Il nous faudrait un peu plus de temps pour réaliser la communication dans les deux directions.

Comme nous l'avons mentionné, nous savons parfaitement pourquoi ça ne fonctionne pas. Mais nous sommes limités dans le temps de réalisation et d'intégration. Malheureusement, si le blocage de la réception ne peut fonctionner dans les délais prévus, nous ne pourrons gérer la charge des batterie, partie qui fonctionne très bien.

La Figure 1 qui suit illustre de manière schématique les modules de transmission/réception qui ont été réalisés.

Figure 1 - Schéma bloc du lien de communication

Sur cette dernière, nous pouvons voir que le signal à transmettre (Tx), autant pour l'ordinateur que pour le robot, est converti du protocole RS-232 au TTL par le circuit intégré de MAXIM. Ce signal est ensuite inversé, c'est-à-dire que les 1 deviennent des 0 alors et vice-versa, pour ensuite être modulé en amplitude par le module ABACOM et finalement être transmis sur l'antenne. Sur la figure, nous pouvons très bien voir que la réception s'effectue exactement à l'inverse de la transmission.

Sur la figure 2, nous apercevons les versions finales des modules de transmission/réception qui sont reliés à l'ordinateur et au robot. Ils sont montés sur des plaques perforées.

Figure 2 - Illustration des modules de communication

Évaluation des solutions

• Les principaux objectifs de la section de télécommunication, consistant à recevoir un signal selon le protocole RS-232, de le moduler et finalement de le démoduler, sont atteints. Même si l'intégration avec la partie de la programmation n'est pas à ce stade complètement terminée, la communication entre deux ordinateurs pleinement fonctionnelle.
• Dans une telle communication, le taux d'erreur est très faible et ne vaut pas la peine d'être considéré.
• La dernière contrainte mentionnée plus haut n'a pas pu être complètement surmontée. C'est notamment la seule qui nous a vraiment causé problème.
• De plus, les modules se comportent très bien autour du robot lorsque ce dernier est en fonction, sauf pour la période de la relâche faite par l'électroaimant, tel que mentionné plus haut.
• La portée des modules est amplement suffisante pour les application de ce projet.
• La consommation des modules tourne autour de 4,5 mA en émission et de 2,5 mA en réception, ce qui est satisfaisant.
• La transmission ne comporte presque aucun délai, soit environ 50 ns, mesuré à l'oscilloscope, entre le signal transmis et reçu.
• Le poids de chaque module, incluant la petite antenne, est négligeable.
• Les objectifs de base
• Pour la démonstration finale, avec l'équipe de programmation et de l'interface personne-machine, nous nous sommes préparés pour communiquer uniquement du PC vers le Robot.

Optimisation

Pour l'atteinte complète des objectifs, les trois points suivants nécessitent une amélioration :

• l'intégration avec la programmation;
• l'immunité au bruit et
• l'optimisation de l'espace sur les montages des modules.

Intégration avec la programmation

Pour optimiser la communication bidirectionnelle, il faudrait travailler davantage sur le logiciel. Le problème consiste au fait que le programme va lire ce qu'il transmet en pensant que ça vient de l'autre terminal. Ce problème est inévitable en utilisant deux liens de communications à la même porteuse.

La solution envisageable consiste à effacer toutes les données lues pendant une période de transmission. Ainsi, le programme communiquerait dans une direction à la fois, sans gêner le déroulement des autres aspects du projet. Une telle statégie nécessite toutefois une période d'intégration plus substantielle.

Immunité au bruit

Dans le but de limiter la perturbation engendrée par le champs magnétique de l'électroaimant, nous pourrions monter le module relié au robot dans un boîtier d'aluminium. De cette façon, les perturbations causées par les moteurs et la relâche de l'électroaimant auraient un effet plus minime.

Optimisation de l'espace sur les montages des modules

La réfection des modules sur d'autres plaques perforées améliorerait grandement l'esthétique du montage. Comme nous avons travaillé avec une porteuse à haute fréquence, nous avons réalisé les montages sur des plaques perforées pour en vérifier promptement le fonctionnement. Les ajouts successifs de composantes au long du projet sans planification d'ensemble ont conduit à une organisation peu optimale. Ainsi, cette réfection des modules en optimiserait la disposition.