Adapter un encodeur absolu SSI à un automate industriel avec JLCPCB

Introduction: résoudre un problème de compatibilité industrielle

Dans les installations industrielles, les encodeurs absolus sont utilisés pour déterminer précisément la position d'un axe, d'un mécanisme ou d'un élément mobile. Contrairement à un encodeur incrémental, un encodeur absolu fournit une valeur de position directement exploitable, y compris après une coupure puis une remise sous tension de l'installation.

Dans le cadre de ce projet, une machine industrielle était initialement équipée d'un encodeur absolu multitour POSITAL, référence MCD-S101G-1212-V06A-CAM, associé à un automate professionnel. L'automate attendait une trame SSI précise représentant la position mécanique mesurée.

Le besoin consistait à utiliser comme solution alternative un encodeur absolu chinois Briter, référence BRT50-S1M4096-RT1. Bien que les deux encodeurs utilisent une interface SSI, ils ne sont pas directement interchangeables, car ils ne transmettent pas la position selon la même structure de trame.

La principale difficulté concernait donc le format des données. L'encodeur POSITAL fournit une information multitour et monotour, tandis que l'encodeur Briter utilisé dans ce projet fournit une position monotour sur 12 bits. Une connexion directe ne permettait pas à l'automate d'interpréter correctement la valeur reçue.

L'objectif du projet était de concevoir une carte électronique capable:

• de conserver la compatibilité avec l'encodeur POSITAL d'origine
• de permettre la connexion de l'encodeur absolu chinois Briter
• de recevoir et de décoder la trame SSI de l'encodeur alternatif
• de reconstruire une trame compatible avec le format attendu par l'automate
• de conserver une solution compacte, fiable et facilement intégrable dans la machine

Figure: Encodeur POSITAL d'origine et encodeur absolu chinois Briter.

Comprendre le problème de compatibilité

À première vue, les deux encodeurs semblent assurer la même fonction: mesurer une position angulaire et la transmettre au système de commande.

Cependant, la compatibilité d'un encodeur industriel ne dépend pas uniquement de sa fonction mécanique. Plusieurs paramètres doivent également correspondre:

• la tension d'alimentation
• le type d'interface électrique
• la résolution de l'encodeur
• le nombre de bits utilisés pour représenter la position
• l'ordre de transmission des bits
• le codage de la valeur
• la fréquence et les paramètres temporels
• la structure globale de la trame
• les éventuels bits d'état, d'erreur ou de contrôle

Dans ce projet, la différence principale ne concernait pas le protocole SSI lui-même, mais l'organisation des données. L'automate avait été conçu pour interpréter la trame de l'encodeur POSITAL d'origine. La trame monotour fournie par l'encodeur Briter devait donc être décodée, complétée et reconstruite avant d'être transmise à l'automate.

Comparaison des deux encodeurs

Cette différence rendait nécessaire l'utilisation d'une interface électronique intermédiaire.

Figure: Différence entre la trame attendue par l'automate et celle transmise par l'encodeur chinois.

Architecture de la solution électronique

La carte développée agit comme une passerelle entre l'encodeur et l'automate industriel.

Son rôle ne consiste pas uniquement à assurer une connexion physique. Elle doit également traiter les informations reçues afin de rendre les deux systèmes compatibles.

Le fonctionnement général peut être décomposé en quatre étapes.

1. Réception des données

La carte reçoit la trame envoyée par l'encodeur chinois. Cette trame contient notamment la valeur correspondant à la position mécanique mesurée.

2. Décodage de la position

Les informations reçues sont analysées afin d'extraire la position réelle. Selon la configuration de l'encodeur, cette étape peut nécessiter:

• l'identification des différents champs de la trame
• la suppression de certains bits de contrôle
• la conversion d'un codage Gray vers une valeur binaire
• la réorganisation de l'ordre des bits
• l'adaptation de la résolution

3. Conversion du format

Une fois la position monotour extraite, le microcontrôleur l'intègre dans une trame conforme au format attendu par l'automate. La partie multitour est reconstruite par le traitement embarqué à partir du suivi des rotations.

L'objectif est que l'automate reçoive une information cohérente avec son installation d'origine, même lorsque la mesure provient de l'encodeur chinois.

4. Transmission vers l'automate

La nouvelle trame est ensuite envoyée à l'automate avec les caractéristiques électriques et temporelles appropriées.

Pour l'automate, l'interface doit se comporter comme une source de données compatible avec l'installation d'origine.

Figure: Principe général de fonctionnement de la carte d'adaptation.

Compatibilité avec l'encodeur d'origine

La carte a également été conçue pour rester entièrement compatible avec l'encodeur POSITAL d'origine.

Cette caractéristique présente plusieurs avantages:

• conserver la configuration initiale de la machine
• comparer le comportement des deux encodeurs
• simplifier les opérations de diagnostic
• tester la carte sans supprimer la possibilité d'utiliser l'encodeur d'origine
• revenir rapidement à la configuration POSITAL en cas de besoin

Le même connecteur vert à six contacts reçoit l'un ou l'autre encodeur, car les deux utilisent les mêmes lignes fonctionnelles: alimentation, CLOCK+/CLOCK- et DATA+/DATA-. La sélection est réalisée au moyen du cavalier "SEL_CAPTEUR", placé en bas à gauche de la carte: la position "CAP_S" correspond à l'encodeur POSITAL d'origine, tandis que la position "SSI" active le traitement destiné à l'encodeur chinois Briter.

Cette double compatibilité transforme la carte en véritable interface de maintenance et d'adaptation, plutôt qu'en simple convertisseur destiné à un seul modèle d'encodeur.

Figure: Repérage du connecteur de l'encodeur, du connecteur de l'automate et du cavalier de sélection.

Conception électronique de la carte

La conception de la carte a été réalisée en tenant compte des contraintes propres à un environnement industriel.

Alimentation

La carte est alimentée en 24 VDC, tension couramment disponible dans les armoires industrielles. Un convertisseur abaisseur LM2576S-5 (U1) fournit une tension régulée de 5 V aux circuits logiques. Un régulateur LM317 (U5) complète l'étage d'alimentation pour les besoins internes de la carte.

Des diodes de protection, un filtrage capacitif et des condensateurs de découplage contribuent à limiter les perturbations et à sécuriser la mise sous tension.

Adaptation électrique

Les deux encodeurs utilisent une liaison SSI différentielle et les mêmes fonctions de raccordement. La difficulté principale réside donc dans le traitement de la trame, et non dans la connexion physique.

L'émetteur-récepteur différentiel SN75179BDR assure l'interface avec les lignes CLOCK et DATA du bus SSI. Le multiplexeur CD74HC4067M et les circuits logiques 74HC259, 74LVC2G32 et 74LVC1G125 assurent la sélection, le routage et la mise en forme des signaux nécessaires au fonctionnement de l'adaptateur. Pour approfondir le routage de ce type de liaison, consultez les bases des paires différentielles en conception PCB.

Microcontrôleur et développement logiciel

Le traitement de la trame est assuré par un microcontrôleur STM8S105C6T6TR (U9). Le choix du STM8 repose notamment sur sa capacité à fonctionner directement avec une logique de 5 V. Dans cette application, les échanges logiques entre l'automate programmable industriel (PLC) et la carte sont réalisés en 5 V, ce qui permet une intégration directe et évite l'ajout d'un convertisseur de niveaux 3,3 V/5 V. Le STM8 assure ainsi une communication stable et adaptée aux contraintes de l'interface.

Ce composant réalise les opérations suivantes:

• réception de la communication
• synchronisation avec l'encodeur
• extraction de la valeur de position
• conversion du format
• reconstruction de la trame
• transmission vers l'automate

Le micrologiciel a été développé en C++ dans Visual Studio Code. Le programme a été optimisé afin de réduire le temps d'exécution, de maîtriser l'utilisation de la mémoire et de respecter précisément les contraintes temporelles de la communication SSI. Le décodage, la conversion et la reconstruction de la trame s'exécutent ainsi de manière efficace et sans latence perceptible pour l'automate.

Connectique

La connectique a été organisée de manière à faciliter l'installation et les opérations de maintenance.

La carte comporte notamment:

• un connecteur vert à six contacts commun aux deux encodeurs
• un cavalier de sélection entre l'encodeur POSITAL d'origine et l'encodeur chinois
• un connecteur noir reliant la carte adaptatrice à l'automate
• une entrée d'alimentation 24 VDC
• des points de test
• un voyant d'état pour le diagnostic

Figure: Schéma électronique de la carte d'adaptation.

Nomenclature des principaux composants

La nomenclature ci-dessous reprend les composants de la version présentée. Les coordonnées de placement et les rotations, utiles à l'assemblage automatique, ne sont pas reproduites ici afin de conserver une lecture claire de l'article.

Tableau 2: Nomenclature des principaux composants de la carte d'adaptation.

Conception du circuit imprimé

Après validation du schéma électronique, le circuit imprimé a été conçu afin d'obtenir une carte compacte et facilement intégrable. Le respect des règles de conception PCB a été vérifié avant la génération des fichiers de fabrication.

Le placement des composants a été organisé autour de plusieurs zones fonctionnelles:

• alimentation et protection
• interface SSI commune aux deux encodeurs
• sélection et traitement de la trame
• unité de traitement
• sortie vers l'automate
• connecteurs et points de test

Une attention particulière a été portée aux éléments suivants:

• réduction de la longueur des pistes sensibles
• séparation entre alimentation et signaux de communication
• présence d'un plan de masse
• découplage des circuits intégrés
• accessibilité des connecteurs
• identification claire des entrées et des sorties
• ajout de points de mesure pour le diagnostic
• respect des dimensions mécaniques disponibles dans l'installation

La disposition a également été pensée pour rendre accessibles le connecteur commun de l'encodeur, le cavalier de sélection et le connecteur de l'automate, afin de simplifier l'installation et la maintenance.

Figure: Routage du circuit imprimé et organisation des principales zones fonctionnelles.

Figure: Visualisation 3D de la carte avant fabrication.

Fabrication du PCB avec JLCPCB

Une fois le routage terminé, les fichiers de fabrication ont été générés au format Gerber. Le guide consacré aux fichiers Gerber pour PCB présente leur rôle et leur structure.

Ces fichiers regroupent les différentes informations nécessaires à la production du circuit imprimé:

• couches de cuivre
• masque de soudure
• sérigraphie
• contour de la carte
• fichiers de perçage

Les fichiers ont ensuite été téléversés sur la plateforme JLCPCB afin de vérifier l'aperçu du PCB avec la visionneuse Gerber et de sélectionner les paramètres de fabrication.

Caractéristiques de fabrication

Pour cette première série, la carte a été commandée chez JLCPCB sous la forme d'un PCB individuel en FR-4 TG135 à deux couches. Les dimensions finales sont de 125,4 × 80 mm. Une épaisseur standard de 1,6 mm a été retenue afin d'assurer une rigidité mécanique adaptée à l'intégration dans la machine et à la présence de plusieurs connecteurs.

L'épaisseur du cuivre extérieur sélectionnée est de 1 oz, soit environ 35 µm. Cette configuration convient aux signaux logiques, aux lignes de communication SSI et aux besoins d'alimentation de cette version. La finition de surface choisie est une finition HASL avec plomb, adaptée à cette série de prototypes et à l'assemblage manuel.

Le plus petit via sélectionné comporte un trou de 0,30 mm et un diamètre extérieur compris entre 0,40 et 0,45 mm. Les vias sont recouverts par le masque de soudure. La tolérance standard du contour est de ± 0,20 mm et un test électrique complet par sondes mobiles a été demandé avant expédition.

La largeur minimale des pistes et l'espacement minimal ne figurent pas parmi les options visibles sur la page de commande, car ils dépendent directement des règles de routage définies dans le projet. Ils ont été contrôlés avec les règles DRC avant la génération des fichiers Gerber, sans les confondre avec les limites générales de fabrication publiées par JLCPCB.

Assemblage du prototype et possibilité de PCBA

Pour cette première version, le service d'assemblage PCBA n'a pas été utilisé. Les circuits imprimés ont été commandés nus, puis les composants CMS et traversants ont été installés et soudés manuellement. Cette méthode permettait de tester progressivement chaque étage de la carte: alimentation, adaptation électrique, communication SSI et fonctionnement du microcontrôleur. Le guide sur la technologie de montage en surface détaille les principes d'assemblage des composants CMS.

Pour une future série produite en plus grande quantité, un assemblage PCBA pourrait être envisagé afin de réduire le temps de montage et d'améliorer la répétabilité entre les cartes. Cette évolution nécessiterait notamment une nomenclature BOM, un fichier de placement CPL et la vérification de la disponibilité des composants auprès du service d'approvisionnement. Le processus d'assemblage PCB de JLCPCB présente les principales étapes industrielles.

Lisibilité du marquage sur un masque de soudure blanc

Le masque de soudure blanc donne à la carte un aspect visuel distinctif. Une sérigraphie noire a donc été sélectionnée afin de garantir un contraste suffisant. Une attention particulière doit néanmoins être portée à la taille des caractères, à l'épaisseur des traits et à la distance entre les inscriptions, les pastilles et les composants. Les repères essentiels - connecteurs, entrées, sorties et cavalier de sélection - doivent rester clairement lisibles après la fabrication et l'assemblage. Pour aller plus loin, consultez le guide sur l'impact du masque de soudure sur la conception PCB.

La commande comprenait dix exemplaires. Le passage d'un prototype câblé manuellement à un PCB fabriqué professionnellement a permis d'obtenir:

• une carte plus compacte
• des connexions reproductibles
• une meilleure organisation des signaux
• une installation plus propre
• plusieurs exemplaires identiques
• une maintenance simplifiée

Figure: Paramètres de fabrication sélectionnés sur la plateforme JLCPCB (deux vues).

Assemblage et vérifications

Après réception, le PCB a été inspecté avant l'assemblage des composants.

Les vérifications ont porté sur:

• la conformité des dimensions
• la position des perçages
• la continuité des pistes
• l'absence de court-circuit
• la lisibilité de la sérigraphie
• la correspondance entre le PCB et le schéma électronique
• l'orientation des composants polarisés

Les composants ont ensuite été installés et soudés progressivement.

Avant la connexion à l'automate, plusieurs contrôles ont été réalisés:

• vérification de l'absence de court-circuit sur l'alimentation
• mise sous tension avec limitation de courant
• contrôle des tensions internes
• test de la communication avec l'encodeur
• observation des signaux
• validation de la trame générée
• connexion finale à l'automate

Tests avec l'encodeur POSITAL

La première phase de test a été réalisée avec l'encodeur POSITAL d'origine.

Cette étape avait pour objectif de vérifier:

• la continuité des connexions
• la compatibilité de la carte avec l'encodeur d'origine
• la réception correcte des données
• la stabilité de la communication
• la réaction de l'automate aux changements de position

Les valeurs obtenues ont servi de référence pour comparer ensuite le fonctionnement avec l'encodeur chinois.

Les essais ont confirmé une compatibilité fonctionnelle complète avec l'encodeur POSITAL d'origine dans la configuration de la machine: la trame a été reçue correctement, la position est restée cohérente et l'automate a réagi normalement aux changements de position.

Tests avec l'encodeur chinois

La seconde phase a consisté à connecter l'encodeur absolu chinois.

La carte a reçu la trame de cet encodeur, extrait la valeur de position, puis généré une information adaptée au format attendu par l'automate.

Les essais ont porté sur plusieurs positions afin de vérifier:

• la correspondance entre la position réelle et la valeur transmise
• la continuité de la mesure sur toute la plage de rotation
• l'absence de sauts anormaux
• la répétabilité des résultats
• la stabilité de la communication
• le comportement lors de la mise sous tension
• la réaction du système après une coupure d'alimentation

La communication et la conversion ont été validées sur l'ensemble des positions testées. Aucun saut anormal n'a été observé, le temps de réponse est resté sans latence perceptible et le fonctionnement est demeuré stable pendant deux jours d'essais, y compris après plusieurs redémarrages.

Figure: Lecture de la valeur SSI après adaptation et intégration avec l'automate.

Intégration avec l'automate industriel

Après validation sur banc d'essai, la carte a été connectée à l'automate professionnel.

L'objectif était de vérifier que l'automate pouvait interpréter correctement la position transmise par l'interface, sans modification importante de son fonctionnement initial.

Les tests ont permis d'évaluer:

• la reconnaissance de la trame
• la cohérence de la position
• la rapidité de mise à jour
• la stabilité sur plusieurs cycles
• la réaction de la machine
• la fiabilité générale de l'interface

Les résultats ont montré qu'une carte électronique spécialement conçue peut servir de passerelle entre deux équipements qui ne sont pas directement compatibles.

La solution conserve également la possibilité d'utiliser l'encodeur POSITAL d'origine, ce qui constitue un avantage important pour la maintenance, le diagnostic et les essais comparatifs.

Résultats du projet

La réalisation de cette carte a permis de répondre à plusieurs objectifs:

• connecter un encodeur absolu chinois à un automate prévu pour un encodeur POSITAL
• adapter une trame différente au format attendu par l'installation
• conserver la compatibilité avec l'encodeur d'origine
• obtenir une solution compacte et reproductible
• faciliter les opérations de maintenance
• réduire la dépendance à une seule référence d'encodeur
• disposer d'une base pouvant être adaptée à d'autres équipements

Résultats mesurés

Difficultés rencontrées et améliorations

Le développement de cette solution a nécessité plusieurs étapes d'analyse et de validation.

Les principales difficultés concernaient:

• l'identification de la structure des deux trames
• la compréhension du comportement attendu par l'automate
• la synchronisation de la communication
• l'adaptation des niveaux électriques
• la validation de chaque valeur de position
• la conception d'une carte compatible avec les deux encodeurs

Une prochaine version pourrait intégrer:

• une sélection automatique du type d'encodeur
• une interface de diagnostic
• l'enregistrement des erreurs de communication
• des voyants indiquant l'état de chaque liaison
• une isolation électrique renforcée
• un connecteur de programmation plus accessible
• une configuration logicielle de la résolution
• une compatibilité avec plusieurs modèles d'encodeurs

Conclusion et perspectives

Ce projet démontre qu'un problème d'obsolescence ou d'incompatibilité entre équipements industriels ne nécessite pas toujours le remplacement complet de l'installation.

Grâce à l'analyse des communications et à la conception d'une interface électronique spécifique, il a été possible d'adapter un encodeur absolu chinois Briter à un automate initialement prévu pour fonctionner avec un encodeur POSITAL multitour.

La carte développée remplit plusieurs fonctions: connexion, adaptation électrique, traitement de la position et conversion de la trame. Elle conserve également la possibilité d'utiliser l'encodeur POSITAL d'origine.

La fabrication d'un PCB dédié a permis de transformer un montage expérimental en une solution plus compacte, reproductible et adaptée à une intégration industrielle.

Cette approche peut être étendue à d'autres projets de maintenance, de modernisation et de modernisation de machines dont certains composants sont coûteux, indisponibles ou difficiles à remplacer.

À propos de l'auteur

Issam Jarroudi intervient dans les domaines de la rétro-ingénierie, de l'électronique industrielle, des systèmes embarqués et du développement de prototypes.

Ses travaux comprennent notamment:

• l'analyse de cartes et d'équipements électroniques
• l'étude de protocoles de communication
• l'analyse et l'adaptation de systèmes embarqués
• la conception de cartes électroniques sur mesure
• le modernisation d'équipements industriels
• le développement de solutions de commande et d'automatisation

Il travaille sur des problématiques concrètes de compatibilité, de maintenance et d'adaptation entre des équipements provenant de différents fabricants.