Brevet FR2923096A1 — publié le 20090501

L'invention consiste en un dispositif destiné à fiabiliser et simplifier les appareils fonctionnant à l'aide de pile(s) ou d'éléments rechargeables interchangeables et utilisant un microcontrôleur. Pour des raisons de clarté, le terme � pile � sera utilisé dans le texte qu'il s'agisse d'une seule pile, de plusieurs piles ou d'élément(s) rechargeable(s). Ces appareils doivent en effet faire face au risque de se trouver brutalement privés de leur source énergie lorsque l'utilisateur retire la pile. Cette suppression expose le microcontrôleur à perdre des données en mémoire dès que sa tension d'alimentation passe en dessous d'un certain seuil, ce qui peut être incompatible avec l'application : heure, date, réglages préservés, identification, stockage de données... ne peuvent être perdus sans préjudice pour l'utilisateur. Il est bien entendu possible de détecter la chute de la tension d'alimentation et d'interrompre brutalement le déroulement du programme afin de forcer le microcontrôleur à se mettre en mode très basse consommation, ce qui ne pose aucun problème sur des applications courantes, sauf lorsque l'on effectue des tâches complexes et relativement longues comme lancer un transfert de données vers une mémoire de masse : on ne peut alors interrompre immédiatement le fonctionnement du processeur sans risquer d'introduire des erreurs majeures dans la mémoire de masse. Les constructeurs résolvent généralement ce problème en plaçant une batterie ou une pile de sauvegarde (3) de taille suffisante sur l'alimentation (2) pour fournir l'énergie nécessaire à la clôture des tâches complexes (figure 1) : Lorsque la tension de la pile principale (1) chute en dessous d'un seuil défini, le circuit d'alimentation (2) se connecte sur la batterie de sauvegarde (3) afin de maintenir sa ligne de sortie (4) qui alimente le processeur (5) et ses périphériques (6) à une tension suffisante. Cette méthode a deux inconvénients : disposer d'un composant dont la taille et le coût viennent grever le volume et le prix de l'appareil, et ce d'autant plus que l'énergie demandée est élevée, gérer la charge d'une batterie dans des conditions de fonctionnement et de température variables, et intégrer un composant dont la durée de vie est généralement inférieure à celle des autres composants, ce qui se traduira inexorablement par des pannes à plus ou moins long terme. Une autre solution proposée est de ne pas autoriser l'accès à l'élément rechargeable présent dans l'appareil et lui fournissant l'énergie. Mais l'impossibilité de maintenir la partie qui est en général la plus sensible au vieillissement ne convient qu'à des appareils de courte durée de vie. La trappe à pile(s) à 3 positions stables successives: L'invention consiste en un dispositif (figure 2) associant au moins un compartiment de 2 pile (7) et un microcontrôleur (12), dans lequel l'élément (14) chargé de fermer le compartiment de pile, nommé trappe à pile, peut prendre trois positions stables successives: une position � ouverte � donnant accès au compartiment de piles, une position � fermée-arrêt � obturant ce compartiment, et une position � fermée-marche � obturant également le compartiment pile, mais entraînant le changement d'état d'un interrupteur (9) raccordé à une ligne d'entrée du microcontrôleur (12) afin de signaler à celui-ci le passage à cette position ou, inversement, le fait qu'il quitte cette position. Cet élément impose ainsi le passage par la position intermédiaire � fermée-arrêt � que l'on vienne de la position ouverte et que l'on veuille mettre en marche l'appareil, ou que l'on désire changer la pile présente dans le compartiment de pile alors que l'appareil est en route. Les figures 3a, 3b et 3c décrivent les 3 positions stables de la trappe et l'action sur l'interrupteur. En 3a, la trappe est retirée et l'interrupteur (9) ouvert. En 3b, la trappe obture le compartiment à piles mais laisse l'interrupteur ouvert. En 3c, la trappe maintient l'oblitération du compartiment à piles et ferme l'interrupteur (9). Les deux dernières positions sont stabilisées grâce à un élément (figure 2,16) poussé par un ressort tout autre moyen élastique, qui vient s'engager dans des creux (15) présents sur la trappe. On peut bien entendu prévoir d'autres moyens de blocage dans ces positions stables, comme un ergot élastique attaché à la trappe se bloquant dans des creux présents dans le boitier du dispositif. Dans le cas d'applications critiques, dans lesquelles le changement de position ne doit être effectué que par des personnes qualifiées, on empêche le passage de la position fermée-marche à la position fermée- arrêt si l'on ne dispose pas d'un outil. On peut établir cette fonctionnalité en disposant sur la face exposée de la trappe à pile non pas un relief donnant prise à un doigt, mais un creux relativement étroit (20, figure 3a) ou toute forme adaptée qui permet d'exercer avec un outil une force suffisante pour changer de position. Il est également possible de placer un verrou qui bloque la trappe en position fermée-marche et qui nécessite l'utilisation d'un outil pour le déverrouillage. Un avantage fournit par l'invention est d'intégrer ainsi le bouton Arrêt-Marche habituellement utilisé dans ce type d'application dans le dispositif de fermeture de la trappe. Il est donc possible de faire l'économie de cet interrupteur. Un indicateur de position, formé par exemple par une flèche, facilite la compréhension du système par l'utilisateur : cette flèche pointe une indication comme � OFF � ou un symbole indiquant que l'on est sur la position � fermée-arrêt � ou une indication comme � ON � ou un symbole pour indiquer que l'on est sur la position � fermé-marche �. 3 Dans la mesure où la pile présente dans le compartiment de pile sert à alimenter le microcontrôleur soit directement, soit grâce à l'usage d'un régulateur ou d'une alimentation à découpage (10) afin d'obtenir une tension compatible avec celle du microcontrôleur, on évite ainsi toute possibilité d'enlever la pile alors que l'appareil fonctionne en mode normal et le mettre dans une situation périlleuse du fait de la chute brutale de l'alimentation. Pour gérer correctement ces différentes situations, le microcontrôleur utilise l'information fournie par le susdit interrupteur pour arrêter la plupart de ses périphériques (13) et passer en mode très basse consommation lorsqu'il détecte la position � fermée-arrêt � ou la position � ouverte �, et inversement, mettre les périphériques en route pour faire tourner l'application dont il est chargé lorsqu'il détecte la position � fermée-marche �. Ce mode très basse consommation consiste généralement, après avoir sauvegardé les données courantes, à ne laisser fonctionner qu'une horloge pour gérer l'heure et la date. On obtient ainsi un courant d'alimentation de l'ensemble très faible, quelque microampères en général, lorsque l'on est amené à retirer les piles. Dans ces conditions, le microcontrôleur peut supporter l'interruption d'alimentation provoqué par un changement de la pile grâce à l'usage d'une réserve d'électricité de taille réduite comme de simples condensateurs capables de maintenir une tension d'alimentation convenable pendant une durée minimum de quelques dizaines de secondes. En effet, le faible courant demandé pour alimenter le microcontrôleur en mode très basse consommation n'impose que des condensateurs ordinaires et/ou des supercondensateurs si l'on souhaite prolonger la durée de sauvegarde à plusieurs heures. Prenons par exemple un ensemble qui consomme globalement 10 �A en mode très basse consommation et qui dispose simplement d'un condensateur de 10001,tF connecté sur la ligne d'alimentation du microcontrôleur, celle-ci devant être maintenue entre 3,3V et 2,0V. Le courant de 10�A décharge le condensateur à raison de : dV/s = 10.10-6/ (1000 x10-6) = 10mV/s. L'écart de tension possible étant de 3,3V û 2,0V = 1,3V, et le condensateur étant chargé 30 au départ à 3,3V, l'autonomie est donc de : 1,3 / 10. 10-3s = 130s. Ce temps est largement suffisant pour changer un jeu de pile(s). Il est toutefois souhaitable de disposer d'un temps supérieur en plaçant par exemple des condensateurs de plus grande valeur (0,01 à 1,0F) mais restant de petite taille dans la mesure où l'application est compacte, comme des supercondensateurs. Avec un supercondensateur de 0,1F et dans les mêmes conditions que précédemment, l'autonomie est portée à 13 000s, soit plus de 3 heures. L'utilisateur peut assimiler le mode très basse consommation à un état d'arrêt complet du dispositif. Fonctionnement : Le temps de passage en mode très basse consommation peut prendre, sans qu'il y ait de risque majeur, quelques dizaines de millisecondes, ce qui est très confortable pour la plupart des applications sur microcontrôleur. Le mouvement mécanique pour passer de la l o position � fermée-marche � à la position � fermée-arrêt � puis à la position � ouverte � dure en effet au moins quelques centaines de millisecondes, et il faut lui ajouter le temps, encore supérieur, d'enlever les piles, ce qui garantit une grande marge de manoeuvre. La figure 4 décrit les différentes phases de fonctionnement du dispositif : -En (24), la trappe est actionnée et passe de la position (21) fermée-arrêt (� OFF �) 15 à la position fermée-marche (� ON �. L'interrupteur (22) détecte ce changement en se fermant et le microcontrôleur (23) met en route son applicati� - En (25), la trappe est ouverte pour un changement de pile. Dès que la trappe quitte la position fermée-marche (� ON �), l'interrupteur (22) s'ouvre et le microcontrôleur (23) déclenche son passage en mode basse consommation, 20 commençant par la sauvegarde de données pendant quelques dizaines de millisecondes (29). - En (26), l'utilisateur effectue le changement de la pile. - En (27), il remet la trappe et la place en position fermée-marche, ce qui remet en route l'applicatif. 25 En (28) il arrête l'appareil en mettant la trappe sur la position fermée-arrêt. Dispositifs annexes : Pour que l'appareil autonome soit bien sécurisé, il doit monitorer la tension de la ou des piles. On retrouve deux méthodes classiques de surveillance, l'une correspondant à la détection d'une chute brutale de la tension de pile, éventuellement provoquée par un 30 mauvais contact, l'autre permettant de suivre la décharge progressive de celle-ci. Dans le premier cas, la tension de la ou des pile(s) est comparée à un seuil de tension minimum de fonctionnement, le signal sortant du comparateur alimentant une ligne d'interruption du microcontrôleur chargée de le faire passer en mode très basse consommation lorsque la tension de la pile passe en dessous du susdit seuil. On assure ainsi un cas classique d'urgence, qui ne peut arriver que lorsqu'un contact de pile est défectueux ou qu'un choc important entraîne un déplacement transitoire de la pile dans son logement qui interrompt le contact avec une des bornes. Dans le second cas, la tension de pile est mesurée périodiquement par le microcontrôleur à l'aide d'un convertisseur analogique-digital, afin de suivre sa tension et détecter une valeur en dessous de laquelle il commande son passage au mode très basse consommation. On obtient alors un arrêt parfaitement géré de l'application car le microcontrôleur dispose d'une marge de manoeuvre confortable si la valeur du seuil de tension est bien choisie. Forme de la trappe : L'invention peut s'appliquer à différentes formes de trappes. Les plus courantes sont des trappes en forme de bouchon à déplacement circulaire ou des glissières à déplacement linéaire. On peut bien entendu imaginer des déplacements combinant circulaire et linéaire ou plusieurs linéaires d'axes différents. La trappe de type glissière a été décrite en référence (figures 3a, 3b et 3c). Il est bien entendu possible de créer toutes sortes de variantes dans lesquelles on place l'interrupteur (17) soit à l'extrémité, soit le long d'un bord latéral sur lequel un ergo vient changer son état. Pour que, dans les positions � fermée-arrêt � et � fermée-marche �, la trappe occulte parfaitement le compartiment de pile, ce dernier dispose de préférence de deux plats devant lesquels coulisse la glissière à ses deux extrémités : le plat supérieur (18) est visible en position � fermé-arrêt � (figure 3b), le plat inférieur (19) est visible en position � fermé-marche � (figure 3c). La trappe de type bouchon (figure 5, 30) a une forme circulaire et ferme le compartiment contenant la pile (32) grâce à un mouvement de baïonnette ou hélicoïdal et dispose préférentiellement d'un relief (31) venant directement ou indirectement au contact de l'interrupteur. Les positions � fermée-arrêt et � fermée-marche � sont préférentiellement stabilisées par des éléments élastiques intégrés ou non au bouchon. L'élément élastique peut être dans ce cas le ressort servant à bloquer la pile (en général au pôle -), et la forme des éléments mécaniques assure la stabilité de ces deux positions. Le bouchon peut également disposer d'une lanière afin d'éviter de le perdre en position ouverte. Pour éviter une ouverture de l'appareil sans outil, le bouchon comporte au moins une fente dans lequel il est possible d'introduire un outil permettant de le faire tourner. L'interrupteur : Le dispositif est décrit en présentant un interrupteur mécanique répondant parfaitement au 6 besoin de détection de position. De nombreux interrupteurs existent sous des formes très variées, et des modèles miniatures se révèlent parfaitement adaptés à une application de petite taille. Leur commande peut se faire par action directe de la trappe sur leur levier de commande, ou par action indirecte, c'est-à-dire par transmission du mouvement de la trappe à travers une ou plusieurs pièces mécaniques. Il est bien entendu possible de prévoir toutes sortes d'interrupteurs mécaniques, magnétiques, capacitifs, optiques.. capables de détecter le mouvement de la trappe à pile. Le magnétique utilise par exemple un aimant placé dans la trappe et un détecteur de champ comme un Interrupteur à Lames Souples (ILS) ou un capteur à effet Hall sensible à son champ magnétique. L'optique n'est pas simple à adapter à une application autonome car elle nécessite une diode émettrice qui doit être alimentée, ce qui représente irrémédiablement une réduction de l'autonomie. Cette diode est placée en regard d'une diode réceptrice de façon à ce qu'une partie de la trappe fasse obstacle au passage de la lumière ou déclenche une réflexion dans la position � fermée-marche �. On peut toutefois adapter cette technique en faisant une mesure impulsionnelle en envoyant seulement de courtes impulsions à la diode, le temps de mesurer l'existence ou l'absence d'un obstacle, ce qui permet de réduire considérablement la consommation. Applications : Toute application fonctionnant sur pile ou batterie et utilisant un microcontrôleur peut profiter d'un tel dispositif, en particulier si l'application effectue des tâches complexes comme des enregistrements de données sur des mémoires de masse, très sensibles aux interruptions de courant. On cite tout particulièrement les enregistreurs de données autonomes sur de longues durées comme les enregistreurs d'électrocardiogramme ou d'autres signaux physiologiques.25 Description des figures : La figure 1 décrit un système autonome sur pile utilisant une batterie de sauvegarde : La Figure 2 décrit le dispositif avec son compartiment de piles et la trappe commandant 5 l'interrupteur connecté au microcontrôleur. La Figure 3 décrit les 3 positions de la trappe et son effet sur l'interrupteur. La Figure 4 décrit les changements de mode de fonctionnement du microcontrôleur en 1 o fonction de la position de la trappe à pile. La Figure 5 décrit une trappe à pile de type bouchon 15 REVENDICATIONS 1/ Dispositif associant un logement de piles (7) ou d'éléments rechargeables et un système électronique avec microcontrôleur (12) alimenté par les susdites piles, caractérisé par le fait que la trappe (14) chargée de fermer le compartiment de pile(s), peut prendre trois positions stables successives, une position � ouverte � donnant accès au compartiment de piles, une position � fermée-arrêt � bloquant l'accès aux pile(s), et une position � fermée-marche � bloquant également l'accès aux pile(s), mais entraînant le changement d'état d'un interrupteur (9) raccordé à une ligne d'entrée du microcontrôleur afin de signaler à celui-ci le passage à cette position ou, inversement, le fait qu'il quitte cette position, ce changement d'état commandant le passage en mode très basse consommation du microcontrôleur lorsque la trappe quitte la position fermée-marche, et commandant la sortie de ce mode, c'est-à-dire le démarrage de l'application, lorsque la trappe se positionne sur la position fermée-marche. 2/ Dispositif selon la revendications 1, dans lequel le microcontrôleur peut supporter l'interruption d'alimentation provoqué par un changement de la ou des pile(s) grâce à l'usage de condensateurs (11) de taille suffisante pour maintenir une tension d'alimentation convenable pendant une durée minimum de quelques dizaines de secondes. 3/ Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, pendant le fonctionnement de l'application, la tension de la ou des pile(s) est comparée à un seuil de tension minimum de fonctionnement, le signal sortant du comparateur alimentant une ligne d'interruption du microcontrôleur chargée de le faire passer en mode basse consommation lorsque la tension de la pile passe en dessous du susdit seuil. 4/ Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la tension de pile est mesurée périodiquement par le microcontrôleur à l'aide d'un convertisseur analogique-digital, afin de suivre sa tension et détecter une valeur en dessous de laquelle il commande son passage au mode basse consommation. 5/ Dispositif selon l'une des revendications précédente, dans lequel la trappe chargée de fermer le compartiment de la ou des pile(s) est du type glissière pouvant prendre la position � ouverte � lorsqu'elle est retirée, � fermée-arrêt � lorsqu'elle est enfoncée partiellement, et en position � fermée-marche � lorsqu'elle est enfoncée complètement, dont au moins une partie vient directement ou indirectement en appui sur le susdit interrupteur afin de changer son état, les deux dernières positions étant stabilisées par deséléments élastiques intégrés ou non à la glissière. 6/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la trappe chargée de fermer le compartiment de la ou des pile(s) est de type bouchon (30), a une forme circulaire et ferme le compartiment contenant la pile (32) grâce à un mouvement de baïonnette ou hélicoïdal, et dispose préférentiellement d'un relief (31) venant directement ou indirectement au contact de l'interrupteur, les positions � fermée-arrêt et � fermée-marche � étant préférentiellement stabilisées par des éléments élastiques intégrés ou non au bouchon, élément élastique pouvant être dans ce dernier cas le ressort servant à bloquer la pile, combiné à la forme des éléments mécaniques. 7/ Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'interrupteur (9) est mécanique, une partie de la trappe venant s'appuyer directement ou indirectement sur l'élément déclenchant de l'interrupteur (fig.3c). 8/ Dispositif selon une des revendications 1 à 6, dans lequel l'interrupteur est magnétique, utilisant un aimant solidaire de la trappe et un capteur de champ magnétique 15 comme un interrupteur à lame souple ou un composant spécifique. 9/ Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la trappe à pile présente sur sa face exposée une forme en creux (20 et 33) permettant de l'actionner à l'aide d'un outil pour passer de la position fermée-marche à la position fermée-arrêt. 10/ Dispositif selon l'une des revendications précédentes, s'appliquant à un enregistreur 20 autonome d'électrocardiogramme et de signaux électrophysiologiques.