Dossier Bac Laser Table

Sommaire :

Présentation du système

Le système peut être composé de plusieurs objets techniques, dans notre étude nous verrons seulement 2 objets techniques parmi ceux représenter sur le diagramme sagittal. Le 1er est un laser de marque Starway (LaserLab 40), celui-ci permet de projeté un jeu de lumière sur une scène, dans une discothèque, ou encore dans un concert. Quand au 2ème objet d’étude, c’est une régie de contrôle (Chaman DMX 512) toujours de marque Starway qui permet piloter une ou plusieurs sources visuelles telles que le laser ou le scanner (voir « comment cela fonctionne »).

Diagramme sagittal de la régie de lumière :

Sur ce diagramme sagittal, l’opérateur peut à partir de la table Chaman DMX 512 (OT1), contrôler l’ensemble de la régie de lumière. Les 3 objets techniques griser ont été étudié, seul le scanner ne sera inclut dans ce dossier car il est vu dans la matière construction mécanique. L’opérateur reçoit des informations entièrement visuelles et contrôle la régie uniquement avec des actions manuelle sur la régie de contrôle. Celle-ci commande les projecteurs par des consignes sous le protocole DMX. Les projecteurs ne sont que des récepteurs, il leur est impossible d’émettre vers

la table DMX afin d’avertir d’un quelconque disfonctionnement ou simplement confirmer que le projecteur à bien reçu l’information.

Le LaserLab 40 (Starway)

Ce laser permet de diffusé des figures visuelles programmés par l’opérateur et réagit en fonction du son qui sorte des hauts parleurs à proximité. Voici la constitution extérieure de l’appareil.

Le microphone situé à l’avant du laser permet de capter le son qui sort des hauts parleurs, pour plus d’information voir la partie traitement sonore.

La table Chaman DMX 512 (Starway)

La table DMX 512, sert de régie de contrôle, c'est-à-dire quelle permet de piloter une ou plusieurs sources visuelles, et d’effectuer les différents réglages de ces sources. Voici les différentes commandes permettent le contrôle de la table.

Pour plus d’information sur les configurations ou règles de sécurité du Laser ou de la table DMX voir les documentations du constructeurs en annexe.

Bouton ON/OFF

Connecteur EDF

(230V)

Fonction Global du Système

Le système sert à créer des effets lumineux sur une scène.

Schéma Fonctionnel (de niveau 2)

Comment cela fonctionne ?

La régie de contrôle, permet d’envoyer des informations à plusieurs projecteur en même temps, ceci est du au protocole DMX 512. Celui-ci a été mis au point afin de simplifier le contrôle d’un système d’éclairage complexe, pour ce faire on utilise la table DMX comme émetteur et tous les projecteurs sont quand à eux mis en récepteurs, est configuré par le biais des switchs (à l’arrière de chaque) a une adresse précise. Ci-dessous on peut voir la table DMX (à gauche) qui envoie une commande, par la trame DMX, au laser LaserLab (au milieu) et au scanner par les câbles DMX. Afin que les informations de la table DMX ne soient pas confondues par les différents récepteurs, chaque projecteur doit être configuré par le DipSwitch (en rouge), à une adresse car la trame DMX est une multitude d’adresse comportant chacune des commandes bien précise.

Câble DMX

Câble DMXDipSwitch (ou Switchs)

Information émise

Physique du Laser

Introduction

Le laser (dit « Lumière Amplifiée par Stimulation d'Émission de Rayonnements ») est sans doute l'une des inventions les plus étonnantes au début du 20ème siècle. C’est en 1917 que commence les 1er recherche sur laser, par le principe de l’émission stimulés d’Albert EINSTEIN. Mais c’est seulement en 1958 que le principe de fonctionnement du 1er maser optique (le laser) fut mis au point par TOWNES et SCHAWLOW. C’était le première appareil à oscillation et à amplification par émission stimulé, fonctionnant dans le domaine de l’hyperfréquence.

La lumière

Il existe 2 types de sources lumineuses, les sources dites naturels et celle dites artificielle. Ces sources lumineuses transforment l’énergie en lumière. Les lumières dites chaudes, sont celle émise part un corps porté à haute température comme le soleil. A l’inverse on trouve, les lumières dites froides, elles sont émises sans élévation de la température.

Physique du laser

Partie I: La communication

Comment la régie de contrôle et les jeux de lumières communique t-il entre eux ?

La communication entre les systèmes ce fait grâce au protocole standard DMX512. Les projecteurs ou autre jeux de scène sont relié en série par un câble d’une longueur maximum de 250m en condition normal d’utilisation, cependant il est possible dans de bonne condition et avec le câble adapté d’atteindre les 1000m. Chaque montage doit se terminer par une résistance de terminaison, celle-ci assure la bonne circulation du courant entre les systèmes actifs. Une seule table peut contrôler jusqu’à 32 récepteurs, la table CHAMAN ne peut en contrôler que 12 récepteurs. La connectique est un connecteur à 5 point, seul trois points sont indispensable, la masse, DATA- et DATA+. Les 2 autres sont optionnels, ils peuvent servir à piloter le bloc de puissance des récepteurs. Les connecteurs sont des XLR3 à 3 broches, car nous n’utilisons pas les broches optionnelles.

La transmission est unidirectionnelle, elle ne permet que d’émettre. Elle est de type asynchrone et symétrique, ces liaisons symétriques permettent de protéger la trame DMX contre des perturbations extérieures. Le signal est transmis par DATA+ et DATA-. L’information utile ce trouve dans le résultat de (DATA+)-(DATA-). Si l’un présente un état haut, l’autre présente l’état bas et vice versa. L’avantage est que si une perturbation arrive sur l’un des fils, elle arrivera de la même façon sur l’autre, ainsi le potentiel de cette perturbation devient nul. Le chronogramme ci-dessous illustre le signal lors de perturbation.

Table DMX 512

Jusqu’à 32 récepteurs Résistance de terminaison

Câble normal : 250m

Câble spécifique : 1000m

Analyse structurelle et fonctionnelle

La communication entre la table et le laser se fait par un composant émetteur/récepteur différentielle, le SN75176. Ce composant est incrémenté sur la carte de la table DMX(FP5) et aussi sur celle du laser(FP2), car il faut un émetteur et un récepteur. L’information est initialement envoyée par le PIC sur la broche RC6 (TX) vers le composant SN75176 de la table. La table est celle qui est relié en tant qu’émetteur, elle ne peut recevoir d’information par le SN75176, car la liaison RX n’est pas reliée au PIC. L’information à transmettre sort du composant sur les broches VA et VB qui correspondent respectivement à DATA+ et DATA-. L’information parcoure le câble DMX avant d’arriver sur le SN75176 du laser, celui-ci est relié au PIC en RC6(TX) et RC7(RX). Le laser lui, peut émettre et recevoir car le mode maitre/esclave donne le rôle de l’émetteur (maitre) ou celui de récepteur (esclave). La broche RC0 du PIC relié à DE et RE, sert à la validation de la réception ou de l’émission.

La trame DMX512 peut contenir 512 canaux afin de contrôler les 32 récepteurs différents, mais la table CHAMAN ne gère que 192 canaux d’où seulement 12 récepteurs. Chacun des canaux sont régie par 8 bit. Ces 8 bit change de valeur suivant la modification des potentiomètres aussi appelé « faders ». Afin que le laser détecte le commencement de la trame, un break à l’état bas de 88µs minimum est nécessaire, suivi d’un MAB (état de travail) de 8µs à l’état haut. Chaque canaux commence par un bit de start (NL0), puis les 8 bits de donnés déterminé par les « faders », et enfin 2 bits de stop (NL1) pour confirmer la fin du canal. Il est possible que des temps de repos (MTBF) soient intercalés entre les canaux. Le premiers canal sert de start code, il indique que le canal suivant est considéré comme le canal 1, c’est pourquoi ses 8 bits de donnés sont à l’état bas. Ce qui suit est une représentation de la trame DMX 512.

Contient la trame DMX

SN75176 de la table DMX512 SN75176 du LaserLab

Afin de vérifier le bon fonctionnement du SN75176, 3 mesures peuvent être effectué à l’aide d’un voltmètre. Mesurer d’abord PT4, puis PT5 et enfin la dernière mesure doit être effectué avec un oscilloscope et le menu Math, il faut mesurer PT4-PT5. Les valeurs typiques sont: PT4= 1.1V , PT5= 3.7V , PT4-PT5 = 2.7V

Afin de vérifier cette représentation, une mesure en PT3(TX) de la table DMX à été prise. Pour la visualiser à l’oscilloscope il faut d’abord brancher la synchronisation en PT6 sur le chanel 1 puis le signal en PT3(TX) sur le chanel 2. La synchronisation permet de voir là où commence la trame, ce signal est générer par le programme.

Signal de Synchronisation (PT6)

Trame DMX à 0 sur tous les canaux

Break

MAB

Canal 0 Canal 1

Bit de Start

Bits de Stop

Sur la mesure suivante (à droite) on peut observer le signal de synchronisation (vert) et la trame DMX dont la valeur sur le canal 1 est de 144 et celle sur le canal 2 est de 32. On remarque aussi que le canal 0 reste toujours à zéro.

Quelle est le rôle du programme dans la communication ?

Le programme à un rôle important dans la communication, il permet de définir certaines variables (choix du canal, choix de mode, …) essentielle pour la compréhension de la trame DMX par le laser. Afin d’approfondir le sujet nous prendrons un programme exemple :

Ce programme permet d’afficher un carré en position statique à l’adresse 1. La fenêtre de calcul permet de modifier les valeurs de la trame DMX. Les nombres situé dans les crochais après la variable « tableau_dmx » indique à quelle adresse le laser doit être configuré pour recevoir l’information. Pour configurer le laser il suffit de modifier les switchs à l’arrière de l’appareil. La première ligne de calcul indique que le canal 1 permet le choix du mode d’après le mode d’emploi du LaserLab (voir annexe). La ligne suivante correspondra au canal 2 soit la sélection des figures, etc,… La mesure en PT3 (TX) montre l’influence du programme sur la trame.

Adresse de configuration

Choix du Mode

Choix de la forme

Position en X Position en Y

0 0 0 0 1 0 0 1

Start Bit Bits de Stop

0 0 0 1 0 0 1 0

LSB MSB

Sur les mesures on peut voir sur CH1 la synchronisation, et sur CH2 la trame DMX. Dans les 2 mesures CH3 et 4 ne sont pas utilisés. Sur celle gauche la trame DMX est à 0. La mesure de droite est prise pendant l’exécution d’un programme pour afficher un carré statique. Sur le canal 1(au-dessus écriture jaune) la figure étant statique la valeur prise est de 144 (Mode statique entre 121 et 250). Le canal 2 (rouge) est à la valeur 72 pour faire un carré (valeur carré entre 72 et 77)

Partie II: Gestion de l’affichage

Quels choix sont les plus avantageux pour l’affichage d’information ?

Il existe plusieurs systèmes pour la gestion d’affichage suivant les ressources matériels et logiciels mis à disposition. Pour notre table, nous avons décidé d’utiliser un système de multiplexage de l’affichage afin de réduire le nombre de broche utilisé sur le PIC. Sans ce système, un seul PIC n’aurait pas suffit pour la gestion de l’affichage car il nous faudrait 40 broche disponible alors que notre PIC n’en dispose que de 35. Avec le système de multiplexage le nombre de broche utilisé est réduit à 13. La fonction principale pour l’affichage est la fonction FP4 ci-dessous.

Comment fonctionne le système d’affichage en multiplexage ?

L’affichage est multiplexé, c'est-à-dire que chacun son tour l’un des digits est allumé, ceci à une vitesse très rapide (Haute Fréquence) afin que la perception humaine ne voit pas de scintillement mais juste l’impression que les 4 digits sont allumés en même temps. Chacun son tours, l’une des broches de sortie du PIC (RC2, RB4, RA4, RE2, RC0) passe du niveau logique 1 au niveau logique 0 afin de saturé les transistors pour sélectionner les digits chacun leur tour. Au même moment, les broches du port D sont soit au niveau logique 0 pour allumer un segment, soit au niveau logique 1 pour éteindre le segment car l’afficheur est à anodes communes.

Ce tableau permet un petit récapitulatif, dans la sélection des digits.

FP4

Broches de sortie du PIC (RC2, RB4, RA4, RE2, RC0). Permet la commutation des transitors.

Broches de sortie du PIC (Tous le port D). Permet la sélection des segments ou des leds.

Leds D0 à D1. Donne une information lumineuse.

Afficheur à 4 digits. Donne une information visuelle

Transistors PNP (Q1 à Q5). Permet de sélectionner les digits.

MESURES THEORIQUES : Pour calculé le courant IF passant dans un segment d’un des digits, il faut appliquer le calcul suivant : IF = (Vcc + Vcesat-typ – Vsegmenta - VOLmax) / R7 = 9,6mA

Avec Vcc=5V, Vcesat-typ=-0.09V, Vsegmenta=2.2V, R7=220 Ω

Ce calcul est effectué lorsqu’un seul des segments est allumé, si plusieurs segments sont allumés alors il faut faire l’addition des courants de chaque segment allumé pour connaitre le courant passant dans le transistor Q1. Quand tous les segments sont allumés le courant dans Q1 et de 67.2mA

Nom de la brochedu microcontrôleur Nom du signal Rôle Niveau actif

RC0 LEDSActiver LEDs NL1Désactiver LEDs NLO

RC2 DIGIT4Activer afficheur Unités NLODésactiver afficheur Unités NL1

RB4 DIGIT3Activer afficheur Dizaines NLODésactiver afficheur Dizaines NL1

RA4 DIGIT2Activer afficheur Centaines NLODésactiver afficheur Centaines NL1

RE2 DIGIT1Activer afficheur Milliers NLODésactiver afficheur Milliers NL1

Pour accomplir le multiplexage, la fréquence des signaux doit être assez élevée pour qu’aucun scintillement ne puisse être perçu par l’homme. La persistance retienne de l’homme, ne perçoit pas l’allumage et l’extinction d’une source lumineuse si celle-ci est réalisé en moins de 20ms. Le principe est le même pour l’afficheur, la fréquence des signaux de la carte est de 74 Hz soit une période de 13.5ms. Les chronogrammes suivant montrent le comportement de chaque signal.

Chaque digit est composé de 7 segment nommé a, b, c, d, e, f, g, et d’un point décimal nommé DP. Le regroupement de ces segments permet de formé des chiffres ou des lettres afin de donné une information visuelle. L’afficheur à 4 digits relie chaque segment identique entre eux pour réduire le nombre de broches en sortie. Pour sélectionné les segments à allumé les sorties sont relié au PIC sur le port D. L’afficheur étant à anode commune, il faut un niveau logique bas sur les broches du port D pour allumé les segments qui leur sont associés.

Le tableau ci-dessous donne les niveaux logiques à imposer sur le port D pour permettre d’afficher les chiffres de 0 à 9 sur un digit. Il donne aussi la valeur hexadécimale pour la programmation sous flowcode.

Avec les informations précédentes nous avons mis en application un programme appelé « affichage ». Ce programme permet de visualiser le chiffre 250 sur l’afficheur et d’allumer les leds D0 à D7. L’illustration ci-dessous est celle de la fonction principale du programme. Le 1er calcul permet d’imposer une valeur sur les variables définies. Après ce calcul, on autorise un débordement avec le TIMER0, c'est-à-dire une interruption dans le programme principal pour lancé une macro (un sous-programme). C’est le TIMER0, signal d’horloge interne au micro contrôleur, qui définit quand l’interruption doit s’exécuter. Grâce à une fréquence choisis de 366.2Hz, l’interruption intervient toutes les 2.7ms pour permettre le multiplexage. La boucle « Tant que » permet que le programme continu indéfiniment.

leds = 10 valeur = 250 count_digit = 0

Valeur des variables

La macro « affichage » est appelé par l’interruption du TIMER0. Elles permet de sélectionner et désélectionner les digits toutes les 2.7ms afin de créer le multiplexage, mais aussi de donner la valeur à afficher sur chaque digits.

Incrémentation de la variable « count_digit » count_digit = count_digit + 1

Condition: si count_digit = 5 ?

Calcul : count_digit=0 Permet de créer une sorte de boucle avec les conditions

Calcul qui permet d’obtenir des valeurs décimales pour sélectionner les valeurs hexadécimaux dans la macro suivante (bcd7seg) afin d’afficher le chiffre associé à

Appel de la macro bcd7seg pour chaque digit, afin de sélectionner la valeur hexadécimal associé à chaque digit.

Conditions: Suivant la valeur de la variable count_digit, cela permet la sélection du digit ou des leds.

Désélectionne le digit des unités, impose la valeur des leds sur portD et sélectionne les

Désélectionne les leds impose la valeur à afficher sur le portD et sélectionne le digit 1 (Digit des milliers)

Désélectionne le digit 1, impose la valeur à afficher sur le portD et sélectionne le digit 2 (Digit des centaines)

Désélectionne le digit 2, impose la valeur à afficher sur le portD et sélectionne le digit 3 (Digit des dizaines)

Désélectionne le digit 3, impose la valeur à afficher sur le portD et sélectionne le digit 4 (Digit des unités)

La macro « bcd7seg » est constitué de plusieurs conditions. Suivant la valeur de la variable digit1, digit2, digit3 et digit4, une des conditions est accepté, et donc une valeur hexadécimale est sélectionner comme nouvelle valeur du digit ayant appelé la macro. Cette valeur hexadécimal est ensuite envoyé sur le port D en binaire afin d’allumé les segments ou les leds correspondantes. Pour vérifier toutes ces informations des mesures ont été effectué. Le multiplexage, sa fréquence, la tension de saturation d’un transistor (Q1) lors du multiplexage, et enfin la sélection des segments allumés par un niveau logique bas.

Mesure de Vérification :

Le multiplexage est sa fréquence.

Sur les 2 mesure de multiplexage, celle de gauche permet de montré la saturation des transistors PNP Q1 à Q5 (sans Q5 car oscilloscope à 4 voie seulement) pour la sélection des digit ou des leds. L’autre visualise la fréquence de multiplexage en prenant la mesure du collecteur de Q1 en CH1 et du collecteur de Q5 en CH2. Cette fréquence est de 73.5Hz soit pratiquement la valeur théorique de 74Hz.

T

Fréquence =

Deux Saturation du transistor Q1. Voici 2 mesure sur la saturation de Vecsat lors du multiplexage. Les 2 mesures sont faites avec un oscilloscope numérique USB. Sur les 2 mesures CH1 correspond au Vcc et CH2 au signal en PT13. Ces 2 mesures ont été prises avec la même carte table DMX et le même oscilloscope. On peut voir sur la mesure de gauche, grâce au « MENU MATH » de l’oscilloscope et en mettent comme calcul CH1-CH2, que la tension de saturation est de 240mV voir même 400mV au vu des placements des curseurs. Pourtant sur la mesure de droite, sensé être identique, on ne voit pas les 0.2V de saturation. La saturation sur le cas de droite est faite lorsque tous les segment du digit son éteint c’est pourquoi on ne voit pas la saturation de 0.2 V, le courant dans le transistor étant trop faible. Mais les 2 transistors sont bien saturés.

Q1

Q2

Q3

Q4

VecsatQ1 entre 240mV et 400mV

MSB

Milliers(M) Centaines(C) Unités(U) LEDs(L)Dizaines(D)

LSB

La mesure des segments se fait pendant le multiplexage. La valeur sur l’afficheur est 032(digit des milliers éteint) et les leds D3 et D6 sont allumé. Sur le 1er oscillogramme, CH1, CH2, CH3 et CH4 correspondent respectivement à PT31(RD0), PT32(RD1), PT33(RD2), PT34(RD3). Et sur le 2ème

oscillogramme les canaux CH1, CH2, CH3 et CH4 sont associé respectivement à PT35(RD4), PT36(RD5), PT37(RD6), PT38(RD7).

PT31

PT32

PT33

PT34

PT35

PT36

PT37

PT38

1 1 1 1

Codes Binaires

1 1 0 0

1 0 1 1

1 0 1 0

1 0 0 0

1 0 0 1

1 0 0 0

1 0 0 0

M

Digit des Milliers : 1111 1111 = 0xFF = Tous les segments du digit sont éteints Digit des Centaines : 0000 0011 = 0x03 = Affiche un 0 sur le digit des centaines Digit des Dizaines : 0000 1101 = 0x0D = Affiche un 3 sur le digit des dizaines Digit des Unités : 0010 0101 = 0x25 = Affiche un 2 sur le digit des unités Les LEDs : 1011 0111 = les leds D6 et D3 sont allumés

C D U L

L’ensemble des mesures prises sont cohérentes avec les informations théoriques

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