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La conception d’un nouvel appareil électronique est souvent une affaire de compromis, notamment pour concilier coût et performances. Sur les marchés où le prix représente le nerf de la guerre, comme celui des produits grand public, le choix du microcontrôleur ou du microprocesseur qui constituera le cœur du système embarqué est sans aucun doute la décision qui influence le plus les performances. En outre, certaines propriétés d’un système embarqué entrent parfois en concurrence et peuvent en affecter les performances globales. Dans cet article, nous ne retiendrons que les aspects suivants :

• Durée de vie de la batterie
• Réactivité
• Performances thermiques
• Portée et vitesse du signal sans fil
• Fonctionnalités fournies par des composants périphériques externes

Dans le cas d’appareils alimentés par batterie ou faisant appel à une technologie de captage d’énergie, il est essentiel de concevoir un système à faible consommation d’énergie. Il convient dès lors de se poser les bonnes questions, parmi lesquelles :

• L’appareil sera-t-il facile d’accès pour la maintenance sur site ? Les batteries peuvent-elles être remplacées ?
• Dans quelles conditions l’appareil fonctionnera-t-il ? (températures, taux d’humidité, exposition au soleil, exposition aux produits chimiques, etc.)
• Quelles sont les limites concernant les dimensions et le poids de l’appareil ?
• Quels types de communication sont requis ? À quelle fréquence la télémétrie devra-t-elle être envoyée ?
• Combien d’appareils externes (capteurs, actionneurs) devraient interagir avec notre appareil ? Quelles sont leurs interfaces ?

Une fois que l’on a pu se faire une idée générale des exigences fonctionnelles, vient le moment d’estimer grossièrement le budget de puissance. Tout d’abord, nous pouvons additionner tous les appels de courant des périphériques externes. Ce n’est qu’alors qu’on peut enfin se pencher sur les différents microcontrôleurs ou microprocesseurs susceptibles de répondre aux exigences fonctionnelles du système et vérifier leur efficacité énergétique. En règle générale, les fiches techniques indiquent l’efficacité énergétique en milliampères (µA) par rapport à une fréquence d’horloge. Prendre le temps de rechercher et de sélectionner le microcontrôleur ou le microprocesseur le plus adapté en termes de fonctionnalités et de performances constitue la plus grande étape vers une conception basse consommation. Une fois que nous avons une idée concrète de la consommation d’énergie attendue de l’appareil en mode actif et en mode veille, nous pouvons passer au choix de la batterie. Quelques petites opérations mathématiques nous donneront une estimation de la durée de charge pour chacune des options envisagées. Ce faisant, n’oublions pas que la chimie de la batterie est elle aussi un facteur déterminant. Par exemple, les accumulateurs nickel-cadmium (NiCd) et nickel-hydrure métallique (NiMH) tiennent mal la charge dans les climats froids.

Une fois que nous avons répondu dans les grandes lignes aux questions d’architecture, nous pouvons nous pencher sur les aspects de la conception qui permettent d’optimiser le système embarqué par rapport à la consommation d’énergie prévue. Il semble utile à ce stade de répéter quelques règles de base de la conception à prendre en compte pour le matériel et le micrologiciel :

• Choisissez la tension de fonctionnement la plus basse possible. La norme a longtemps été de 5 V, avant de s’établir à 3,3 V. Mais il n’est pas rare de nos jours de voir des processeurs et des mémoires avec une tension de 2,7 V et même de 1,8 V. Certains composants embarqués descendent même à 0,9 V.
• Réduisez la fréquence d’horloge autant que possible sans que cela affecte les performances.
• En plus de choisir la plus petite tension de fonctionnement, optez autant que possible pour des composants ayant la même tension de fonctionnement pour éviter la multiplication des convertisseurs CC-CC et des rails d’alimentation.
• Méfiez-vous des LED et des écrans à cristaux liquides ! Ils sont certes beaux et permettent d’ajouter des fonctionnalités, mais ils peuvent aussi s’avérer relativement énergivores par rapport à leur réelle utilité. Pesez donc bien le pour et le contre. De même, s’il est nécessaire de prévoir un écran LCD, laissez à l’utilisateur la possibilité d’en régler la luminosité.
• La topographie du circuit et le choix des composants peuvent avoir une incidence significative sur votre budget de puissance. Les diviseurs de tension et les résistances pull-up et pull-down créent des appels de courant. Assurez-vous que leur présence est bien nécessaire et dimensionnez-les pour qu’ils soient à la fois efficaces et efficients.
• Ne câblez pas tous les périphériques pour les laisser activés en permanence. Consacrez au contraire un peu du temps et du budget de conception à une broche GPIO qui permettra au micrologiciel d’allumer et d’éteindre les périphériques selon les besoins.
• Évitez de coder des temporisations ou des interrogations constantes de capteurs. Cela entraîne des cycles d’horloge totalement inutiles pour le bon fonctionnement du système, mais qui consomment tout de même de l’énergie. Utilisez plutôt des planificateurs de tâches et des interruptions.
• Choisissez un protocole de communication sans fil capable de couvrir la distance requise, mais sans la dépasser outre mesure. Dans cette optique, Zigbee^™ se montre plus efficace que BLUETOOTH^™, par exemple. Éteignez les émetteurs-récepteurs dès qu’ils ne sont plus utilisés, mais tenez tout de même compte du temps nécessaire pour les allumer. Pour les applications à faible consommation et à faible débit de données, cela ne devrait pas poser de gros problèmes.
• Ne laissez pas de broches GPIO flottantes.
• Pour les broches GPIO avec pull-ups internes, n’activez PAS le pull-up tant que cela n’est pas nécessaire.
• Réduisez la fréquence d’horloge des bus de communication comme I²C et SPI.
• La résistance et le condensateur utilisés pour la conversion analogique-numérique peuvent eux aussi consommer pas mal d’énergie. Réduisez la fréquence de lecture du convertisseur A/N et éteignez le circuit RC entre les lectures. Assurez-vous toutefois de laisser suffisamment de temps aux condensateurs pour se recharger avant la prochaine lecture.

Optimiser sa conception par rapport à la consommation d’énergie ne permet pas seulement de prolonger la durée de vie de la batterie, mais présente aussi d’autres avantages. Moins de puissance, c’est aussi moins de chaleur qui se dégage et par conséquent une plus grande fiabilité et moins de risques de pannes causées par un excès de chaleur. Enfin, veillez à bien vérifier votre conception. Même si vous ne disposez que de matériel USB peu coûteux, sortez vos wattmètres, multimètres, joulescopes et autres analyseurs d’énergie et prenez le temps d’observer la consommation électrique de l’appareil en laboratoire et en situation réelle. Facilitez-vous la tâche en prévoyant des points de test sur la carte pour mesurer le courant et la tension.

À propos de l’auteur

Ingénieur de formation, Michael Parks est le propriétaire de Green Shoe Garage, un studio de conception pour appareils électroniques personnalisés et un cabinet de conseil en technologie situé dans le sud du Maryland. Il est également le producteur de « S.T.E.A.M. Power », un podcast pour familiariser le grand public avec des questions techniques et scientifiques. Ingénieur professionnel agréé dans l’État du Maryland, il est aussi titulaire d’une maîtrise en ingénierie des systèmes de l’Université Johns Hopkins.