Brevet FR2685958A1 — publié le 19930709

- APPAREIL PORTATIF ET AUTONOME POUR LA DETECTION ET L'ENREGISTREMENT DE PHENOMENES DE COURTE DUREE SE PRODUI- SANT ALEATOIREMENT. La présente invention concerne un appareil portatif et autonome pour la détection et l'enregistrement, au cours de périodes de temps relativement longues de grandeurs représentatives de phénomènes de courte durée se produi- sant aléatoirement. Elle s'applique notamment, mais non exclusivement, à la détection et à l'enregistrement de chocs pouvant affecter des objets tels que des marchandises, au cours de leurs transports et/ou de leurs manutentions. Bien entendu, une telle détection peut notamment servir à déceler, après coup, la cause d'une détérioration de l'objet surveillé ainsi que le moment (horodatage) o s'est produit le choc qui a causé cette détérioration. Ces informations permettent par exemple de savoir à qui incombe la responsabilité des dégâts ainsi causés et peu- vent donc constituer des éléments particulièrement utiles aux compagnies d'assurance, voire même à la justice. Il est clair que dans le cadre d'une telle application, un appareil de ce genre doit présenter une grande autono- mie, et ce, avec un encombrement aussi réduit que pos- 2 - sible Par ailleurs, il doit être parfaitement étanche, résistant aux chocs et pouvoir fonctionner dans des conditions difficiles (hautes et basses températures) Il doit être en outre totalement inviolable (les informa- tions mémorisées ne devant être lues que par des per- sonnes habilitées et être protégées contre toute destruc- tion). Compte tenu de ces impératifs, la détection en continu de la grandeur à surveiller et la mémorisation périodique d'échantillons représentatifs de cette grandeur sont ex- clues En effet, la consommation énergétique propre à ce type de fonctionnement est relativement importante et ne permet pas d'obtenir à la fois une bonne autonomie et un faible volume. Ceci s'explique par le fait que même dans le cas o l'on dispose, pour la détection des grandeurs à mesurer, de capteurs faiblement consommateurs d'énergie électrique (tels que, par exemple, les accéléromètres capacitifs utilisés pour la détection des chocs), le microcontrôleur nécessairement utilisé pour assurer les séquences de fonctionnement présente une consommation électrique trop importante en fonctionnement continu. En vue de résoudre ce problème, l'invention part de la constatation que dans les applications concernées par l'invention, les phénomènes à détecter: ne se produisent pas fréquemment (en principe, ils ne devraient pas se produire du tout), se manifestent pendant une période de temps relative- ment courte, mais non négligeable. L'invention tire donc parti de ces propriétés et propose donc un appareil portatif de mesure faisant intervenir au moins un capteur sensible à la grandeur que l'on désire surveiller, un convertisseur analogique/numérique apte à 3 - délivrer un signal numérique représentatif de la grandeur détectée par le capteur, un microcontrôleur apte à préle- ver des échantillons dudit signal numérique, à les asso- cier à des informations permettant d'effectuer leur horo- datage et de les mémoriser dans une mémoire accessible par un module de lecture distinct dudit appareil grâce à des moyens de communication appropriés. Selon l'invention, ce dispositif est caractérisé en ce qu'il comprend un circuit logique de réveil apte à com- mander une période de fonctionnement du microcalculateur lorsque le susdit capteur émet un signal annonciateur de l'occurrence d'un phénomène surveillé. Selon une autre caractéristique de l'invention, le réveil du microcontrôleur est en outre réveillé périodiquement pour effectuer un comptage du temps, et ce, afin de per- mettre l'horodatage des échantillons mis en mémoire. Un mode d'exécution de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux des- sins annexés dans lesquels: La figure 1 est une représentation schématique d'un appareil pour la détection et l'enre- gistrement de chocs; La figure 2 est un schéma synoptique du circuit électronique d'un appareil du type de celui re- présenté sur la figure 1; La figure 3 est un chronogramme des principaux signaux engendrés par le circuit représenté sur la figure 2. L'appareil illustré par ces figures est plus particuliè- rement destiné à détecter et à enregistrer les chocs su- 4 - bis par un véhicule de transport de marchandises tel que, par exemple, un wagon d'un train de marchandises. Cet appareil comprend, logées dans un boîtier (bloc 1), de préférence étanche, résistant au choc et de préférence ignifugé, deux chaînes de mesure 2, 3, gérées par un mi- crocontrôleur 4 associé à une mémoire 5 et qui reçoit un signal d'horloge en provenance d'un circuit d'horloge sé- paré 6. La première chaîne de mesure comprend un accéléromètre 7, de préférence de type capacitif, présentant une structure pendulaire micro-usinée dans une plaquette mince mono- cristalline et apte à détecter des accélérations de l'ordre de 25 g. Cet accéléromètre 7 est axé de manière à détecter la com- posante horizontale, longitudinale des chocs subis par le véhicule Bien entendu, cet accéléromètre 7 est associé à un conditionneur 8 de type classique qui délivre un si- gnal analogique filtré successivement par un filtre passe bas 9 (présentant, par exemple, une fréquence de coupure Fe de 40 Hz avec une atténuation de 24 d B/octave) et un filtre passe haut 10 (présentant, par exemple, une fré- quence de coupure de 0,1 Hz et une atténuation de 6 d B/octave). Le signal analogique filtré à la sortie du filtre passe haut 10 est transmis, d'une part, à un convertisseur ana- logique/numérique 11 et, d'autre part, à un comparateur à fenêtre 12 délimitée par un seuil supérieur et un seuil inférieur, par exemple de 1 g. Ce comparateur à seuil 12 produit pour chacune des va- leurs d'accélération comprise dans la fenêtre 1 g, un signal d'inhibition qui est appliqué au convertisseur 11 en le rendant inactif. - Outre son entrée reliée au filtre 10, le convertisseur Il comprend une entrée d'horloge connectée à une sortie d'horloge P 2 du microcontrôleur 4, une sortie série déli- vrant des mots de huit bits (sept bits de données et un bit de signe) et reliée à une entrée de données P 3 du mi- crocontrôleur 4 et une sortie destinée à transmettre un signal de fin de conversion au microcontrôleur (port Pi). D'une façon analogue, la deuxième chaîne de mesure 3 com- prend un capteur accélérométrique 13, également de type capacitif, axé de manière à détecter les composantes ver- ticales des accélérations du véhicule Il s'agit ici de détecter si le véhicule roule ou pas Ce capteur accélé- rométrique 13, qui est destiné à détecter des accéléra- tions plus faibles ( 2 g), est lui aussi associé à un conditionneur 14 dont la sortie est reliée à un conver- tisseur 15 apte à mesurer la valeur efficace de l'accélération détectée, par l'intermédiaire de deux filtres successifs, à savoir: un filtre passe bas 16 présentant, par exemple, une fréquence de coupure de 1000 Hz avec une atténuation de 12 d B/octave et un filtre passe haut 17 présentant une fréquence de coupure de Hz avec une atténuation de 6 d B/octave. La valeur efficace de l'accélération, déterminée par le convertisseur 15, est appliquée à l'une des deux entrées d'un comparateur 18 dont la deuxième entrée est connectée à une sortie 3 du microcontrôleur 4 qui fournit une va- leur de seuil (par exemple comprise entre 0,01 g et 0,08 g) sélectionnable par le microcalculateur 4 (par exemple sur trois bits). La sortie de ce comparateur 18 est appliquée à un circuit logique 19 de mémorisation, également relié à la sortie du comparateur 12. Ce circuit logique 19 effectue un échantillonnage-blo- cage, à intervalle régulier, de l'état de la sortie du 6 - comparateur 18 il est inhibé lors de la détection d'un choc, par signal émanant du comparateur 12. Le séquencement du microcontrôleur 4 ainsi que de ses or- ganes annexes est assuré au moyen d'une horloge compre- nant un oscillateur à quartz 20-21 dont la sortie, qui délivre ici un signal de fréquence 2,097 152 M Hz, est ap- pliquée à un circuit de réveil 22 du microcontrôleur 4 et à un circuit diviseur de fréquence 23 qui délivre, sur une première sortie Si, un signal d'horloge présentant une période de 1 mn et sur une deuxième sortie 52, un si- gnal d'horloge présentant une période de 1 s. Le signal d'horloge de 1 mn est appliqué à l'une des trois entrées d'une porte OU, 24, tandis que le signal d'horloge de 1 S est appliqué au circuit logique de mémo- risation et de mise à jour 19 La sortie de la porte OU, 24 est reliée à une entrée de commande du circuit logique 22, lequel est connecté par une autre entrée à une sortie P 8 du microcontrôleur 4 destinée à délivrer un signal d'arrêt et comprend une sortie connectée à une entrée d'horloge P 7 du microcontrôleur 4 apte à recevoir le si- gnal d'horloge produit par l'oscillateur 20-21, une sor- tie apte à délivrer un signal de commande d'un générateur 26 de tension de référence connecté au microcontrôleur 4 (port P 9) et une sortie chien de garde connectée à une entrée de remise à zéro (port Pla) du microcontrôleur 4. Le fonctionnement du circuit précédemment décrit est alors le suivant: L'oscillateur à quartz 20-21 est en fonctionnement perma- nent Il a été spécialement étudié pour cette application et est intégré dans un Asic Sa consommation est très faible (quelques micro-ampères). La fréquence de sortie de cet oscillateur 20-21 est four- nie au microcontrôleur comme fréquence d'horloge durant 7 - chacune de ses périodes d'activité selon le processus qui sera expliqué dans la suite. Le reste du temps, cette fréquence ne sort pas de l'Asic pour réduire la consommation de l'ensemble (à titre indi- catif, on notera que la capacité parasite d'une broche de circuit intégré soumise à une fréquence de 2 M Hz sous 5 V consomme un courant d'environ 100 p A). De même, les deux chaînes de mesure 2, 3 sont en fonc- tionnement permanent Compte tenu du fait que l'on uti- lise des accéléromètres 7, 13 de type capacitif, l'énergie consommée par ces chaînes de mesure 2, 3 est extrêmement faible. En l'absence de choc, le signal d'accélération issu du capteur 7 demeure à l'intérieur de la fenêtre de sorte que le comparateur 12 transmet un signal d'inhibition qui bloque le convertisseur analogique/numérique 11, et la logique de mémorisation 19 et qui interrompt l'alimentation du microcontrôleur 4 en tension de réfé- rence (bloc 26) et la transmission vers ce dernier (port P 7) du signal d'horloge de 2,097 152 M Hz produit par l'oscillateur 20-21 (via la porte OU, 24 et le circuit logique 22). Parallèlement, la deuxième chaîne de mesure 3 détecte en sortie du comparateur 18 l'état arrêt/marche du véhicule, tandis que la logique de mémorisation 19 effectue son échantillonnage-blocage. Périodiquement, l'impulsion de période 1 mn délivrée par le circuit diviseur provoque, via le circuit OU et le circuit logique, un réveil furtif du microcontrôleur et l'activation de la source de tension de référence, pour effectuer un comptage du temps. 8 - Lorsqu'il se produit un choc se traduisant par la détec- tion par le capteur 7 d'une valeur d'accélération située en dehors de la fenêtre du comparateur 12, celui-ci transmet un signal d'activation qui active le convertis- seur analogique/numérique 11, et la source de tension de référence 26 et réveille, grâce à l'application de ce si- gnal sur une entrée réveil (port P 4) du microcalculateur 4, la mise en service de ce dernier Parallèlement, la logique de mémorisation 19 est inhibée. Le microcontrôleur 4 effectue alors un cycle de lecture des informations présentes à la sortie du convertisseur analogique/numérique 11 (amplitude du choc) à la sortie du circuit logique 19 (qui indique l'état arrêt ou marche du véhicule avant le choc) et qui met en mémoire ces in- formations, avec une indication de l'instant o s'est produit le choc (grâce à la lecture du compteur de temps). Lorsque le microcontrôleur 4 a terminé son cycle de trai- tement, il le signale au circuit logique 22 par la trans- mission sur le port P 8 d'un signal de fin de traitement. Le circuit logique 22 fournit alors un nombre déterminé d'impulsions d'horloge (par exemple 250) avant d'en stop- per la fourniture. L'ensemble du dispositif retourne à l'état de veille jusqu'à ce que se produise un nouveau choc ou une nou- velle impulsion de comptage du temps. Ce processus se trouve illustré par le chronogramme re- présenté figure 3 dans lequel la courbe crénelée Cl cor- respond au signal A présent à la sortie de la porte OU, 24, la courbe C 2 indique la présence ou l'absence du si- gnal d'horloge à l'entrée Cl du microcontrôleur 4 et la courbe C 3 est la courbe de fonctionnement (marche/arrêt) du microcontrôleur 4. 9 - On constate qu'une impulsion du signal Cl engendrée à la suite d'un choc provoque la transmission du signal d'horloge au microcontrôleur 4 Parallèlement, ce dernier passe à l'état marche pour la durée d'un cycle A la fin du cycle, le microcontrôleur 4 passe à l'état arrêt La transmission du signal d'horloge cesse alors au bout de 250 impulsions d'horloge. La lecture des informations mémorisées par le module de lecture s'effectue au moyen d'un appareil de lecture 30 sur lequel le module de détection peut éventuellement se connecter, la connexion étant alors réalisée au moyen d'un connecteur classique 31 par exemple de type R 5232. Bien entendu, cette communication pourrait s'établir à distance grâce à un système de communication à ondes électromagnétiques, optiques, sonores ou ultrasonores re- présenté en traits interrompus sur la figure 2. - Revendications 1 Appareil portatif et autonome pour la détec- tion et l'enregistrement au cours de périodes de temps relativement longues, de grandeurs représentatives de phénomènes de courte durée se produisant aléatoirement, cet appareil faisant intervenir au moins une chaîne de mesure comportant un capteur ( 7) sensible à la grandeur que l'on désire surveiller, un convertisseur analo- gique/numérique ( 11) apte à délivrer un signal numérique de la grandeur détectée par le capteur, un microcontrô- leur ( 4) apte à prélever des échantillons dudit signal numérique, à les associer à des informations permettant d'effectuer leur horodatage et de les mémoriser dans une mémoire ( 5) accessible par un module de lecture ( 30) dis- tinct dudit appareil grâce à des moyens de communication appropriés, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit logique de réveil ( 22) apte à commander une période de fonctionne- ment du microcalculateur ( 4) lorsque le susdit capteur ( 7) émet un signal annonciateur de l'occurrence d'un phé- nomène surveillé. 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit logique de réveil ( 22) comprend des moyens aptes à réveiller périodiquement le microcontrôleur ( 4) pour effectuer le comptage du temps, et ce, afin de permettre l'horodatage des échantillons mis en mémoire. 3 Appareil selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la susdite chaîne de mesure com- prend un capteur analogique ( 7) connecté, par l'intermédiaire de circuits de filtrage ( 9, 10), d'une part, à un convertisseur analogique/numérique ( 11) et, d'autre part, à un comparateur à seuil ( 12) qui inhibe le il convertisseur ( 11) lorsque les valeurs détectées sont comprises dans une fourchette de valeurs déterminées. 4 Appareil selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une deuxième chaîne de mesure ( 3) apte à détecter une deuxième grandeur et des moyens ( 18) permettant la mémorisation d'une information relative à cette grandeur en relation avec la mémorisa- tion des susdits échantillons. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que la deuxième chaîne de mesure com- prend un capteur analogique ( 13), des moyens ( 15) permet- tant de déterminer la valeur efficace du signal émis par le capteur ( 13) et un comparateur ( 18) apte à comparer cette valeur efficace à une valeur de seuil déterminée et à émettre un signal binaire qui constitue la susdite in- formation. 6 Appareil selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que le séquencement du microcontrôleur ( 4) ainsi que de ses organes annexes est assuré au moyen d'une horloge ( 20-21) dont la sortie est appliquée au mi- crocontrôleur ( 4) par l'intermédiaire d'un circuit lo- gique ( 22) lorsque le susdit comparateur ( 11) à seuil émet un signal d'habilitation. 7 Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le susdit circuit logique ( 22) transmet en outre périodiquement le signal d'horloge au microcalculateur ( 4), en même temps qu'il produit un ré- veil furtif de ce dernier, en vue d'effectuer un comptage du temps permettant d'effectuer un horodatage des infor- mations mémorisées. 12 - 8 Appareil selon l'une des revendications pré- cédentes, caractérisé en ce que le microcontrôleur ( 4) comprend des moyens permettant d'engendrer, à la fin de son cycle de lecture, un signal de fin de traitement qui provoque l'interruption de la transmission du signal d'horloge par le circuit logique ( 22). 9 Appareil selon l'une des revendications pre- cédentes, caractérisé en ce que les susdits capteurs analogiques ( 7, 13) consistent en des accéléromètres capacitifs.