Établissement cahier des charges
méthodologie - Étape 3 - Spécifications détaillées du projet
3. Établissement cahier des charges
Cette étape se concentre sur la définition précise des spécifications techniques et fonctionnelles du projet. Un cahier des charges complet est établi, avec une attention particulière sur l'aspect électronique, tout en préparant les trames mécaniques et logicielles pour les phases ultérieures.
Conception électronique
Nous élaborons les schémas électroniques détaillés et réalisons le routage des circuits imprimés en tenant compte des contraintes identifiées lors des étapes précédentes.
Exemple : Alimentation redondante pour télescope
Développements réalisés :
- Schémas électroniques complets des différents modules
- Routage du circuit imprimé principal et des cartes auxiliaires
- Choix des composants spécifiques et validation des disponibilités
- Simulations électriques pour validation des performances
- Optimisation CEM et thermique du design
Réponse technique
Architecture électronique détaillée
La conception électronique s'articule autour de plusieurs blocs fonctionnels interconnectés :
- Bloc alimentation principale BT (230V) :
- Entrée 230V AC avec protection par varistance S20K275 et éclateur SX51/2R
- Suppression des composantes continues par pont redresseur GJB5010
- Filtrage par inductance 47µH et découplage capacitif
- Filtrage EMI second ordre en mode commun (inductances 10mH + condensateurs)
- Voyant présence tension néon pour indication visuelle directe
- Sorties auxiliaires avec protection par fusibles 3.15A
- Bloc alimentation secondaire :
- Protection par varistance 10D561K depuis le filtre principal
- Filtrage mode commun 20mH pour isolation
- Module d'alimentation TBT 3.3V HLK-5M03 pour circuit logique
- Filtrage complémentaire tantale et découplage céramique
- Protection individuelle par fusible et relais statique S202S02
- Détection de tension par optocoupleur avec circuit de mise en forme
- Entrée 12V maître/esclave :
- Double bornier à vis supportant jusqu'à 100A
- Self de filtrage à fil plat Coilcraft 2120D
- Protection par varistance 7D180K vers masse et terre
- Découplage par condensateurs céramique 100µF 50V X5R
- Circuit de commutation automatique entre sources
- Circuit de mesure de courant pour monitoring
- Bloc conversion et régulation :
- Contrôleur d'inversion LTC4421 avec MOSFETs PSMN1R0-30YLC
- Convertisseur boost 24V utilisant le circuit Analog Device LT3757
- Convertisseur buck 5V à circuit XL4015 et filtrage céramique
- Circuits de protection et de commutation de charge BTS5012SDA
- Mesures de courant précises via capteurs Allegro
- Bloc acquisition et mesures :
- Convertisseurs analogique-numérique ADS1115 16 bits pour toutes les mesures
- Ponts diviseurs de tension avec résistances de précision 1%
- Entrées découplées par condensateurs et protégées par diodes zener
- Protection contre parasites par ferrites et condensateurs céramiques
- Capteurs BME280 pour température, humidité et pression
- Bloc interface et traitement de signal :
- Transistors BC846 pour amplification et sources de courant
- Isolation galvanique par optocoupleurs pour les signaux sensibles
- Mise en forme des signaux par portes inverseuses 74HC04
- Extensions d'entrées/sorties par circuits PCF8575 en I²C
- eFuses TPS2595xx paramétrables pour protection des sorties
- Sorties de puissance 12V commandables jusqu'à 50W
- Système de backup et auxiliaires :
- Circuit de backup 3.3V réalisé avec contrôleur Analog Device LT4041
- Stockage par 2 supercondensateurs de 2.7V 100F en série
- Autonomie de fonctionnement d'environ 30 minutes après coupure
- Commande des relais auxiliaires par réseau Darlington ULN2803A via PCF8575
- Tension des bobines de relais fixée à 24V (option 12V recommandée)
- Bloc microcontrôleur :
- ESP32-WROOM-32E comme microcontrôleur principal
- Communication I²C avec les périphériques
- Interface WiFi intégrée pour connectivité réseau et MQTT
- Circuit de reset supervisé
- Mémoire flash et RAM suffisantes pour fonctionnalités avancées
Considérations de routage PCB
- Structure multicouche optimisée :
- PCB 4 couches avec plans d'alimentation et de masse dédiés
- Séparation physique des sections haute et basse tension
- Routage des signaux sensibles avec garde analogique
- Pistes de puissance dimensionnées pour minimiser l'échauffement
- Optimisation CEM :
- Filtres EMI placés au plus près des entrées/sorties
- Plan de masse continu avec vias de liaison fréquents
- Routage des boucles de courant pour minimiser les surfaces
- Séparation des chemins de retour analogiques et numériques
- Gestion thermique :
- Zones de cuivre élargies pour dissipation thermique
- Positionnement stratégique des composants générant de la chaleur
- Vias thermiques sous les composants de puissance
- Préparation pour montage efficace des radiateurs
- Testabilité et production :
- Points de test accessibles pour les signaux critiques
- Conception compatible avec montage automatisé
- Fiducials pour positionnement précis des composants
- Marquages clairs pour faciliter l'assemblage manuel
Sélection des composants critiques
| Composant | Spécifications | Justification |
|---|---|---|
| MOSFETs de puissance (inverseur) | PSMN1R0-30YLC, 30V, 100A, RDSon=1.15mΩ | Très faible résistance pour efficacité maximale, supportant les pics de courant |
| Contrôleur d'inversion | LTC4421 de Linear Technology | Solution intégrée offrant un monitoring et une commutation sans interruption |
| Convertisseur boost 24V | LT3757 d'Analog Device | Contrôle précis et robuste, large plage de tension d'entrée, protection intégrée |
| Convertisseur buck 5V | XL4015, efficacité >94% | Solution simple et fiable, courant de sortie jusqu'à 5A, bonne régulation |
| Alimentation 3.3V | Module HI-Link HLK-5M03 | Solution compacte et isolée, fiabilité prouvée, protection intégrée |
| Supercondensateurs | 2× 2.7V, 100F, faible ESR | Alternative aux batteries, longue durée de vie, pas d'entretien, autonomie 30 min |
| Contrôleur de backup | LT4041 d'Analog Device | Gestion intégrée des supercondensateurs, protection contre décharge profonde |
| Convertisseurs A/N | ADS1115, 16 bits, 4 canaux | Haute résolution, faible bruit, interface I²C pour minimiser les connexions |
| Extensions E/S | PCF8575, 16 bits, I²C | Augmentation du nombre d'E/S, communication sur 2 fils, flexibilité |
| Commande relais | ULN2803A (8 canaux Darlington) | Interface puissante pour commande de relais, protection intégrée, compacité |
| Transistors de signal | BC846, NPN, SOT-23 | Compact, faible bruit, adapté aux signaux analogiques et sources de courant |
| Portes logiques | 74HC04, inverseurs CMOS | Mise en forme des signaux, faible consommation, haute immunité au bruit |
Tableau des grandeurs physiques et points de mesure
| Grandeur mesurée | Points de mesure | Méthode de mesure | Précision requise | Signalisation |
|---|---|---|---|---|
| Présence tension BT (230V) | Entrée et sorties commutées | Détection par opto-coupleur | Binaire (présence/absence) | LED verte par ligne |
| Fusion fusible BT | Tous les fusibles 230V | Circuit parallèle de détection | Binaire (OK/défaut) | LED rouge par fusible |
| Tension 12V master/slave | Sorties des deux alimentations | Diviseur résistif + ADS1115 | ±1% (0-15V) | LED verte par source |
| Tension 5V | Sortie convertisseur XL4015 | Diviseur résistif + ADS1115 | ±1% (0-6V) | LED verte unique |
| Tension 24V | Sortie convertisseur LT3757 | Diviseur résistif + ADS1115 | ±1% (0-30V) | LED verte unique |
| Intensité 12V | Ligne principale 12V | Capteur Allegro ACS718-50U | ±2% (0-30A) | LED jaune si >80% max |
| Intensité 24V | Sortie convertisseur 24V | Capteur Allegro CT416 | ±2% (0-5A) | LED jaune si >80% max |
Simulations et validations préliminaires
- Simulations électriques :
- Modélisation SPICE des convertisseurs DC/DC
- Analyse des transitoires lors des commutations de charge
- Simulation des temps de réponse en cas de défaillance
- Validation des marges de stabilité des régulateurs
- Analyse thermique :
- Modélisation des points chauds en charge maximale
- Calcul des besoins en dissipation thermique
- Dimensionnement des ventilateurs et radiateurs
- Validation des marges de sécurité thermique
- Analyse CEM préliminaire :
- Estimation des émissions conduites et rayonnées
- Vérification de l'efficacité des filtres EMI
- Optimisation du routage pour minimiser les perturbations
- Préparation pour les tests de conformité
Trame mécanique
Nous élaborons une trame préliminaire des aspects mécaniques qui servira de guide lors de la phase de réalisation électronique, afin d'assurer que les contraintes physiques sont bien prises en compte.
Exemple : Alimentation redondante pour télescope
Éléments de la trame mécanique :
- Dimensionnement préliminaire du coffret (500x400x200mm)
- Positionnement des entrées/sorties et connecteurs
- Organisation interne des modules et circulation d'air
- Contraintes d'ergonomie pour l'accès utilisateur
- Zones d'implantation des radiateurs et ventilateurs
Réponse technique
Principes directeurs pour la mécanique
- Ergonomie et accessibilité :
- Prises 230V positionnées en façade avant pour accès facile
- Sorties DC regroupées sur le côté droit avec codage couleur
- Indicateurs visuels en face avant à hauteur des yeux
- Bouton d'éclairage temporisé en position intuitive
- Organisation interne :
- Séparation physique des zones haute et basse tension
- Positionnement des modules d'alimentation sur le fond du coffret
- Circuit principal monté sur platine amovible pour maintenance
- Passages de câbles organisés par niveau de tension
- Gestion thermique :
- Flux d'air dirigé de bas en haut pour convection naturelle
- Ventilateurs positionnés pour extraire l'air chaud, non pour souffler
- Radiateurs montés avec orientation des ailettes dans le sens du flux d'air
- Isolation thermique entre sources de chaleur et composants sensibles
- Transportabilité et installation :
- Poignées de transport escamotables sur les côtés
- Points de fixation renforcés pour montage permanent
- Centre de gravité bas pour stabilité
- Entrées de câbles protégées par passe-fils étanches
Contraintes à intégrer dans la conception électronique
- Dimensionner les circuits imprimés pour s'adapter aux fixations standardisées
- Prévoir les zones de dégagement pour les connecteurs et leurs rayons de courbure
- Positionner les composants générant de la chaleur en tenant compte du flux d'air prévu
- Regrouper les témoins lumineux dans des zones visibles depuis l'extérieur
- Placer les points de test et de mesure dans des zones accessibles après installation
Trame logicielle
Nous définissons les limites et contraintes logicielles du matériel en établissant une trame préliminaire qui guidera le développement futur après la réalisation électronique.
Exemple : Alimentation redondante pour télescope
Éléments de la trame logicielle :
- Architecture générale et modules fonctionnels
- Définition des interfaces matérielles à contrôler
- Protocoles de communication et formats d'échange
- Contraintes temps réel et priorités des tâches
- Structure de données pour les mesures et configuration
Réponse technique
Architecture logicielle préliminaire
- Modèle de programmation :
- Architecture multitâche basée sur FreeRTOS
- Séparation des tâches critiques et non critiques
- Communication entre tâches par files de messages
- Watchdog matériel et logiciel pour fiabilité
- Modules fonctionnels principaux :
- Module d'acquisition des mesures (tensions, courants, températures)
- Module de contrôle des sorties (relais, MOSFET, ventilateurs)
- Module de communication (WiFi, MQTT, serveur web)
- Module de détection et gestion des défauts
- Module de configuration et persistance des données
- Interface avec le matériel :
- Drivers pour convertisseurs A/N externes via I²C
- Gestion PWM pour contrôle des ventilateurs
- Interface directe GPIO pour relais et signalisation
- Capteurs température/humidité via bus 1-Wire ou I²C
Communication et protocoles
- Serveur MQTT :
- Topics standardisés pour monitoring de tous les paramètres
- Topics de contrôle pour commande des sorties
- Topics d'état et diagnostics pour surveillance
- Support de la découverte automatique Home Assistant
- Interface web :
- Serveur web léger intégré à l'ESP32
- Interface responsive HTML5/CSS3/JavaScript
- API REST pour intégration avec d'autres systèmes
- Authentification simple pour contrôle d'accès
- Format des données :
- Utilisation du format JSON pour tous les échanges
- Structures standardisées pour les mesures et états
- Historique de données en mémoire flash avec rotation
- Horodatage précis des événements (RTC synchronisée)
Contraintes à respecter dans la conception électronique
- Prévoir suffisamment de mémoire programme (>4MB Flash) et RAM (>320KB)
- Garantir l'accès à tous les points de mesure via les interfaces matérielles
- Inclure des broches d'E/S supplémentaires pour évolutions futures
- Assurer l'isolation des signaux sensibles pour précision des mesures
- Prévoir un circuit de programmation/debug facilement accessible
Points de mesure et signalisation
Nous définissons précisément tous les points de mesure, les grandeurs physiques à surveiller et les éléments de signalisation nécessaires pour assurer un monitoring complet du système.
Exemple : Alimentation redondante pour télescope
Éléments de monitoring définis :
- Points de mesure de tension et courant
- Systèmes de détection d'états et de défauts
- Témoins visuels et signalisation
- Capteurs environnementaux
- États des organes de commutation
Réponse technique
Tableau des grandeurs physiques et points de mesure
| Grandeur mesurée | Points de mesure | Méthode de mesure | Précision requise | Signalisation |
|---|---|---|---|---|
| Présence tension BT (230V) | Entrée et sorties commutées | Détection par opto-coupleur | Binaire (présence/absence) | LED verte par ligne |
| Fusion fusible BT | Tous les fusibles 230V | Circuit parallèle de détection | Binaire (OK/défaut) | LED rouge par fusible |
| Tension 12V master/slave | Sorties des deux alimentations | Diviseur résistif + ADC | ±1% (0-15V) | LED verte par source |
| Tension 5V | Sortie convertisseur buck | Diviseur résistif + ADC | ±1% (0-6V) | LED verte unique |
| Tension 24V | Sortie convertisseur boost | Diviseur résistif + ADC | ±1% (0-30V) | LED verte unique |
| Intensité 12V | Ligne principale 12V | Shunt + ampli différentiel | ±2% (0-30A) | LED jaune si >80% max |
| Intensité 24V | Sortie convertisseur 24V | Shunt + ampli différentiel | ±2% (0-5A) | LED jaune si >80% max |
| Intensité 3.3V | Alimentation logique | Shunt + ampli différentiel | ±2% (0-500mA) | LED rouge si >90% max |
| Tension backup | Supercondensateur | Diviseur résistif + ADC | ±1% (0-5.5V) | LED tricolore (3 niveaux) |
| Source active | Commutateur master/slave | Détection logique | Binaire (master/slave) | 2 LED (verte active/rouge défaut) |
| Coupure secteur | Entrée 230V | Détection avec temporisation | Binaire avec durée | LED rouge clignotante + buzzer |
| Décharge backup | Circuit supercondensateur | Comparateur tension + timer | 3 seuils paramétrables | LED jaune clignotante |
| Intensité ventilateurs | Circuits ventilateurs (x4) | Mesure PWM + retour tachymétrique | ±5% (0-100%) | LED bleue par ventilateur |
| Défaut ventilateur | Retour tachymétrique | Comparaison vitesse théorique/réelle | Détection blocage/ralentissement | LED rouge par ventilateur |
| Température interne | 4 points stratégiques | Capteurs numériques | ±1°C (-20 à +85°C) | LED tricolore (3 seuils) |
| Humidité relative | Air intérieur | Capteur capacitif | ±3% (0-100%) | LED jaune si >75% |
Organisation de la signalisation visuelle
- Panneau de signalisation principal :
- Regroupement des LEDs par fonctions (alimentation, défauts, environnement)
- Code couleur standardisé (vert=OK, jaune=attention, rouge=défaut)
- Intensité lumineuse ajustable pour utilisation nocturne
- Sérigraphie claire pour identification rapide
- Signalisation sur circuit imprimé :
- LEDs de diagnostic supplémentaires directement sur PCB
- Points de test clairement identifiés à côté des LEDs correspondantes
- Indicateurs d'état pour modules spécifiques (WiFi, MQTT, etc.)
- LEDs de débogage pour le développement logiciel
Reporting et journalisation
- Mesures en temps réel :
- Toutes les grandeurs physiques mesurées disponibles via MQTT
- Fréquence d'échantillonnage adaptée à la nature de la grandeur
- Filtrages numériques pour éliminer les valeurs aberrantes
- Calculs de moyennes, min/max sur périodes configurables
- Historique des événements :
- Journal horodaté des changements d'état
- Enregistrement des dépassements de seuils
- Suivi des durées de fonctionnement par source
- Comptabilisation des cycles de commutation
- Alertes et notifications :
- Alertes configurables sur dépassement de seuils
- Notification MQTT pour intégration dans systèmes tiers
- Niveaux de priorité des alertes (information, avertissement, critique)
- Possibilité d'acquittement des alertes