Magister

112 Pages·2015·8.54 MB·French

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE DES SCIENCES ET DE LA TECHNOLOGIE D’ORAN MOHAMED BOUDIAF

Faculté de Génie Electrique
Département d’électronique

Mémoire

Pour l’obtention du diplôme de
Magister

Spécialité : Electronique
Option: Technologie des Microsystèmes Electro-Mécaniques et Microfluidiques

Présenté par :
BOUGUENNA Abdellah

Intitulé :

Simulation matérielle d'un capteur intelligent

Soutenue le : 17 / 06/ 2015

Devant les membres du jury :

Mr. MEKKAKIA MAAZA Nasr-Eddine Président Prof. (USTO-MB)
Mr. OUSLIM Mohamed Encadreur Prof. (USTO-MB)
Mr. DEROUICHE Z iane Examinateur Prof. (USTO-MB)
Mr. AHMED FOITIH Zoubir Examinateur Prof. (USTO-MB)

2014-2015
Remerciements

Je remercie Allah tout puissant de m’avoir accordé la volonté et le courage pour
réaliser ce mémoire.
Le mémoire de magister présent a été effectué dans le cadre de la post graduation :
Technologie des Microsystèmes Electro-Mécaniques et Microfluidiques, encadré par
Monsieur OUSLIM Mohamed, Maitre de Conférence au département d’électronique,
Université Des Sciences et de la Technologie D’Oran Mohamed Boudiaf (USTO).
J’exprime mes chaleureux remerciements au directeur de mémoire, Mr OUSLIM
Mohamed, qui a suivi mes travaux. Pour ses fructueuses remarques, ses encouragements et sa
passion pour la recherche. Qu’il trouve ici le témoignage de ma profonde gratitude.
Pour l’honneur qu’il m’a accordé, en acceptant de présider le jury de mémoire, je
remercie sincèrement Mr MEKKAKIA MAAZA Nasr-eddine, Professeur au département
d’électronique (USTO).
Mes vifs remerciements vont également aux membres de jury: Mr DEROUICHE
Ziane, professeur à l’USTO et Mr AHMED FOITIH Zoubir, professeur à l’USTO. Je les
remercie chaleureusement pour leur présence et pour avoir accepté d’examiner le présent
mémoire.
Je tiens à remercier tous mes amis qui m’ont aidé de loin ou de près dans la
réalisation de ce travail.
Sommaire
Sommaire

Liste des figures
Liste des tableaux
Résumé
Introduction générale ..................................................................................................... 3

Chapitre I: les capteurs intelligents
I.1 Introduction ................................................................................................................................ 8
I.2 Généralités sur les capteurs ....................................................................................................... 8
I.2.1 Définition d’un capteur ....................................................................................................... 8
I.2.2 Constitution d’un capteur ................................................................................................... 9
I.2.3 Paramètres caractéristiques des capteurs ......................................................................... 10
I.2.4 Définition d’un capteur intelligent ................................................................................... 10
I.2.5 Architecture matérielle d’un capteur ............................................................................... 12
I.2.6 Structure des capteurs intelligents ................................................................................... 14
I.2.6.1 Les capteurs analogiques ........................................................................................... 14
I.2.6.2 Les capteurs numériques ........................................................................................... 15
I.2.7 Sûreté de Fonctionnement et « Capteurs Intelligents » .................................................. 16
I.2.7.1 Sûreté de fonctionnement .......................................................................................... 16
I.2.7.2 Fiabilité ....................................................................................................................... 17
I.2.7.3 Maintenabilité et logistique de maintenance ............................................................ 18
I.2.7.4 Sécurité ....................................................................................................................... 18
I.3 Conclusion ................................................................................................................................ 19
Références bibliographies du chapitre I ....................................................................................... 20

Chapitre II: Accéléromètre MEMS
II.1 Introduction ............................................................................................................................. 22
II.2 Les accéléromètres MEMS .................................................................................................... 22
II.2.1 Etat de l’art des accéléromètres MEMS ......................................................................... 22
II.2.2 Les principes physiques appliqués aux accéléromètres ................................................ 24
II.2.3 Caractéristiques des accéléromètres ............................................................................... 26
II.2.4 Fabrication des accéléromètres à la technologie des microsystèmes ........................... 27
II.2.4.1 Définition (MEMS) .................................................................................................. 27
II.2.4.2 Domaines d’applications des MEMS ...................................................................... 27
II.2.4.3 Technologies de micro-usinage des MEMS ........................................................... 29
II.2.5 Les principales étapes technologiques de réalisation des accéléromètres ................... 32
II.3 Conclusion .............................................................................................................................. 36
Références bibliographies du chapitre II ..................................................................................... 37

Chapitre III: Capteur sans fil
III.1 Introduction ........................................................................................................................... 39
III.2 Architecture matérielle du capteur sans fil .......................................................................... 39
III.3 Les Protocoles sans fil .......................................................................................................... 42
III.3.1 Protocole Wi-fi ............................................................................................................... 43
III.3.2 Protocole Bluetooth........................................................................................................ 43
III.3.3 Protocole ZigBee ............................................................................................................ 43
III.3.3.1 Topologies ............................................................................................................... 44
III.3.3.2 La norme IEEE 802.15.4 ........................................................................................ 45
III.4 Comparaison entre les protocoles sans fil ........................................................................... 46
III.5 Le Module « XBee » ............................................................................................................. 46
III.5.1 Caractéristiques des modules XBee .............................................................................. 47
III.5.2 Description du module XBee ........................................................................................ 47
III.6 Communication RF via le module XBee ............................................................................ 59
III.7 Conclusion ............................................................................................................................ 51
Références bibliographies du chapitre III .................................................................................... 52

Chapitre IV: dsPIC30F
IV.1 Introduction ........................................................................................................................... 55
IV.2 Microcontrôleurs (dsPIC 30f6014A) ................................................................................... 55
IV.3 Comparaison entre un microcntrolleur normal PIC et un dsPIC ..................................... 56
IV.4 Branchement d’un dsPIC..................................................................................................... 56
IV.5 Fréquence de fonctionnement ............................................................................................. 56
IV.6 Les blocs du dsPIC ............................................................................................................... 57
IV.6.1 Unité de captage (Conversion analogique numérique) ............................................... 57
IV.6.2 Unité de Traitements numérique des données ............................................................ 58
IV.6.3 Unité de communication............................................................................................... 59
IV.7 Le Kit de dévelopement dsPICpro4 .................................................................................... 60
IV.8 GLCD (Graphic Liquid Crystal Display) ............................................................................ 61
IV.9 Conclusion ............................................................................................................................ 62
Références bibliographies du chapitre IV .................................................................................... 63

Chapitre V: simulation du capteur sur dsPic
V.1 Introduction............................................................................................................................. 65
V.2 Les outils de Développement ............................................................................................... 66
V.2.1 Développement Hardware ............................................................................................... 66
V.2.2 Développement Software ................................................................................................ 67
V.3 Le système d'application ........................................................................................................ 69
V.3.1 Banc de mesure de l'application...................................................................................... 69
V.3.2 Flux de donnée pour l'appliquation ................................................................................ 69
V.3.3 Systeme flux des tâches .................................................................................................. 71
V.4 La conversion analogique numerique ................................................................................... 72
V.4.1 Le convertisseur analogique-numerique de dsPIC30F .................................................. 72
V.5 Le traitement numerique ........................................................................................................ 73
V.6 La communication .................................................................................................................. 76
V.6.1 Liaison de données avec le PC........................................................................................ 76
V.6.2 Application dans le réseau du capteur sans fil ............................................................... 77
V.6.2.1 La communication sans fil ........................................................................................ 77
V.7 L’organigramme du programme ........................................................................................... 81
V.8 Simulation du protocole ZigBee sur DSPIC........................................................................ 84
V.9 Évaluation du capteur intelligent ........................................................................................... 86
V.9.1 La consommation énergétique ........................................................................................ 86
V.9.2 Aspect clé de la mésure de vibratoon ............................................................................. 86
V.10 Conclusion ............................................................................................................................ 88
Références bibliographies du chapitre V ..................................................................................... 89
Conclusion générale ..................................................................................................................... 91
Annexes ......................................................................................................................................... 93
Liste des figures
Liste des figures

Figure titre page

Chapitre I
Figure I.1: Schéma synoptique d'un capteur.....................................................................…... 08
Figure I.2: Principe d’un capteur…..........................................................................................09
Figure I.3: Constitution d'un capteur ….......................................................................................09
Figure I.4: Schéma de principe du capteur à processeur de signal…………………………...11
Figure I.5 : Architecture matérielle d'un capteur....………………………………….............12
Figure I.6 : Schéma interne d’un capteur analogique...............................................................14
Figure I.7 : Schéma interne d’un capteur numérique. ……………………………………….15
Chapitre II
Figure II.1 : Performances des accéléromètres MEMS ……………………………………...23
Figure II.2: Schéma d’un accéléromètre résonant …………………………………………...24
Figure II.3 : Domaines des MEMS – Exemples……………………………………………...28
Figure II.4 : Gravure en surface………………………………………………………………30
Figure II.5 : Exemple de structure micro-usinée par gravure en surface
(Micromoteur, source SANDIA National Labs)……………………………………………...31
Figure II.6 : Gravure en volume par la face avant (FSBM)…………………………………..31
Figure II.7 : Exemple de structures micro-usinées par gravure en volume par FSBM……….32
Figure II.8 : Séquences des principales étapes technologiques pour la réalisation d’un
accéléromètre uniaxial………………………………………………………………………..36
Chapitre III
Figure III.1: Architecture matérielle d’un « capteur-transmetteur intelligent » (CTI)….……41
Figure III.2 : Topologies ZigBee …………………………………………………………….45
Figure III.3 : Format d’une trame MAC IEEE 802.15.4 ……………………………………..46
Figure III.4 : Montage d’un module XBee sur une carte avec une interface RS232 ………...49
Figure III.5 : Différentes versions du module XBee………………………………………….50
Figure III.6 : Système de communication RF utilisant des modules XBee ……………….…51
Figure III.7 : Exemple de flux de données envoyé via le port série …....................................51
Figure III.8 : Architecture interne du module XBee ………………..……………………….52
Chapitre IV
Figure IV.1: Diagramme de bornes de dsPIC30F6014……………………………………….56
Figure IV.2 : Le schéma interne du Convertisseur ADC 10bits …………………………......59
Figure IV.3 : L'architecture du module DSP ………………………………………………...60
Figure IV.4 : dsPICpro4….......................................................................................................61
Figure IV.5 : les connexions entre GLCD et le dsPIC30F6014A ………………...………….62
Chapitre V
Figure V.1: Le module XBee…………………………………………………………………68
Figure V.2 : Brochage du module XBee ……………………………………………………68
Figure V.3 : plateforme matérielle pour le banc d'essai………………………………………69
Figure V.4 : flux de données généralisé pour d'application…………………………………..70
Figure V.5 : la conversion entre le spectre de temps et le spectre de fréquence……………...73
Figure V.6 : interface du logiciel X-CTU ou choisir le port de communication……………..78
Figure V.7: Fenêtre Test X-CTU……………………………………………………………..79
Figure V.8 : interface du logiciel X-CTU ou modifier la configuration du Xbee……………79
Figure V.9 :interface du logiciel X-CTU ou modifier l’adresse du Xbee…………………….80