Pourquoi il vaut mieux répartir un contrôleur à usage général sur deux circuits imprimés

J'ai toujours pensé que si on veut réussir, il faut prendre exemple sur ceux qui ont eu des succès et éviter les échecs. À mes débuts, les nano-ordinateurs monocarte comme le Raspberry Pi n'existaient pas et personne ne prenait Arduino au sérieux pour des applications industrielles. Vous n'imaginez pas à quel point j'étais mauvais la première fois que j'ai dû faire la maintenance d'un contrôleur à usage général que j'avais conçu. C'était un contrôleur d'alarme incendie avec une cinquantaine de câbles vissés à la main. Je devais remplacer une mémoire EEPROM 8 broches défectueuse. Le client était mécontent et je devais me dépêcher de tout réparer. C'est à ce moment que j'ai eu l'idée de répartir les contrôleurs à usage général sur plusieurs modules physiques. Parallèlement, les Raspberry Pi se sont révélés d'un grand intérêt pour les applications industrielles. Ce n'est pas seulement grâce à leur faible coût mais surtout pour leur conception modulaire.

Qu'est-ce qu'un contrôleur à usage général  ?

Étant donné que le prix des composants et le coût du travail continuent de grimper dans le domaine de l'électronique, il semblerait logique de minimiser l'impact de sa conception. Ce n'est pourtant pas la meilleure option sur le long terme pour les contrôleurs à usage général.

Contrairement aux biens de grande consommation comme les smartphones et les postes de TV, un contrôleur à usage général est conçu selon des caractéristiques techniques génériques et est souvent utilisé à plus petite échelle. Un même contrôleur peut remplir différentes fonctions si on lui associe différents micrologiciels. Par exemple, on peut l'utiliser dans les terminaux de paiement, pour la gestion de la sécurité ou tout simplement en tant que poste de surveillance des données.

Généralement, un contrôleur à usage général est constitué de

• Un microcontrôleur (MCU)

• Des mémoires comme SRAM, FRAM, Flash, EEPROM

• Une interface périphérique (Ethernet, USB, RS485)

• Des entrées (analogique, numérique, photocoupleur)

• Des sorties (relai, numérique)

• Un circuit de contrôle de l'alimentation

• Des connecteurs câble-circuit imprimé

Dans la pratique, les câbles provenant des capteurs, des interrupteurs et des équipements externes sont reliés au circuit imprimé du contrôleur à usage général au niveau de leurs connecteurs respectifs. Le contrôleur à usage général est ensuite monté sur un boîtier ou un rail terminal où il est régulièrement entretenu.

Dans certains domaines, les pannes entraînent de lourdes pertes de revenu et des clients insatisfaits.

Pourquoi utiliser une conception modulaire pour le contrôleur à usage général

Du point de vue coût, il est logique de créer un contrôleur à usage général sur un seul circuit imprimé. Toutefois, si on tient compte des applications pour lesquelles ces contrôleurs sont utilisés, une conception économe à l'origine peut parfois s'avérer coûteuse en maintenance et en remise à niveau. Il est alors plus judicieux d'utiliser une conception modulaire avec plusieurs circuits imprimés car les contrôleurs à usage général servent dans des applications soumises à des environnements électriques défavorables. Leurs exigences évoluent au fil du temps et doivent être remises à niveau. Il faut donc réduire le plus possible les pannes pour certaines applications.

Un contrôleur à usage général modulaire bien conçu permet à ses utilisateurs de retirer les pièces critiques sans avoir à démonter toute l'unité de son boîtier ou sans perdre du temps à débrancher tous les câbles. Les remplacements peuvent s'effectuer tout simplement en enlevant le module défectueux et en branchant un nouveau.

Module MCU typique sur un contrôleur à usage général

Les bonnes pratiques de conception d'un contrôleur à usage général modulaire

En répartissant votre contrôleur à usage général sur deux modules minimum, vous faciliterez les éventuelles réparations ou mises à niveau. Néanmoins, si vous ne montez pas les composants appropriés dans le bon module, tous vos efforts seront vains. Il n'existe pas de norme pour concevoir des contrôleurs à usage général modulaires, mais je vous présente ci-dessous quelques principes qui m'ont été bien utiles jusqu'à présent.

Dans mes conceptions, je sépare mon contrôleur à usage général en deux modules : le module E/S et le module MCU. Le module E/S est monté et vissé sur un boîtier et le module MCU peut facilement se brancher sur le module E/S.  

Les composants passifs qui sont résistants et ont des durées de vie longues vont dans le module E/S. Il s'agit pour l'essentiel des circuits de contrôle de l'alimentation, des connecteurs reliant les câbles au circuit imprimé, des interconnexions de communication, des photocoupleurs et des relais. Le module MCU intègre les composants plus intelligents comme le MCU, les mémoires, les circuits Ethernet et les modules Bluetooth ou WiFi.

Au cours de ma carrière d'ingénieur-concepteur, j'ai pu constater que les composants actifs comme le MCU ou les mémoires ont tendance à tomber en panne plus souvent que les pièces de type régulateur de tension ou relai. C'est pourquoi cela m'a semblé logique de séparer les composants actifs des composants passifs. Si un composant est susceptible de tomber en panne, il se trouve sur le module MCU facilement démontable.

En plus de répartir les composants sur plusieurs modules, il faut également assurer l'interconnectivité entre les modules grâce à des connecteurs circuits à circuits correctement placés. Comme le module MCU est monté sur le module E/S pour son alimentation, une tension suffisante et des bornes de mise à la terre doivent être attribuées sur les connecteurs reliant les circuits imprimés.

En fin de compte, lorsqu'on élabore un contrôleur à usage général, il ne faut pas forcément placer la priorité sur les coûts de fabrication à court terme. Pour être vraiment efficace, vous devez tenir compte de la réputation de la marque à long terme et de la facilité de maintenance. En concevant des contrôleurs à usage général modulaires, vous pourrez vous consacrer entièrement à la qualité des conceptions et à améliorer les micrologiciels. L'équipe de maintenance, elle, pourra remplacer les modules défectueux sans occasionner de perturbation ni de gêne excessive.

Si vous souhaitez essayer de répartir vos contrôleurs à usage général en plusieurs modules, il vous faut le meilleur logiciel de conception de circuits imprimés pour débuter. La capacité d'Altium Designer à gérer divers blocs schématiques et à synchroniser les réseaux sur votre circuit imprimé s'avèrera très pratique.

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