Polytech' Clermont-Ferrand
Génie Electrique
Projet 2014 GE4A
Sujet: P14AB13

Projet GE2-GE3 2014 :P14AB13 Tableau de signalisation tactile avec bus CAN redondant
Entreprise / Client : Cooper Safety / Jonathan BERNARD
Auteurs : Abdelmounaïme JMARI , Anthony PLANTIN
Responsable Projet : Jacques LAFFONT
Tuteur industriel : Jean Yves RIGNAULT

1. Résumé
2. Abstract
3. Introduction
4. Présentation du Sujet
5. Cahier des Charges
6. Développement

1. Problématiques
2. Faisabilité
3. Étude Théorique

1. Touche a effet capacitif
2. Technologies résistives
3. Touches infrarouges
4. Solutions
5. Bus CAN redondant

7. Gestion de Projet

1. W.B.S.
2. Diagramme prévisionnel

8. Notes d'application

1. Technologies de touches tactiles, avantages inconvenients et mise en oeuvre
2. Sécurisation d'un communication par Bus Can

9. Bilan

1. Etat d'avancement
2. Analyse Critique
3. Perspectives

10. Bibliographie


1. Résumé

Dans le cadre de nos études en cycle d’ingénieur à Polytech Clermont-Ferrand, l’entreprise Cooper Safety nous offre l’opportunité de travailler sur un sujet qui aborde des thématiques dans l’air du temps. Ce sujet traite des thématiques sur les technologies tactiles et sur les bus de communication standard. Le sujet proposé par Cooper Safety est la conception d’une interface permettant l’envoi d’information à une carte mère qui gère des organes de sécurité. Cette interface est à base de touche tactile avec l’envoi d’information par un bus de communication redondant. Ce projet est un démonstrateur, nous avons développé 4 cartes électroniques. Trois cartes pour chaque technologie avec 4 boutons par technologie et une carte afficheur pour informer de l’état actuel du système. Le but du projet et de permettre une personnalisation simple et peu couteuse du tableau, on doit également pouvoir déporter le tableau de la carte mère. Ce tableau est à destination des pompiers, on doit donc détecter un appui avec des gants.

Mots clés :
Touches tactiles
Bus CAN
Organes de sécurité


2. Abstract

As a part of our studies in engineering cycle at Polytech Clermont Ferrand, the company Cooper Safety offers us the opportunity to work on a subject who address theme in the era of time. This topic deals with themes of touch technologies and standard communication bus . The subject proposed by Cooper Safety is the conception of an human interface permitting to send information to a mother board who manage security organs. This interface is made with touch technology and can sen information via a redundant comunication bus. This project is a demonstrator, we develloped four electronic board. Three board for every touch technology with four buttons by technology and a display board to inform about the actual state of the sysytem. The aim of this projet is to permit a simple customization and inexpensive of the table, we also must get the possibility to deport the table to the mother board. This table is destinat to the fire man so we need to detect the touch with gloves.

+Keywords
Touch tactile
Bus CAN
Security organs


3. Introduction

Le système d’alarme incendie dans un bâtiment peut être très complexe. Dans de grands bâtiments types entreprises, hôpitaux ou écoles, il peut être extrêmement sophistiqué. La stratégie d’évacuation d’un bâtiment est étudiée avec une grande précision afin d’être la plus adéquate. Selon l’endroit où est déclaré le feu, les portes-coupe-feu à fermer, les systèmes de ventilation de fumée à mettre en route et les sirènes à faire sonner sont différents. Un système ressemblant à un ordinateur central, la carte principale, gère ces scénarios en étant connecté aux différents éléments du bâtiment. De plus, on doit pouvoir commander ces organes même en cas de coupure.
Dans ce cadre, notre projet est la réalisation d’une interface à base de touche tactile permettant l’envoi d’ordres de commande à la carte principale grâce à un bus CAN redondant. L’entreprise qui nous donne la possibilité de travailler sur ce sujet est l’entreprise Cooper sécurité SAS qui est une branche de Cooper safety qui appartient au groupe Eaton Cooper.
Ce tableau existe déjà avec un lexan (bouton plastifié) sans bus de communication redondant. Les enjeux principaux pour Cooper sécurité SAS de développer un tel tableau dans une version tactile réside dans les couts de fabrication. Actuellement si l’on souhaite changer de langue ou modifier un pictogramme, il faut ré imprimer ce lexan , ce qui amène des couts supplémentaires. Ce tableau sera à destination des pompiers, il faudra que le produit soit robuste (humidité, poussières) et que l’on détecte l’appui même avec des gants. De plus, ce tableau peut être déporté de la carte mère. Le but du projet est donc de permettre au client de choisir la technologie qui permet une personnalisation simple, peu couteuse et robuste. On devra aussi détecter une liaison défectueuse entre la carte mère et le tableau tactile. Pour ce faire, nous avons mis en place un bus de communication redondant
Pour mener à bien ce projet nous avons séparé le développement de l’interface tactile et de la communication pas bus CAN. L’interface tactile est séparée en 3 technologies à raison de 4 boutons par technologie et une diode pour chaque bouton.Les cartes communiquent entre elles par bus I2C.


4. Présentation du Sujet

La société avec laquelle nous collaborons est Cooper Sécurité SAS qui appartient à Cooper Safety du groupe Eaton. Cooper Sécurité a été créé en 1999 après la fusion de quatre entreprises chacune dominante dans leur propre activité : Luminox (éclairage de sécurité) Nugelec (alarme et la détection incendie) Cooper Security (alarme anti intrusion) et CCH-Ceag (matériels électriques pour atmosphères explosibles). L’objectif majeur de cette union est de fournir à leurs clients un équipement alliant le même niveau de sécurité, une même exigence de qualité et une même capacité d’innovation technologique. La société Cooper sécurité SAS la société avec laquelle nous travaillons compte un effectif de 220 personnes pour un chiffre d’affaires de 58 millions d’euros.

Désireux d’améliorer leurs produits, Cooper sécurité propose un sujet pour l’amélioration d’un de leurs produits. Le produit en question est un tableau de signalisation à base de boutons plastifiés imprimé (lexan). Notre projet consiste à améliorer ce tableau en remplaçant le lexan par des touches tactiles et de pouvoir envoyer et recevoir des informations en simultané par deux bus CAN a la carte mère qui gère les organes de sécurité du bâtiment.
Ce sujet présente plusieurs enjeux principaux pour Eaton. Eaton étant une société avec une dimension internationale, s’ils veulent vendre leurs produits sur un autre marché ou changer un pictogramme, ils doivent réimprimer le lexan ce qui engendre des couts supplémentaires. Pour pallier à ce problème, certaines technologies tactiles présentent l’avantage de permettre une personnalisation simple et peu couteuse.

Actuellement, le tableau et la carte mère sont directement liés (figure ci-dessous). Notre client aimerait avoir la possibilité de pouvoir déporter la carte mère du tableau. Une liaison sécurisée doit donc être mise en place entre la carte mère et le tableau afin de garantir la disponibilité d’information. Pour ce faire, nous avons utilisé un bus de communication standard et robuste le bus CAN. Nous avons doublé ce bus de communication afin d’avoir une disponibilité d’information. Cette redondance nous permet de détecter la coupure sur l’un des deux bus. Malgré la coupure d’un câble, le produit doit continuer de fonctionner complètement (la norme impose d’être « résistant » à un défaut).

Ce sujet soulève plusieurs problématiques, en effet ce tableau est à destination des pompiers, on doit donc être capable de détecter l’appui même avec des gants. Ce tableau va évoluer dans un environnement contraignant (eau, poussière), il doit donc être robuste à toutes ces conditions. De plus, la liaison entre la carte mère et le tableau doit être sécurisée afin de continuer à transmettre même en cas de coupure, et l’on doit détecter cette coupure.
Notre projet est un démonstrateur qui a pour finalité de permettre au client de choisir une technologie pour l’interface « tactile » et de démontrer la faisabilité d’utilisation d’un bus Can redondant.


5. Cahier des Charges

Notre projet consiste en la conception d'un boitier de contrôle de systèmes de sécurité avec interface à base de touches tactile. Ce système devra permettre d'envoyer des ordres de configuration par bus Can. L'interface homme-machine sera basée sur des touches tactiles. Il y aura une carte par technologie(résistif,capacitif et infrarouge ) Une carte afficheur synthétisera la configuration actuelle du système. Un scroll permettra de faire défiler l’écran. Il y aura 1 Diodes par boutons qui renseignera sur l’état de la touche, il y aura 4 boutons par technologie de différentes dimension. Si une coupure d’un des bus CAN est détectée, une diode de défaut sera alors allumée. Une interface homme-machine permettant le monitoring via une connexion USB doit être développé. Les cartes communiqueront entre elles par bus I2C.Le choix du bus I2C vient du faite que c'est un bus standard et facile a mettre en œuvre. De plus si un jour notre client souhaite mettre en œuvre une nouvelle technologie tactile aura simplement a développer la carte et la relié au bus I2C existant.

Voici donc le synoptique général du systeme:


6. Développement


6.1. Problématiques

Les problématiques du sujet se concentrent principalement sur la partie tactile du tableau et tout ce qui concerne la communication avec un double bus CAN. Concernant la partie tactile, la détection d’un appui doit se faire même avec des gants, car le tableau sera utilisé principalement par des pompiers. Pour la partie communication, la principale problématique sera d’envoyer deux trames CAN en même temps et de comparer ces trames, si ce sont les mêmes ou non.


6.2. Faisabilité

Notre projet ne présente pas de difficulté particulière, seul le temps peut jouer contre nous. En effet pour la partie tactile seule le désigne des touches peut prendre du temps. La partie la plus importante du projet en termes de temps de développement sera la partie communication entre la carte mère et le tableau tactile.


6.3. Étude Théorique

Dans cette partie nous avons étudié les différentes technologies tactiles existantes, leur principe de fonctionnement et si elle répondait aux problématiques du sujet. Nous avons également étudié certains microcontrôleurs pour la partie communication.

6.3.1 Touche a effet capacitif

Pour une touche capacitive, on retrouve le principe de la capacité (voir application note technologies de touches tactiles) puisque on vient ajouter une capacité en parallèle qui se crée entre notre doigt conducteur et la touche via le vernis isolant.

Cx étant la capacité intrinsèque de la touche et Cf la capacité du doigt.

--Principe de détection d’un appui--

Lors d’un appui on augmente la capacité équivalente Cp = Cx+ Cf. Le principe de détection se base sur une charge et décharge de la capacité et de la mesure de ce temps. Le temps de décharge dépend de la constante de temps propre à une capacité τ = R*C. lors d’un appui cette capacité augmente ce qui fait que le temps de décharge augmente (voir figure 3).
Pour augmenter la différence de temps, on peut mettre une résistance pour augmenter le temps de charge et décharge.

Conception logicielle

Nous avons utilisé le principe de la CTMU pour avoir plus de précision.
CTMU (unité de mesure du temps de charge) qui est un module qui nous délivre un courant constant pour une période de charge préfixé. Ce qui revient à détecter la variation de la tension en sortie du module par la formule
V=(I*T)/C . Le programme lit l'état des touches d'une manière continue pour voir s'il y a un appui ou non.
Cette méthode nécessite simplement un timer et des entrées sorties standards pour détecter la variation de tension au niveau du convertisseur analogique numérique.

Réalisation


6.3.2 Technologies résistives

--Structure d’une dalle tactile résistive--

Une dalle tactile résistive est constituée de deux couches conductrices séparées par un isolant. Une couche conductrice est fixe, l’autre est flexible. Lorsqu'on vient appuyer sur la dalle on crée un contact électrique entre la surface fixe et la surface flexible.

--Principe de fonctionnement --
Lors d’un appui, l’utilisateur fait bouger la couche conductrice flexible vers la couche conductrice fixe, il créer un contact entre les deux couches conductrices. Ce contact créer un pont diviseur de tension entre les deux couche et nous permet de déterminer la position X, Y du point de contact .

--Avantages et inconvénients--

Avec cette technologie, l’utilisation de gant est possible, ainsi qu’une personnalisation sous la dalle tactile. Cette technologie présente de nombreux avantages et répond bien aux problématiques du sujet.

Réalisation


6.3.3 Touches infrarouges

--Structure d’une touche infrarouge--

Une touche infrarouge est constitué d'une led infrarouge (émettrice) et une photodiode (réceptrice). Lors d'un appui, le doigt dévie l'onde infrarouge qui sera récupéré par la photodiode qui la traduit à un signal électrique qui sera digitalisé par le convertisseur analogique/numérique.

-- Principe de fonctionnement --

On a choisi de transmettre une onde infrarouge à une fréquence de 100 khz et venir lire la photodiode au même moment pour éviter une perturbation de la lumière ambiante.

-- Avantages et inconvénients --

Cette technologie présente l’avantage de pouvoir utiliser des gants, et on peut également utiliser un plexiglas sur la face avant. Cependant avec cette technologie on détecte le contact avant un appui ce qui peut être gênant dans certaines situations.

Réalisation pratique


6.3.4. Solutions retenues

Après cette étude théorique et expérimental nous avons pu permettre a notre client de choisir la technologie la mieux adapté a son besoin. On en déduit alors que la technologie résistive reste le meilleur choix pour son besoin.
carte-conn.jpg?

6.3.5. Bus CAN redondant
Le but principal d'une communication redondante est d'assuré une liaison sécurisé entre la carte mère et le tableau tactile. Le bus de communication choisi est le bus CAN. Le choix du bus CAN vient du fait que c'est un bus standard relativement rapide et qui est robuste au perturbations. Il y a plusieurs stratégie pour effectuer cette redondance. La première consiste a envoyer les mêmes paquets et a décoder les paquets dans l'ordre. Une autre technique consiste a envoyer les paquets inversé sur un des deux bus can et de re décoder les informations et de les comparer. La seconde solution est plus robuste mais plus difficile a mettre en œuvre.


7. Gestion de Projet

7.1 W.B.S.

Nous avons choisi de séparer la partie communication et la partie interface tactile pour nous permettre d’avancer plus rapidement sur le projet. En effet, ces deux parties peuvent être développées indépendamment.


Diagramme prévisionnel

Diagramme prévisionnel 4eme année

Diagramme prévisionnel 5eme année

Nous avons pris du retard sur le diagramme prévisionnel de 5eme année. On peut expliquer ce retard par plusieurs point. Le premier vient de la sous-traitance. Nous leurs avons demandé de faire le tableau d'un seul bloc. Nous nous sommes vite rendu compte que designer ce tableau tactile d'un seul bloc était une tache difficile a realiser. Nous avons donc pris du retard du a une mauvaise gestion de notre part. Nous avons également eu des problèmes de développement sur certaines technologies et nous avons donc du nous pencher a deux sur certains point. Une mauvais utilisation des ressources peut expliquer ce retard également. Nous avons donc du négliger la partie Qt qui n'etait pas la priorité de notre client.


8. Notes d'applications

8.1 Technologies de touches tactiles, avantages inconvenients et mise en oeuvre

application note Plantin

8.2 Sécurisation d'un communication par Bus Can

application note Jmari


9. Bilan

9.1 Etat d'avancement

9.2 Analyse Critique

Si ce projet était a refaire nous aurions probablement géré la sous traitance différemment. Notamment en leurs confiant des taches simple et le plus unitaire possible. En effet cela a été une erreur de leurs donner a designer tout le tableau en un seul bloc au début de la sous traitance. Nous avons heureusement corrigé le tir mais nous avons perdu beaucoup de temps sur ces aspects la. Ceci dit ce projet a été enrichissant notamment du point de vue de la gestion de projet et au point de vu relationnel avec notre client qui nous a donné de nombreux conseil et nous a guidé tout au long du projet.

9.3 Perspectives

Le projet étant finis a 80 % environ ce qui motiverai une renouvellement du projet serai un désir de la part du client d'avoir un tableau complet dans la technologie choisi. L'interface Qt n'ayant pu aboutir cela serai un autre point qui motiverai le client a reproposer le projet. On peut également imaginer des améliorations sur ce projet. Notamment sur la consommation des cartes, le temps de réaction des cartes et finir la communication I2C entre les cartes. Ceci dit cela reste des points trop léger pour pouvoir reproposer ce projet l'an prochain.


Bibliographie

Microchip Technology Inc . www.microchip.com Application note 1334 “Techniques for Robust Touch Sensing Design”
[2]Microchip Technology Inc . www.microchip.com Application note 1250 “Microchip CTMU for Capacitive Touch Applications “
[3]Microchip Technology Inc . www.microchip.com Art Anderson, Field application engineer “Touch sense and graphics solutions “
[4]Mesures optimisation des process industrielle . www.mesures.com/ . MESURES 740- DÉCEMBRE 2001 « ÉCRANS INDUSTRIELS LES ÉCRANS TACTILES S’ADAPTENT AU BESOIN... GRÂCE À LA TECHNOLOGIE »

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