Développement de matériel embarqué et de firmware pour l’électronique : intégration de CAN, TCP/IP et conception CEM du prototype à la série

1. Pourquoi une approche de développement intégrée est importante

Le développement électronique ne se limite pas à la conception d’un schéma. L’architecture matérielle, le comportement du firmware, les interfaces de communication, les exigences CEM et de sécurité, l’intégration mécanique et les contraintes de production doivent à terme fonctionner comme un seul système.

Pour les intégrateurs de systèmes et les équipes achats, la question centrale est donc de savoir si un fournisseur peut livrer une conception clairement définie et industrialisable tout en accompagnant le processus de conformité applicable, plutôt que de fournir uniquement des éléments isolés du projet.

Développer séparément le matériel, le firmware et les interfaces de communication peut créer des lacunes fonctionnelles ou des problèmes d’intégration. Un circuit imprimé peut fonctionner comme prévu alors que les fonctions de diagnostic du firmware restent incomplètes. Une interface CAN peut fonctionner pendant le développement, sans que la méthode de validation retenue corresponde aux besoins des essais de production. De même, une alimentation peut atteindre ses objectifs électriques, tandis que des essais CEM ultérieurs mettent en évidence des points nécessitant une modification du PCB ou du filtrage.

Une approche de développement intégrée permet de traiter plus tôt ces interdépendances :

• Architecture avant la conception détaillée : la répartition entre matériel et logiciel, les protocoles de communication, le choix des composants et les interfaces système peuvent être alignés sur les objectifs techniques et économiques.
• Contraintes CEM, thermiques et mécaniques avant la finalisation du PCB : ces paramètres peuvent être intégrés dès la conception du schéma et du circuit imprimé, au lieu d’être pris en compte uniquement après les premiers essais sur prototype.
• Documentation en parallèle du développement : procédures d’essai, documentation de fabrication et éléments liés à la conformité peuvent être préparés au fur et à mesure de la maturation de la conception.

Dans les projets industriels, l’objectif n’est donc pas simplement de développer séparément un contrôleur basé sur STM32, une implémentation FPGA, une interface CAN ou un étage de puissance. Ces éléments doivent fonctionner ensemble et permettre le passage d’un prototype d’ingénierie à une conception reproductible en production.

Parmi les ressources TPS associées figurent le développement d’alimentations sur mesure et la conception de convertisseurs buck-boost.

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2. Développement du matériel embarqué : de l’électronique de puissance à la conception PCB

Les compétences de TPS Elektronik en développement matériel couvrent aussi bien l’électronique embarquée de faible puissance que les systèmes industriels de forte puissance. Le processus d’ingénierie prend en compte les performances électriques, mais aussi le choix des composants, l’industrialisation, le comportement thermique, les contraintes mécaniques et les exigences de conformité applicables.

2.1 Développement en électronique de puissance

TPS développe des alimentations monophasées et triphasées, des convertisseurs DC/DC, des redresseurs et des systèmes à base d’onduleurs. Selon l’application, les puissances typiques vont de plusieurs centaines de watts à plusieurs centaines de kilowatts. Les applications visées comprennent notamment les alimentations industrielles, les systèmes de test de batteries, les onduleurs photovoltaïques et les systèmes de stockage d’énergie.

Les activités de développement peuvent notamment inclure :

• la sélection et l’application de semi-conducteurs de puissance tels que MOSFET, IGBT, composants SiC et GaN ;
• la conception de composants magnétiques, notamment transformateurs et inductances, en tenant compte des contraintes électriques et thermiques ;
• des circuits analogiques de mesure du courant, de la tension et de la température ;
• l’intégration de relais, contacteurs, disjoncteurs et autres dispositifs de commutation ou de protection.

Ces différents éléments sont étroitement liés. Le choix des semi-conducteurs, la fréquence de commutation, les composants magnétiques, le routage du PCB, la gestion thermique, les circuits de mesure et l’architecture de protection peuvent tous influencer le rendement, le comportement électromagnétique, la fiabilité et la conception mécanique.

2.2 Conception et routage de circuits imprimés

TPS utilise Altium Designer et Cadence Allegro pour la saisie de schémas et la conception de circuits imprimés. Les contraintes CEM, thermiques, électriques et mécaniques sont prises en compte pendant le processus de développement, notamment pour les cartes mixtes analogiques/numériques, les PCB de puissance et les systèmes embarqués à forte densité d’intégration.

Une conception PCB tenant compte de la CEM peut notamment porter sur les chemins de retour de courant, la mise à la masse, le placement des composants, le filtrage, les boucles de commutation, le routage des interfaces et la séparation des zones sensibles des zones générant davantage de perturbations.

Le développement mécanique est réalisé à l’aide de SolidWorks et AutoCAD. La coordination entre géométrie des circuits imprimés, boîtiers, connecteurs, points de fixation, concepts de refroidissement et cheminement des câbles est particulièrement importante pour les tableautiers et intégrateurs de systèmes lorsque les sous-ensembles doivent s’insérer dans un environnement mécanique existant.

Pour des exemples de projets associés, consultez l’étude de cas sur la conception d’alimentations sur mesure et le contenu consacré au développement de systèmes de test de batteries.

3. Firmware et logiciels embarqués : MCU, FPGA et logique de commande

Le matériel embarqué s’appuie sur le firmware pour assurer les fonctions de commande, de diagnostic, de communication, de surveillance et de gestion des défauts. TPS développe des logiciels embarqués pour des systèmes à microcontrôleurs et FPGA en considérant l’architecture logicielle conjointement avec le matériel sous-jacent.

3.1 Développement de firmware pour MCU

TPS travaille avec STM32, AVR et d’autres microcontrôleurs basés sur ARM. Le développement peut couvrir les pilotes bas niveau de périphériques, les machines à états, les fonctions de commande en temps réel, les interfaces de communication, les fonctions de diagnostic et le logiciel applicatif.

Lorsque ces points font partie de la spécification système, l’architecture du firmware peut également intégrer des exigences de maintenabilité, de testabilité et de mise à jour sur le terrain.

3.2 Conception FPGA et CPLD

Pour les applications nécessitant un fonctionnement déterministe, un traitement à grande vitesse, des opérations parallèles ou une gestion spécifique des entrées/sorties, TPS développe des implémentations FPGA et CPLD en VHDL ou Verilog.

Les applications typiques comprennent la commande de moteurs, le traitement du signal, les fonctions à contraintes temporelles strictes et les interfaces de communication spécifiques.

3.3 Algorithmes de commande et diagnostic

Des algorithmes de commande peuvent être mis en œuvre pour des systèmes tels que les convertisseurs de puissance, les systèmes de gestion de batteries (BMS) et les applications de commande de mouvement.

Le diagnostic et la gestion des défauts font partie de l’architecture système. Selon l’application, le firmware peut par exemple devoir détecter des conditions de fonctionnement anormales, transmettre des informations de diagnostic, exécuter des réactions définies et placer le système dans un état de fonctionnement approprié.

Pour des informations complémentaires, consultez le guide sur le développement logiciel pour dispositifs médicaux et l’article consacré à la conception de PCB pour dispositifs médicaux.

4. Protocoles de communication : CAN, TCP/IP, Modbus et interfaces spécifiques

Les systèmes industriels, automobiles et embarqués reposent souvent sur plusieurs niveaux de communication. Une intégration efficace nécessite à la fois des interfaces matérielles adaptées et un firmware capable de gérer l’échange de données, le diagnostic, le timing, les erreurs et l’interopérabilité avec les autres équipements.

TPS intègre des interfaces de communication standard et peut développer des implémentations de protocoles spécifiques lorsque les protocoles existants ne répondent pas complètement aux exigences du système.

4.1 Développement CAN : de l’intégration matérielle au diagnostic

CAN est largement utilisé dans les systèmes de commande automobiles et industriels, notamment parce qu’il permet une communication robuste entre plusieurs nœuds dans des environnements électriquement exigeants.

Le développement CAN peut notamment comprendre :

• l’intégration de transceivers CAN avec des STM32, AVR et d’autres microcontrôleurs ;
• la prise en charge de CAN 2.0B et CAN FD dans le firmware ;
• l’intégration de protocoles de couche supérieure tels que CANopen et J1939 ;
• le développement de cartes de contrôle avec interface CAN pour les prototypes ou la production ;
• des fonctions de test et de diagnostic pour la validation des interfaces ;
• l’intégration OBD-II/CAN pour des applications adaptées de diagnostic automobile et de télématique.

Une implémentation CAN ne se limite donc pas au choix d’un transceiver. La terminaison, la topologie, le comportement de la couche physique, le traitement des messages, le timing, le diagnostic et la communication applicative doivent être considérés dans leur ensemble.

4.2 TCP/IP et Modbus pour l’automatisation industrielle

Les communications basées sur Ethernet occupent une place croissante dans les contrôleurs industriels, les systèmes de supervision et les équipements connectés.

Les développements réalisés par TPS peuvent comprendre :

• des piles TCP/IP embarquées, notamment lwIP et des implémentations spécifiques à l’application ;
• Modbus TCP pour la communication avec des API, des systèmes SCADA et des contrôleurs industriels ;
• des interfaces réseau pour la surveillance à distance et la gestion des équipements ;
• une communication applicative basée sur TCP/IP lorsque l’architecture du système l’exige.

TCP/IP désigne une suite de protocoles réseau plutôt qu’une interface unique. IP assure notamment l’adressage réseau et l’acheminement des paquets, tandis que TCP fournit un transport fiable orienté connexion. Dans une implémentation embarquée, il convient également de prendre en compte les ressources limitées, la gestion des erreurs, la gestion des connexions et les exigences propres à l’application.

4.3 Interfaces série : RS-232, RS-485, RS-422, USB et I²C/SPI

L’intégration d’équipements existants et la communication au niveau des cartes ou des dispositifs nécessitent encore fréquemment des interfaces série. TPS développe des systèmes utilisant RS-232, RS-485, RS-422, SPI, I²C et USB.

Cela peut inclure des passerelles USB-série, l’intégration d’équipements RS-232 existants, des communications multipoints RS-485 ainsi que des interfaces au niveau carte entre processeurs, capteurs, convertisseurs et périphériques.

Lorsque les protocoles standard ne répondent pas aux exigences fonctionnelles de l’application, des protocoles de communication spécifiques peuvent également être développés.

Pour un exemple combinant conception PCB et développement logiciel, consultez l’étude de cas sur la conception de PCB et le développement logiciel.

5. CEM et sécurité : intégrer les exigences de conformité dès la conception

Les exigences de compatibilité électromagnétique et de sécurité peuvent influencer l’architecture du circuit, le routage du PCB, le filtrage, la mise à la masse, le blindage, le choix des composants, la conception du boîtier et le comportement du firmware. Leur prise en compte dès le développement peut contribuer à identifier certains problèmes avant les essais formels.

5.1 Conception CEM et essais

TPS intègre les considérations de compatibilité électromagnétique dès la conception des schémas et des circuits imprimés. Selon l’application, cela peut notamment inclure :

• la conception des mises à la masse et des chemins de retour de courant ;
• le filtrage des entrées et sorties ;
• les concepts de blindage ;
• le placement des composants ;
• l’optimisation des boucles de commutation ;
• la protection et le filtrage des interfaces ;
• la séparation des zones sensibles des zones à fort niveau de perturbation.

TPS accompagne les activités de préconformité CEM et peut, lorsque cela est nécessaire, coordonner les essais formels de conformité avec des laboratoires accrédités.

Les exigences CEM applicables dépendent du produit, de son environnement prévu, du marché cible et du cadre réglementaire. Elles doivent donc être identifiées au cours de la phase de spécification et non déduites de manière générale à partir d’une catégorie de produits.

5.2 Exigences de sécurité pour l’électronique automobile et industrielle

Les exigences de sécurité et les obligations réglementaires varient fortement selon l’application et le marché cible.

Pour les projets automobiles, ECE R10 peut notamment être pertinent pour la compatibilité électromagnétique, tandis qu’ISO 26262 peut s’appliquer lorsque la sécurité fonctionnelle est concernée. Les applications destinées au marché automobile américain peuvent également être soumises aux dispositions applicables des Federal Motor Vehicle Safety Standards (FMVSS).

Pour les systèmes industriels, les exigences IEC, UL et européennes pertinentes dépendent du type d’équipement, de son utilisation prévue et du marché cible. Des normes telles qu’IEC 61010 ou IEC 61508 peuvent être pertinentes pour certaines applications, mais leur applicabilité doit être déterminée au cas par cas.

La prise en compte de ces exigences dès l’architecture et la conception du système peut faciliter les étapes ultérieures de conformité et contribuer à réduire la probabilité de modifications importantes après les prototypes ou les essais de préconformité.

Les références externes comprennent la présentation d’ISO 26262 et les informations de l’IEC sur la CEM.

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6. Processus de développement : du concept à la mise en série

Un processus de développement structuré facilite la coordination des activités liées à l’électronique, au firmware, à la mécanique, aux essais et à la conformité. TPS applique une démarche par étapes qui peut être adaptée au périmètre technique et aux exigences de production du projet.

6.1 Définition du concept et des exigences

Le développement commence par la clarification des exigences fonctionnelles, objectifs de performance, interfaces électriques, protocoles de communication, conditions environnementales, contraintes mécaniques, volumes de production et exigences de conformité applicables.

La spécification système qui en résulte constitue une base technique pour les décisions d’architecture, la planification du projet et l’établissement de l’offre.

6.2 Conception et prototypage

Une fois l’architecture système et les interfaces définies, la conception des schémas, le routage des PCB, le développement du firmware et la conception mécanique peuvent progresser en parallèle.

Des prototypes fonctionnels servent ensuite à évaluer les principales fonctions électriques, le comportement du firmware, les interfaces de communication, les performances thermiques et l’intégration du système.

6.3 Essais et préparation à la conformité

Selon les exigences du projet, la validation des prototypes peut inclure :

• des essais électriques et fonctionnels ;
• une caractérisation thermique ;
• des essais des interfaces de communication ;
• des essais de préconformité CEM ;
• des analyses liées à la sécurité, lorsqu’elles sont applicables.

Les résultats d’essai servent de base aux éventuelles itérations de conception avant le passage à la présérie ou à la préparation de la production.

6.4 Préparation à la série et transfert en production

Une fois la conception arrivée au niveau de maturité requis, la documentation de fabrication, les procédures de test, les moyens d’essai et la documentation liée à la qualité peuvent être préparés pour la production.

TPS peut également accompagner le passage en série grâce à ses services de fabrication électronique (EMS). Le maintien du développement et de la fabrication dans un processus coordonné peut simplifier le transfert des données de conception et permettre d’intégrer les retours de production dans la version finale du produit.

Parmi les exemples de projets associés figurent la conception d’un convertisseur buck-boost ainsi que la modernisation d’un disjoncteur et d’une armoire électrique.

7. Dans quels cas les prestations de développement intégrées de TPS peuvent être adaptées

Les prestations de développement de TPS Elektronik sont destinées en particulier aux projets nécessitant la coordination de plusieurs disciplines techniques, au-delà d’un simple travail isolé de routage PCB ou de développement firmware.

Les compétences concernées comprennent notamment :

• Développement intégré du matériel et du firmware : l’architecture matérielle, les interfaces, le firmware et les fonctions de commande peuvent être développés dans le cadre d’un processus d’ingénierie coordonné.
• Intégration de protocoles de communication : la prise en charge comprend CAN, CAN FD, CANopen, J1939, TCP/IP, Modbus, les interfaces série et les protocoles spécifiques aux applications.
• Développement tenant compte de la CEM : les aspects CEM peuvent être intégrés à la conception du schéma, au routage PCB, à l’intégration mécanique et à l’évaluation des prototypes.
• Accompagnement du prototype à la série : le développement peut être suivi par la préparation à la production et la fabrication EMS.
• Expérience en électronique de puissance : TPS développe des systèmes allant de l’électronique embarquée aux équipements de conversion de puissance atteignant plusieurs centaines de kilowatts.

Pour les équipes achats, une approche intégrée peut simplifier la coordination technique en réduisant le nombre d’interfaces entre des fournisseurs distincts pour le matériel, le firmware, la mécanique et la fabrication.

Pour les équipes de développement, elle permet de traiter la conception PCB, les logiciels embarqués, les interfaces de communication, l’intégration mécanique, les essais et les exigences de production comme les différentes composantes d’un même système.

8. FAQ : prestations de développement électronique