Un lecteur de badges magnétiques à usage général

Cet appareil est capable de lire et de reconnaître les données mémorisées dans la seconde piste des cartes magnétiques et il peut fonctionner de manière autonome (pour réaliser un système de contrôle d’accès) ou relié à un PC se chargeant de la gestion des événements. Il est doté de deux relais afin de gérer des dispositifs externes et d’un port RS232 pour la liaison à l’ordinateur.

Les systèmes de contrôle des accès remportent depuis toujours beaucoup de succès auprès de nos lecteurs, c’est pourquoi ont vous propose régulièrement des montages s’y rapportant et basés sur les diverses technologies. Ainsi avons-nous présenté des appareils utilisant des transpondeurs, des cartes à puce et récemment, grâce au circuit intégré novateur Sensory VE-IC, la voix pour identifier les différents usagers désirant accéder à une ressource précise.

Notre réalisation
Cet article propose la construction d’un lecteur de badges magnétiques dont l’atout principal est, nous semble-t-il, l’universalité de son emploi. Comme tous les appareils de ce genre, notre circuit est en mesure de lire les codes écrits à l’intérieur des traces présentes dans les cartes magnétiques.
De plus, il est doté de deux relais qu’il peut activer ou relaxer selon les codes lus. Les deux relais peuvent être reliés à des dispositifs de contrôle de portes, à des serrures électriques ou à des systèmes d’alarme de façon à réaliser un système de gestion des accès des plus fiables. L’appareil est en outre muni d’un port sériel RS232 à travers lequel il est possible de le relier à un ordinateur ou un autre périphérique : nous le verrons, ce port est mis à profit par le circuit pour transmettre vers l’extérieur les codes lus ou pour recevoir certaines commandes concernant les actions à accomplir. L’interface est enfin complétée par une LED bicolore signalant à l’extérieur certaines informations (par exemple, si la lecture d’une carte a bien été effectuée ou non, si l’appareil est activé, etc.) et d’un buzzer pour compléter cette signalisation.
Entrons un peu plus profondément dans les spécifications du système en précisant tout d’abord que le circuit est caractérisé par deux modes, Clé et PC Link, chacun d’eux se subdivisant en deux sous-modes, Clé Normal/Clé Auto-apprentissage pour le premier et PC Link Direct/PC Link “On Demand” pour le second. La sélection des quatre sous-modes se fait par le paramétrage d’un dip-switch à deux micro-interrupteurs présent dans le circuit, comme le montre la figure 3.
Le mode Clé Normal a été conçu pour réaliser un système autonome de gestion des entrées : en effet, quand le code écrit à l’intérieur d’une carte est lu, si ce code a été préalablement mémorisé dans l’EEPROM du microcontrôleur constituant le circuit (autrement dit si ce code est habilité), RL1 est activé et peut, par exemple, commander l’ouverture d’une entrée.
Si en revanche ce code n’est pas habilité (pas mémorisé dans l’EEPROM du PIC), c’est le RL2 qui est activé et qui peut, par exemple, déclencher une alarme. Les codes des cartes à habiliter sont mémorisés dans la mémoire du microcontrôleur grâce au mode Clé Auto-apprentissage : quand une carte passe par la fente du lecteur, le code est écrit dans la mémoire du PIC pour être ensuite utilisé à des fins de comparaison (bien sûr, si le code est déjà présent dans la mémoire, il n’est pas mémorisé une seconde fois).
Notez que les codes sont écrits dans une EEPROM et que donc les informations sont mémorisées selon une technique non volatile (par conséquent, même si l’alimentation est coupée, les données restent en mémoire et sont disponibles dès la mise sous tension suivante) et que les cellules peuvent être effacées et récrites plusieurs fois.
Le mode PC Link a été conçu, lui, afin de permettre de relier, par une liaison sérielle RS232, le lecteur de cartes magnétiques à un second appareil (typiquement un PC), ce dernier s’occupant de gérer l’habilitation ou non des entrées. Dans ce mode, on voit toute l’universalité d’emploi du circuit : selon vos propres besoins il est en effet possible d’étendre le système en reliant au PC de nouveaux périphériques ou en gérant de façons différentes les deux relais du circuit.
En sous-mode PC Link Direct l’appareil travaille comme un simple lecteur de badges magnétiques : le circuit se contente alors de lire les codes écrits dans les cartes et à les transmettre par le port sériel au PC. Afin d’éviter d’avoir à laisser l’ordinateur toujours allumé, le sous-mode PC Link “On Demand” est en outre disponible : là le circuit fonctionne encore comme lecteur de badges magnétiques, mais au lieu de transmettre immédiatement les codes lus, il les mémorise temporairement en EEPROM et c’est seulement après une interrogation de sa part qu’il les transmet à l’ordinateur. En dehors de la demande d’envoi des données mémorisées, l’ordinateur peut encore commander au circuit l’exécution de certaines opérations (par exemple, l’allumage de LED de signalisation, l’activation des relais ou du buzzer, etc.) ou prendre en compte certains paramètres de fonctionnement (par exemple, la durée d’activation des deux relais). Pour la communication entre lecteur et PC, un protocole particulier est utilisé (voir figure 6) : il a été conçu justement pour vous permettre d’écrire simplement un logiciel qui, tournant sur PC, soit capable de gérer le lecteur. Avant de conclure la présentation, ouvrons une parenthèse à propos des badges magnétiques : le standard ISO7811, avec lequel le lecteur est compatible, prévoit que, dans les cartes, les codes sont écrits à l’intérieur de trois traces.
Notre circuit est en mesure de lire seulement la trace 2 laquelle, selon les spécifications, peut contenir quarante caractères numériques (chaque caractère étant constitué de quatre bits d’information plus un bit de parité). Il n’est pourtant pas nécessaire que les quarante caractères soient écrits, les cartes peuvent en contenir moins.
En mode Clé le circuit ne considère que les dix premiers caractères de chaque carte (ce qui, pour la plupart des applications, suffit à une identification univoque) : exécutant un rapport entre la dimension de la mémoire du PIC et les octets nécessaires pour les dix caractères de chaque carte, le circuit a une capacité de mémorisation maximale de vingt cartes.
En mode PC Link, en revanche, le circuit prend en compte tous les caractères qu’il trouve écrits dans la trace 2 : selon la carte lue, les codes obtenus se caractérisent par différentes dimensions.
En sous-mode PC Link Direct cela n’implique aucune considération particulière (des flux de longueurs différentes sont simplement transmis par voie sérielle), en revanche, en sous-mode PC Link “On Demand”, il n’est pas possible de définir a priori la capacité maximale (en nombre de cartes mémorisées) de l’appareil, mais cela dépend des divers cas effectivement rencontrés.

Figure 1 : Les deux modes.

Le lecteur de cartes magnétiques peut fonctionner selon deux modes : Clé ou PC Link (direct ou “On Demand”). Le premier mode peut être utilisé, par exemple, pour réaliser un système de gestion des accès complet et indépendant (photo ci-contre) : quand une carte passe dans le lecteur, si elle a été préalablement mémorisée (par auto-apprentissage), le circuit active un relais 1 pouvant, par exemple, commander l’activation d’une serrure électrique. Si en revanche la carte ne figure pas parmi celles habilitées, le dispositif active un relais 2 pouvant être relié à une sirène ou à un système d’alarme.
Le mode PC Link direct (en bas) prévoit la transmission par l’appareil, au moyen d’une connexion sérielle RS232, de tous les codes des cartes lues à un ordinateur : c’est donc le logiciel tournant sur ce PC qui, en fonction d’une logique propre, commande les éventuels périphériques externes. En mode PC Link “On Demand” (en bas), le lecteur peut mémoriser certains accès et ne les envoyer au PC que si celui-ci les demande. En plus, le PC peut faire exécuter par le lecteur certaines commandes (par exemple l’activation des deux relais, l’activation du buzzer, etc.).

Le schéma électrique
Le schéma électrique complet de l’appareil est donné figure 2 : le coeur du lecteur est évidemment le microcontrôleur U1 PIC16F876-EF500, déjà programmé en usine. En effet, il gère directement tous les dispositifs composant le circuit.
À travers les ports RC4 et RC5 (broches 15 et 16) est gérée l’activation/ relaxation des relais RL1 et RL2, à travers les ports RC1 et RC2 (broches 12 et 13) est commandée la LED bicolore LD1, à travers RB6 et RB7 (broches 27 et 28) sont lus les états des deux micro-interrupteurs du dipswitch DS1 utilisés pour sélectionner un des quatre sous-modes de fonctionnement, le buzzer BZ1 est, lui, géré à travers le port RC3 (broche 14). La connexion vers le port sériel est confiée aux ports RC6 et RC7 (broches 17 et 18) : pour convertir les niveaux de tension de +/–12 V (liaison RS232) en 0/+5 V (dispositifs TTL) on se sert de la puce U2 MAX232.
Enfin la liaison vers le lecteur LSB12 externe est réalisée à travers les ports RA0 à RA2 (broches 2 à 4).
L’inter face de sortie du lecteur de carte à fente se compose de cinq fils : deux (– et +) servent à porter la masse et le +5 Vdc d’alimentation, les trois autres marqués B (CLS), Y (RCL) et D (RDT) servent à signaler qu’une carte est présente dans le lecteur et à transmettre le code vers l’extérieur. En particulier la broche CLS (“Card Loading Signal”) est mise à l’état logique bas quand une carte est physiquement présente dans le lecteur (de telle façon que le microcontrôleur puisse lancer la lecture), les broches RCL (“Read Clock”) et RDT (“Read Data”) sont en revanche utilisées pour transmettre vers l’extérieur les codes lus. En détail : RCL est à l’état logique bas quand le lecteur lit un bit sur la bande de la carte, ce bit informatif est disponible également sur la broche RDT.
Le logiciel du microcontrôleur gère la communication avec le lecteur selon la logique suivante : il teste continûment l’état logique de son port RA0, s’il le trouve bas il utilise le signal présent sur la broche RA1 pour se synchroniser sur la transmission du lecteur LSB12 et lit les bits présents sur le port RA2.
En fonction des bits lus il exécute deux opérations : il contrôle l’exactitude de la lecture (au moyen du bit de parité composant chaque caractère) et, en cas d’issue positive, il construit les octets constituant le code entier de la carte.
Quant à la section d’alimentation, elle commence par l’entrée PWR à laquelle on doit fournir une tension d’environ +12 V continu (niveau utilisé par les deux relais et le buzzer), puis le régulateur U2 7805 la stabilise en +5 V utilisé pour alimenter tous les dispositifs TTL.

Figure 2 : Schéma électrique du lecteur de badges magnétiques.

Liste des composants
R1 = 4,7 k
R2 = 4,7 k
R3 = 4,7 k
R4 = 390
R5 = 390
R6 = 4,7 k
C1 = 100 nF multicouche
C2 = 470 μF 25 V électrolytique
C3 = 100 nF multicouche
C4 = 470 μF 25 V électrolytique
C5 = 100 nF multicouche
C6 = 100 nF multicouche
C7 = 1 μF 100 V électrolytique
C8 = 1 μF 100 V électrolytique
C9 = 1 μF 100 V électrolytique
C10 = 1 μF 100 V électrolytique
C11 = 10 pF céramique
C12 = 10 pF céramique
LD1 = LED 3 mm bicolore
D1 = 1N4007
D2 = 1N4007
D3 = 1N4007
Q1 = quartz 20 MHz
U1 = PIC16F876-EF500 déjà programmé en usine
U2 = MAX232
U3 = 7805
T1 = BC547
T2 = BC547
T3 = BC547
DS1 = dip-switch à deux microinterrupteurs
BZ1 = buzzer avec électronique
RL1 = relais miniature 12 V
RL2 = relais miniature 12 V

Divers :
1 prise d’alimentation
1 connecteur DB9 femelle
2 borniers trois pôles
1 lecteur de cartes magnétiques LSB12
1 barrette mâle à 8 pôles
1 fil trois pôles 10 cm
1 support 2 x 14
1 support 2 x 8
1 boulon 3MA 8 mm
4 vis autotaraudeuse 5 mm

Sauf spécification contraire, toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.

Figure 3 : Sélection du mode de fonctionnement.

Le lecteur de badges magnétiques est caractérisé par deux modes de fonctionnement différents : Clé ou PC Link. Dans le premier cas, il peut être utilisé de manière autonome pour contrôler des portes, serrures électriques, portails, etc. Avec le second mode, en revanche, le lecteur est relié, à travers le port RS232, à un ordinateur. Dans ce dernier cas l’éventuelle mémorisation des accès et la gestion des autres périphériques sont demandées par un logiciel spécifique tournant dans l’ordinateur.
Le sélecteur de l’un ou de l’autre mode de fonctionnement se fait par le dip-switch DS1 selon la logique suivante : DIP1 = ON, le fonctionnement Clé est sélectionné, DIP1 = OFF, le fonctionnement PC Link est sélectionné. En outre, pour les deux modes, il est possible de sélectionner, par DIP2, les deux autres sous-modes de fonctionnement.
Si DIP1 = ON (mode Clé) et DIP2 = ON le sous-mode Normal est sélectionné, le circuit lit les codes écrits dans les cartes qui passent et, si le numéro de la carte figure dans la mémoire du microcontrôleur, la LED s’allume en vert et le RL1 est activé pendant une certaine durée. Si au contraire le numéro de la carte n’y figure pas, la LED s’allume en rouge et le RL2 est activé. Il faut préciser que les durées d’activation des relais et de la LED peuvent être modifiées par voie logicielle, en reliant au moyen du port RS232 l’appareil à un ordinateur. Les durées spécifiées sont mémorisées à l’intérieur de l’EEPROM du PIC et utilisées pour les accès suivants. Par défaut les deux durées valent une seconde.
Si en revanche on sélectionne DIP1 = ON et DIP2 = OFF, le lecteur travaille en sous-mode “auto-apprentissage”, utilisé pour insérer dans le PC les numéros des cartes devant être habilitées. Si l’on active ce mode de fonctionnement et si une carte passe dans la fente de lecture, son code est mémorisé dans le PIC comme habilité (à titre de rétroaction pour l’usager, le buzzer émet un son de confirmation et la LED orange s’allume un instant). Bien sûr, si une carte est déjà mémorisée, elle ne l’est pas à nouveau (la LED rouge clignote cinq fois). Le PIC dispose d’une capacité maximale de vingt cartes. Si la mémoire est pleine, il n’est plus possible d’ajouter de nouveaux codes (signalé par dix clignotements de la LED en orange). Enfin, il est possible d’effacer complètement la mémoire du microcontrôleur : c’est ce qui arrive lorsque, à la mise sous tension, on a DIP1 = ON et DIP2 = OFF (signalé par des éclairs rouges de la LED).
En ce qui concerne le mode PC Link, DIP1 = OFF, il est possible de distinguer entre Direct, DIP2 = OFF, le dispositif fonctionne alors comme un lecteur de cartes transparent : tout code détecté est envoyé à l’ordinateur par le port sériel et le programme tournant dans celui-ci gère correctement les événements.
Si maintenant on a DIP1 = OFF et DIP2 = ON, le mode de fonctionnement “On Demand” est sélectionné. Avec ce sous-mode il est possible de mémoriser dans l’EEPROM du microcontrôleur un certain nombre d’accès, comme le montre la figure 7 et de les charger ensuite, au moyen du port sériel, dans le PC. En outre, il est possible de commander par voie logicielle l’exécution par le circuit de certaines commandes : l’appareil envoie continûment à l’ordinateur le flux INSÈRE COMMANDE et attend environ 500 ms son envoi. Les commandes peuvent être utilisées pour activer les deux relais, pour lire une ou toutes les cellules de mémoire, etc., comme le montre la figure 6.

Figure 4a : Schéma d’implantation des composants de la platine du lecteur de badges magnétiques.

Figure 4b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du lecteur de badges magnétiques.

Figure 5 : Photo d’un des prototypes de la platine du lecteur de badges magnétiques.

La réalisation pratique
Nous pouvons maintenant passer à la construction de l’appareil. Le circuit tient sur un circuit imprimé : la figure 4b en donne le dessin à l’échelle 1. Vous pouvez le réaliser vous-même.
Quand vous avez devant vous le circuit imprimé gravé et percé, montez-y tous les composants dans un certain ordre (en ayant constamment sous les yeux les figures 4a et 5 et la liste des composants).
Commencez par monter les deux supports des circuits intégrés : soudezles et vérifiez vos soudures (pas de court-circuit entre pistes et pastilles ni soudure froide collée).
Montez ensuite les six résistances sans les intervertir (triez-les d’abord par valeurs). Montez les diodes D1 à D3 1N4007 en orientant soigneusement les bagues repère-détrompeurs comme le montre la figure 4a. Montez les condensateurs (en ayant soin de respecter la polarité des électrolytiques, leur patte la plus longue est le + et le – est imprimé sur le côté du boîtier). Montez le quartz couché, pattes repliées à 90°, les transistors T1 à T3 BC547, méplats repère-détrompeurs orientés comme le montre la figure 4a et le régulateur 7805 couché et fixé par un boulon 3MA.
Montez le dip-switch DS1 à deux micro-interrupteurs, chif fres vers le bas, le buzzer BZ1 avec électronique en respectant bien la polarité +/– de ses broches et les deux relais miniatures 12 V pour circuit imprimé. Montez le connecteur DB9, la prise jack d’alimentation et les deux borniers à trois pôles de sortie des relais. Montez enfin le connecteur barrette mâle à huit broches pour la liaison par connecteur femelle à cinq trous au lecteur proprement dit et par soudures aux trois pattes de la LED bicolore externe (attention à la polarité) située dans le lecteur.
Vérifiez que vous n’avez rien oublié et contrôlez encore une fois toutes vos soudures et insérez le circuit intégré U1 dans son support, repère-détrompeur en U orienté vers R3 et U2 dans le sien, repère-détrompeur vers C7.
Le montage de la platine étant terminé, passons maintenant aux connexions avec le lecteur LSB12. La barrette à huit pôles est reliée par câble et connecteur aux deux connecteurs du lecteur externe : le câble comporte 5 + 3 fils (les cinq pour le lecteur et les trois pour commander une éventuelle LED présente dans le LSB12).
Attention au sens d’insertion du connecteur femelle à cinq trous : repérezvous grâce aux couleurs des fils.
Le lecteur LSB12 ne prévoit pas cependant la présence d’une LED de signalisation interne : l’opération d’insertion est de toute façon immédiate.
Faites un trou de 3 mm dans le couvercle du lecteur, insérez la LED et soudez convenablement les trois pattes au fil triple et au connecteur femelle à trois pôles. Si vous décidez de vous passer de la LED, vous n’avez aucune modification du circuit à prévoir : laissez seulement libres les trois broches de la barrette mâle à huit pôles.
Si vous voulez insérer le circuit dans un boîtier plastique, faites des trous latéraux, d’un côté pour le passage des connecteurs DB9, d’alimentation et de sortie de commande des relais et de l’autre pour celui du câble à huit fils du lecteur.
En un sens le LSB12 peut être vu comme un périphérique externe au circuit, c’est pourquoi il peut être monté autrement que nous l’avons fait, à quelque distance de la platine : le lecteur peut très bien être placé à l’extérieur d’une porte d’entrée et la platine à l’intérieur du local, près de la serrure électrique, afin d’éviter tout sabotage ou des dommages dus aux intempéries.
Si vous choisissez cette solution, il faudra prolonger quelque peu les huit fils de couleur : ne dépassez pas toutefois 50 cm de longueur au risque de produire une atténuation excessive préjudiciable au bon fonctionnement général.

Figure 6 : Développement d’un logiciel de gestion.
On l’a vu, le lecteur de badges magnétiques peut fonctionner soit en mode PC Link direct (il lit et transmet immédiatement les codes présents dans les cartes), soit en mode PC Link “On Demand” (il peut alors mémoriser certains codes et attendre la demande de l’ordinateur avant de les transmettre). Dans ce second mode, le PC peut aussi réclamer au lecteur l’exécution de certaines commandes. Pour chacun des deux modes il est donc nécessaire d’écrire un logiciel permettant au PC de dialoguer avec l’appareil. Nous expliquons ici le protocole adopté par le système pour communiquer, ce qui rend donc disponibles toutes les informations permettant de gérer la communication entre un logiciel et le lecteur.
L’envoi et la réception des données se fait par le port sériel avec une vitesse de transmission de 19 200 bps et un codage 8-N-1 sans contrôle de flux. En outre, pour recevoir les commandes et pour envoyer ses réponses, le système utilise toujours des caractères majuscules au format ASCII et il ajoute à la fin des réponses les caractères spéciaux AU DÉBUT et ENVOI (valeurs numériques décimales 13 et 10) pour indiquer la fin des flux.
À la mise sous tension, le système envoie le flux “SYSTEM STARTUP” pour indiquer qu’il est en cours d’initialisation. En mode Direct, quand une carte est lue, le circuit envoie le flux CODE LU ->x<- où, à la place de x, on trouve les octets du code : les caractères “->” et “<-” ont été insérés pour faciliter la reconnaissance du code par le logiciel à l’intérieur de la réponse. Cette même technique a déjà été utilisée dans les autres cas où il est nécessaire de repérer la position du code à l’intérieur d’un flux.
En revanche, en mode “On Demand” l’appareil continue à envoyer le flux INSÈRE COMMANDE et attend 500 ms l’envoi de celle-ci. Le tableau suivant indique les formats et les significations des commandes et des réponses.

Figure 7 : Capacité de mémorisation.
Les cartes badges mémorisent les codes dans leur bande magnétique : dans le standard ISO 7811 ces bandes sont divisées en trois différentes traces employées en fonction de l’application finale. Le lecteur manuel LSB12 utilisé dans notre appareil est en mesure de lire les données numériques mémorisées dans la trace numéro 2 : à l’intérieur de cette trace peuvent être mémorisés jusqu’à 40 caractères numériques (chaque caractère est représenté par quatre bits informatifs plus un bit de parité) contenus entre les deux symboles spéciaux de “Start Sentinel” et “End Sentinel” indiquant respectivement le début et la fin du champ des données. Notez qu’il n’est pas obligatoire que les 40 caractères soient présents : à l’intérieur de certaines cartes il peut y en avoir moins.
Selon le mode d’utilisation (Clé ou PC Link), le lecteur considère seulement certains caractères : dans le premier mode seuls les dix premiers caractères, pour chaque carte, sont lus et mémorisés (c’est suffisant pour une identification univoque), en mode PC Link tous les caractères écrits dans la trace 2 sont pris en compte. C’est pourquoi en mode Clé l’appareil a une capacité de mémorisation constante de vingt cartes (donnée du rapport entre la dimension de l’EEPROM du PIC divisée par la dimension des dix caractères). En mode PC Link “On Demand”, en revanche, la longueur du code de chaque carte n’a pas une dimension fixe, mais varie selon le nombre des caractères écrits dans la trace magnétique. C’est pourquoi il n’est pas possible de définir a priori une capacité maximale de mémorisation, cela dépend en effet des différents cas rencontrés pratiquement.

Les essais
Pour faciliter cette opération, on a prévu pour les quatre sous-modes de fonctionnement de l’appareil l’utilisation du port sériel afin d’envoyer à l’extérieur certaines informations de signalisation.
Ces informations peuvent être visualisées sur un quelconque ordinateur doté d’un système d’exploitation Windows 98 ou supérieur, dont on utilise l’Hyper Terminal. Une fois le programme lancé, sélectionnez le port sériel utilisé (COM1 ou COM2), paramétrez la vitesse de transmission à 19 200 bits/s, huit bits de données, aucune parité, un bit de stop et aucun contrôle de flux.
Alimentez le lecteur de badges magnétiques : à l’écran apparaît “SYSTEM STARTUP”. Passez en mode Clé Normal et mettez une carte dans le lecteur. Si tout fonctionne normalement, le code est visualisé (limité aux dix premiers caractères) pour chaque carte lue et en même temps la signalisation confirme que la carte est habilitée ou non. Si une erreur de lecture a lieu (par exemple parce que la carte est passée trop vite dans la fente ou dans le mauvais sens) l’écran affiche “VÉRIFIER LE SENS DE PASSAGE”.
Passez ensuite au mode Clé Autoapprentissage et essayez de mémoriser de nouvelles cartes : nous vous conseillons d’essayer aussi de passer des cartes déjà mémorisées afin de voir si elles sont reconnues comme telles. Essayez en outre de couper l’alimentation et de remettre le circuit sous tension, de façon à effacer complètement la mémoire.
Ensuite passez en mode PC Link Direct et essayez de glisser des cartes : vérifiez que les codes sont lus correctement et envoyés au PC et surtout qu’ils ne sont pas tronqués (vous pouvez le vérifier car des cartes différentes sont représentées par des codes de longueurs différentes).
Enfin, passez en mode PC Link “On Demand” : tout d’abord vérifiez que le dispositif envoie bien, à inter valles d’environ 500 ms, le flux INSÈRE COMMANDE.
Essayez d’envoyer les commandes d’allumage de la LED, du buzzer ou des relais (pour envoyer une commande il suffit de la composer sur le clavier du PC, comme le montre la figure 6).
Ensuite essayez de passer des cartes dans le lecteur et vérifiez que les codes sont mémorisés dans l’EEPROM du PIC : alors, au moyen de la commande correspondante, demandez le “download” (chargement) des données et vérifiez qu’elles correspondent avec celles précédemment mémorisées.
Dernier conseil : nous l’avons vu, selon le mode sélectionné le circuit considère et mémorise tout ou seulement les dix premiers caractères composant le code. C’est pourquoi, afin d’éviter tout problème, à la première mise sous tension du circuit et avant de passer du mode Clé au mode PC Link et vice versa, nous vous conseillons d’exécuter l’effacement complet de la mémoire (commande */C).

Un système GSM d’écoute à distance à module Sony Ericsson GM47

Ce système d’écoute à distance, de petites dimensions, est très facile à dissimuler. En raison de sa conception, il pourra être installé dans un véhicule, ou dans tout autre lieu, pour une écoute discrète. Le système prévoit la possibilité de régler, depuis le poste distant, la sensibilité du microphone, le déclenchement de l’alarme avec appel au moyen d’un détecteur de mouvement (ou autre capteur) et un accès protégé par mot de passe. Son principal intérêt réside dans sa portée, seulement limitée par la zone de couverture du réseau GSM !

Dans de nombreuses situation, un système permettant d’écouter à distance une conversation ou ce qui se passe à l’intérieur d’un lieu donné est des plus utiles : par exemple, on peut l’installer dans une voiture ou un appartement à des fins de sécurité ou dans n’importe quel local à surveiller.

Notre réalisation
Le système proposé dans cet ar ticle se constitue autour d’un circuit utilisant un module GSM Sony Ericsson GM47, il permet d’écouter à distance, à partir de tout téléphone (fixe ou portable), des signaux audio provenant d’un milieu défini.
Le fait que le système emploie, pour l’envoi des données, un module GSM, permet de l’utiliser pratiquement quelle que soit la distance à couvrir (même si, on le comprend, le plus grand intérêt concerne des distances importantes).

Bien sûr, la condition sine qua non de fonctionnement du système est que le circuit se trouve dans une zone de couverture du réseau GSM. Le boîtier protégeant le circuit d’interface est de petites dimensions (environ 90 x 55 x 22 mm) et il peut donc être facilement dissimulé à l’intérieur d’un habitacle de voiture ou dans un coin (armoire, coffret, etc.) de pièce d’un appartement, ou encore dans un objet mobile (valise, sac, etc.). Le microphone est une capsule microphonique préamplifiée, elle aussi de petites dimensions et, pour une réception optimale, elle peut être placée à quelques mètres de la source sonore (par exemple dans la garniture en haut du pare-brise ou à l’intérieur d’un objet qui s’y prête) sans pour autant attirer l’attention.
Le circuit est doté d’une entrée d’alarme définie pouvant, par exemple, être reliée à notre capteur de mouvement au gaz de mercure, comme le montre la figure 8 : cette entrée a été conçue pour savoir quand le circuit subit des déplacements. Quand cette condition est vérifiée, le système envoie des SMS afin d’aviser qu’un mouvement a eu lieu. L’application typique de cette entrée concerne la sécurité antivol des véhicules : elle informe l’usager que le véhicule qu’il surveille se déplace afin qu’il puisse commencer l’écoute.

Analysons plus en détail les caractéristiques techniques du montage : il s’agit d’un système d’écoute à distance permettant d’écouter, au moyen d’un appel téléphonique fixe ou mobile, tout ce qui se dit, ou d’éventuels autres signaux sonores, dans un lieu défini. A des fins de sécurité, avant de permettre l’accès au circuit, divers contrôles sont exécutés : certains concernent le numéro de téléphone essayant de se connecter au dispositif. En effet, le système est caractérisé par une liste (capacité maximale 50 numéros) de numéros de téléphone habilités pour l’accès à l’écoute à distance. Ainsi, on évite qu’un étranger puisse (tant intentionnellement que de manière erronée) se connecter au dispositif et écouter. Un autre contrôle de sécurité concerne l’obligation de spécifier un mot de passe donnant accès au paramétrage du système. Le mot de passe se compose des chiffres numéros 10 à 14 du code IMEI du module GSM constituant le circuit : seul le possesseur du circuit aura connaissance de ces informations et il sera donc le seul à être en mesure de modifier les paramètres (naturellement toutes les commandes envoyées avec un mot de passe erroné sont ignorées par le système).
Pour faciliter l’identification des cinq chif fres du mot de passe de l’IMEI, nous avons prévu qu’après avoir inséré une carte SIM dans l’appareil et mis le circuit sous tension, en première position de mémoire de la SIM (sous le nom de PASSWORD) sont sauvegardés les cinq chiffres correspondant au mot de passe du système, précédés, pour plus de clarté, du caractère “+”. Donc si vous enlevez la carte SIM et si vous l’insérez dans un quelconque portable, vous pourrez lire à l’écran du téléphone les cinq chiffres. Les paramètres modifiables du circuit touchent l’introduction et l’effacement des numéros de téléphone dans la liste d’habilitation, le réglage du volume d’écoute et l’habilitation/déshabilitation des entrées d’alarme.
Tous les paramétrages sont exécutés par l’envoi de SMS dont le texte doit respecter des règles précises, comme le montre la figure 6 : deux commandes permettent d’ajouter à la liste un numéro sans alarme (#A) et avec alarme (#H). Les deux commandes permettent d’habiliter un numéro de téléphone et d’accéder à l’écoute, la différence entre les deux étant le mode de gestion de l’entrée d’alarme.
En effet, si un numéro est inséré au moyen de la commande #H, si le capteur de mouvement enregistre des vibrations, le système envoie au numéro spécifié un SMS informant que le circuit a été déplacé (nous verrons d’ici peu que par la commande #S il est toujours possible d’habiliter ou déshabiliter l’entrée d’alarme).
On trouve aussi des commandes permettant d’effacer un seul numéro de la mémoire (#C) et d’exécuter son effacement complet (#Z, opération conseillée avant la première mise sous tension du système).
Outre ces commandes permettant de gérer la liste des numéros habilités se trouvent deux autres commandes permettant de régler le volume d’écoute (#V) et d’habiliter/déshabiliter l’entrée d’alarme (#S).
La première commande prévoit de spécifier un paramètre numérique indiquant le niveau du volume (0 = audio éteint, 5 = volume maximal), la seconde commande prévoit en revanche un “flag” indiquant le paramétrage de l’alarme (0 = entrée déshabilitée, 1 = entrée habilitée).

Toutes les commandes prévoient la présence d’un “flag” permettant d’indiquer si l’on désire recevoir des SMS de confirmation d’exécution de l’opération.

Une ultime précision touche la carte SIM à insérer dans le circuit : le système est compatible avec toutes les cartes vendues actuellement.

Bien sûr, c’est elle que détermine le numéro de téléphone de l’appareil (celui que l’on appelle pour écouter et auquel on envoie les SMS de programmation) et c’est sur elle que seront débités les SMS de réponse.

Figure 1 : Fonctionnement de l’ensemble du système.

Quand le dispositif a été installé dans le véhicule, ou autre lieu à surveiller, il suffit d’un appel (à partir d’un téléphone fixe ou d’un portable) pour écouter le signal audio capté par la capsule microphonique du système. La seule condition requise est que le circuit doit se trouver dans une zone couverte par le réseau GSM.

Figure 2 : Eléments composant le système d’écoute.

Le système que nous proposons se compose d’une l’interface contenant le module GSM Sony Ericsson GM47, d’une capsule microphonique préamplifiée, d’une antenne GSM plate bibande avec connecteur FME, d’un câble adaptateur de formats MMCX/FME, d’un capteur de mouvement au gaz de mercure, utilisé pour détecter tout mouvement imposé au véhicule par une intrusion et d’un connecteur allume-cigare, utilisé pour prélever l’alimentation directement sur la batterie de la voiture.

Le schéma électrique
Comme le montre la figure 3, le coeur du schéma électrique est le module GSM1 GM47 : il dispose de quelques ports d’I/O et d’un microcontrôleur interne pouvant être programmé (il n’est pas nécessaire d’utiliser un autre microcontrôleur externe). À travers ses broches 15 à 19, le module est relié à la carte SIM en utilisant la configuration suggérée par la note d’application du constructeur.
La connexion au capteur de mouvement se fait à travers la broche IO3 (numéro 23) et la R5 de “pull-up” : quand cette entrée est mise à la masse, le logiciel présent dans le module reconnaît cet état et exécute les subroutines prévues. La connexion entre la capsule microphonique et le module se fait par les broches ATMS et AGND (entrée audio analogique et masse analogique). Pour réduire au minimum le bruit capté par le microphone et sélectionner seulement les fréquences de la voix humaine, on a inséré en série dans la ligne d’entrée un étage filtrant (constitué de R9, R10, C10 et C11). Les broches 47 à 50, représentant la section audio numérique du module, sont reliées ensemble comme le veut ladite note d’application dans le cas où cette section n’est pas utilisée. Enfin, à travers deux sorties numériques (broches IO1 et IO2), le module commande aussi la LED bicolore de signalisation LD1.
Quelques considérations, maintenant, sur le logiciel, écrit en C, gérant le microcontrôleur présent dans le module. Dès que le module est activé, après les opérations préliminaires de paramétrage, il se met en attente d’un SMS de programmation ou d’un appel extérieur. Dans le premier cas, il contrôle le mot de passe inséré et, s’il est correct, il analyse les premiers caractères pour déterminer le type de commande. Ensuite, si le format de la commande est correct, il extrait les données insérées et exécute les opérations voulues (mémorise/efface un numéro de téléphone, modifie le niveau du volume, envoie les SMS de confirmation, etc.). En revanche, dans le cas d’un appel extérieur, le module extrait l’ID de l’appel et le recherche parmi ceux qui ont été préalablement mémorisés (capacité maximale 50 numéros de téléphone). Si l’ID de l’appel s’y trouve, il accepte l’appel en reliant l’entrée microphonique au téléphone distant, sinon il refuse la communication.
En outre, dans cet état, le module continue de vérifier si des SMS sont présents en entrée (une des caractéristiques du système étant que le volume peut être réglé pendant un appel). De plus, le GM47 teste continûment l’état de sa broche IO3 et, s’il passe de l’état logique haut à l’état logique bas, il envoie les SMS d’alarme à tous les numéros précédemment habilités avec la commande #H.

Figure 3 : Schéma électrique du système d’écoute.

Liste des composants
R1 = 200 kΩ 1 %
R2 = 100 kΩ 1 %
R3 = 1 kΩ
R4 = 1 kΩ
R5 = 22 kΩ
R6 = 330 Ω
R7 = 330 Ω
R8 = 1 kΩ
R9 = 33 kΩ
R10 = 22 kΩ
C1 = 100 nF multicouche
C2 = 1000 μF 16 V électrolytique
C3 = 100 nF multicouche
C4 = 1000 μF 16 V électrolytique
C5 = 100 nF multicouche
C6 = 1 μF 63 V électrolytique
C7 = 100 nF multicouche
C8 = 1 μF 63 V électrolytique
C9 = 100 nF multicouche
C10 = 3,3 nF 100 V polyester
C11 = 220 nF 63 V polyester
D1 = 1N4007
LD1 = LED 3 mm bicolore
U1 = 7805
U2 = MIC2941A
GSM1 SONY ERICSSON GM47-EF507

Divers :
1 porte-SIM
1 connecteur 60 pôles CMS CS60
1 connecteur d’antenne CVANT
3 entretoises 3MA 10 mm
4 entretoises 2MA 5 mm
4 boulons 2 MA 10 mm
2 dissipateurs TE19
5 boulons 3 MA 8 mm
1 microphone préamplifié

Sauf spécification contraire, toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.

Figure 4a : Schéma d’implantation des composants de la platine du système d’écoute.

Figure 4b-1 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés du système d’écoute, côté composants.

Figure 4b-2 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés du système d’écoute, côté soudures.

La réalisation pratique
Nous pouvons maintenant passer à la construction de l’appareil. Le circuit tient sur un circuit imprimé double face à trous métallisés : la figure 4b-1 et 2 donne les dessins des deux faces (côté composant et côté soudures) à l’échelle 1. Vous pouvez le réaliser vous-même par la méthode indiquée dans le numéro 26 d’ELM : dans ce cas, n’oubliez pas de relier les deux faces avec des morceaux de fil de cuivre nu soudés des deux côtés, à la place des trous métallisés.
Quand vous avez devant vous le circuit imprimé gravé et percé, montez-y tous les composants dans un certain ordre (en ayant constamment sous les yeux les figures 4a, 5a et b et la liste des composants).
Commencez par monter le support du module GM47 : c’est un connecteur à deux lignes CS60 à 60 broches en CMS, soudez-le et vérifiez vos soudures (pas de court-circuit entre pistes et pastilles ni soudure froide collée). Le module, lui, se monte à la fin. Montez ensuite toutes les résistances sans les intervertir (triez-les d’abord par valeurs) : deux sont des 1 %, distinguez-les bien. Montez la diode D1 1N4007 en orientant soigneusement sa bague repère-détrompeur vers C1.
Montez les condensateurs (en ayant soin de respecter la polarité des électrolytiques, leur patte la plus longue est le +) : les électrolytiques C2 et C4 sont montés couchés, pattes repliées à 90°.
Montez les deux régulateurs U1 7805 et U2 MIC2941A sans les confondre, couchés dans leurs dissipateurs TE19 et fixés par de petits boulons 3MA. Montez le connecteur d’antenne CVANT.
Vérifiez que vous n’avez rien oublié et contrôlez encore une fois toutes vos soudures.
Retournez la platine et prenez-la, donc, côté soudures. Soudez bien en place (voir figure 5b) le porte-SIM, à gauche et la LED bicolore, à droite.
Installez les trois entretoises de fixation au boîtier : les écrous sont côté soudures.
Insérez le module GM47 dans son connecteur CS60.
Le montage de la platine étant terminé, passons maintenant aux connexions avec l’extérieur.
Dans notre prototype, nous avons monté, comme connecteur d’alimentation, une fiche mâle allume-cigare : cela nous a semblé être la meilleure solution pour une utilisation en voiture (vous me direz, pour la discrétion, on fait mieux !), mais rien n’empêche de se connecter directement sur un pôle permanent (c’est-à-dire clé de contact enlevée) du 12 V de la batterie du véhicule.

On peut aussi prévoir, pour une utilisation non embarquée, des piles ou une batterie rechargeable ou une alimentation secteur 230 V. Il suffit que la tension arrive aux pastilles PWR (avec respect de la polarité, bien sûr, bien que D1 protège contre les méfaits de toute inversion).
L’utilisation du capteur de mouvement n’est pas obligatoire : si vous ne voulez pas l’utiliser, il suffit de laisser ouverts les connecteurs correspondants ou bien leur relier un autre type de capteur (par exemple un détecteur de mouvement volumétrique, à infrarouges ou autre, ou un étage d’activation vocale se déclenchant lorsqu’une voix retentit à l’intérieur d’une zone à surveiller).
Ce qu’il est important de retenir, c’est que le système envoie des SMS d’alarme chaque fois qu’il détecte une transition de niveau logique haut à niveau logique bas sur l’entrée IO3 (broche 23 correspondant au S de l’entrée SENS) du GM47.

Dans cette même section, est en outre fournie la tension +12 V (borne +) et la masse (borne –). La troisième entrée va au microphone.

Figure 5a : Photo d’un des prototypes de la platine du système d’écoute vue du côté composants.

Figure 5b : Photo d’un des prototypes de la platine du système d’écoute vue du côté soudures.


Figure 6 : Comment programmer le système d’écoute par l’envoi de SMS.

Les numéros habilités à appeler le système d’écoute, le réglage du volume d’écoute et le paramétrage de l’habilitation d’alarme sont écrits à l’intérieur de la mémoire du module GM47 et peuvent être paramétrés par envoi de SMS.

Des commandes permettant d’ajouter un numéro sans alarme (#A) et avec alarme (#H), d’effacer un seul numéro (#C) ou toute la mémoire (#Z), de régler le volume d’écoute (#V) et d’habiliter ou déshabiliter l’entrée d’alarme (#S) sont disponibles.

Pour les commandes d’habilitation des numéros, la syntaxe générale du texte à envoyer est la suivante :
<#cmnd><rép><numéro de téléphone>*<pswd>#

où <cmnd> est une des quatre commandes, <rép> un flag indiquant si l’on désire un SMS de confirmation (0 = aucune réponse, 1 = avec réponse), <numéro de téléphone> le numéro à ajouter ou éliminer de la liste, numéro complet avec préfixe et extensions internationales (la commande #Z ne prévoit pas ce champ), enfin <pswd> est le code de sécurité correspondant aux chiffres 10 à 14 du code IMEI du module GM47 utilisé dans le circuit (sur l’étiquette illustrant cette figure, le code, surligné en jaune, est 39020).

Par exemple, pour effacer complètement la mémoire en demandant un SMS de confirmation, le flux à envoyer doit être :
#Z1*39020#

Pour habiliter le numéro 3401234567 à l’écoute sans alarme et demander au système l’envoi du SMS de confirmation, la commande est :
#A1+393401234567*39020#

En revanche, pour habiliter le numéro 3405555555 à l’écoute avec alarme et sans demander un SMS de confirmation, le texte à envoyer est :
#H0+393405555555*39020#

Pour effacer ce même numéro de la liste (avec demande d’un SMS de confirmation), la commande est :
#C1+393405555555*39020#

Il est possible en outre d’ajouter des numéros du réseau fixe, par exemple pour habiliter sans alarme le numéro 027654321 sans SMS de confirmation le texte à envoyer est :
#A0+39027654321*39020#

Pour régler le volume, le texte à envoyer doit respecter le format suivant :
#Vr#l*ppppp#

où r représente le “flag” de confirmation, l indique le niveau du volume d’écoute (peut prendre des valeurs entières de 0, correspondant à audio éteint, à 5, correspondant au volume maximal) et ppppp le mot de passe de sécurité.

Par exemple, la commande #V1#5*39020# règle le volume et réclame un SMS de confirmation.

Enfin, la commande d’habilitation ou de déshabilitation de l’alarme, est au format :
#Sr#a*ppppp#

où r est le “flag” de confirmation, a indique s’il faut déshabiliter (a=0) ou habiliter (a=1) l’entrée d’alarme et ppppp le mot de passe de sécurité.

Par exemple, la commande #S0#1*39020 permet d’habiliter l’entrée d’alarme sans réclamer l’envoi du SMS de confirmation.

Les réponses éventuelles aux diverses commandes sont envoyées par SMS au portable ayant demandé l’opération ainsi que, dans le cas d’une gestion des numéros habilités, au numéro inséré dans (ou éliminé de) la liste. Elles ont les formats généraux suivants :
- Le numéro <numéro de téléphone> a été habilité avec/sans alarme
- Le numéro <numéro de téléphone> est déjà présent
- Attention mémoire pleine
- Le numéro <numéro de téléphone> a été effacé
- La liste a été remise à zéro
- Réglage du volume effectué
- Entrée d’alarme habilitée/déshabilitée


En outre, en cas d’entrée d’alarme habilitée, le SMS signalant que l’entrée en question a subi une transition d’un niveau logique haut à un niveau logique bas est envoyé à tous les numéros habilités avec la commande #H et a le format :
- L’entrée d’alarme est active

Le montage dans le boîtier plastique
Il est de dimensions idéales pour recevoir le circuit, c’est à croire qu’on l’a voulu ainsi ! Sur les tétons plastiques du fond du boîtier se monte normalement la platine, mais nous avons dû procéder autrement : coupez donc ces tétons avec une pince coupante. Percez, comme le montre la figure 7, trois trous sur le côté, placez trois passe-fils et faites passer à travers les trois câbles de connexions avec l’extérieur. Faites un trou sur le côté opposé (avec passe-fil) pour l’entrée du câble d’antenne, comme le montre la figure 2.
La platine est fixée au boîtier plastique au moyen de trois entretoises et de trois vis venant s’insérer dans trois trous pratiqués dans le fond. Un dernier trou dans le couvercle permet de faire affleurer la LED bicolore, comme le montre la figure 2.

Figure 7 : Montage de l’interface dans le boîtier plastique (côté soudures).

L’interface contenant le module GSM Sony Ericsson GM47 comporte, côté soudures, le porte-SIM et la LED bicolore. Les trois câbles sortant des trous latéraux à travers des passe-fils et les trois écrous correspondant aux entretoises de fixation au boîtier sont également visibles sur cette photo (voir figure 5b).

Figure 8 : Le capteur de mouvement dans son boîtier plastique ouvert (côté composants).

Notre prototype utilise notre détecteur de mouvement activant l’entrée d’alarme du circuit lorsque la voiture se met à rouler ou quand quelqu’un entre dans l’habitacle. Ce capteur est typiquement utilisé dans des applications automobiles. Dans le cas où le système serait utilisé pour surveiller un appartement, on pourrait utiliser à la place un détecteur de mouvement volumétrique à infrarouges passifs ou similaire.

Les essais
Insérez une carte dans le porte-SIM (dans laquelle vous avez préalablement éliminé toutes les informations de la rubrique et dont vous avez déshabilité la demande de PIN) et mettez le circuit sous tension : la LED s’allume en orange pour indiquer que le module s’initialise et cherche le réseau GSM.
Attendez que la LED clignote en vert : le module est alors verrouillé au réseau.
Effacez complètement la mémoire en envoyant au circuit, à partir d’un quelconque portable, la commande #Z indiquant que vous désirez un SMS de confirmation (flag rép=1).

Attendez que la commande soit donnée au module, vérifiez que la LED s’allume en orange pour indiquer que la remise à zéro de la mémoire est en cours et attendez ensuite que le SMS de réponse soit envoyé au numéro ayant envoyé la commande. Si tous ces tests sont réussis, essayez d’ajouter de nouveaux numéros de téléphone à la liste de ceux habilités.

Nous vous conseillons d’insérer au moins deux numéros, en utilisant les commandes avec alarme (#A) et sans alarme (#H). Testez le fonctionnement de l’entrée d’alarme et vérifiez que le SMS est bien envoyé au numéro inséré avec la commande #H (si le SMS n’est pas envoyé, cela peut signifier que l’entrée d’alarme est déshabilitée, habilitez-la alors avec la commande #S). Appelez le circuit avec un des deux numéros mémorisés et vérifiez que le signal audio capté par le microphone est bien transmis.
Nous vous rappelons que pour permettre au module de reconnaître l’ID de l’appelant, il est nécessaire que le téléphone utilisé ait habilité la fonction permettant l’envoi de son numéro.

Enfin, par la commande #V, testez le réglage du volume, même si l’appel est en cours.

Un impédancemètre pour haut-parleur

Pour mesurer l’impédance d’un haut-parleur, il faut un générateur BF capable de fournir une onde parfaitement sinusoïdale de fréquence allant de 20 Hz à 20 kHz : en faisant passer un courant constant entre les bornes du haut-parleur, on peut alors en connaître l’impédance. C’est ce que se propose de faire l’inpédancemètre pour HP que nous vous invitons à réaliser.

On ne trouve guère d’impédancemètre pour haut-parleur ou casque à écouteurs dans un labo d’électronique et beaucoup s’imaginent que, pour effectuer une telle mesure, un ohm-mètre suffit. Or, ce n’est pas le cas, votre ohm-mètre n’indique pas l’impédance de votre haut-parleur et, sil’étiquette la mentionnant a disparu, l’impédance reste inconnue : 4 ohms, 8 ohms ? Comment savoir ? En effet, pour mesurer l’impédance d’un haut-parleur, il faut un générateur BF capable de fournir une onde parfaitement sinusoïdale à la fréquence de 1 kHz, car c’est là la fréquence pour laquelle le constructeur a établil’impédance caractéristique du haut-parleur.

Notre réalisation
Notre générateur peut fournir des ondes sinusoïdales de fréquences allant de 20 Hz à 20 kHz environ : cela afin de vous permettre de voir comment varie l’impédance d’un haut-parleur en fonction de la fréquence, mais aussi de déterminer la fréquence de résonance de la membrane. La demie gamme allant de 20 Hz à 1 kHz sert à trouver la valeur de l’impédance d’un haut-parleur “inconnu” (à tester), mais aussi sa fréquence de résonance en air libre et en enceinte acoustique (voir figure 1), la demie gamme allant de 1 kHz à 20 kHz pour voir comment varie l’impédance en fonction de la fréquence de travail. Connaître la valeur de l’impédance d’un haut-parleur est fort utile car, sinous relions un haut-parleur de 8 ohms à la sortie d’un étage final BF de puissance réclamant une charge de 4 ohms, la puissance sonore obtenue sera moindre. Siau contraire nous relions un haut-parleur de 4 ohms à la sortie d’un étage final nécessitant une impédance de charge de 8 ohms, nous encourrons le risque d’endommager les transistors finaux car nous obligerons l’amplificateur à fournir un courant plus élevé que prévu. Par exemple, sinous avons un étage final de 60 W conçu pour une charge de 8 ohms, les transistors finaux devront fournir un courant maximal de : ampère = racine carrée de watt : ohm ce quidonne :
racine carrée de 60 : 8 = 2,73 ASià la sortie de cet étage final nous relions une charge de 4 ohms, les transistors finaux devront fournir un courant nettement supérieur :
racine carrée de 60 : 4 = 3,87 ACet exemple démontre qu’en changeant la valeur de l’impédance d’un haut-parleur on change aussi sa consommation de courant, donc le courant que l’étage final doit luifournir, ainsique la puissance sonore. Mais vous vous demandez peut-être dans quelle mesure l’impédance d’un haut-parleur peut varier : en luireliant notre appareil, vous vous rendrez compte que sa fréquence de résonance peut augmenter, même nettement, par rapport à l’impédance caractéristique inscrite dessus (voir figure 1) et cela parce que le cône, à cette fréquence précise, présente une inertie mécanique augmen tant pendant son mouvement d’avant en arrière. Quand ensuite on insère le hautparleur dans une enceinte acoustique, la valeur de sa fréquence de résonance augmente de quelques dizaines de Hz et, pour la réduire, dans les enceintes acoustiques de type “bass-refl ex” se trouve un tube résonateur réglé de façon à diminuer le plus possible cette fréquence, afin d’augmenter ainsile rendement des basses et des super-basses. Pour mesurer la valeur de l’impédance de n’importe quel haut-parleur ou casque, ainsique pour savoir comment varie l’impédance en fonction de la fréquence, nous avons conçu cet instrument de mesure simple.

 Figure 1 : L’air exerce sur le cône du haut-parleur une force qui, à une certaine fréquence produit une “résonance mécanique”. Le pic A du dessin est la valeur de la fréquence de résonance d’un haut-parleur en air libre, le pic B la fréquence de résonance de ce même haut-parleur lorsqu’il est monté dans une enceinte acoustique. En A, nous avons une impédance de 100 ohms à une fréquence d’environ 50 Hz et en B une impédance de 40 ohms à une fréquence d’environ 70 Hz.

Schéma électrique
La figure 2 donne le schéma électrique complet de ce générateur d’ondes sinusoïdales BF. Commençons la description par le circuit intégré IC1, un générateur à pont de Wien TDA7052 ou TDA7052B, capable de fournir en sortie un signal à très faible distorsion : ce circuit intégré est un petit étage final BF et nous l’utilisons comme oscillateur BF (voir figure 4 son schéma synoptique et son brochage). Pour obtenir le pont de Wien, nous nous servons d’un double potentiomètre R1/R3 et d’un double inverseur S1-A/S1-B lequel, insérant dans le circuit diverses valeurs de capacité, permet d’obtenir les différentes gammes de fréquences : - quand, dans le circuit, sont insérés C1 et C3 de 1 μF (position A), le circuit intégré fournit en sortie la gamme de fréquences comprise entre 20 Hz et 1 kHz environ, - quand, dans le circuit, sont insérés C2 et C4 de 39 nF (position B), le circuit intégré fournit en sortie la gamme de fréquences comprise entre 500 Hz et 20 kHz environ. Des broches de sortie 8 et 5 de IC1 sortent deux signaux parfaitement identiques, mais en opposition de phase, que nous exploitons ainsi: - sur la broche 8 nous prélevons, à travers le condensateur polyester C11, le signal sinusoïdal produit en l’appliquant à l’entrée inverseuse du premier amplificateur opérationnel IC2-A, - sur la broche 5 nous prélevons le signal sinusoïdal opposé à travers le condensateur électrolytique C10 et nous l’appliquons sur la prise de sortie vers le fréquencemètre, que nous utiliserons pour connaître la valeur de la fréquence produite. Ensuite, à travers le second condensateur électrolytique C9, le même signal est envoyé aux diodes redresseuses DS1 et DS2 et la tension continue obtenue est utilisée pour piloter la base de TR1, dont le collecteur est relié à la broche 4 de IC1 laquelle, comme le montre la figure 2, est la broche de contrôle de volume. Donc, une fois le trimmer R9 réglé sur la valeur d’amplitude requise, sicette dernière augmentait, TR1 réduirait l’amplification de IC1. Siau contraire l’amplitude diminuait, TR1 augmenterait l’amplification : nous obtenons ainsien sortie un signal d’amplitude constante sur toute la gamme des fréquences produites. Cecidit, revenons au premier amplificateur opérationnel IC2-A, utilisé comme générateur de courant constant en alternatif, capable de fournir en sortie un courant fixe de 10 mA. Ce courant est appliqué par deux prises croco aux bornes du haut-parleur à tester. Étant donné qu’à travers le haut-parleur passe un courant constant, à ses bornes est disponible une tension dont nous pouvons trouver la valeur avec la formule :
mV = mA x ohmDonc, aux bornes d’un haut-parleur de 8 ohms, nous trouverons une tension alternative de :
10 x 8 = 80 mVEt aux bornes d’un haut-parleur de 4 ohms une tension alternative de :
10 x 4 = 40 mVAlors qu’aux bornes d’un casque de 32 ohms, nous trouverons une tension alternative de :
10 x 32 = 320 mV soit 0,32 VLa valeur de la tension alternative présente sur ces douilles est prélevée par l’électrolytique C13 et appliqué sur la broche d’entrée inverseuse de l’amplificateur opérationnel IC3-A, utilisé comme redresseur idéal double alternance capable de redresser avec précision même les plus petites variations de tension. Note : R18 et R19, de 10 k et 56 k, sont en parallèle pour obtenir une valeur résistive de 8,485 k. La tension continue présente à la sortie de IC3-A, est appliquée à l’entrée non inverseuse du troisième amplificateur opérationnel IC3-B, utilisé seulement comme étage séparateur. Cet amplificateur opérationnel n’amplifie aucun signal et n’est utilisé que pour transformer l’impédance élevée du signal fournipar IC3-A en un signal basse impédance permettant d’utiliser tout type de multimètre, numérique ou analogique. Le dernier amplificateur opérationnel IC2-B est utilisé pour obtenir une masse virtuelle égale à la moitié de la tension fournie par la pile de 9 V.

 Figure 2 : Schéma électrique du générateur BF capable de fournir des ondes parfaitement sinusoïdales. Sil’on place l’inverseur S1-A/S1-B en position A, on obtient en sortie toutes les fréquences comprises entre 20 Hz et 1 kHz environ, sion le place en B, on obtient toutes les fréquences comprises entre 500 Hz et 20 kHz environ. Le haut-parleur à mesurer est à relier aux deux fils partant des bornes “Entrée haut-parleur” et le multimètre aux deux douilles de droite.

 Liste des composants
R1 = 10 kΩ pot. lin.
R2 = 180 Ω
R3 = 10 kΩ pot. lin.
R4 = 180 Ω
R5 = 47 Ω
R6 = 1 Ω
R7 = 47 kΩ
R8 = 22 kΩ
R9 = 50 kΩ trimmer 10 t.
R10 = 1 kΩ
R11 = 100 kΩ
R12 = 100 kΩ
R13 = 100 kΩ
R14 = 100 kΩ
R15 = 100 ohm
R16 = 50 kΩ trimmer 10 g.
R17 = 1 MΩ
R18 = 10 kΩ
R19 = 56 kΩ
R20 = 10 kΩ
R21 = 22 kΩ
R22 = 1 kΩ
R23 = 1 kΩ
R24 = 10 kΩ
R25 = 10 kΩ
C1 = 1 μF polyester
C2 = 39 nF polyester
C3 = 1 μF polyester
C4 = 39 nF polyester
C5 = 10 μF électrolytique
C6 = 100 μF électrolytique
C7 = 4,7 μF électrolytique
C8 = 100 μF électrolytique
C9 = 10 μF électrolytique
C10 = 10 μF électrolytique
C11 = 1 μF polyester
C12 = 100 nF polyester
C13 = 10 μF électrolytique
C14 = 100 nF polyester
C15 = 10 μF électrolytique
C16 = 10 μF électrolytique
C17 = 100 nF polyester
C18 = 10 μF électrolytique
C19 = 10 μF électrolytique
DS1 = 1N4148
DS2 = 1N4148
DS3 = 1N4148
DS4 = 1N4148
DL1 = LED
TR1 = NPN BC547
IC1 = intégré TDA7052B
IC2 = intégré NE5532
IC3 = intégré NE5532
S1 = double inverseur
S2 = interrupteur

Divers
1 douille banane noire
1 douille banane rouge
1 prise pour pile 9 V
1 boîtier avec face avant alu Sauf spécification contraire,

Toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.

 Figure 3 : Nous pouvons appliquer à la sortie de notre impédancemètre un multimètre numérique réglé sur la portée 200 mVcc ou un multimètre analogique réglé sur la portée 0,3 Vcc.

 La réalisation pratique
Sivous suivez avec attention les figures 8a, 7 et 9, vous ne devriez pas rencontrer de problème pour monter cet impédancemètre : procédez par ordre, afin de ne rien oublier, de ne pas intervertir les composants se ressemblant, de ne pas inverser la polarité des composants polarisés et de ne faire en soudant nicourt-circuit entre pistes et pastilles nisoudure froide collée. Quand vous êtes en possession du circuit imprimé double face à trous métallisés (dessins, à l’échelle 1, des deux faces figure 8b-1 et 2), montez tous les composants comme le montre la figure 8a. Placez d’abord les huit picots d’interconnexions puis les trois supports des circuits intégrés et vérifiez que vous n’avez oublié de souder aucune broche. Là encore, nicourt-circuit entre pistes ou pastilles nisoudure froide collée. Ôtez l’éventuel excès de fl ux décapant avec un solvant approprié. Montez alors les résistances, en contrôlant soigneusement leurs valeurs (classez-les d’abord) : appuyez-les bien contre la surface du circuit imprimé. Continuez par les diodes DS1 et DS2, en bas à gauche : bagues noires repèredétrompeurs orientées toutes les deux vers TR1, puis par DS3 et DS4, près de IC3 : bagues vers la droite. Montez alors tous les condensateurs polyesters, puis les électrolytiques en respectant bien la polarité +/– de ces derniers (la patte la plus longue est le + et le – est inscrit sur le côté du boîtier cylindrique). Insérez les deux trimmers multitour R9 et R16 et le transistor TR1, méplat repère-détrompeur tourné vers C8. Montez ensuite l’interrupteur S2 et le double inverseur S1, ainsique le double potentiomètre R1/R3. Tous trois sont fixés au circuit imprimé par soudure des broches et, en plus, par la carcasse de R3, comme le montre la figure 6 : pour souder la carcasse du potentiomètre et les trois cosses supérieures de R1, utilisez des morceaux de fil de cuivre dénudé (avant de souder R1/R3, raccourcissez son axe à 9 mm). Près de S2, insérez la LED rouge en respectant bien sa polarité +/– (la patte la plus longue est l’anode + et la plus courte est la cathode –).

 Figure 4 : Schéma synoptique et brochage vu de dessus du circuit intégré TDA7052 utilisé dans ce montage comme étage oscillateur IC1.

  Figure 5 : Brochages du circuit intégré double amplificateur opérationnel NE5532 vu de dessus (repère-détrompeur en U vers la gauche) et du transistor NPN BC547 vu de dessous.

 Figure 6 : Raccourcissez l’axe du double potentiomètre R1/R3 et fixez ce composant sur le circuit imprimé en soudant la carcasse métallique de R3 à la masse à l’aide d’un morceau de fil de cuivre dénudé.

 Figure 7 : Photo d’un des prototypes de la platine de l’impédancemètre pour haut-parleur.

 Figure 8a : Schéma d’implantation des composants de l’impédancemètre pour haut-parleur ou casque. Le réglage commence en tournant le curseur du trimmer multitour R16, près de IC3, jusqu’à ce que l’aiguille d’un simple multimètre analogique arrive à 0, ou bien jusqu’à lire sur un multimètre numérique 00,0 mV. Ensuite, tournez le curseur du trimmer multitour R9, en bas à gauche, jusqu’à ce que l’aiguille d’un multimètre analogique arrive à 100 mV, ou bien qu’un multimètre numérique indique 100,0 mV. Quand vous insérez la LED DL1, enfilez la patte la plus longue (anode +) dans le trou A et la plus courte (cathode –) dans le trou K (voir figure 6).

Figure 8b-1 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés de l’impédancemètre pour haut-parleur, côté composants.

  Figure 8b-2 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé double face à trous métallisés de l’impédancemètre pour haut-parleur, côté soudures.

 Le montage dans le boîtier
Ouvrez les deux demi-coques du boîtier en plastique noir, comme le montre la figure 9 et percez deux trous dans la demi-coque inférieure, dans le petit côté opposé au compartiment de la pile, pour le passage des deux paires de fils rouge/noir allant au fréquencemètre et au haut-parleur à tester. Fixez-y la platine au fond à l’aide de quatre vis autotaraudeuses. Soudez les deux paires de fils rouge/noir, mentionnés ci-dessus, aux quatre picots correspondants (à l’autre bout, vous pouvez monter deux paires de pinces croco rouges/noires). Enfilez, à partir du compartiment de la pile, les deux fils rouge/noir de la prise de pile et soudez-les aux deux picots en haut à gauche. Respectez bien la polarité de ces trois paires de fils rouge/noir en vous basant sur les couleurs (rouge+, noir–). Prenez maintenant la seconde demicoque (supérieure ou couvercle), posez à l’extérieur la face avant en aluminium percée et sérigraphiée et servez-vous d’elle comme d’un gabarit de perçage. Une fois les six trous percés, collez la face avant en aluminium sur le couvercle et montez les deux douilles rouge/noire de sortie vers le multimètre, comme le montre la figure 10. Retournez-la et mettez-la à côté de l’autre, comme le montre la figure 9 et soudez la paire de fils rouge/noir entre ces douilles et les picots restants (en haut à droite), toujours en respectant la polarité à l’aide des couleurs. Les autres composants de la face avant sont fixés au circuit imprimé et ils traversent le couvercle et la face avant quand vous fermez le boîtier. Il reste à enfoncer dans leurs supports les trois circuits intégrés, repère-détrompeurs en U orientés vers le haut, c’est-à-dire le compartiment de la pile. Placez la pile de 9 V 6F22 dans son compartiment (par l’extérieur) et reliez-la à sa prise. Ne fermez pas le boîtier avant d’avoir effectué les réglages.

 Figure 9 : Montage dans le boîtier plastique. La platine de l’impédancemètre pour haut-parleur est fixée au fond de la demi-coque inférieure par quatre vis autotaraudeuses (deux seulement sont montées sur la photo). Un compartiment pour la pile de 9 V 6F22 est prévu. Sur la demie coque supérieure (face avant) sont montées les deux douilles rouge/noire allant au multimètre. La face avant reçoit aussi la LED, le double potentiomètre, l’interrupteur M/A et l’inverseur.

 Figure 10 : La face avant en aluminium, percée et sérigraphiée, sert de gabarit pour le perçage du couvercle plastique.

 Les réglages
Il s’agit de régler les trimmers ainsi:
1 - court-circuiter les pinces croco des fils allant au haut-parleur à tester,
2 - reliez les douilles rouge/noire au multimètre, numérique ou analogique, portée tension continue : sile multimètre est analogique, réglez-le sur la portée la plus faible, 0,3 V fond d’échelle par exemple, sile multimètre est numérique, réglez-le sur 200 mV fond d’échelle,
3 - tournez le curseur du trimmer multitour R16 de 50 k, près de IC3, jusqu’à ce que l’aiguille vienne en face du 0 ou que l’afficheur indique 00,0,
4 - sivous utilisez un multimètre analogique, vous devez le débrancher avant de débrancher les prises croco des bornes du haut-parleur examiné, afin d’éviter un choc en fond d’échelle et d’endommager l’aiguille ou l’équipage mobile, sien revanche vous utilisez un multimètre numérique, vous pouvez le laisser branché car il ne risque rien de tel,
5 - débranchez les deux prises croco court-circuitées et reliez-les aux extrémités de la résistance de précision de 10 ohms que vous avez acquise, ses bagues de couleurs sont : marron-noir-noir-or-marron-rouge,
6 - rebranchez aux douilles de sortie le multimètre puis, avec un petit tournevis, tournez le curseur du trimmer R9 de 50 k, près de la Sortie fréquencemètre, jusqu’à ce que l’aiguille, ou l’afficheur, indique 100 mV,
7 - si, en appliquant une résistance de 10 ohms sur le multimètre, vous lisez une tension de 100 mV, il va de soiqu’en utilisant un hautparleur de 8 ohms d’impédance vous lirez 80 mV, en utilisant un haut-parleur de 4 ohms 40 mV et un casque de 32 ohms 320 mV.

Note : sile multimètre est analogique, n’oubliez pas de le débrancher avant de débrancher le haut-parleur en examen.

Fermez le couvercle du boîtier, montez le bouton du double potentiomètre et solidarisez les deux demi-coques à l’aide de quatre vis. Comment utiliser l’instrument L’impédance caractéristique d’un hautparleur est toujours mesurée à 1 kHz. Placez S1-A/S1-B en position A (20 Hz à 20 kHz) et tournez le double potentiomètre R1/R3 dans le sens horaire de façon à ce que l’appareil produise une fréquence de 1 kHz environ. Une sortie, en bas à gauche, est prévue pour relier un fréquencemètre permettant de lire la fréquence produite, mais le 1 kHz n’est pas du tout critique et 1,1 kHz ou 900 Hz feront aussi bien l’affaire (la différence d’impédance sera dérisoire). Après avoir lu la valeur de l’impédance, tournez le double potentiomètre R1/R3 dans le sens antihoraire, vers 20 Hz, afin de trouver la valeur de la fréquence de résonance. Si, par exemple, vous avez inséré un hautparleur dont l’impédance à 1 kHz est de 8 ohms, en descendant vers 20 Hz vous verrez que son impédance monte brutalement à 90 ou 100 ohms : ce pic correspond à la fréquence de résonance du haut-parleur. Celle-civarie d’un haut-parleur à un autre : elle est plus basse sur les “woofers” (haut-parleurs pour les basses) que sur les “mid-range” (media). D’autre part, cette fréquence change quand on insère le haut-parleur dans une enceinte acoustique avec des filtres “cross-over” adéquats. Sil’on place S1-A/S1-B sur la portée de 500 Hz à 20 kHz et sil’on tourne R1/R3 vers 20 kHz, l’impédance augmente lentement et dépasse 8 ohms : comme le montre le graphique de la figure 1, l’impédance d’un haut-parleur varie selon les fréquences appliquées. Sur ce graphique, il s’agit d’un hautparleur pour les media (les fréquences moyennes), sivous testez un autre type de haut-parleur, vous trouverez des graphiques bien différents. Avec votre impédancemètre pour haut-parleur et casque pourvu d’une sortie vers fréquencemètre numérique, vous pouvez facilement contrôler la valeur de la fréquence de résonance de n’importe quel haut-parleur et voir comment varie son impédance quand on fait varier la fréquence appliquée entre 20 Hz et 20 kHz. Vous allez découvrir comment une enceinte acoustique peut modifier la fréquence de résonance d’un haut-parleur : sivous vous consacrez à la Hi-Fi, vous verrez combien est utile cet instrument de mesure qu’on ne trouve pourtant nulle part dans le commerce.

Figure 11 : La tension à appliquer au multimètre est prélevée sur les deux douilles rouge/noire de la face avant. Pour mesurer l’impédance d’un haut-parleur, vous devez relier ses bornes aux deux fils rouge/noir sortant du trou de droite.

Une liaison HF USB entre ordinateurs à module AUREL XTR903

Ce lien radio utilise le tout nouvel émetteur/récepteur Aurel XTR903 pour permettre des échanges de données sans fil entre deux PC. L’appareil se sert des ports USB sur lesquels il prélève la tension d’alimentation. Il peut fonctionner à 433 ou 868 MHz avec une vitesse de transmission de 9 600 à 38 400 bits/s.

Cette liaison HF USB utilise le fameux circuit intégré FT232BM avec lequel il est possible d’effectuer la conversion des données de format USB provenant d’un PC en données de format sériel RS232 : en effet, le montage proposé ici se fonde sur le nouveau module Aurel émetteur/récepteur XTR 903 qui va de pair avec ce FT232BM. Cette liaison, permettant de relier entre eux deux PC sans fil (ou par pont radio), met en oeuvre le module Aurel et les ports USB des PC. Les prestations (en terme de probabilité de perte d’un caractère transmis), nous le verrons, sont plus que bonnes.
Notre but, au-delà de la réalisation d’une liaison HF USB, est de découvrir le nouveau module Aurel que nous utilisons pour la première fois, ainsi que les circuits intégrés Nordic, numéro 1 mondial dans le domaine des puces HF. Ce nouveau module constitue une solution simple et économique au problème de l’émission/réception de données par HF.
L’emploi d’un microprocesseur incorporé dans le module permet en effet un transfert transparent en logique TTL sans avoir à faire de mise en paquet ni à utiliser de codifications d’équilibrage, ce qui permet à l’usager d’éviter l’écriture complexe d’une routine de gestion (voir figure 2).
Il existe trois versions du module, mais deux, surtout, sont disponibles : XTR903-A4, travaillant sur la bande des 433 MHz et XTR903-A8 sur celle des 868 MHz. Ici nous utilisons le A8 à 868 MHz et le circuit intégré FT232BM est utilisé pour la liaison entre le module et le port USB du PC, ainsi que pour la conversion des données provenant de ce dernier. Le module proprement dit est utilisé pour l’émission et la réception HF. Analysons notre circuit en portant un regard attentif à ce module : il permet l’émission et la réception des données à travers une communication sans fil par transfert transparent en logique RS232. Cela signifie que l’usager final doit seulement fournir au port sériel du module (à travers un microcontrôleur, un PC, etc.) les données à transmettre au format RS232, ce qui réduit le temps de développement des applications.
Les seules opérations laissées à l’usager sont la conversion des niveaux de tension vers ceux utilisés par le microcontrôleur (typiquement 0 et +3 V) et l’éventuel contrôle de la perte des données en émission. Le XTR903 supporte trois vitesses de transmission (9 600, 19 200 et 38 400 bits/s) sélectionnables au moyen de deux lignes numériques “d’input” (SP1 et SP2). À chaque vitesse est associée une redondance différente sur les données à envoyer : en particulier à la vitesse de 9 600 bits/s est associée une double codification de Hamming plus Manchester, à 19 200 bits/s on a associé seulement la codification Manchester et à 38 400 bits/s une codification “Scrambling”. Par conséquent, avec une vitesse de transmission de 38 400 bits/s aucun contrôle d’exactitude des données n’est présent, à 19 200 bits/s un contrôle de la détection d’un seul bit erroné par donnée est présent, enfin à 9 600 bits/s un contrôle plus sûr réussissant à corriger un seul bit erroné par donnée est présent.
La technique de modulation utilisée par le module est de type FSK (“Frequency Shift Keying”) qui, par rapport à la modulation d’amplitude, offre une plus grande immunité aux perturbations. La puissance HF, de concert avec la sensibilité, permet de couvrir une distance d’environ 200 mètres en espace libre quand on se sert d’antennes omnidirectionnelles, comme le montre la figure 1. La bande disponible est divisée en dix canaux et le module peut émettre à l’intérieur d’un seul canal à chaque fois, mais cela (nous le verrons très bientôt) peut être sélectionné à chaque instant à l’aide d’une commande AT.
Le module est caractérisé par cinq états de fonctionnement : “idle mode” est l’état initial de repos, dans cet état le module est en attente de données provenant tant du canal HF que du port sériel.
“Power down mode” (sélectionné en mettant la broche PWRDN à +3 V) est l’état d’épargne d’énergie et par conséquent il ne permet pas au module d’émettre ni de recevoir des données. “Transmit mode” est l’état où le module envoie sur le canal HF les données provenant du port sériel. Les délais permettent un écoulement de 20 ms entre l’envoi des données et leur réception effective : ce retard minime inclut le délai nécessaire au module pour passer de RX en TX et transmettre un “header” (en-tête) de synchronisation.
“Receive mode” est l’état où le module reçoit les données provenant du canal HF et les fournit au format RS232 à son port sériel (dans cet état, toute donnée en entrée sur la sérielle est ignorée). Enfin, avec l’état “command mode”, le module accepte l’introduction de certains paramètres de fonctionnement : pour entrer dans ce mode, il est nécessaire d’envoyer au module la séquence des caractères “+++” consécutifs et sans pause entre un caractère et le suivant. Il est alors possible de programmer ou lire certains paramètres au moyen d’une commande AT.

Par exemple :
- à travers la commande ATS1, il est possible de connaître la bande dans laquelle le module travaille,
- à travers la commande ATS2, il est possible de lire ou modifier le numéro du canal de communication utilisé,
- à travers ATS3 il est possible de lire ou paramétrer le niveau de puissance émis par le module (sélectionnable à l’intérieur de la fourchette –8 dBm à +10 dBm), enfin,
- à travers ATS16 il est possible de lire le niveau de puissance du signal reçu.

Pour plus de détails sur la syntaxe des diverses commandes AT, voir figure 7.
Pour sortir de l’état “command mode” il est nécessaire d’utiliser la commande ATCC.
Toutes les valeurs entrées ont une validité temporaire (c’est-à-dire qu’elles sont perdues à l’extinction du module) à moins d’être sauvegardées, à travers la commande ATWR, dans l’EEPROM du module.

Figure 1 : Fonctionnement de l’ensemble du système.

Figure 2 : Brochage de l’émetteur/récepteur XTR903.

 

Le module Aurel XTR 903 comporte, en son sein, un “transceiver” (émetteur/récepteur) nRF903 Nordic VLSI constituant, sur une puce unique, un émetteur/récepteur UHF multicanaux sur 433 MHz (XTR903-A4) ou 868 MHz (XTR903-A8) en modulation FSK. Ce même circuit intégré présente une interface vers l’extérieur divisible en trois parties : la première est mise en oeuvre pour l’envoi et la réception des bits, la deuxième pour le contrôle du module et la troisième pour la configuration/programmation du circuit intégré.
La gestion du nRF903 est assez complexe à réaliser soi-même, c’est pourquoi le module Aurel incorpore un microcontrôleur Atmel ATMEGA8L déjà programmé en usine pour la gestion.
Le rôle du microcontrôleur est donc de fournir une interface extérieure simplifiant la mise en oeuvre du nRF903 par l’utilisateur final. Le module permet en particulier un transfert transparent en logique RS232, évitant à l’usager d’avoir à mettre les données en paquet, à réaliser des “headers” (en-tête) ou des blocs de fin de paquet dans le but de synchroniser l’émetteur et le récepteur, etc. La configuration du nRF903, la sélection du canal et de la puissance d’émission sont en outre simplifiées.

 

 

Le schéma électrique
La liaison entre les deux PC est de type “half duplex” (ne peut émettre qu’un PC à la fois) : si le module est en état de réception (“receive mode”), les données en entrée sur la ligne sérielle sont ignorées.
Analysons le schéma électrique de la figure 3 : U1 FT232BM est utilisé comme interface entre le port USB du PC et l’émetteur/récepteur U2 XTR903. Ces deux composants disposent d’un port sériel RS232 pour communiquer avec l’extérieur, c’est pourquoi la liaison entre les deux est réalisée au moyen d’une simple connexion constituée de deux lignes. Notez que, dans notre montage, on n’a besoin d’aucun réseau électrique particulier de conversion des niveaux de tension utilisés : en effet, bien que U1 soit un TTL travaillant en +5 V, il permet (par la broche VCCIO) de régler les niveaux utilisés par son port sériel (qui, dans ce cas, sont réglés à une tension de +3 V compatible avec les niveaux du module émetteur/récepteur).
La sélection de la vitesse de transmission utilisée par le XTR903 est réalisée à travers un dip-switch à deux microinterrupteurs (DS1) relié aux broches SP1 et SP2 de U2. Par effet des résistances de “pull-up” R1 et R2, pour attribuer aux lignes SP1 et SP2 une valeur “haute” (+3 V), il est nécessaire que les deux micro-interrupteurs soient ouverts, au contraire, pour régler une valeur basse, il faut les fermer.
La section d’alimentation est très importante : la tension est prélevée directement sur la broche 1 du port USB fournissant +5 V pour les éléments TTL.
Ensuite le potentiel est abaissé à +3 V environ à travers la série des trois diodes D1 à D3. Le +3 V est utilisé pour alimenter le module XTR903. En outre, nous l’avons vu, il est reporté sur la broche VCCIO de U1 de façon à l’obliger à utiliser le port sériel. Pendant les essais et la mise au point de notre prototype nous avons constaté que la tension d’alimentation est assez critique, en particulier pendant l’émission. Dans notre cas, le circuit étant alimenté par le port USB (qui n’est pas en mesure de fournir un courant élevé), ce problème est encore plus accentué. C’est pourquoi nous avons inséré les condensateurs C8 et C9 (et R9 pour leur décharge rapide à l’extinction) afin de faire face aux pics de courant inévitables en émission. Avec ce procédé, nous avons réussi à améliorer de façon décisive les prestations du système (en envoyant à travers l’Hyper-Terminal une série de caractères ASCII, nous avons remarqué que la probabilité de perte d’un caractère était notablement réduite). Tenant compte de ces vérifications, pour une application réclamant une transmission plus sûre et sans perte de données, nous conseillerions d’utiliser un régulateur à 3 V à la place des trois diodes D1 à D3 en série, ou bien de ne pas prélever l’alimentation sur le port USB, mais d’utiliser une petite alimentation bloc secteur 230 V.

Figure 3 : Schéma électrique de la liaison HF USB entre ordinateurs.

Liste des composants
R1 = 1,5 kΩ
R2 = 1,5 kΩ
R3 = 470 Ω
R4 = 27 Ω
R5 = 27 Ω
R6 = 1,5 kΩ
R7 = 470 Ω
R8 = 470 Ω
R9 = 1,5 kΩ
C1 = 100 nF multicouche
C2 = 1000 μF 16 V électrolytique
C3 = 100 nF multicouche
C4 = 33 nF 100 V polyester
C5 = 100 nF multicouche
C6 = 15 pF céramique
C6 = 15 pF céramique
C8 = 100 nF multicouche
C9 = 2200 μF 6,3 V électrolytique
D1 = 1N4007
D2 = 1N4007
D3 = 1N4007
L1 = self 300 μH
LD1 = LED 3 mm verte
LD2 = LED 3 mm rouge
U1 = FT232BM
U2 = XTR903
Q1 = 6 MHz
DS1 = dip-switch à deux micro-interrupteurs

Divers :
1 prise USB verticale
2 barrettes femelles à 9 pôles

Sauf spécification contraire, toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.

La réalisation pratique
Un circuit tient sur une petite platine imprimée (mais il en faut deux pour réaliser notre système complet de pont radio entre deux ordinateurs) : la figure 4b en donne le dessin à l’échelle 1. Quand vous avez devant vous les deux circuits imprimés gravés et percés, montez-y tous les composants dans un certain ordre (en ayant constamment sous les yeux les figures 4a et 5 et la liste des composants).
Aucune difficulté particulière. Une attention spéciale doit toutefois être accordée au montage de U1 FT232BM, à monter côté cuivre (il est en pointillé sur la figure 4a) : pour souder ce composant CMS, utilisez un fer de 15 W à panne stylo et du tinol le plus fin possible (0,5 mm au plus), soudez-le bien en place en le maintenant appuyé, d’abord par deux broches opposées en diagonale, puis soudez les broches restantes (attention : le point repère-détrompeur doit regarder l’une des queues de C5).
Pour l’implantation du module radio nous avons utilisé deux barrettes femelles.
Quant à l’antenne, elle peut être constituée d’un morceau de fil rigide isolé de longueur quart d’onde : l m = [(300 : F MHz) : 4] mais une antenne accordée est toujours préférable (voir figure 1).
Le circuit ne fonctionne correctement que s’il est relié à un ordinateur (en effet le FT232BM a besoin d’un “master” ou maître). En outre, il faut installer sur les ordinateurs du système les pilotes de ce même FT232BM : ils servent, en plus de gérer la communication USB entre l’ordinateur et la puce, à créer des ports virtuels VCP.
Pour l’envoi des données on peut utiliser n’importe quel programme de communication sérielle (type Hyper Terminal).
Bien sûr, il est nécessaire que ce dernier soit réglé pour une vitesse de transmission égale à celle du circuit (paramétrée avec les micro-interrupteurs), ainsi que d’utiliser le port vir tuel disponible après l’installation des pilotes USB.

Figure 4a : Schéma d’implantation des composants de la liaison HF USB entre ordinateurs.

Figure 4b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de la liaison HF USB entre ordinateurs.

Figure 5 : Photos d’un des prototypes de la platine de la liaison HF USB entre ordinateurs.

Figure 6 : “Scrambling”, codage Manchester et de Hamming.
Tout système de communication (en particulier sans fil) est sujet à des erreurs de transmission dues à la présence de bruit sur le canal de communication. La probabilité d’erreur sur les données envoyées dépend de divers facteurs (pas toujours prévisibles) : puissance moyenne du signal en réception, vitesse de transmission, densité spectrale du bruit sur le canal, type de canal, réfl exion des ondes électromagnétiques transportant le signal, etc. C’est pourquoi des mécanismes palliatifs ont été étudiés (connus comme codifications de canal) dans le but de minimiser la probabilité d’erreur.
Une première technique est le fameux scrambling prévoyant l’application aux bits émis de transformations pseudo-aléatoires (devant être réversibles en réception) de façon à éliminer les longues séquences de symboles “1” ou “0”. Le but de cette technique est de faciliter la synchronisation entre émetteur et récepteur. Cette technique n’offre de sécurité ni sur la correction d’une erreur éventuelle, ni sur sa détection.
Des techniques plus compliquées (appelées redondantes) prévoient en revanche d’ajouter des bits redondants (non informatifs) à ceux transportant l’information, dans le but de détecter ou même corriger d’éventuelles erreurs de transmission. Bien sûr, l’ajout de ces bits non informatifs implique que l’on envoie plus de bits qu’avec l’autre méthode, ce qui réduit la vitesse de transmission.
Pour la production des bits redondants, on utilise des techniques particulières, dont les principales sont celles connues comme codes à bloc linéaires produisant les bits à ajouter en appliquant des fonctions logiques linéaires aux bits informatifs.
Une première technique linéaire est celle de la parité prévoyant que dans un code à groupes de bits (typiquement huit) on ajoute un seul bit de valeur telle qu’il rende pair ou impair le nombre de “1” de l’ensemble. Comme on peut le comprendre facilement, cette technique est capable de détecter un nombre d’erreurs sur un groupe de bits, mais pas de corriger quoi que ce soit.
Une technique plus complexe et permettant de détecter deux erreurs sur un groupe de bits ou de corriger une seule erreur sur un groupe de bits est connue sous le nom de “Hamming”. Sans trop entrer dans les détails, disons qu’elle prévoit que si un alphabet initial de mots non codifiés est présent, chacun étant composé de m bits et si on leur ajoute (selon des fonctions logiques adéquates) r bits redondants de telle façon que m+r=2r–1, alors il est toujours possible de corriger une erreur présente à l’intérieur d’un groupe de m bits. Par exemple, si l’on divise les huit bits composant chaque symbole du code ASCII en deux parts égales (m=4), on obtient qu’à chaque sous-groupe de quatre bits, il est nécessaire d’en ajouter 3 (r=3). En réception, il faudra utiliser des décodages particuliers lesquels, partant des sept bits reçus, soient capables de sélectionner les quatre informatifs.

Figure 7 : Syntaxe des commandes AT.
 

Figure 8 : Disposition et description des broches.