Arduino et Simulink/Matlab un outil innovant cot rduit

pour le prototypage

Mohamed Ali ZERZRI

zerzriiset@gmail.com

Institut Suprieur des Etudes Technologiques (ISET) de Bizerte, Route Menzel Abderrahmen, Zarzouna,

7021, Bizerte, Tunisie

Rsum : Lenseignant des travaux pratiques (TP) en gnie lectrique affronte toujours une

situation problmatique qui se traduit par le fait quil fait appel soit des simulations, soit des

maquettes pdagogiques trs spcifiques, intgrant des fonctions figes gnralement non

modifiables et peu extensibles.

Dans cet article, nous avons essay dapporter une solution cette situation en prsentant une

nouvelle approche qui est lapprentissage par prototypage. Le choix sest fix sur la

combinaison de lenvironnement Simulink/Matlab et de la plateforme Arduino. Cette approche

est trs pertinente, car elle permet dassocier un puissant logiciel de simulation et une carte de

prototypage permettant denvisager des applications complexes. Cette exprience a rendu les

TP plus interactifs. Notre travail sarticule autour de trois parties : la premire partie est

consacre la prsentation de la carte Arduino et son environnement de dveloppement, la

deuxime partie est rserve lutilisation de lenvironnement Simulink/Matlab avec Arduino et

enfin la troisime partie est consacre la mise en uvre simultane de lenvironnement

Simulink/Matlab et la plateforme Arduino, et ce pour la ralisation dune chaine dacquisition et

dasservissement de temprature.

Mots cls : Arduino, Matlab, Simulink, Prototypage.

Introduction

Un retour d'exprience pdagogique, au sein du dpartement gnie lectrique de l'ISET de

Bizerte, montre que l'enseignement des TP de gnie lectrique est assur essentiellement avec

du matriel pdagogique consacr seulement des simulations.

En effet, ltudiant est appel suivre des instructions et des sries de manipulations qui vont

tre excutes dune manire automatique pour aboutir des rsultats concrets, lesquels

rsultats sont difficiles interprter de la part de ltudiant qui narrive pas les associer avec

les connaissances thoriques acquises dans les sances de cours.

Ce mode dapprentissage instaure un climat de monotonie aux sances de TP et empche

ltudiant de sinscrire dans une dmarche globale dapprentissage qui englobe aussi bien les

connaissances thoriques que les connaissances oprationnelles.

Ainsi, nous avons essay dapporter plus dinteractivit aux sances de TP et surtout de laisser

le soin ltudiant de monter, modliser et simuler son propre systme en utilisant les moyens

de bord disponibles dans les labos de notre dpartement (composants lectroniques,

Article publi par EDP Sciences et disponible sur le site http://www.j3ea.org ou http://dx.doi.org/10.1051/j3ea/2013020

actionneurs etc.). Ainsi le prototype ralis est appropri au contenu thorique de la matire

enseigne.

Le choix sest fix sur la combinaison de lenvironnement Simulink/Matlab et la plateforme

Arduino. En effet, cette combinaison nous donne un outil cot rduit, performant, innovant et

extensible pour raliser des prototypes de systmes pluridisciplinaires.

1. La plateforme Arduino

C'est une plateforme open-source d'lectronique [1] programme qui est base sur une simple

carte microcontrleur (de la famille AVR.), et un logiciel, vritable environnement de

dveloppement intgr (IDE) pour crire, compiler et transfrer le programme vers la carte

microcontrleur.

Arduino peut tre utilis pour construire des objets interactifs indpendants (prototypage

rapide), ou bien peut tre connect un ordinateur pour communiquer avec ses logiciels.

1.1. Partie matrielle

En effet, une carte Arduino est gnralement construite autour

d'un microcontrleur Atmel AVR (ATmega328 ou ATmega2560 pour les versions rcentes

ATmega168 ou ATmega8 pour les plus anciennes), et de composants complmentaires qui

facilitent la programmation et l'interfaage avec d'autres circuits. Chaque carte possde au

moins un rgulateur linaire 5V et un oscillateur quartz 16 MHz (ou un rsonateur cramique

dans certains modles). Le microcontrleur est pr-programm avec un bootloader de faon

ce qu'un programmateur ddi ne soit pas ncessaire.

Treize versions des cartes de type Arduino ont t dveloppes jusquau nos jours, titre

indicatif nous citons Arduino Uno et Arduino Mega2560 qui sont les plus utilises dans

lenseignement et la recherche. Le tableau 1 rsume les principales caractristiques de ces

deux cartes.

Arduino Uno Mega2560

Processeur ATmega328P

ATmega2560

Flash (KB) 32 256

EEPROM(KB) 1 4

SRAM(KB) 2 8

Broches d'E/S numriques 14 dont 6 PWM 54 dont 14 PWM

Broches entres analogiques 6 16

Type d'interface USB ATmega8U2 ATmega8U2

Dimensions (mm) 68,6 x 53,3 101,6 x 53,3

Tab. 1 : comparatif entre Arduino Uno et Mega2560

1.2 Partie logicielle

L'environnement de programmation Arduino est en fait un Intgr de Dveloppement (EDI)

ddi au langage Arduino1, le logiciel Arduino permet d'crire les programmes, appels

Sketch de les compiler et de les transfrer dans la carte Arduino travers une liaison USB,

il intgre aussi un moniteur de port srie.

Lavantage du langage Arduino est quil est bas sur les langages C/C++ et supporte toutes les

syntaxes standards du langage C et quelques-uns des outils du C++. En plus de trs

nombreuses librairies sont disponibles, gratuitement, pour communiquer avec le matriel

connect la carte (Afficheurs LCD, Afficheurs 7 segments, capteurs, servomoteurs etc.).

Pour crire un programme avec le langage Arduino, il faut respecter certaines rgles. En effet,

lexcution d'un programme Arduino s'effectue de manire squentielle, c'est--dire que les

instructions sont excutes les unes la suite des autres, le compilateur vrifie lexistence de

deux structures obligatoires tout programme Arduino qui sont :

la partie initialisation et configuration des entres/sorties la fonction setup ()

la partie principale qui s'excute en boucle la fonction loop ()

Par contre, la partie dclaration des variables est optionnelle. La figure1 montre linterface

graphique de lEDI ainsi que la structure dun programme ralis avec le langage Arduino.

Fig. 1 : EDI Arduino et structure du programme

1 Tlchargement de lIDE Arduino : www.arduino.cc/en/main/software .

1.3. La carte Arduino Uno

Pour les essais pratiques et le prototypage, nous avons choisi dutiliser la carte Arduino Uno

pour trois raisons :

Sa capacit de communication avec Simulink/Matlab

Ses performances, 32kB de mmoire flash, 14 entres/sorties dont 6 PWM, vitesse

dhorloge 16Mhz et un port de communication USB. Ces performances sont largement

suffisantes pour les applications que nous comptons raliser.

Son prix abordable, environ 25 euros pour la dernire version dArduino Uno (R3).

Une vue relle de la carte est schmatise par la figure 2.

Fig. 2 : synoptique d'une carte Arduino Uno

On note bien la prsence des bornes suivantes (PIN) :

Entre alimentation externe 12V DC.

IOREF est une rserve, non connecte, prvue pour tre utilise dans les prochaines

versions.

Reset est une entre pour un reset externe.

Gnd, 3.3V et 5V sont des sorties dalimentations rgules.

Analog In (0..5) appeles aussi A0..5, sont des entres analogiques 0-5V, la rsolution

du convertisseur ADC est 10bits, la rfrence de tension pour le convertisseur ADC est

5V par dfaut.

ICSP (In-Circuit Serial Programming) permet la programmation du microcontrleur in-

situ, utile dans le cas d'une mise jour du firmware du microcontrleur.

14 entres/sorties digitales, dont 6 PWM

AREF entre pour une rfrence de tension externe pour le convertisseur analogique

numrique (ADC)

SDA, SCL lignes de communication I2C

2. Application pratique

2.1. Contexte

Dans ce cadre, nous proposons une application pratique ralise avec les tudiants de la

deuxime anne licence gnie lectrique. Cette application consiste raliser un prototype

pdagogique dune chaine de mesure, traitement et dasservissement de temprature, elle sera

le point de dpart pour dvelopper des sries de TP pluridisciplinaires.

La ralisation du prototype est faite en deux tapes :

Configurer la carte Arduino Uno comme une carte d'acquisition. Le traitement des

donnes est ralis sous Simulink.

Le programme peut tre ensuite compil directement [2] de lenvironnement Simulink

vers la carte Arduino Uno, on dit que la carte Arduino est devenue une cible (Target) et

elle peut fonctionner dune faon autonome (sans avoir recours MATLAB/Simulink),

mais peut conserver sa liaison srie.

2.2. Le matriel

Nous avons utilis une thermistance CTN 10k 25C de rfrence TDC05C310 [3]. La

temprature est convertie en tension grce au pont diviseur form par la CTN et une

rsistance 10k est aliment par une tension +5V issue de la carte. La sortie du pont diviseur est

reue par lentre analogique A0 (PIN 0). La communication de la carte et le PC se fait travers

une liaison USB. La figure 3 schmatise l'implantation du matriel.

Fig. 3 : configuration du matriel utilis

2.3. Les tapes de dveloppement

En premier lieu, la carte Arduino est programme pour tre utilise comme carte dacquisition,

la tension issue du pont diviseur form par la CTN et la rsistance 10k est applique lentre

(A0) du convertisseur analogique numrique (rsolution 10bits). Ainsi, elle est convertie en une

PC Simulink

USB

Systme

(Elment chauffant

+ CTN)

valeur numrique de 0 255 pour tre transmise au PC travers le convertisseur srie

(RS232)/USB intgr la carte. La figure 4 dtaille le programme, crit avec lEDI Arduino, qui

sera charg au microcontrleur de la carte.

Fig. 4 : le programme assurant l'acquisition et le transfert des donnes vers le PC

En second lieu, nous dveloppons des blocs Simulink qui assurent les fonctions suivantes :

acqurir, traiter et afficher les donnes depuis la carte Arduino Uno.

En effet, partir de la version 2012a de Matlab, la carte Arduino UNO ainsi quArduino MEGA

peuvent tre installes automatiquement on peut accder plusieurs ressources ce sujet [1]

et [4]. Linstallation se fait en excutant tout simplement la commande >>targetinstaller et suivre

les tapes, de prfrence il faut choisir linstallation en ligne. partir de cette tape, la carte

Arduino Uno est reconnue sous Matlab/Simulink et une librairie contenant des blocs spcifiques

est installe automatiquement sous Simulink comme lindique la figure 5. Les blocs Simulink

installs peuvent tre utiliss avec les autres pour raliser une multitude d'applications telles

que :

Exploitation des entres/sorties digitales ou analogiques

Commande PWM

Commander directement des servomoteurs

Communiquer en utilisant la liaison srie (via le convertisseur USB/Srie)

Commande de systmes (Asservissement, automatisation, etc.)

Une fois que le programme de lacquisition et du traitement de la temprature est test sous

Simulink, nous entamons la dernire phase qui est la compilation du programme directement de

Simulink vers la carte Arduino UNO, cette dernire peut fonctionner, maintenant, dune faon

autonome.

Fig. 5 : liste des blocs aprs l'installation de la carte Arduino Uno

2.4. Dveloppement et test du programme sous Simulink

Dans cette partie, nous allons dvelopper et tester, sous Simulink, le programme qui va traiter

les donnes transmises partir de la carte Arduino UNO.

La figure 6 montre la chaine dacquisition qui regroupe le capteur de temprature, la carte

Arduino UNO configure en carte d'acquisition.

Fig. 6 : configuration de la chaine d'acquisition

La thermistance utilise est du type CTN (Coefficient de Temprature Ngatif) ses

caractristiques sont donnes par le document constructeur [2]. Laspect compliqu de

lutilisation des thermistances rside dans le fait que la rsistance en fonction de la temprature,

RCTN = f (T), nest pas linaire.

Cette dpendance nest linaire que dans des gammes de tempratures trs faibles. Pour les

mesures de tempratures exactes dans les diverses missions de temprature, on peut utiliser

lquation exponentielle de troisime ordre de Steinhart-Hart [3]. Pour les thermistances CTN, il

existe une quation de Steinhart-Hart simplifie (1) en paramtre [5] :

(1)

Avec RCTN0 la rsistance de la CTN T0 = 298.15 K (25C), dans notre cas RCTN0 = 10k et =

4100K.

La temprature (T) est alors calcule partir de lquation (2)

(2)

Il faut donc convertir la tension issue du pont diviseur en rsistance ce qui nous amne

lexpression suivante :

(3)

La tension Ux est mesure par la carte Arduino est convertie en une valeur numrique comprise

entre 0 et 255 pour tre par la suite envoye au PC grce au convertisseur srie/USB intgr

la carte.

Le schma bloc, correspondant au fonctionnement de la chaine dacquisition et de traitement de

la temprature, dvelopp sous Simulink est reprsent par la figure 7.

Fig. 7 : les blocs Simulink assurant l'acquisition et le traitement de la temprature

3. Extension de lapplication

Lapplication de la chaine dacquisition de temprature est considre comme une base pour

raliser un asservissement de temprature chelonner sur une srie de TP. Dans cet ordre

dides, nous proposons de complter lapplication prcdente pour prsenter une mise en

uvre simplifie dun TP dasservissement de temprature dun systme de chauffage.

3.1. Maquette

Le matriel utilis est une CTN 10k (Ref : TDC05C310) comme capteur de temprature et une

rsistance 15 de puissance 17W comme lment chauffant. Cette dernire est installe sur

une plaque en aluminium au-dessus de laquelle est fix le capteur constituant le systme de

chauffage. La figure 8 schmatise les connexions avec la carte Arduino et la figure 9 montre

une vue relle de la maquette ralise.

Fig. 8 : schma lectronique de la maquette

Fig. 9 : une vue de la maquette

3.2. Ralisation de lasservissement avec Simulink

La carte Arduino se charge de la communication avec le processus rel et Simulink. Le

programme permettant de grer les entres- sorties est celui de la figure 4. Dans Simulink,

nous avons implment la boucle dasservissement regroupant la consigne, le comparateur, le

correcteur et le traitement de la temprature issue du capteur. Un exemple de mise en uvre

comportant un correcteur PID est illustr par la figure 10.

Fig. 10 : modle Simulink de lasservissement de temprature en temps rel

Grce cette maquette, cot rduit, ltudiant peut raliser des sries de TP

dasservissement. En effet, loutil Matlab/Simulink est assez puissant pour identifier, modliser

le systme en sujet ensuite, faire la synthse du correcteur ou mme implanter dautres lois de

commandes plus avances. cet effet, Matlab propose une srie doutils qui permettent

dtudier et de synthtiser un systme linaire, on cite, titre dexemple : LTI Viewer, Sisotool,

PID Tuner

Un exemple de rponse du systme une consigne de temprature de 30 C est donn par la

figure 11.

ARDUINO relie au procd

Thermistance

Elment Chauffant

ARDUINO

0 50 100 150 200 250 300 350 400 45026

26.5

27

27.5

28

28.5

29

29.5

30

30.5

31

Time (seconds)

tem

pera

ture

C

Sortie du systme pour une consigne de 30 C

Fig. 11 : un exemple de rgulation de temprature

Conclusion

Dans cet article, nous avons prsent une nouvelle approche denseignement de travaux

pratiques de gnie lectrique. Nous avons fait appel Arduino une plateforme matrielle trs

rpandue et Matlab/Simulink un programme de modlisation/simulation professionnel bien

connu. Cette approche permet aux tudiants dapprhender des problmes rels qui leurs

permettent de dvelopper leurs esprits de synthse et danalyse.

Avec une carte Arduino, il est intressant dexploiter les performances de lenvironnement

Matlab/Simulink pour attirer lattention des tudiants. Pour ce faire, il suffit de faire appel des

exemples rels bass sur la simulation, expliquer les contraintes sur le plan pratique travers la

connectivit au matriel didactique bas cot et excuter des lois de commande sur un

microcontrleur.

Lexemple pratique qui a t prsent dans cet article, est considr dune part, comme tant

un didacticiel permettant la mise en uvre de cette nouvelle technologie et, dautre part, un

point de dpart dune srie de prototypes pdagogiques pluridisciplinaires chelonner sur une

srie de TP.

Rfrences

[1] Site officiel de la plateforme arduino : www.aduino.cc .

[2] Jrme PIETRE. Matlab et Arduino en S-SI ? . http://sti.tice.ac-orleans-

tours.fr/spip2/IMG/pdf/Tutoriel_Matlab_Arduino.pdf

[3] Document constructeur de la CTN TDC05C310 : www.uei.com.tw/ptdc.pdf.

[4] Ressources officielles Matlab/Simulik et Arduino :

http://www.mathworks.com/academia/arduino-software/arduino-simulink.html.

[5] John S. Steinhart and R. Hart, Stanley. Calibration curves for thermistors . Deep-Sea

Research,. Vol.15, pp.497503.

[6] Thermistor Constant Conversions - Beta to Steinhart-Hart:

http://assets.newport.com/webDocuments-EN/images/TNSTEIN-1_Thermistor_Conversions_IX.pdf

Mohamed Ali ZERZRI, n le 19 mai 1977 Tunis, Tunisie, est

enseignant Technologue aux Instituts Suprieurs des tudes

Technologiques (ISET) depuis 2002. Actuellement Technologue

lISET de Bizerte, Tunisie. Il a obtenu un mastre en lectronique de

lcole dIngnieurs de Sfax (ENIS) en 2005 et le certificat des tudes

suprieures spcialises en gnie lectrique de lcole Suprieure des

Sciences et Techniques de Tunis (ESSTT) en 2001 et de la mme cole, une maitrise en

lectronique et instrumentation.

Il assure des cours et des travaux pratiques dlectronique et de distribution lectrique aux

tudiants de licence applique en gnie lectrique.