Brevet FR2662320A1 — publié le 19911122

Dispositif de liaison sans contact pour relier des tronçons de bus série. La présente invention concerne un dispositif de liaison sans contact pour le raccordement de deux tronçons de bus série de type différentiel ou non, répondant aux standards EIA. Le domaine d'application de l'invention est celui de la transmission birectionnelle d'informations par bus série entre deux dispositifs, en particulier lorsque ces deux dispositifs sont physiquement isolés l'un de l'autre, ou sont mobiles l'un par rapport à l'autre ou doivent pouvoir être facilement séparés l'un de l'autre. Ainsi, l'invention trouve des applications pour le trans- fert d'informations à travers une paroi étanche entre un local confiné en milieu hostile, tel qu'un local d'une installation nucléaire ou chimique, et un local en milieu non hostile, ou pour le transfert d'informations entre deux dispositifs séparés dans un environnement hostile, par exemple entre deux dispositifs immergés, ou encore pour le transfert d'informations à travers une paroi non métallique telle qu'une vitre ou la peau, en conservant l'intégrité de la paroi. L'invention trouve également des applications dans tous les cas o un dispositif de liaison sans contact peut avantageuse- ment être substitué à une liaison par connecteur et/ou une liaison souple pour assurer la transmission d'informations sur bus série entre deux appareils distincts ou entre deux pièces mobiles l'une par rapport à l'autre. Il en est ainsi dans le cas de connecteurs qui sont fréquemment manipulés (par exemple dans des appareillages médicaux) ou qui sont soumis à des conditions d'exploitation sévères (humidité, atmosphère corrosive, boue, poussière, vibrations), entraînant une rapide détérioration des contacts Il en est ainsi également dans le cas de liaisons souples entre pièces mobiles, du fait que ces liaisons limitent et peuvent gêner les mouvements relatifs entre les pièces et peuvent facilement être endommagées. En particulier, l'invention est utilisable en robotique, pour le transfert d'informations entre différents éléments mobiles d'un robot, dans le domaine automobile, pour le transfert d'infor- mations entre différentes parties d'un véhicule ou entre un véhicule tracteur et une remorque, ou dans le domaine du machinisme agricole, pour le transfert d'informations entre un tracteur et un outil ou une machine tractés. Le document EP-A O 285 477 décrit un dispositif de transmission d'informations entre véhicules accouplés, chaque véhicule étant muni d'un boîtier emetteur-récepteur coopérant sans contact avec un boîtier analogue de l'autre véhicule, chaque boîtier étant raccordé à un bus de type RS 485 Les boîtiers sont disposés de sorte que l'émetteur d'un boîtier fait face au récepteur de l'autre boîtier, les émetteurs et récepteurs étant constitués par des pots de ferrite. Avec une telle disposition, il est nécessaire pour assurer une transmission correcte des informations que l'émetteur d'un boîtier soit aligné avec le récepteur correspondant de l'autre boîtier Tout mouvement relatif entre les véhicules suivant une direction autre que parallèle aux axes des couples émetteur- récepteur produit un désalignement, au moins pour un des couples. Par conséquent, le dispositif du document EP-A O 285 477, non seulement requiert un positionnement relatif très précis entre les deux boîtiers, mais, de plus, ne tolère pas de mouvements relatifs d'amplitude substantielle entre ceux-ci. La présente invention a pour but de fournir un dispositif de liaison sans contact entre deux tronçons de bus série ne présentant pas de tels inconvénients. Ce but est atteint au moyen d'un dispositif comportant un premier module émetteur-récepteur auquel aboutit le premier tronçon de bus, et un deuxième module émetteur-récepteur auquel aboutit le deuxième tronçon de bus, les modules émetteurs- récepteurs étant disposés face à face et couplés électro- magnétiquement, chaque module émetteur-récepteur comprenant des moyens pour appliquer à un bobinage émetteur un signal modulé par l'information à transmettre provenant du tronçon de bus auquel le module est raccordé, et des moyens détecteurs recevant un signal modulé d'un bobinage récepteur pour élaborer l'information à transmettre vers le tronçon de bus auquel le module est raccordé, dispositif dans lequel, conformément à l'invention, dans chaque module émetteur-récepteur, les bobinages émetteur et récepteur sont constitués par un seul et même enroulement à plat en spirale. Avantageusement, chaque module émetteur-récepteur com- prend des moyens pour empêcher la réinjection, sur le tronçon de bus auquel le module est raccordé, de l'information provenant de ce tronçon de bus et devant être transmise à l'autre module émetteur-récepteur. L'utilisation d'un seul bobinage émetteur et récepteur constitué par un enroulement à plat en spirale, ou en "colimaçon", présente des avantages significatifs. Ainsi, il est possible de tolérer un désalignement rela- tivement important entre les modules émetteurs-récepteurs. En outre, les dispositifs ou pièces munis des modules émetteursrécepteurs peuvent être animés d'un mouvement de rotation autour d'un axe qui coîncide ou est proche de celui des deux enrou- lements situés en regard lrun de l'autre, sans affecter la trans- mission des informations Il n'en est pas de même lorsque la trans- mission d'informations dans un sens et dans l'autre se fait suivant deux trajets parallèles mais distincts, comme dans le dispositif de liaison du document EP-A O 285 477. De plus encore, l'enroulement à plat constituant à la fois le bobinage émetteur et le bobinage récepteur peut être réalisé sous forme d'un élément de circuit imprimé, permettant une réalisation compacte de chaque module émetteur-récepteur, par exemple sous forme d'une carte Il est en particulier possible de former l'enroulement sur une carte de circuit imprimé, autour des autres composants du module émetteur-récepteur. Selon un premier mode de réalisation du dispositif conforme à l'invention, les deux modules émetteurs-récepteurs sont de type "actif", c'est-à-dire sont munis chacun d'une source d'énergie électrique. Selon un deuxième mode de réalisation, l'un des modules, par exemple le premier, est "actif",tandis que l'autre est "passif", c'est-à-dire ne comprend pas de source propre d'énergie électrique. Un module émetteurrécepteur actif comprend des moyens de modulation recevant l'information à émettre et comprenant au moins un oscillateur relié à l'enroulement Divers types classiques de modulation peuvent être utilisés: modulation d'amplitude, modula- tion de fréquence ou modulation de phase. Dans un module émetteur-récepteur passif, l'énergie nécessaire au fonctionnement du module est prélevée sur l'énergie émise par l'enroulement du module actif auquel le module passif est couplé, qu'il y ait ou non transmission d'information. D'autres particularités et avantages du dispositif de liaison selon l'invention ressortiront à la lecture de la descrip- tion faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma électrique d'un mode de réalisation d'un dispositif de liaison conforme à l'invention, la figure 2 illustre très schématiquement une réalisa- tion matérielle d'un module émetteur-récepteur du dispositif de la figure 1, la figure 3 est un schéma électrique d'un autre mode de réalisation d'un dispositif de liaison conforme à l'invention, et les figures 4 et 5 montrent des systèmes de transmis- sion d'informations utilisant des couples de modules émetteurs- récepteurs comprenant chacun un module "actif" et un module "passif". Le dispositif de liaison illustré par la figure 1 est constitué de deux modules émetteurs-récepteurs actifs identiques chacun raccordé à un troncon respectif d'un bus série BS Dans cet exemple, le bus BS est un bus de type RS 232 à fonctionnement en semi-duplex ("half-duplex") Les modules 10 sont destinés à réaliser une liaison sans contact entre les deux tronçons de bus BS pour assurer, de façon transparente, la transmission d'informa- tions sur le bus BS de la même façon que si celui-ci était continu. Dans sa partie émettrice, chaque module 10 comprend une entrée d'émission TXD reliée à un circuit d'adaptation 12 ("driver" de bus) Les informations numériques sous forme binaire reçues du tronçon de bus connecté au module 10, en sortie du circuit 12, sont appliquées sur une entrée de commande d'un oscillateur haute fréquence 16 Dans l'exemple ici considéré, le signal de sortie de l'oscillateur, qui se présente sous forme d'impulsions à haute fréquence, est modulé en amplitude par les informations à trans- mettre Le signal modulé est appliqué à un interrupteur statique 14 tel qu'un transistor à effet de champ branché en série avec un enroulement 20 entre la masse et une borne portée à un potentiel d'alimentation de l'enroulement Un condensateur 18 est branché en parallèle sur l'enroulement 20 formant avec celui-ci un circuit LC. Dans chaque module 10, un seul et même enroulement 20 est utilisé en tant qu'enroulement émetteur et récepteur couplé électromagnétiquement à l'enroulement 20 de l'autre module. Dans sa partie réceptrice, chaque module comprend un circuit de filtrage 22 reçevant, éventuellement après écrêtage, le signal modulé transmis à l'enroulement 20 depuis l'autre module. Le signal de sortie du circuit de filtrage 22 est démodulé au moyen d'un circuit de démodulation 24, puis mis en f( d'un circuit 26, tel qu'une bascule de Schmidt LE produites par le circuit de mise en forme 26, qui aux informations numériques reçues de l'autre r appliquées à la sortie de réception RXD à travers i portes 28 de suppression d'écho et un circuit d bus 32 Le circuit 28 de suppression d'écho est t portes logiques, commandé par la sortie du circuit 1: médiaire d'un inverseur 30. L'entrée d'émission TXD et la sortie de sont reliées au tronçon de bus auquel le module est circuit d'alimentation 34 fournit la tension +v l'alimentation des composants du module et la tension orme au moyen as impulsions correspondent nodule, sont in circuit à adaptation de in circuit à 2 par l'inter- réception RXD connecté Un nécessaire à nécessaire à l'enroulement 20, à partir d'une tension V fournie par une source d'énergie extérieure, par exemple une batterie d'accumulateurs. Le fonctionnement du dispositif de liaison décrit ci-avant découle à l'évidence de ce qui précède Chaque module émetteur-récepteur fonctionne, alternativement, soit en émetteur, soit en récepteur Lors du fonctionnement en émetteur, le circuit de suppression d'écho 28 est commandé par les données à émettre afin de bloquer la voie réception pour éviter la réinjection de ces données sur le tronçon de bus d'o elles proviennent. Conformément à l'invention, et comme montré sur la figure 2, l'enroulement émetteur-récepteur 20 est constitué par un enrou- lement à plat en spirale ou "colimaçon" Avantageusement, l'enrou- lement 20 est imprimé sur un circuit 36 en forme de carte Dans l'exemple illustré, celle-ci porte en outre, dans une zone 38, les autres composants constitutifs du module auxquels l'enroulement 20 est relié L'utilisation d'un circuit imprimé permet une réalisa- tion très compacte du module émetteur-récepteur. Il est toutefois possible de former l'enroulement 20 sur un support séparé de la carte portant les autres composants du module et relié à celle-ci par un conducteur blindé Il en sera ainsi notamment lorsque l'emplacement de l'enroulement est dans un environnement hostile pour les autres composants. De préférence, l'enroulement 20 est imprimé en double face, afin d'augmenter le champ, les colimaçons formés sur les deux faces de la carte étant connectés en série Un plus grand nombre de colimaçons pourra être utilisé dans le cas d'un circuit multi- couches avec impression d'un colimaçon par couche. L'enroulement 20 pourra être formé sur d'autres supports, comme par exemple un support céramique Dans ce cas, l'enroulement est formé par exemple en utilisant un procédé de dépôt. Le couplage entre deux modules émetteurs-récepteurs est réalisé en disposant les enroulements 20 de ceux-ci en regard, c'est-à-dire dans des plans parallèles et avec leurs axes sensible- ment alignés. Des essais ont été effectués avec un dispositif de liaison tel qu'illustré par les figures 1 et 2, l'oscillateur 16 fournissant un signal de fréquence égale à environ 1 M Hz et les enroulements 20 étant constitués de 20 spires, avec un diamètre extérieur sensiblement égal à 50 mm. Le dispositif de liaison a permis d'atteindre sans difficultés un débit d'informations d'au moins 300 kbits/s sur un bus de type RS 232 Dans le cas envisagé plus loin d'un bus de type RS 485, un débit de 150 kbits/s a été facilement atteint La distance séparant les enroulements 20 des deux modules a été augmentée jusqu'à environ 2 cm sans que la transmission d'informa- tions soit en aucune manière affectée. En outre, il a été observé que le dispositif tolère un désalignement relativement important (jusqu'à 10 mm) entre les axes des deux enroulements sans incidence sur la qualité de la transmission Un désalignement plus important pourraît éventuelle- ment être supporté en augmentant les dimensions des enroulements ou de l'un d'entre eux L'un au moins des enroulements peut alors être formé sur la carte de circuit imprimé non pas à côté de l'emplace- ment des autres composants montés sur la carte, mais autour de l'ensemble de ceux-ci. La figure 3 illustre un autre mode de réalisation d'un dispositif de liaison selon l'invention utilisant non pas deux modules actifs (c'est-à-dire ayant leur propre circuit d'alimenta- tion électrique), mais un module actif 40 et un module passif 70 dépourvu de source d'énergie propre. Le module actif 40 est similaire à ceux illustrés par la figure 1 Il comprend un oscillateur 46 dont une entrée de commande reçoit les informations numériques à transmettre venant d'un circuit 42 d'adaptation de bus Le signal de sortie de l'oscillateur, modulé par les informations à transmettre, commande un interrupteur 44 branché en série avec un enroulement 50 entre la masse et une source d'alimentation de l'enroulement L'enroule- ment 50 est un enroulement en colimaçon analogue à l'enroulement 20 décrit plus haut Un condensateur 48 est branché en parallèle sur l'enroulement 50. Les signaux reçus par l'enroulement 50 sont filtrés au moyen d'un filtre 52, démodulés au moyen d'un circuit de démodulation 54 et mis en forme par un circuit de mise en forme 56. Les informations numériques obtenues sont transmises au tronçon de bus auquel le module 40 est connecté par l'intermédiaire d'un circuit 58 de suppression d'écho et d'un circuit 62 d'adaptation de bus Le circuit 58 de suppression d'écho est commandé par les informations numériques émises, par l'intermédiaire d'un inverseur Un circuit d'alimentation 64 fournit la tension +v d'alimenta- tion des composants du module 40 et la tension d'alimentation de l'enroulement 50 Les circuits 42 et 62 sont reliés au tronçon de bus auquel le module 40 est connecté. Le module passif 70 comprend un enroulement 80 en coli- maçon, semblable à l'enroulement 50 et couplé à celui-ci Un condensateur 78 est branché en parallèle avec l'enroulement 80. Le signal aux bornes de l'enroulement 80 est redressé au moyen d'un redresseur simple alternance 96 dont la sortie est appliquée à un régulateur de tension 94 qui fournit la tension d'alimentation +v pour les composants du module passif 70 Ainsi, l'énergie nécessaire au fonctionnement du module passif provient de l'oscillateur 46 du circuit actif, par l'intermédiaire des enroulements 50 et 80, qu'il y ait ou non transmission d'informa- tions Afin d'assurer un transfert d'énergie optimum, l'oscil- lateur 46 fournit un signal dont la fréquence est égale à la fréquence de résonance du circuit LC formé par l'enroulement 80 et le condensateur 78 On utilisera alors un oscillateur stable en fréquence Une grande stabilité n'est par contre pas exigée dans le cas d'un oscillateur de module actif couplé à un autre module actif. Les signaux numériques correspondant aux informations à transmettre, venant d'un circuit d'adaptation de bus 72, commandent un interrupteur 74 constitué par un transistor VMOS. Celui-ci est branché en série avec un condensateur 76 pour former un circuit en parallèle sur le condensateur 78 La fermeture de l'interrupteur 74 commande par conséquent la mise en parallèle du condensateur 76 sur le condensateur 78 et le désaccord du circuit résonnant formé par celui-ci et l'enroulement 80 Il en résulte un affaiblissement du signal détecté par l'enroulement 50 du module actif 40, ce qui permet la restitution des informations numériques venant du module passif 70. En réception, le module passif 70 comprend un circuit d'écrêtage 82 connecté à l'enroulement 80 Les signaux reçus par l'enroulement 80 et écrêtés sont démodulés au moyen d'un circuit de démodulation 84, filtrés au moyen d'un circuit de filtrage 86 et mis en forme par un circuit de mise en forme 88 Les circuits 72 et 92 sont reliés au tronçon de bus auquel le circuit passif 70 est connecté. Afin de minimiser la consommation d'énergie par le module passif, les composants actifs de celui-ci sont de préférence choisis en technologie CMOS. La transmission d'informations entre un module actif et un module passif est réalisée de la même façon qu'entre deux modules actifs, la distance maximale séparant les enroulements devant toutefois être plus limitée. Plusieurs dispositifs de liaison conformes à l'invention, formés par des couples module actif/module actif ou module actif/module passif peuvent bien entendu être utilisés pour former un bus à partir de plus de deux tronçons. Ainsi, la figure 4 montre un couple constitué par un module actif 401 et un module passif 701 reliant un premier tronçon de bus série B 51 et un deuxième tronçon de bus série B 52, et un deuxième couple constitué également par un module actif 402 et un module passif 702 reliant le deuxième tronçon de bus B 52 et un troisième tronçon de bus série B 53. Quant à la figure 5, elle montre un couple constitué par un module actif 401 et un module passif 701 reliant un premier tronçon de bus série B 51 et un deuxième tronçon de bus série B 52, et un deuxième couple constitué inversement d'un module passif 7 2 et d'un module actif 402 reliant le deuxième tronçon de bus B 52 à un troisième tronçon de bus série B 53. L'ensemble constitué par le module passif 70 '1, le tron- çon de bus B 52 et le module passif 702 connectés en série constitue une "rallonge" de bus série passive. Un ou plusieurs tronçons de bus tels que B 54 peuvent être branchés en dérivation sur le tronçon de bus B 52 pour être connectés à d'autres tronçons de bus par des dispositifs de liaison conformes à l'invention. En référence aux figures 1 à 3, on a envisagé le cas de dispositifs de liaison pour bus de type RS 232. Bien entendu, l'invention est applicable à d'autres bus série, de type différentiel ou non, répondant aux standards EIA. Ainsi, la figure 6 montre un module actif 100 d'un dispositif de liaison conforme à l'invention destiné à un bus de type RS 485 A l'exception des circuits d'adaptation de bus 112 et 132, qui sont spécifiques au bus RS 485, les circuits constituant les trajets émission et réception du module 100 sont identiques à ceux constituant les mêmes trajets dans le module 10; ils ne seront pas décrits à nouveau (sur la figure 6, ces circuits portent les mêmes références que sur la figure 2). A la différence du module actif 10 de la figure 1, on note sur la figure 6 que le circuit de suppression d'écho 28 est commandé directement par les signaux numériques correspondant aux informations à transmettre, ceci pour tenir compte de la polarité de ces signaux dans le cas de bus RS 485. Dans les circuits décrits ci-avant, la transmission entre les modules est réalisée par modulation d'amplitude par les informations à transmettre D'autres types connus de modulation pourront être mis en oeuvre, en particulier des modulations de fréquence, ou de phase. Lorsque le type de modulation choisi est la modulation de fréquence, il pourra être prévu de munir chaque circuit actif d'une pluralité de circuits oscillateurs. Il REVENDICATIONS 1 Dispositif de liaison sans contact pour relier un premier et un deuxième tronçon de bus série afin de permettre la transmission birectionnelle d'informations sur le bus formé par les deux tronçons, comportant: un premier module émetteur-récepteur ( 10; 40) auquel aboutit le premier tronçon de bus, et un deuxième module émetteur- récepteur ( 10; 70) et auquel aboutit le deuxième tronçon de bus, les modules émetteurs-récepteurs ( 10) étant disposés face à face et couplés électromagnétiquement, chaque module émetteur-récepteur comprenant des moyens pour appliquer à un bobinage émetteur ( 20; 50, 80) un signal modulé par l'information à transmettre provenant du tronçon de bus auquel le module est raccordé, et des moyens détecteurs reçevant un signal modulé d'un bobinage récepteur ( 20; 50,80) pour élaborer l'information à transmettre sur le tronçon de bus auquel le module est raccordé, caractérisé en ce que, dans chaque module émetteur- récepteur ( 10; 40,70), les bobinages émetteur et récepteur sont constitués par un seul et même enroulement à plat en spirale ( 20; , 80). 2 Dispositif de liaison selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué de deux modules émetteurs- récepteurs actifs ( 10), chacun muni d'un circuit d'alimentation propre ( 34) relié à une source d'énergie et de moyens de modulation recevant les informations à transmettre et comprenant au moins un circuit oscillateur ( 16). 3 Dispositif de liaison selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un module émetteur- récepteur actif ( 40) muni d'un circuit d'alimentation propre ( 64) relié à une source d'énergie et de moyens de modulation recevant les informations à transmettre et comprenant au moins un oscilla- teur ( 46), et d'un module émetteur-récepteur passif ( 70) comprenant des moyens ( 96, 94) pour fournir une tension d'alimentation par prélèvement d'énergie sur celle fournie par le module actif ( 40). 4 Dispositif de liaison selon l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que chaque module émetteur-récepteur actif comprend des moyens ( 28, 30; 58,60) pour empêcher la réinjection, sur le tronçon de bus auquel le module est raccordé, de l'information provenant de ce tronçon de bus et devant être transmise à l'autre module émetteur-récepteur. Dispositif de liaison selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les enroulements ( 20; , 80) sont constitués par des éléments de circuit imprimé. 6 Dispositif de liaison selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque enroulement est formé de plusieurs impressions superposées connectées en série. 7 Dispositif de liaison selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque module est sous forme d'une carte de circuit imprimé ( 36) et l'enroulement ( 20) est constitué par un élément de circuit imprimé formé autour de l'ensemble des autres composants du module montés sur la carte.