| Domaine de l’information
|
Tous les systèmes pluri techniques actuels intègrent une part grandissante relative au domaine de l’information :
soit afin d’optimiser leur fonctionnement ou performances par mesures d’éléments liés au contexte par des capteurs, paramétrage et compte rendu de fonctionnement via une IHM (interface homme - machine), automatisation de procédés, …
soit parce qu’ils permettent de gérer et restituer des flux de données, notamment VDI (voix, données, images), dans les différents systèmes d’informations mis à la disposition des usagers : réseau de télécommunication, de télévision, accès et partage d’informations ou d’applications sur des réseaux locaux ou distants, etc.
Le programme traite de ces différentes formes et usages de l’information :
de son support physique, souvent un signal électrique ou optique ; c’est le domaine de l’analogique ;
de sa conversion sous forme numérique pour faciliter les traitements logiques ;
de l’identification à des variables complexes et du traitement informatique ;
de son acheminement via les réseaux et leurs protocoles.
Exemple en description SysML de décomposition du bloc lié à l’information utilisée en interne au système ou pour de la communication externe :
De façon générique, les structures et opérations présentées constitueront la majorité des chaînes d’information rencontrées dans les systèmes en étude.
Des adaptations pourront être faites notamment à partir de la proposition d’opérations ou de liaisons particulières, en fonction de cas spécifiques.
Le modèle proposé ici met en évidence les différents éléments concernés par l’information : les flux qui transitent entre les blocs en subissant à chaque traversée de bloc les opérations qu’il contient, des éléments de commande qui vont déclencher des opérations spécifiques en fonction de l’état de ces entrées.
On voit ici tout l’intérêt de la modélisation SysML qui permet de traduire sur un même diagramme, la structure d’une chaîne d’information à partir des blocs, la façon dont ils sont reliés entre eux ou vers l’extérieur, le comportement attendu à travers les opérations ou fonctions réalisées. La présentation du comportement peut être complétée par des diagrammes documentant le fonctionnement séquentiel et/ou logique.
Parce qu’elle utilise un langage qui se veut être le plus complet et précis possible, cette modélisation peut être complexe à manipuler et il conviendra donc de proposer des études progressives tout au long du cycle de formation STI2D.
Aussi peut-on simplifier l’approche en se limitant à une représentation qui ne fait intervenir que les opérations réalisées sur les flux d’informations ou données de pilotage.
Cette « modélisation » limitée, déjà utilisée par ailleurs dans différents niveaux de formation, est utile à la compréhension de l’enchaînement des fonctions mais ne pourra seule suffire à représenter précisément la réalité du système et des choix technologiques effectués.
Approche fonctionnelle de la chaîne d’information.
La décomposition proposée dans l’IBD du précédent paragraphe relatif à la constitution de la chaîne d’information met en évidence une suite possible d’opérations qui sont présentées ici sous un point de vue purement fonctionnel :
Ce schéma laisse apparaître une organisation avec une seule chaîne d’Acquisition – Traitement –Restitution. Il peut cependant être dupliqué en partie ou en totalité dans le cas d’architectures plus complexes : multiplicité indiquée dans le Block Definition Diagram (BDD) système MEI.
La fonction Communiquer peut faire correspondre le système avec l’environnement extérieur ou lier différents sous-ensembles internes (adaptation de l’IBD et de la chaîne fonctionnelle associée). Elle intègre donc de façon générale, le cas de communications au sein même du système (par bus de terrain) et le cas de communications réalisées avec des éléments de l’environnement extérieur (Internet par exemple).
Dans ce dernier cas, les limites du système deviennent plus difficiles à définir. Nous emploierons alors la notion de système global en lieu et place de système local, terme utilisé dans la classification des systèmes quand les communications font apparaître uniquement un réseau interne.
La fonction Traiter est incontournable dans les systèmes numériques ou informatiques actuels. Elle apparait au centre des échanges et traitements. L’approche des autres fonctions devra donc être réalisée en permanence en relation avec cette dernière.
Le présent document a pris le parti de regrouper les différents éléments du programme dans de grands ensembles qui peuvent être mis en relation avec tout ou partie du schéma fonctionnel présenté ci-dessus. Ces regroupements de connaissances peuvent servir de guide pour présenter différents aspects des fonctions de la chaîne d’information. Ils complètent les préconisations et limites précisées dans le programme. Ils proposent des scénarii d’activités qui pourront être menés sur les supports disponibles dans le laboratoire.
Il est bien évident que chaque aspect de la chaîne d’information et de ses structures ou fonctions, doit être abordé progressivement.
Le choix judicieux des supports de formation, systèmes ou outils de caractérisation doit permettre de concevoir les différentes situations nécessaires à la mise en œuvre du programme sur les deux années de formation.
Une attention particulière doit être apportée à la construction de la progression destinée à l’enseignement transversal en tenant compte des enseignements de spécialité, et plus particulièrement SIN pour la chaîne d’information.
Les apprentissages liés aux principales fonctions d’une chaîne d’information Fonction Traiter
La fonction Traiter est une des fonctions incontournables de tous les systèmes pluritechniques. Son développement ou implémentation a permis de réaliser des gains significatifs en termes de performances et fonctionnalités des systèmes. Les technologies utilisées aujourd’hui toujours plus complexes (type et nombres de processeurs ou mémoires, organisation des traitements séquentiels et/ou parallèles, disponibilité de fonctions d’E/S évoluées, etc.) permettent une intégration facilitée, une réduction des coûts. Par contre, l’augmentation des performances fonctionnelles ou temporelles doit être confrontée à l’augmentation des consommations énergétiques, même si des améliorations sensibles sont aujourd’hui réalisées.
Le développement de la chaîne d’information au sein des systèmes, est source d’innovations faisant évoluer nombre de solutions issues d’autres champs disciplinaires.
La fonction Traiter regroupe des éléments très variés, allant de la prise en compte de deux informations à l’aide d’un simple opérateur logique jusqu’aux programmes les plus complexes développés à partir d’une approche orientée objet et nécessitant un microprocesseur de dernière génération fonctionnant sous un système d’exploitation temps réel.
Les structures et fonctions associées permettent le séquencement du traitement (horloge), la réalisation d’opérations élémentaires sur les données (MPU), la mémorisation des traitements souhaités et des variables (différents types de mémoires), les transferts synchronisés des données (bus et adressage).
Il est à noter que l’étude des différentes fonctions de la chaîne d’information se fera toujours en relation avec la fonction Traiter. Cette relation implicite sera indiquée ultérieurement par l’encadrement en pointillé des autres fonctions étudiées.
En fonction de la progression prévue par le professeur, les différentes approches de la fonction Traiter seront à installer tout au long de la formation, en utilisant au mieux les illustrations que peuvent apporter les systèmes dans la présentation de solutions réelles ou virtuelles, et les outils d’édition et simulation.
Ces situations permettent de développer les compétences attendues en ciblant les différentes connaissances du programme (paragraphes 2-1-2, 2-2-2, 2-3-6,3-1-4).
Éléments de connaissance abordés
|
Préconisation
|
Exemple de situation de formation
|
Codage - Traitement de l’information numérisée
Stockage - Compression
|
L’analyse du comportement attendu d’un système et des fonctions de gestion associées permet de définir le besoin en termes de représentation, traitement et stockage de l’information.
Pour la représentation de l’information, on se limite aux représentations de type bit, octet ou mot.
|
Identifier l’organisation fonctionnelle et structurelle de la chaîne d’information.
Identifier les informations traitées ou échangées au sein d’un système.
Par la mise en œuvre de tout ou partie d’un système, la mesure, établir le lien entre le réel et les modèles.
Caractériser des signaux et information dans leur forme électrique, temporelle et logique.
|
|
Pour la représentation des caractères, on se limite à la représentation ASCII. L’Unicode peut être abordé en enseignement de spécialité.
|
|
Traitement programmé
|
L’acquisition de l’information doit permettre de mettre en évidence les notions élémentaires de programmation structurée (structure de sélection, structure de boucle). Elle s’appuie exclusivement sur l’utilisation d’outils de programmation graphiques pour la mise en œuvre des solutions constructives.
Une coordination avec les mathématiques est nécessaire.
|
Analyser et mettre en œuvre la gestion d’entrées-sorties du système au regard de cas d’utilisation et de leur documentation par un diagramme de séquence ou d’activité.
|
Systèmes évènementiels
|
Pour l’approche des systèmes séquentiels, seule la description par diagramme d’états-transitions est attendue.
Les fonctions spécialisées peuvent être abordées dans le cadre de l’enseignement de spécialité en vue de la programmation d’un EPLD.
|
Représenter et simuler un traitement séquentiel.
Implémentation de diagrammes états-transition à partir d’outils graphiques.
On rappelle que le grafcet n’est plus utilisé.
|
|
La compression des données est abordée à travers le stockage et le transfert d’une information de type texte, son ou image (vidéo). Elle se limite à une approche liée sur la nécessité de compresser en relation avec la capacité de stockage ou la capacité de transmission du support et insiste sur les notions de compression avec et sans dégradation sans faire appel aux outils mathématiques associés à ces notions. A cette occasion, certain type de formats de fichiers peuvent être présentés (WAV, MP3,…)
|
|
Programmation objet
|
La programmation objet se limite à l’utilisation d’objets possédant une représentation visuelle et donc une interface facilement identifiable. Les notions de classes virtuelles et de polymorphisme sont hors programme.
L’objectif étant de montrer la constitution d’un objet à travers notamment les méthodes et variables internes, leurs réutilisations, et l’intérêt de la programmation objet pour un projet « complexe ».
|
Analyser et modifier le programme lié à un comportement d’un système réel ou virtuel.
Mettre en œuvre des outils graphiques pour l’édition/instanciation d’objets, la programmation associée à un simulateur.
|
Fonctions Acquérir et Conditionner
Pour les fonctions Acquérir et Conditionner, le flux d’information est considéré initialement comme un flux à caractère analogique. Les grandeurs sont des grandeurs analogiques issues de capteurs dont le principe de fonctionnement peut être étudié en physique. Le signal utile est généralement de faible amplitude et peut être entaché de bruits. Il convient alors de le conditionner, c'est-à-dire de le rendre apte à être transformé en information numérique. Le conditionnement fait généralement appel à des notions de traitement du signal par amplification et par filtrage.
La dernière phase qui transforme l’information analogique en information numérique se nomme la phase de numérisation. À sa suite, l’information issue du capteur est alors prête à être stockée et traitée.
Si le traitement analogique de l’information est « asynchrone », il n’en est pas de même de la numérisation et du stockage. En conséquence, l’analyse complète de la fonction Acquérir nécessite la mise en œuvre d’une unité de traitement.
Les paragraphes 2.1.2, 2.3.6, 3.1.4, 3.2.3 indiquent les connaissances à aborder autour de cette fonction
Éléments de connaissance abordés
|
Préconisation
|
Exemple de situation de formation
|
Acquisition – Conditionnement -
Filtrage
|
La fonction filtrage est abordée uniquement à travers la nature du traitement effectué (passe-haut, bas, bande, réjection). Les caractéristiques du filtre sont données par un gabarit. La vérification de la performance du filtre est réalisée soit par simulation soit pas mesurage.
L’étude des procédés de conversion numérique – analogique et analogique numérique relève de l’enseignement de spécialité, cependant il est nécessaire de préciser en enseignement transversal les critères de choix (durée de conversion, nombre de bits) d’un convertisseur en fonction du type d’information à convertir et de la précision souhaitée.
Pour la fonction blocage, seul le bloqueur d’ordre 0 est abordé. L’approche se limite à la présentation de la nécessité de stabiliser l’information à convertir pendant la phase de conversion.
L’aspect mathématique des distorsions du spectre induites par la fonction blocage n’est pas abordé.
Il sera important de montrer qu’à partir de la numérisation, l’information est discrétisée/échantillonnée ce qui a des conséquences sur la qualité de sa représentation et nécessitera des précautions et traitement spécifiques.
|
L’acquisition d’informations est abordée à travers l’analyse et la mise en œuvre de chaînes d’acquisition de systèmes comportant différents types de capteurs : détecteurs TOR, mesure de grandeurs physiques, acquisition son ou image.
Le suivi du signal par mesure et/ou simulation permet d’identifier et caractériser les éléments associés au conditionnement du signal issu du capteur via des procédés analogiques élémentaires (amplification/filtrage) avant l’étape de numérisation.
L’émulation de la fonction traitement permet la commande de la numérisation.
L’utilisation d’un oscilloscope « mixte » associant mesures analogique et représentation logique facilite la compréhension de l’approche séquentielle de l’acquisition et d’en mesurer certaines performances.
Des outils de simulations permettent aussi d’appréhender les traitements et l’évolution des différentes grandeurs.
L’utilisation d’une chaîne d’instrumentation virtuelle permet d’associer l’étude des composants d’acquisition et le traitement de l’information.
|
Fonction Restituer
Pour la fonction Restituer, il est à noter que le flux d’information à restituer peut être de deux natures différentes :
d’une part la restitution d’une information peut se faire à partir de la production d’une grandeur analogique par exemple via la commande d’un dispositif de signalisation, la production d’un son.
d’autre part cette restitution peut rester entièrement numérique dans le cadre, par exemple, d’une information à destination d’un écran de visualisation de type LCD.
Dans le premier cas, l’opération inverse à la numérisation doit avoir lieu. On parle alors de conversion numérique analogique, c'est-à-dire du passage d’une grandeur échantillonnée à une grandeur continue. Cette étape de conversion peut être suivie d’une phase d’adaptation de la grandeur en vue de son utilisation.
Dans l’autre cas, la restitution de l’information est réalisée à partir d’informations exclusivement numériques. La fonction Traiter (en relation ou non avec la fonction Communiquer) présente des données directement exploitables par la fonction Restituer par le biais d’éléments standardisés.
L’interface de restitution embarque dans ce cas, sa propre intelligence, qui est capable d’interpréter des informations de commande ou des messages.
Éléments de connaissance abordés
|
Préconisation
|
Exemple de situation de formation
|
Restitution
2.1.2 +3.2.3
|
La fonction restitution permet d’aborder la conversion numérique analogique avec les mêmes limites que celles proposées lors de la conversion d’un signal analogique. Les principes de conversion relèvent de l’enseignement de spécialité alors que les critères de choix du convertisseur sont abordés en enseignement transversal.
La fonction blocage (par bloqueur d’ordre 0) est abordée pour mettre en avant les distorsions dans l’information restituée.
Le suivi du signal par mesure et/ou simulation doit permettre de caractériser les éléments associés à cette phase de restitution.
Le suivi des données numériques peut se faire par un mesurage adapté.
|
L’analyse et la caractérisation de la fonction restitution s’appuient sur les systèmes pertinents du laboratoire. Elle met en œuvre outre les composants réels, des appareils de mesure et des outils de simulation.
La restitution d’informations analogiques peut être abordée dans le cadre de l’élaboration d’une grandeur physique de type sonore par exemple, ou d’une commande destinée à un préactionneur.
La restitution d’informations numériques vers un sous ensemble numérique peut être abordée lors des phases de paramétrages des fonctions spécialisées réalisant ce traitement (fonctions de gestion d’un afficheur LCD par exemple). On se limite aux types de données énoncés précédemment.
| Fonction Communiquer
Grace à l’apparition et au développement des réseaux en général et du réseau Internet en particulier, la fonction Communiquer est devenue une fonction essentielle dans les systèmes pluritechniques actuels. Elle a permis de rendre ces derniers totalement communicants, facilitant l’échange des données, le diagnostic ou la prise de commande à distance. Dans certains cas, l’autonomie est complétée par des phases de mise à jour : vérification de versions et téléchargement de mises à jour.
Pour cette fonction, le flux d’informations sera considéré comme uniquement numérique.
Il est à noter que plusieurs niveaux d’analyse peuvent être associés à cette fonction de la chaîne d’information.
Au niveau de l’unité de traitement et dans le cas de certains bus ou réseau de terrain, tout ou partie de la fonction Communiquer est souvent associée à un microprocesseur ou directement intégrée dans un microcontrôleur qui réalise par ailleurs l’essentiel de la fonction Traiter. La frontière physique peut ainsi devenir difficile à établir. Si l’on souhaite néanmoins dissocier « physiquement » ces fonctions, il convient alors de prendre en compte les schémas structurels ou l’architecture du microcontrôleur intégrant ces deux fonctions.
Sur un point de vue plus « macroscopique » de la chaîne d’information, la fonction Communiquer intègre les périphériques permettant de relier en toute sécurité le système au réseau de communication de haut niveau de type internet par exemple.
Éléments de connaissance abordés
|
Préconisation
|
Exemple de situation de formation
|
Transcodage /
Transmission des informations
Encapsulation/sécurité
3.1.4+3.2.4
|
Le transcodage des informations est abordé lors des opérations de transformation de l’information binaire en information adaptée au support de communication et inversement. On se limite aux codages de type NRZ et NRZI.
La transmission des informations entre équipements sur un bus ou réseau doit permettre d’aborder les notions d’architecture matérielle et de protocoles.
Les concepts d’adresses physique et logique seront développés. Dans le cas du protocole IP, il convient de montrer au travers de logiciels d’analyse de réseau, la relation entre adresse physique et adresse logique (protocole ARP - who has).
Le processus d’encapsulation est abordé à travers la caractérisation des protocoles de transmission des flux d’information, l’analyse des trames ainsi que par le passage des différentes couches du modèle associé à un réseau. S’il se limite au modèle OSI, des exemples associés à la pile TCP/IP peuvent être présentés.
La prise en compte de la raréfaction des adresses IP disponibles est l’occasion d’introduire les notions de NAT (Network Adress Translation) et PAT (Port Adress Translation).
La mise en évidence de la redondance des informations liées à la sécurité se limite à la présentation des bits de parité et à une approche de la notion de CRC sans faire appel en détail aux outils mathématiques associés à cette notion.
|
L’analyse et la caractérisation de la fonction Communiquer s’appuie sur les systèmes du laboratoire comportant différents types de bus (I2C) ou réseaux (CAN, Ethernet…). Le standard qu’est devenu le la pile TCP/IP permet d’aborder les protocoles requis au niveau de l’enseignement transversal.
Des situations de formations proposées permettent d’analyser, configurer la communication entre composants reliés par des bus informatiques (I2C) ou de terrain (CAN, …).
D’autres situations de formation permettront d’analyser, configurer des communications via des réseaux de type ethernet : gestion et paramétrage d’un nœud de réseau.
L’utilisation de commandes liées aux protocoles (arp –a, ipconfig, …) permet d’appréhender les notions d’adressages.
L’utilisation d’outil d’analyse de trame, permettent de visualiser l’encapsulation des données associés aux protocoles.
|
 L’information / 10 |
