L'an dernier, j'avais relaté quelques unes de mes pérégrinations dans la réalisations de mes propres PCB et, depuis, je m'étais lancé dans la conception de ma propre planche de prototypage à base d'atmega(8), d'un cristal à environ 16MHz, sans doute d'un cristal de montre pour pouvoir utiliser le tout en RTC, et en gardant les ports I2C/SPI accessibles pour jouer avec des nRF24 facilement. Mais cette semaine, j'ai réalisé que ce n'était pas très malin...

Lorsque j'avais conçu un PCB pour contrôler des moteurs depuis un arduino et que je l'avais commandé (pour une bouchée de pain chez elecfreaks, je m'étais dit que c'était le début d'une longue liste de commande de PCB personnalisés. Sauf que le second dans lequel je me suis lancé (un PCB générique de prototypage) n'est toujours pas terminé. En raison de la vocation très générique de ce PCB, je n'arrive pas à me décider sur un design et je tourne en rond sans rien commander. Pourtant, j'ai trouvé un second fournisseur vraiment pas cher et je meurt d'envie de le tester. Finalement, j'ai donc décidé d'abandonner (pour l'instant) l'idée de concevoir mon propre PCB de prototypage et j'ai même décidé d'en faire un micro article afin de communiquer plus largement l'une des raisons de ce choix qui me semble méconnue : les clones d'arduino, ça ne coute rien.

L'été dernier, j'ai eu l'honneur de présenter une seconde conférence au SSTIC. Si vous regardez les slides (ou mieux : la vidéo) de cette conférence vous verrez que, lors d'un calcul de couts, je compte un arduino pour "environ 7€". Après cette conférences, plusieurs personnes sont venus me voir¹ pour me dire que si ça coute vraiment si peu ils veulent bien m'en acheter une centaine pour les revendre. J'aurai du accepter :p ! En effet, les prix français/européens sont bien ancrés dans nos esprits et, pour la majorité des gens que je croise, un arduino coute environ 20~25€. Moi-même, jusqu'à il y a peu, j'avais inconsciemment l'idée qu'un arduino "ça ne coute pas cher" mais qu'un microcontrolleurs ça ne coute vraiment rien. En réalité, et c'est en partie ce qui a motivé ma décision d'abandonner mon projet de PCB de prototypage, un clone d'arduino ça ne coute quasiment rien. Pour être précis, ça coute 3,02€ chez aliexpress ou 4,70€ sur ebay,..tout ça livraison incluse.

Autant vous dire qu'à 3€ le clone d'arduino, même en déployant des trésors d'ingénierie, mon PCB conçu maison n'atteindra jamais un tel rapport qualité prix² ! Bref : je me suis commandé une demi-douzaine de clones d'arduino (chez 3 vendeurs différents, pour limiter les risques de paquets s'évaporant en chemin) pour moins de 20€, et je peux à présent passer à la conception de PCB dédié à une tache spécifique :-D ! Les deux seuls inconvénients de cette solution découlent du format bien particulier de l'arduino : il fait un peu plus de 5cm de large (donc pour nos shields on rate, de quelques millimètres, le format le moins cher des graveurs de PCB : 5cmX5cm) et les deux rangées de connecteurs empilables ne sont pas alignées³ ce qui est un peu chiant pour l'alignement dans gschem. En tout cas, j'espère avoir motivé certains d'entre vous à ressortir leurs arduino du tiroir/placard où il prend la poussière, et je conclurai ce billet ainsi : Happy Hacking !

1. D'ailleurs : merci à tous pour vos retours ! C'est vraiment très sympa de savoir que la conférence a été appréciée, au moins par certains :) ↩
2. Sur le prix d'un PCB personnalisé on peut déjà compter 1€ pour le microcontrôleur et minimum 1€ pour le PCB. Il ne reste plus grand chose pour les connecteurs, les cristaux, les résistances/diodes, et la main d’œuvre ↩
3. En électronique amateur l'un des standard d'espacement les plus répandus est 0,1", soit 2.54mm. L'arduino utilise cet espacement partout sauf à un endroit, où il y a un décalage de 0,16" ce qui décale la moitié du PCB ...Pourquoi ont-ils fait ça? ↩

J'avais déjà rapidement parlé de gEDA dans un précédent billet¹, mais pour ceux qui ne l'ont pas lu voici un rappel : gEDA est une suite de logiciels Open Source permettant de concevoir et simuler des circuits électroniques. Dans ce billet je vais tenter de résumer comment on peut utiliser gEDA pour amener la conception d'un circuit électronique à partir de rien jusqu'à l'obtention d'un véritable circuit imprimé physique. Le but de cet article est, d'une part, de me servir de pense-bête pour plus tard et, d'autre part, d'apporter quelques astuces à ceux qui, comme moi, vont découvrir de nombreuses embuches en tentant de concevoir leur premier circuit avec gEDA. Contrairement au billet précédent il n'y aura donc pas d'informatique du tout dans ce billet-ci et il risque d'être assez indigeste pour ceux qui n'ont pas envie de concevoir de circuits imprimés...Promis je me rattraperai plus tard avec d'autres billets ;) !

gschem pour créer le schéma fonctionnel

Comme rappelé en introduction, gEDA est une suite de logiciels cohérents les uns avec les autres, chacun ayant son utilité propre. L'outil de la suite gEDA par lequel nous allons commencer est gschem qui permet de dessiner le schéma logique du circuit que l'on est en train de concevoir². Il n'est pas follement intuitif d'utilisation mais après 30mn à s'habituer au maniement de l'outil on parvient à faire à peu près ce que l'on veut.

Pour dessiner votre schéma il suffit de sélectionner les composants que vous voulez dans la bibliothèque ( menu add > components ), de les placer sur l'espace de dessin, d'éditer leurs propriétés, puis de les relier entre eux avec des "nets node". Rien de bien sorcier en somme, mais voici quelques points qu'il faut penser à vérifier si vous ne voulez pas être ennuyé plus tard :

• Penser à donner un nom unique à chaque composant (via sa propriété refdes)
• Pour les composants "redondants" (c'est à dire les composants qui répètent plusieurs fois la même fonction logique, par exemple les 7404 qui contiennent 6 fonctions logiques "NON") vous ne ferez apparaitre qu'une fonction logique sur le schéma (forcément, c'est un schéma logico-fonctionnel) et pas une empreinte réaliste du composant. Pour retrouver vos petits lorsque vous concevrez le plan physique de votre circuit il faut penser à cette étape à mettre le même nom (propriété refdes) à toutes les fonctions logiques que vous voulez prendre sur le même composant, et à les différencier uniquement en fixant une valeur incrémentale³ (unique) à leur propriété slot.
• Penser à donner une valeur à l'attribut footprint de chaque composant. Cette valeur servira plus-tard à définir l'empreinte physique du composant sur le circuit imprimé. Quelques footprints utilisables peuvent être trouvés dans /usr/share/pcb/pcblib-newlib/geda sur Gentoo, mais personnellement j'ai fini par agréger ma propre librairie de composants afin d'obtenir des descriptions cohérentes utilisables sur l'ensemble des logiciels de la suite gEDA, les composants fournis d'office n'étant généralement plus utilisables dès qu'on veux passer d'un logiciel de la suite à un autre⁴.
• Faite apparaitre vos connecteurs sur le schéma logique :) ! On n'y pense pas forcément lorsqu'on a le nez dans le schéma fonctionnel mais il est essentiel de se rappeler que votre "signal IN" devra bien venir de quelque part sur votre circuit imprimé physique. Vous devez donc absolument ajouter à votre schéma gschem les composants de connectique.

pcb pour créer le plan physique

Une fois le schéma fonctionnel satisfaisant (.sch) vous pouvez lancer pcb, également inclus dans la suite gEDA. Si vous avez bien fait votre fichier ".sch" un petit clic dans le menu File > Import Schematics fera apparaitre l'ensemble des composants physique de votre schéma logique (dans un gros paté au centre de la fenêtre de pcb). Si ça ne marche pas pensez à bien vérifier les points exposés dans la partie gschem ci-dessus, et si ça ne marche toujours pas changez les noms de vos composants pour des noms plus courts et homogènes en casse. Ca a l'air tout con mais j'ai constaté que certains composants qui n'apparaissaient pas dans mon import sur PCB, ont subitement décidés d'apparaitre quand j'ai changé leur nom de quelque chose du type LED_batterie vers quelque chose du type LEDB...allez comprendre !

Une fois l'ensemble de vos composants et connexions correctement chargées dans PCB vous allez pouvoir les disposer sur l'espace qu'occupera votre futur circuit ainsi que faire le routage⁵ à proprement parler. Le routage est une étape qui peut prendre BEAUCOUP de temps, mais elle est malheureusement nécessaire pour obtenir une réalisation physique qui fonctionne. Ci-dessous je vous mets quelques astuces en vrac pour le routage :

• Penser à dé-selectionner, dans la colonne de gauche de l'interface de pcb, les "layers" que vous ne voulez pas utiliser avant de faire appel à la fonction "Auto-route" de pcb. En effet, si vous prévoyez de réaliser votre circuit imprimé sur une seule face (par exemple si vous voulez le graver vous-même par la suite) il ne faut pas que pcb utilise deux couches pour router (or en mode "Auto-route" il utilise autant de couche que possible). Pour ma part je ne garde que 2 "layers" actifs (en plus des layer "silk" et "rat lines" qui ne correspondent qu'à des indices visuels et ne sont donc pas utilisés par la fonction "Auto root") parce que j'utilise plutôt du double couche que du simple. En effet le double couche reste encore raisonnable (on peut graver soit-même des circuits en double couche) et il permet de router des cartes avec beaucoup de connexions sans avoir à ajouter des tas de ponts disgracieux jouant à saute mouton au dessus des pistes comme celà arrive rapidement quand on se restreint au simple couche.
• Penser à faire un gros plan de masse, voire un gros plan au potentiel VCC (pour ce faire vous pouvez, par exemple, utiliser les outils polygone ou rectangle puis les relier à des net via un pin grace à l'outil "therm(al)").
• Jouez avec la largeur et les marges de vos pistes. Plus ces paramètres sont petits plus le routage est facile, mais plus la réalisation physique sera compliquée et moins vous pourrez faire passer de courant.

Création physique !

Une fois votre PCB correctement créé sur le logiciel éponyme il est temps de passer à l'étape physique ! Pour ce faire il y a deux chemins possibles : soit vous fabriquez votre circuit vous-même, soit vous le faite fabriquer par une entreprise spécialisée.

Si vous décidez de fabriquer votre PCB pensez à faire un routage avec des pistes larges et bien espacées. En effet, la réalisation manuelle de PCB est une opération délicate donc moins il y aura de petits détails sur votre plan de PCB moins vous risquerez de faire d'erreur et ce n'est pas du luxe ! Plusieurs méthodes existent pour la réalisation manuelle mais sachez qu'elles impliquent toutes l'utilisation de produits chimiques et peuvent vous prendre plusieurs heures. Ne paniquez pas pour autant, de nombreux amateurs réalisent régulièrement des cartes⁶ donc je vous assure que c'est réalisable. N'ayant moi-même pas choisi cette voie je ne vais cependant pas rentrer dans les détails, mais cherchez sur le net et vous trouverez pleins de gens prêts à vous expliquer comment ils font chacune des deux étapes principales du processus :

• Mise en place d'une couche protectrice sur une plaque cuivrée vierge reprennant la forme de votre circuit à imprimer : Soit vous utilisez des PCB recouvertes d'une résine photosensible et vous détruisez sélectivement cette résine en exposant la plaque à la lumière derrière un transparent sur lequel vous avez imprimé votre circuit; soit vous imprimez une image mirroire de votre circuit avec une imprimante laser sur du papier de mauvaise qualité (en espérant ne pas tuer votre imprimante) puis vous tentez de faire un "décalcomanie" de votre impression sur une plaque de cuivre nue avec un bête fer à repasser.

• Trempage de la plaque, avec son masque protecteur, dans une solution qui va dissoudre le cuivre non-protégé et donc "graver" les contours de votre circuit : soit vous utilisez le produit chimique "standard" que vous devrez acheter pour une dizaine d'euros en magasin spécialisé (ce produit chimique est réutilisable), soit vous tentez de concocter vous-même un autre produit chimique à base d'eau oxygénée à vos risques et périls.

• Suppression du masque protecteur une fois la gravure terminée pour découvrir vos pistes de cuivres : selon les méthodes suivies aux étapes précédentes ça peut être aussi simple que de laisser la plaque au soleil, ou un poil plus compliqué type "tamponnage de disolvant à l'aide d'un coton tige".

Si, en revanche, vous décidez de faire fabriquer votre PCB par une entreprise spécialisée soyez averti : ça coute cher ! La conception de circuits imprimés amateur n'est pas encore follement répandue et les tarifs restent avant tout orientés vers des tirages en série, le mode de facturation/production n'est donc généralement pas adapté aux besoins d'amateurs souhaitant n'avoir qu'un ou deux prototypes. Vous trouverez ainsi souvent un montant forfaitaire d'une trentaine d'euros pour "préparation des outils", puis comptez une autre trentaine d'euros pour une impression sur des PCB carré double face de moins de 10cm de cotés, et ajoutez enfin à celà une dizaine d'euros de frais de livraison. Pour ma part j'ai eu énormément de chance et j'ai pu faire appel à un petit fournisseur asiatique qui m'a réalisé 10 exemplaires de mon circuit (5,50cm par 5cm en double face) pour seulement 25€, donc je n'ai pas hésité :) ! Bref, ce qu'il faut retenir si vous voulez faire fabriquer vos circuits :

• La tarification est souvent élevée et parfois obscure, mais il existe tout de même quelques fournisseurs qui mérittent le coup d'oeil.
• Les entreprises acceptent généralement le format "gerber" pour vos fichiers, c'est un format vers lequel pcb sait exporter donc tout va bien⁷; mais parfois ils n'acceptent que le format du logiciel Eagle qui est un logiciel non-libre...à moins de tout recommencer sous ce logiciel vous ne pourrez donc pas faire appel à ces entreprises.

Une fois votre PCB nu en main⁸ vous n'avez plus qu'à vérifier qu'il n'y a pas de court-circuit apparent sur les contacts accessibles, puis à souder les composants en place (cf la photo du paragraphe précédent) et à faire vos tests unitaires en croisant les doigts !

Conclusion sur le combo gschem/pcb

Le message essentiel à retenir sur la conception c'est qu'il est vraiment important d'avoir des librairies de composants cohérents à utiliser sous gschem et pcb. Il n'y a rien de plus rageant que de faire son circuit logique sous gschem pour se rendre compte ensuite que le "footprint" que l'on a mis à toutes ses résistances est inconnu de pcb (et donc inutilisable) ou encore que le "footprint" de vos diodes d'électronicien correspond en fait à un composant de puissance d'un mètre de diamètre pour pcb -_- ... Pour ma part j'ai honteusement pioché/tranché dans les composants fourni avec gEDA sous ma gentoo ainsi que dans les nombreux éléments téléchargeables sur internet grâce aux explications de ce site de référence. Ayant tranché comme un goret dans des parties de code (et de commentaires, dont certains contenaient le descriptif de la version de license utilisée) pour rassembler ma petite librairie de composants je ne vais pas la rendre téléchargeable avec ce billet; mais si vous la voulez envoyez moi un mail et je pourrai vous passer une copie "en privée".

Enfin, quelques dernières remarques en vrac qui pourront vous aider si vous rencontrez des problèmes de composants incompatibles entre gschem et pcb⁹ :

• Favorisez les composants dont les PIN sont numérotées (plutôt que "lettrées") dans gschem. Par exemple préférez le modèle "capacitor" dont les pins sont labélisées "1" et "2" plutôt que "P" et "N". En effet les symboles dans pcb utilisent plutôt des numérotations que des lettres donc si vous voulez que pcb parvienne à retrouver les connexions rentrées dans gschem il faut que les références des pins des symboles pcb soient les même que celles des symboles gschem.

• Quelques associations "composant <==> footprint" qui marchaient pas trop mal dans pcb et qui étaient fournis dans ma Gentoo :

capacitor-2.sym <==> RCY100P 
lm7805-1.sym <==> TO126W
connector2-1.sym <==> JUMPER2
resistor-1.sym <==> ACY800
led-3.sym <==> RCY100

• Les connecteurs sont parmi les composants les plus pénibles à traiter. En effet leurs formes sont souvent assez spécifique et il est essentiel qu'ils aient la bonne représentation dans pcb sous peine de vous retrouver avec un circuit imprimé inutilisable parce que vous n'avez pas la place de souder vos connecteurs. Pour ma part j'ai été obligé de créer mes modèles de connecteurs de toute pièce afin d'en avoir qui marchent¹⁰. Parmi les problèmes que j'ai cru identifier : les "connectors" fourni avec mon gschem ont des pin de type pas(siv) qui, visiblement, ne plaisent pas à pcb; du coup j'ai refait les connecteurs avec des pins de type io. Ah et mes connecteurs étaient également particulièrement sensibles aux blagues de nommage dont je vous parlais plus haut : quasiment tout ceux dont le nom dépassait 5 caractères n'étaient pas importés dans pcb...

En guise de conclusion : concevoir ses circuits imprimés ex nihilo jusqu'à obtenir un circuit physique qui fonctionne c'est une grande satisfaction (surtout pour moi qui ne pigeait rien à l'électronique il y a 4 ans); et même si le "motor shield" compatible arduino que j'ai réalisé et qui illustre intégralement cet article est bourré de maladresse de conception¹¹ j'en suis très content et j'aurai peut-être l'occasion d'en faire bon usage :D !

1. Billet qui a déjà presque 2 ans...le temps passe vite :) ↩
2. Dessiner/Relire des schémas logique à peine plus haut niveau que ceux dont nous parlons ici semble justement amuser follement beaucoup de monde en France ces temps-ci ;-) ↩
3. En commençant à compter à 1, donc 1,2,3,4,5 et 6 pour un 7404...Bah ouais c'est de l'électronique, pas de l'informatique donc on commence à "1". ↩
4. Douce ironie: les logiciels qui comptent plusieurs dizaines de miliers de ligne de code sont compatibles entre eux, mais les composants comptant à peine 20 lignes de texte, eux, ne sont pas prévu pour fournir des informatios à tout les logiciels... ↩
5. C'est à dire tracer les connexions physiques entre les différentes pates de vos composants. ↩
6. J'en connais plusieurs, et pourtant ils ne sont pas masochistes. ↩
7. Vous pouvez ensuite utiliser le logiciel gerbv pour visualiser les fichiers gerber générés par pcb avant de les envoyer à votre fabricant ↩
8. PCB nu tel que celui qui illustre ce billet, tout juste sorti de sa boite de livraison. ↩
9. Remarques qui vont surtout me servir de pense-bête personnel pour le jour où je voudrait rajouter des composants à ma bibliothèque et que j'aurai tout oublié :D ↩
10. Et encore...Je m'étais trompé dans l'espacement entre les deux pates de mon connecteurs, si bien que j'ai du les tordres à la pince pour les espacer afin qu'ils puissent s'enfiler correctement dans les trous prévus à cet effet dans mes circuits imprimés reçus d'Asie. Trous qui, celà dit en passant, étaient largement surdimensionnés pour mes connecteurs, j'aurai du modifier mes empreintes pcb pour utiliser des trous de la même taille que ceux destinés à accueillir les pates de mes autres composants. ↩
11. Pas de plan de masse, pas de condensateurs filtrant les parasites, pas de résistance de pull-up, etc... Mais les fichiers sont quand même disponibles si vous me les demandez par mail ;-) ↩

Le 9 mars 2011 dernier (merci Twitter pour la date exacte) j'ai acheté un arduino. Depuis j'ai pas mal joué avec et j'en arrive aujourd'hui à vouloir utiliser au jour le jour certains de mes bricolages. Le problème c'est que si je dois acheter un arduino pour chaque bricolage que je veux garder et utiliser quotidiennement ça risque de taper sérieusement dans mon budget. Heureusement il y a pleins de solutions à ce problème.

La première solution c'est de ne tout simplement jamais utiliser d'arduino et d'oublier carrément les micro-controlleurs Atmega. L'un de mes amis, qui fait de l'électronique depuis des années, a ainsi toujours utilisé des PIC. L'avantage des PIC, par rapport aux Arduino, c'est leur prix ridicule (comptez quelques dizaines de centimes d'euros pour les plus petits alors qu'un arduino coutera minimum une quinzaine d'euros). Mais l'inconvénient majeur des PIC c'est qu'il vous faudra un programmeur matériel dédié pour uploader vos programmes dessus, et que ce programmeur dédié coute cher (comptez une trentaine ou une cinquantaine d'euros).

La seconde solution c'est d'utiliser des Atmega nu. Les Atmega c'est la famille des micro-controlleurs qui sont au coeur des Arduino. En fait un Arduino c'est un atmega avec un peu d'électronique autour pour uploader les instructions sans programmeur externe, et pas mal de logiciel pour rendre ultra simple le codage, la compilation, et l'upload sur l'Atmega. Donc quand on utilise un Arduino en fait on utilise un Atmega :) L'avantage des Atmega (et leur petits frêres les Attiny) c'est le prix du programmeur externe, en effet vous pouvez utiliser votre Arduino comme programmeur pour Atmega (via le sketch ArduinoISP, donc aucun investissement supplémentaire si vous arrivez à le faire marcher) ou bien en acheter un tout fait et dédié à cet usage (ce qui est beaucoup plus simple à mon gout) pour la modique somme de 3€ sur eBay. L'inconvénient c'est que les Atmega (et les Attiny) sont plus chers que les PIC (et qu'il existe également moins de modèles différents); mais ne vous affolez pas ça reste quand même largement moins cher qu'un arduino complet et vous n'aurez donc aucun scrupule à "investir" 1 ou 2 euros dans un Atmega destiné à rester à perpétuité dans votre bricolage numéro 3454464béta :D

Dans l'idée de fabriquer des bricolages "définitifs" je me suis donc orienté vers la seconde option : programmeur matériel dédié à acheter une fois et atmega (ou attiny) indépendant à acheter pour chaque montage "définitif". Le prix de cette migration a donc été pour mon cas de :

• 3€ pour un programmeur dédié USBASP (acheté sur eBay)
• 1,30€ pièce pour des Atmega8 (également achetés sur eBay)
• ou 3,5€ pièce pour des ATtiny85 (encore et toujours achetés sur eBay) à la place des Atmega8 si je veux un tout petit montage.

Par contre en basculant sur du micro-controlleur indépendant on perd un avantage énorme de l'arduino : l'IDE et ses bibliothèques simplifiant monstrueusement la tache du codeur. A titre d'exemple voilà le code Arduino qui fait clignoter une LED (l'équivaleur électronique de "Hello World") :

void setup() {                
  // initialize the digital pin 13 as an output.
  pinMode(13, OUTPUT);     
}

void loop() {
  digitalWrite(13, HIGH);   // set the LED on
  delay(1000);              // wait for a second
  digitalWrite(13, LOW);    // set the LED off
  delay(1000);              // wait for a second
}

Et, pour comparer, le même code pour ATtiny85 sans utiliser les librairies Arduino :

#include<avr/io.h>
#include<util/delay.h>

void sleep(int millisec) {
    while(millisec)
    {
        _delay_ms(1);/* 1 ms delay */
        millisec--;
    }
}

main() {
    DDRB |= 1<<PB3; /*PB3 is now an output*/
    while(1) {
        PORTB &= ~(1<<PB3); /* PB3 low */
        sleep(1500); /* 1.5s delay */

        PORTB |= (1<<PB3); /* PB3 high */
        sleep(3000); /* 3s delay */
    }
}

Tout de suite c'est quand même moins user-friendly. Et encore, là on fait juste clignoter une LED. Soyez assurés que quand on joue avec les interruptions c'est encore plus moche. M'enfin bon, ça reste quand même compréhensible, donc poursuivons. Quand on utilise l'IDE Arduino on branche son arduino en USB, on écrit son code, puis on clique sur le bouton "compile and upload" et c'est fini, l'Arduino se comporte comme on l'a programmé. Quand on utilise un micro-controlleur indépendant c'est "un poil" plus compliqué.

D'abord il faut brancher l'USBASP (notre programmeur matériel dédié) : Coté USB c'est trivial, coté Micro-controlleur il faut ressortir la doc des branchements. Une fois la doc sous les yeux le branchement est simple puisqu'il suffit de se débrouiller pour que les fils MOSI/MISO/SCK/RST du programmeur correspondent aux pates MOSI/MISO/SCK/RST du micro-controlleur. Ca n'a rien de sorcier mais on est obligé de ressortir le schéma à chaque fois (parce que, franchement, l'apprendre par coeur...). Branchement coté programmeur :

Et branchement coté micro-controlleur (ci-dessous pour les attiny) :

Une fois correctement branché il faut coder (pour ça on peut être certain que vim ne nous laissera pas tomber :)). Ensuite on compile avec avr-gcc en faisant attention de bien choisir la plateforme cible :

avr-gcc -mmcu=attiny85 ledblink.c -Os -o ledblink_tiny85.o

Une fois compilé on extrait le code intéressant au format ihex :

avr-objcopy -j .text -j .data -O ihex ledblink_tiny85.o ledblink_tiny85.hex

Il ne reste plus qu'à uploader le code sur notre micro-controlleur à 3€ :

avrdude -p /dev/ttyS3 -c usbasp -p t85 -v -U flash:w:ledblink_tiny85.hex

Et "voilà" la LED qu'on a branché sur la pate PB3 de l'attiny (via une résistance de plus de 300 ohms pour ne pas la cramer) clignote gentiment. Maintenant plus rien ne s'oppose à la réalisation de montages permanents coutant moins de 10€ :) !

EDIT 14/04/2012 : chez moi par défaut avr-gcc ne trouve par le fichier "crtm8.o" et du coup il ne parvient pas à linker correctement quand je lui spécifie une cible "atmega8" à la place de "attiny85". Pour régler le problème il suffit de lui rappeler où trouver "crtm8.o" avec son option -B:

avr-gcc -mmcu=atmega8 ledblink.c -Os -o ledblink_atmega8.o -B /usr/avr/lib/avr4/

La suite reste similaire à l'exemple donné pour l'attiny85:

avr-objcopy -j .text -j .data  -O ihex ledblink_atmega8.o ledblink_atmega8.hex

Et pour l'upload on change juste l'option "-p" en mettant "m8" (= atmega8) à la place de "t85" (=attiny85) :

avrdude -p /dev/ttyS1 -c usbasp -p m8 -v -U flash:w:ledblink_atmega8.hex

EDIT2 14/04/2012 : Rajout en fichier joint d'un exemple de code réalisant deux Fast PWM sur atmega8 (typiquement pour diriger un robot)

Comme déjà évoqué précédemment je me suis mis à l'électronique amateur depuis quelques temps, et j'en arrive aujourd'hui au point où j'ai assez de matière pour écrire un nouveau petit billet. Dans ce billet je vais donc tenter d'expliquer clairement les problèmes qui se sont posés lorsque j'ai tenté de controller des moteurs avec mon micro-controlleur, et surtout la solution que j'ai trouvé ! Vous allez voir c'est amusant :)

La problématique

Tout est parti de l'envie de controller des moteurs à partir de mon arduino. Pour être plus précis je voulais controller des moteurs assez puissants pour pouvoir mouvoir un robot autonome embarquant donc l'arduino, des batteries, et tout un tas d'électronique et de mécanique utile ou inutile.

Concernant les moteurs le choix s'est immédiatement porté sur des moteurs à courant continu. J'aurai pu viser des servo-moteurs à rotation continue ou des moteurs pas à pas qui sont beaucoup plus simples à commander, mais ces solutions sont beaucoup plus honéreuses et ont donc vite été oubliées étant donné que le but est de jouer à moindre cout. Un moteur à courant continu c'est tout bête : on applique une tension entre les deux bornes du moteur et celui-ci se met à tourner à une vitesse proportionnelle à la tension appliquée¹. Petite subtilité : si vous fournissez une tension variable périodiquement (sinusoïdale, carrée, triangle, ou n'importe quoi d'autre) de fréquence "suffisante" le moteur ne prendra en compte que la moyenne de votre signal et tournera donc de façon régulière comme si vous lui aviez appliquée une tension continue équivalent à la moyenne de votre signal périodique².

Pour controller la vitesse de rotation d'un moteur à courant continu on a donc une solution ultra classique qui consiste à lui appliquer une tension périodique en forme de créneau de valeur maximale fixe. En faisant varier la proportion de temps où le créneau est haut par rapport à la proportion de temps où le créneau est bas on fait très simplement varier la moyenne de la tension appliquée, et donc la vitesse de rotation du moteur. Ce système est connu sous le nom "modulation de largeur d'impulsion" l'équivalent anglais c'est "Pulse Width Modulation" qui lui donne son patronyme le plus connu (même pour les francophone) : PWM ! Ca tombe bien : pleins de micro-controlleurs sont capables de sortir des PWM, et en particulier l'arduino sait faire ça très bien et très simplement grace à la commande analogWrite(PIN, valeur). Si on résume voilà la tête de deux signaux exemples, l'un avec une PWM qui a un voltage moyen de 2,5V (50% du temps à 5V, 50% du temps à 0V) et l'autre qui a un voltage moyen de 1V (20% de 5V, 80% du temps à 0V)³ :

Si on résume : je n'ai qu'à brancher une borne de mon moteur à la masse et l'autre borne à une broche de mon arduino sur laquelle j'utilise la commande analogWrite. Ainsi mon arduino va générer un signal PWM sur cette broche, signal que le moteur va comprendre comme un ordre de tourner à une vitesse correspondant à la moyenne de ma PWM, donc juste en jouant sur le second paramètre de analogWrite(PIN, vitesse) entre 0 et 255 je fait varier la vitesse de rotation de mon moteur de 0% à 100% de ses possibilités. Ca a l'air trop simple pour être vrai, mais en fait ça marche :) ! Par contre ce système a 2 gros problèmes, que nous allons voir les uns après les autres.

Sans puissance, la maitrise n'est rien

Lorsque je vous ai dit qu'un moteur à courant continu c'était simple et qu'il suffisait d'appliquer une tension à ses bornes pour qu'il tourne j'ai bien pris soin de préciser que ça ne marchait que si on lui fournissait une intensité de courant suffisante. C'est là que la premier problème se pose : un micro-controlleur (comme ceux qui sont au coeur des arduino) ce n'est pas prévu pour fournir une forte intensité de courant, et généralement ça n'en fournit pas assez pour faire tourner un moteur. A titre informatif l'arduino UNO peut sortir jusqu'à 40mA par PIN, ce qui est pile le courant consommé par un de mes mini-moteurs quand ils n'a aucune charge à entrainer (c'est donc, grossièrement, un dixième du courant maximal que ce même moteur est susceptible de demander s'il est chargé à son maximum). Sachant que mes mini-moteurs sont environ 3 fois plus petits qu'une pile AA j'espère que vous réalisez maintenant à quel point 40mA est une intensité liliputienne dans notre contexte :-) Le premier problème qui se pose à nous est donc : comment vais-je augmenter l'intensité du courant envoyé à mes moteurs :( ?

La réponse la plus triviale qui peut venir c'est : utiliser un transistor :) Pour ceux qui ne savent pas du tout comment marche un transistor sachez que, en très résumé, c'est un composant qui posssède trois pattes appelée "Base", "Collecteur", et "Emetteur".⁴ Dans le mode de fonctionnement qui nous intéresse voilà comment se comporte le transistor :

• Quand on envoie un courant, même de faible intensité, sur la base du transistor celui-ci "ouvre une vanne" entre son collecteur et son emeteur ce qui permet de faire passer de l'une de ces pattes à l'autre environ 100 fois le courant que l'on a envoyé sur la base.
• Quand on ne fournit pas de courant sur la base du transistor alors celui-ci se comporte comme un interrupteur ouvert entre le collecteur et l'emetteur.

Une fois ce mécanisme bien compris il devient naturel d'envisager l'utilisation d'un transistor pour controller nos moteurs : on branche le signal PWM du micro-controlleur sur l'entrée "Base" du transistor et on se sert du courant 100 fois plus important circulant entre le collecteur et l'emetteur pour alimenter le moteur. Aussitôt dit aussitôt fait :

Le transistor que j'utilise est un 2N1711. Ce transistor a pour principale qualité de correspondre à mes besoins puisqu'en lui fournissant environ 5mA sur sa base il permet de faire circuler jusqu'à 500mA entre son collecteur et son émetteur. La seconde grande qualité de ce transistor c'est que je l'ai trouvé à pas trop cher dans une boutique d'électronique à Nation ^_^ ! Quoiqu'il en soit le montage fonctionne, et le moteur tourne ! ... Mais fournir une intensité suffisante n'est pas le seul problème que l'on doit traiter.

Quand je m'avance toi tu recules, comment veux-tu que je ...?

Jusqu'à présent le branchement de notre moteur est plutôt simple : on branche une borne à la masse, et on envoie la commande PWM (amplifiée ou non en puissance) sur l'autre borne. Ce cablage "fixe" est simple à comprendre mais il ne permet de faire tourner le moteur que dans un seul sens :-/ En effet pour le faire tourner dans l'autre sens il faudrait pouvoir inverser le cablage en live, ce qui n'est pas vraiment réaliste. Sachant qu'à terme on aimerait bien faire rouler un robot, et donc disposer d'une marche arrière, il faut se résigner à abandonner ce branchement (et nos transistors) afin de se pencher sur un montage un poil plus complexe.

La solution à ce petit problème a, heureusement, été donnée il y a longtemps : le pont en H ! Pour résumer ce qu'est le pont en H : c'est un montage qui permet d'inverser le sens de branchement d'un dipole à la volée, sans toucher aux branchements physiques. Bonne nouvelle : ce montage étant ultra-classique on trouve des dizaines et des dizaines de circuits intégrés implémentant des pont en H ! Seconde bonne nouvelle : ils font quasiment tous l'amplification d'intensité par la même occasion. Pour ma part j'ai acheté un L293D (parce que, comme pour les 2N7111, je les ai trouvé pas cher et qu'ils répondent à mes besoins) mais d'autres références existent comme par exemple les SN754410 ou les L298⁵.

Une fois notre pont en H à disposition le montage est simple. Tout d'abord les branchements essentiels pour que le circuit intégré puisse fonctionner :

• Une PIN à la masse (sans commentaire).
• Une PIN au voltage de référence correspondant au niveau "haut" logique (dans notre cas 5V car les signaux PWM générées par l'arduino sont entre 0 et 5V)
• Une PIN à l'alimentation de puissance des moteurs (dans mon cas une batterie de 7.2V, mais on peut remplacer par n'importe quoi fournissant de la puissance avec un voltage compris entre 5V et 36V). Les branchements de base effectués il suffit de relier "Input 1" et "Input 2" à deux bornes de l'arduino capables de générer des PWM, et "Output 1/Output 2" aux bornes du moteur. Pour faire tourner le moteur dans un sens il suffit par exemple d'envoyer une PWM sur "Input 1" et un signal nul sur l'autre; puis pour inverser le sens de rotation du moteur (sans toucher au cablage :D !) il suffit d'envoyer "0V" sur "Input 1" et une PWM sur "Input 2" ! Simple, non ^_^ ?

What else ?

Une fois que l'on est capables de faire tourner nos moteurs dans les 2 sens à une vitesse variable arbitraire on a déjà fait un grand pas vers la réalisation d'un robot mobile autonome, mais les pistes d'améliorations sont plus que nombreuses et feront peut-être l'objet d'articles ultérieurs. Pour vous donner quelques idées voici deux améliorations que j'ai déjà apporté à mon robot :) :

• Dans l'article on utilise 2 signaux PWM pour controller un seul moteur mais ça serait mieux d'utiliser un unique signal PWM et un bit de sens en tout ou rien (l'arduino, comme tout les micro-controlleurs, n'étant capable de générer des PWM que sur un nombre réduit de ses sorties il est toujours bon d'économiser ces sorties là). Pour information ce petit tour de passe-passe peut être réalisé en utilisant, par exemple, un circuit intégré de la famille des 74XX pour faire de l'algèbre de bool sur nos signaux. En particulier le 7404 peut s'avérer utile (et suffisant :)) pour résoudre notre problème. Je vous laisse trouver la solution exacte ;-)
• Il n'y a pas d'isolation sérieuse entre nos moteurs et notre arduino. Donc si nos moteurs se mettent à générer de l'électricité pour une raison ou pour une autre (oui, ça peut arriver) toute la puissance électrique générée risque de remonter jusqu'à notre arduino et peut potentiellement le griller :-/ Pour contrer ce risque on peut utiliser des "optocoupleurs"⁶. Ces petits circuits intégrés ont pour unique fonction d'apporter justement une isolation entre commande et puissance. En très résumé vous leur donnez à manger un signal logique en entrée et il vous le recopie sur sa sortie en vous garantissant qu'aucun reflux de puissance ne pourra remonter sur le signal logique :) Pour les plus intéressés d'entre vous sachez que la magie s'opère généralement grace à une LED et un photo-transistor, et voilà quelques références si vous en cherchez : 4N35, PC845, etc.

1. pourvu que l'intensité du courant fournie soit suffisante ↩
2. La "magie" derrière tout ça c'est qu'un moteur à courant continu, de par sa construction même, peut être modélisé comme un circuit RLC qui s'avère être un filtre fréquentiel passe-bas :) ↩
3. La première PWM s'obtient avec analogWrite(PIN,125) et la seconde avec analogWrite(PIN,51) ↩
4. Je commence par parler des bipolaire car ils sont simples :) ↩
5. Les L298 proposent d'ailleurs nettement plus de puissance que les L293D, intéressez-vous à ceux là si vous voulez avoir des moteurs capables de bouger rapidement un robot digne de ce nom. ↩
6. un autre mot clef de la même famille c'est photocoupleurs ↩

Après avoir passé des mois à faire de la sécurité informatique à haute dose on peut avoir envie de se changer un petit peu les idées (mais vraiment juste un peu). Ce genre de moment est l'occasion révée pour ressortir des vieux projets des placards ! Pour ma part j'ai ressorti 3~4 vieux projets et en moins de 2h ils ont tous, sauf un, dérivé vers la sécurité informatique (on ne se refait pas ^^ !). Histoire de jeter malgré tout une petite pierre hors de la thématique usuelle de ce blog je vais donc vous parler du dernier de ces projets (ça reste du Hack, ne vous inquiétez pas ;) )

Il y a fort fort longtemps dans une contrée pas si éloignée que ça j'ai participé deux années de suite à la coupe de France de robotique. Nos deux participations furent des fiascos mais tant pis, on s'était quand même bien amusé ! Mes responsabilités dans l'équipe se cantonnaient au domaine informatique¹ et il faut bien avouer que c'était pour le mieux car j'étais une quiche en électronique (surtout en comparaison avec les brutes qu'on avait de ce coté là !). Le temps a passé et j'ai toujours considéré que connaitre un peu d'électronique m'ouvrirait pleins de nouveaux horizons d'amusements... Il y a quelques mois de celà j'ai donc craqué et j'ai investi lourdement (au moins...pfiou....facilement...oula....25£ au bas mot :D !) dans un arduino !!! J'ai également ratissé ebay, dealextreme, et oomlout pour obtenir une plaque de prototypage, des cables, des résistances de toutes les valeurs possibles, quelques diodes, et un capteur de distance infra-rouge ².

Une fois tout ce petit matériel reçu j'ai enfin pu m'amuser à faire clignoter mes LED, à changer les patterns de clignotements en fonction de la distance retournée par le capteur, etc. Puis mon jouet est tombé dans l'oubli, submergé par un ras de marré de sécu informatique. La semaine dernière l'envie de ressorti mon arduino s'est fait sentir et en particulier celle de lui faire commander des moteurs ! Pour le signal de commande aucun problème, l'arduino possède une commande toute faite pour envoyer une PWM sur un port de son choix. Reste donc à acheter des moteurs adéquats, et à trouver une façon de leur envoyer de la puissance.

Pour faire simple j'ai d'abord acheté deux micro moteurs 6V consommant 40mA. C'est extrèmement faible, mais c'est pour une bonne raison : l'arduino est capable de fournir cette puissance là tout seul, sans électronique de puissance supplémentaire :) En choisissant ces moteurs je m'assure donc de pouvoir jouer un petit peu mais probablement pas de faire un robot capable de se déplacer. En effet l'arduino seul fournira à mes moteurs la modeste puissance de 0,2W³, à titre de comparaison à la coupe de France nos moteurs tournaient autour des 30~40W :-D

Seulement voilà : la livraison de mes moteurs devrait prendre au moins 10 jours :-( ...Du coup je me suis dit qu'en les attendant j'allais réfléchir à une carte de puissance capable d'alimenter de plus gros moteurs (et donc, pourquoi pas, de rendre mon arduino mobile). C'est à ce moment du billet qu'on retombe dans l'informatique (et qu'on compte sur les doigts d'une main le nombre de mes lecteurs qui sont arrivés jusqu'ici lol) : pour confirmer les cartes de puissance que je pourrait imaginer j'ai décidé de les simuler sur ordinateur plutôt que d'envoyer un mail toutes les 10mn pour demander leur avis à mes amis qui sont forts en électroniques. Mais pour simuler un circuit électronique il faut un logiciel de simulation électronique, or il s'avère que ce n'est pas si simple à trouver. C'est donc là que ce billet prend tout son intéret : vous faire part de mon retour d'expérience en la matière et vous éviter de galérer autant que moi si l'envie vous prend de faire mumuse avec un fer à souder virtuel.

Le cahier des charges est simple : il me faut un logiciel gratuit, fonctionnant sous linux, et qui soit capable de simuler tout les petits circuits simples auxquels je pourrai penser. Après quelques recherches sur google j'ai trouvé pas mal de pages faisant des comparatifs des différents logiciels disponibles malheureusement beaucoup des infos présentes sur ces pages étaient vieilles et ne correspondaient plus du tout à la réalité. Du coup j'ai passé plusieurs jours à débrousailler le terrain pour ne finalement conserver que deux logiciels valables : Oregano d'une part, et gEDA d'autre part.

Oregano

J'ai commencé par Oregano parcequ'il a une interface super user-friendly et semble monolythique (donc simple). A l'usage il est effectivement très agréable mais je lui ai très vite trouvé deux inconvénients :

• Impossible de trouver comment faire des mesures de courant. Poser des sondes de tension est enfantin, mais les sondes de courant doivent se cacher quelque part au fin fond d'un menu d'option et je ne les ai pas trouvé...
• régler finement les paramètres de ses composants (en particulier des semi-conducteurs) parait impossible. En pratique c'est possible mais ça n'a rien d'intuitif. En effet, alors que toute l'interface est ultra simpliste, il faut aller éditer l'onglet "model" des propriétés du composant pour y renseigner le model SPICE brute (ce qui est franchement cabalistique et semble contre-nature par rapport au reste de l'interface "clic clic").

Finalement je pourrai l'utiliser...d'autant qu'il permet d'exporter les schéma au format netlist (j'expliquerai ce que c'est un peu plus tard) et que je pourrai donc facilement faire mes mesures de courant. Mais bon...comme je suis passé à gEDA quand je n'arrivais pas à spécifier les caractéristiques d'un pauvre transistor bipolaire, je reste pour l'instant sur gEDA !

gEDA

Alors là c'est du lourd ! gEDA est en fait un conglomérat de plusieurs logiciels spécialisés chacun dans une étape du travail de l'électronique, ce qui lui permet d'être très puissant⁴ mais aussi de faire très peur aux débutants :-D En réalité, après m'être penché un petit peu sur le monstre, les fonctions que je souhaite réaliser se résument dans seulement deux tout petit logiciels qui se maitrisent finalement assez vite.

Tout d'abord il y a gschem qui permet de "dessiner" son schéma électronique. Le maniement est beaucoup moins intuitif que celui d'oregano mais au moins il est homogène : que celà soit pour paramétrer un transistor ou une résistance la démarche est la même (à savoir : vous n'avez qu'à ajouter manuellement à votre objet un paramètre de nom "value" qui contient le code SPICE du composant). Cet outil ne sert qu'à dessiner le schéma par contre, vous ne pourrez pas faire de routage avec, et vous n'avez pas à placer de sondes de tensions/courants/autre sur le schéma comme vous devez le faire avec oregano. Une fois le schéma dessiné vous le sauvegarder au format gschem (format par défaut) et vous passez au logiciel suivant...

...gspiceui ! Le petit logiciel gspiceui (qui ne fait pas parti de la suite gEDA d'ailleurs lol) va vous permettre de simuler votre circuit. D'ailleurs si vous êtes sous gentoo pensez à le compiler avec les flags "waveform" et "schematics"⁵, si vous êtes sous ubuntu n'utilisez pas la version packagée mais allez plutôt télécharger la dernière⁶.

Bref, pour réaliser une simulation avec gspiceui vous devrez importer le schéma réalisé avec gschem (menu File>Import), vous sélectionnez les composants du schéma que vous voulez observer, vous sélectionnez le type de simulation à faire (la simulation temporelle correspond à l'onglet "Transient"), vous choisissez les paramètres temporels de la simulation, les grandeurs que vous voulez observer (courant, tensions, etc.) puis il ne reste plus qu'à créer un fichier de simulation (menu Simulate>Create"), à lancer la simulation (menu Simulate>Run), et à lancer l'appli de visualisation de vos courbes (menu Simulate>Data viewer).

Une fois le "Data Viewer" lancé vous pouvez glisser/déposer les grandeurs que vous voulez observer depuis la fenêtre flotante contenant la liste de toutes les grandeurs disponibles jusqu'à la zone de traçage de courbe et voilà !

Il ne me reste plus qu'à conclure en vous disant qu'aussi bien oregano que gspiceui s'appuient en fait discrètement sur des moteurs de simulation électronique indépendants (le plus connu étant "SPICE", mais gnucap fonctionnant tout aussi bien si ce n'est mieux (c'est d'ailleurs ce dernier que j'utilise)) ; Que ces moteurs de simulation mangent des fichiers au format "netlist" qui sont générées par oregano ou gspiceui⁷ ; Que les deux derniers screenshots (gschem et gspiceui) correspondent justement à un schéma d'alimentation de puissance pour moteur que j'ai moi-même pensé ; Que cet amplificateur de puissance fonctionne ; Qu'il est super simple et tout pourri aussi bien en rendement qu'en fonctionnalités (il ne permet de faire tourner le moteur que dans un seul sens par exemple) ; Mais qu'il fonctionne (oui, j'en suis fier :-p !) ; Et enfin que je vous déconseille de l'utiliser en l'état car sur les screenshots il manque la diode de roue libre.

Allez, on se quite sur la description SPICE d'une diode (pour vous prouver que c'est vraiment cabalistique et que ça ne colle pas du tout avec l'interface bisounours d'oregano) :

MODEL 1N1004 D (IS=0.5UA RS=6 BV=5.20)

1. et un petit peu de mécanique quand ça se résumait à manier l'arme ultime du travail propre : le pistolet à colle ↩
2. le même type que ceux qu'on avait utilisé sur notre robot :) ↩
3. Souvenez-vous : P = UI. Dans mon cas I=40mA et U=5V (et non pas 6V, car l'arduino sort en 5V tout simplement) ↩
4. Vous pouvez tout faire avec gEDA, du design de schémas aux plans de routage en passant par les simulations électriques de tout poil ↩
5. sinon vous ne pourrez pas tracer de courbes, ou vous ne pourrez pas importer les schémas dessinés par gschem ↩
6. la version packagée sous ubuntu souffre d'un bug tout con qui rend le lancement de simulation impossible si vos paramètres de langue utilisent une virgule au lieu d'un point pour les nombres décimaux...ce qui est le cas en Français ↩
7. C'est justement lors de la génération des fichiers netlist que le problème de séparation des décimales rend la version de gspiceui packagée Ubuntu (9.98) inutilisable en environnement français ↩