Les systèmes embarqués sont apparus dans les années 60. L’une des premières réalisations de système embarqué n’est autre que le système de guidage de la mission Apollo. Aujourd’hui, plus besoin d’aller sur la Lune pour observer un système embarqué ! Electroménager, informatique, transports… La majorité des appareils comportent désormais des systèmes embarqués qui, contrairement à ce que l’expression laisse entendre, ne sont pas synonymes de « mobilité ». Le terme de « système embarqué » a été traduit de l’expression « embedded system », signifiant « système incorporé » ou « système intégré ». De quoi s’agit-il ? Explications.
Système embarqué : définition
Un système embarqué est un système informatique et électronique autonome qui exécute une tâche précise au sein de l’appareil auquel il est intégré. La plupart du temps, cette tâche est réalisée en temps réel. Le terme de « système embarqué » recouvre à la fois le matériel et le logiciel utilisés.
Le logiciel est exécuté sur un microcontrôleur, un microprocesseur ou, plus rarement, sur un FPGA. Le choix de la plateforme dépend de la puissance de calcul nécessaire mais aussi des interfaces requises : bus de communication, écran, mesures analogiques…
L’espace mémoire du système embarqué est généralement limité, de même que sa taille. Aussi, le système embarqué doit pouvoir effectuer sa tâche avec précision, dans des délais imposés, avec le meilleur ratio encombrement/mémoire/consommation d’énergie/coût.
Système embarqué : cas d’application
Vous l’aurez compris : les systèmes embarqués servent à exécuter des tâches au sein d’un appareil. Mais de quelles tâches parle-t-on ? Tout dépend en réalité de l’appareil dans lequel le système est intégré : matériel médical, électroménager, informatique, transport… Les systèmes embarqués sont utilisés dans de très nombreux secteurs, à tel point que nous en utilisons chaque jour sans nous en rendre compte. Lave-vaisselle, télévision, disque-dur, console de jeu, imprimante, régulateur de vitesse, portail automatique… Autant d’exemples d’appareils avec un ou plusieurs systèmes embarqués.
Dans le cas du portail automatique, le système embarqué possède des capteurs qui détectent les objets : lorsqu’une voiture se présente, le système embarqué détecte le véhicule et ordonne au moteur d’ouvrir le portail.
En fonction des appareils et des secteurs d’application, les systèmes embarqués peuvent effectuer des tâches variées, offrant des possibilités infinies d’innovation. Les plus basiques ne disposent que de simples boutons, tandis que les plus élaborés peuvent être connectés et comporter une interface tactile.
Système embarqué : architecture technique
Un système embarqué traite des données d'entrée, afin de produire des actions en sortie : une fois que les données sont recueillies et traitées, le logiciel prend en effet une décision que le système réalise matériellement.
Les entrées peuvent être de différentes natures :
• Capteurs pour recueillir les informations de l’environnement de l’appareil (température, mouvement, vibration, GPS…).
• Entrées utilisateurs : bouton, écrans tactiles.
• Bus de communication filaire : Ethernet, RS485, CAN…
• Communication wireless : BLE, wifi, 3G / 4G, LoRa…
Les sorties possibles :
• Actionneurs : moteurs, électrovannes, bobines, aimants.
• Communication : sortie permettant d'émettre une information à un autre système qui la traitera.
• IHM : affichage d'une information sur un écran ou sur des leds.
Les contraintes du système embarqué
Médical, industrie, agricole, ferroviaire embarqué, automobile… Quel que soit son champ d’application, le système embarqué est soumis à de nombreuses contraintes. Le choix du µC doit alors prendre en compte certains points d’attention :
• L’espace mémoire
L’espace mémoire des systèmes embarqués peut être très limité : de quelques dizaines de kilos de mémoire Flash et quelques kilos de RAM pour les petits microcontrôleurs embarqués dans des systèmes simples, jusqu’à plusieurs Giga de Flash pour des processeurs avec des OS Linux. Il est alors primordial d’établir précisément les besoins de l’appareil, afin de concevoir un système adapté. Si la miniaturisation des composants permet en partie de contourner cette contrainte, l’objectif de développement du système embarqué doit être de coller au plus près des besoins, de sorte à éviter les surcoûts, tout en obtenant un système efficace.
• La puissance de calcul
Au même titre que la mémoire disponible, la puissance de calcul nécessaire doit être précisément évaluée. Le système embarqué doit en effet comporter une puissance de calcul suffisante pour effectuer ses tâches, mais mesurée pour éviter un format ou une consommation excédentaires.
En outre, depuis une dizaine d'années, les architectures ARM 32 bits sont devenues le standard du marché. Leur cout étant faible, elles sont d’ailleurs parvenues à concurrencer le µC 8 bit, jusqu’à l’éclipser du marché.
• L’autonomie
Pour certains systèmes embarqués, l’autonomie est l’une des contraintes les plus importantes. Certains systèmes sont en effet autonomes ; ils doivent donc fonctionner sur pile ou batterie. La consommation énergétique doit alors être la plus faible possible afin de minimiser la taille des batteries ou la fréquence de changement des piles. Par ailleurs, certains systèmes autonomes sont en veille la plupart du temps. Dans ce cas, différents modes de fonctionnement peuvent être adoptés en vue d'optimiser la consommation en mode veille, tout en restant à l'écoute d'évènements utilisateurs par exemple. Quoi qu’il en soit, l’autonomie doit être prise en compte lors du choix du µC, afin d’opter pour le système le plus adapté à l’utilisation de l’appareil.
• Les délais d’exécution
Le propre du système embarqué est de réaliser une tâche précise : les délais d’exécution et l’échéance sont alors cruciaux. Le système embarqué doit en effet être en mesure de fournir les résultats exacts dans les temps définis, souvent en temps réel.
• La sécurité et la fiabilité
Informatique, santé, armée… Les appareils utilisés dans certains secteurs doivent garantir rigoureusement la sécurité des utilisateurs et la confidentialité des données. Le système embarqué doit alors être développé de sorte à assurer la fiabilité et la sûreté du fonctionnement.
Dans certains domaines, le logiciel embarqué assure d’ailleurs des fonctions de sécurité. Il peut alors être nécessaire de mettre en place une redondance du contrôleur, afin de s'assurer que le système reste sûr.
Cats Power Design : développeur de solutions électroniques embarquées
Les systèmes embarqués mobilisent de nombreuses compétences : architecture technique, choix des composants, résolution des contraintes, programmation informatique, interfaçage… Assurer le développement et la fabrication d’un système embarqué peut alors s’avérer fastidieux en interne. Dès lors, il convient de se tourner vers un partenaire fiable et expérimenté.
Depuis 1996, Cats Power Design conçoit, valide et fabrique des systèmes électroniques sur cahier des charges. Sa spécialité historique ? Les systèmes embarqués. Les ingénieurs de Cats Power Design mettent ainsi au point des cartes électroniques de très haute fiabilité, pour des secteurs exigeants.
Exemple de réalisation Cats Power Design
Calculateur pour porte automatique de remorque frigorifique
• Pilotage moteur Brushless
• Capteurs effet Hall pour porte automatique
• Interface avec le système client par Bus CAN ou USB
• Environnement sévère (poussière, vibrations)
• Auto-apprentissage du mouvement
• Détection d’obstacle par surintensité et capteur
• Boîtier étanche avec connecteurs automobiles
Normes appliquées :
• CEI 60335
• ISO 7637
• ISO 10605
• ISO 11451
• ISO 11452
• ISO 15765
• ISO 16750
• Qualification UTAC / R10
Carte puissance « pilotage de groupe froid »
• Alimentation secteur ou batterie
• Sortie 230V sinus
• Pilotage groupe par onduleur piloté par soft
• Bus CAN
• Régulation de T°C
• IHM tactile déportée
Vous avez besoin de développer et de fabriquer un système embarqué pour l’un de vos projets ? Nos ingénieurs vous proposeront une solution clé en main, en accord avec votre cahier des charges. Contactez-nous !
