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École de technologie supérieure

Responsable(s) de cours : Guy Gauthier


PLAN DE COURS

Hiver 2021
GPA787 : Microsystèmes (3 crédits)


Modalités de la session d’hiver 2021


Pour assurer la tenue de la session d’hiver 2021, les modalités suivantes seront appliquées :


La plupart des cours de la session d'hiver seront donnés à distance. Les autres seront donnés en présence si la situation socio-sanitaire le permet. Cette information est disponible sur l’horaire de la session d’hiver diffusé sur le site de l’ÉTS ainsi que sur Cheminot.

L’étudiant inscrit à un cours à distance doit avoir accès à un ordinateur, un micro, une caméra et un accès à internet, idéalement de 10Mb/s ou plus. L’étudiant doit ouvrir sa caméra et/ou son micro lorsque requis, notamment pour des fins d’identification ou d’évaluation.


Les cours à distance pourraient être enregistrés, à la discrétion de l’ÉTS, afin de les rendre disponibles aux étudiants inscrits aux cours.


La notation des cours sera la notation régulière prévue aux règlements des études de l'ÉTS.


Les examens intra se feront normalement à distance. Les examens finaux se feront normalement en présence si la situation socio-sanitaire le permet.


Pour les examens (intra, finaux) qui devaient se faire à distance, leur surveillance se fera à l’aide de la caméra et du micro de l’ordinateur et pourrait être enregistrée. Ceci est nécessaire pour se conformer aux exigences du Bureau canadien d’agrément des programmes de génie (BCAPG) afin d’assurer la validité des évaluations.

Le contexte actuel oblige bien sûr l’ÉTS à suivre de près l’évolution de la pandémie de COVID-19, laquelle pourrait entraîner, avant ou après le début de la session d’hiver 2021, un resserrement des directives et recommandations gouvernementales. Nous vous assurons que l’ÉTS se conformera aux règles en vigueur afin de préserver la santé publique et que, si requis, elle pourrait aller jusqu’à interdire l’accès physique au campus universitaire et ordonner que toutes les activités d’enseignement et d’évaluation soient exclusivement données à distance pour tout ou partie de la session d’hiver 2021.

Des exigences additionnelles pourraient être spécifiées par l’ÉTS ou votre département, suivant les particularités propres à votre programme.

En vous inscrivant ou en demeurant inscrit, vous acceptez les modalités particulières de la session d’hiver 2021.


Nous vous rappelons que vous avez jusqu’au 17 janvier 2021 pour vous désinscrire de vos cours et être remboursé.


Pour les nouveaux étudiants inscrits au programme de baccalauréat uniquement, vous avez jusqu’au 31 janvier 2021 pour vous désinscrire de vos cours et être remboursé.




Préalables
Programme(s) : 7485,7885
             
  Profils(s) : Tous les profils sauf Électricité  
             
    GPA325    
             
Unités d'agrément
Total d'unités d'agrément : 64,8 33,3 % 66,7 %




Qualités de l'ingénieur

Qn
Qualité visée dans ce cours  
Qn
  Qualité visée dans un autre cours  
  Indicateur enseigné
  Indicateur évalué
  Indicateur enseigné et évalué



Descriptif du cours

À la fin de ce cours, l’étudiant sera en mesure :

  • de définir le fonctionnement interne des microcontrôleurs;
  • d’appliquer les microcontrôleurs dans un contexte de systèmes embarqués.

Ce cours porte sur les microcontrôleurs de classe PIC (Peripherical Interface Controller) et AVG utilisés pour le contrôle d'équipement électronique embarqué.

Architecture interne, modes d'adressage et jeu d'instructions des PIC. Concepts et outils de développement en langage évolué et en langage assemblé. Techniques de passage de paramètres. Programmation en temps réel. Sécurité des systèmes basés sur les microcontrôleurs. Chien de garde (watchdog timer). Interfaces intégrées dans les microcontrôleurs : interface série, compteur-temporisateur, convertisseur analogique-numérique et numérique-analogique. Introduction au réseau CAN pour les réseaux de terrain.

Séances de laboratoire : développer progressivement un système de commande; incorporer le réseau de terrain CAN dans la commande et dans l’acquisition des données.

Précision sur le préalable : il concerne les étudiants des profils I, M et P.




Objectifs du cours

Au  terme  de  ce  cours,  l’étudiant  sera  en  mesure :  

  • de définir le fonctionnement interne des microcontrôleurs et de ses périphériques,
  • d’appliquer les microcontrôleurs dans un contexte de systèmes embarqués;
  • d'utiliser le protocole MQTT (basé sur le TCP/IP) pour l'échange de données.

Ce cours porte sur les microcontrôleurs Broadcom BCM2837 (SoC) de 64 bits à 4 coeurs ARM Cortex-A53 que l'on retrouve dans le Raspberry Pi 3 B.  Architecture  interne,  périphériques.  Concepts  et  outils  de développement en langage évolué. Programmation en temps réel. Sécurité des systèmes basés sur les microcontrôleurs.  Interfaces intégrées dans les microcontrôleurs : interface  série,  compteur-temporisateur,  convertisseur  analogique-numérique  et  numérique-analogique. 

Le principal but est de permettre à l'étudiant d'acquérir des connaissances sur les microprocesseurs en particulier le BCM2837. En outre, ce cours met en relief les circuits d'interface (parallèles, séries, analogique/numérique  et  numérique/analogique) et les circuits périphériques permettant  au microprocesseur de communiquer avec le monde réel. En  ce qui concerne le logiciel, l'étudiant sera familiarisé avec les techniques de programmation du langage C. On introduira certins concepts utiles pour l'Internet des objets.




Stratégies pédagogiques

Ce cours de trois crédits devrait comprendre, en moyenne, par semaine neuf (9) heures de travail partagées comme suit : 

  • 39 heures de cours magistral 
  • 36 heures de laboratoire
  • Cinq (5) heures de travail personnel (lectures, préparation des laboratoires, travail libre au labo, etc.) 



Utilisation d’appareils électroniques

Le professeur permet l'utilisation d'appareils électroniques, en autant que cela ne dérange pas les autres étudiants ainsi que le professeur.  Il est interdit d'enregistrer le professeur de quelques façons que ce soit, sans son accord écrit.




Horaire
Groupe Jour Heure Activité
01 Mardi 13:30 - 17:00 Activité de cours
Mercredi 08:30 - 11:30 Laboratoire (Groupe A)
Mercredi 13:30 - 16:30 Laboratoire (Groupe B)



Coordonnées de l’enseignant
Groupe Nom Activité Courriel Local Disponibilité
01 Guy Gauthier Activité de cours Guy.Gauthier@etsmtl.ca A-3635
01 Guy Gauthier Laboratoire (Groupe A) Guy.Gauthier@etsmtl.ca A-3635
01 Guy Gauthier Laboratoire (Groupe B) Guy.Gauthier@etsmtl.ca A-3635



Cours
Date du cours Contenu
5 janvier 2021
  • Présentation du plan de cours
  • Éléments des microsystèmes
  • Présentation du Raspberry Pi et de son environnement
  • Périphériques d'entrées/sorties (GPIO)
6 janvier 2021
  • Périphériques d'entrées/sorties (GPIO)
  • Conversion analogique/numérique
  • Conversion numérique/analogique
  • Communication SPI
  • Introduction à la modulation et la démodulation AM 
12 janvier 2021
  • Programmation en langage C 
  • Rappel de notions sur la transformée en z 
  • Représentation des signaux 
  • Théorème d’échantillonnage de Nyquist-Shannon 
  • Filtres numériques vs filtres analogiques
19 janvier 2021
  • Programmation en langage C 
  • Notions de filtres FIR et IIR 
  • Les fonctions de fenêtres 
  • Les filtres basés sur la transformation bilinéaire 
    • Les filtres de Butterworth et de Chebyshev
26 janvier 2021
  • Programmation en langage C 
  • La série de Fourier 
  • Les transformées de Fourier (FFT et DFT) 
2 février 2021
  • Commande de procédé
  • Communication I2C
  • Utilisation d'une sortie PWM
9 février 2021
  • Internet des objets
    • Modèle ISO vs modèle TCP/IP
    • Notions d'adresses MAC, IP et de ports
    • Protocole UDP
    • Protocole TCP
    • Protocole MQTT
16 février 2021
  • Examen de mi-session
2 mars 2021
  • Internet des objets
    • Modèle ISO vs modèle TCP/IP
    • Notions d'adresses MAC, IP et de ports
    • Protocole UDP
    • Protocole TCP
    • Protocole MQTT
9 mars 2021
  • Programmation en temps réel 
  • Système d'opérations multitâches
  • Les sémaphores
16 mars 2021
  • La sécurité et les logiciels
  • Exemples de situations problématiques 
23 mars 2021
  • Protocoles de communication
    • Lorawan
    • XBee
30 mars 2021
  • Gestion de l'énergie
   



Laboratoires et travaux pratiques
Dates Contenu
13 janvier 2021

Pré-lab : Assemblage et test du kit.

  • Montage de la partie Arduino UNO (oscilloscope/générateur de fonction)
  • Montage de la partie Raspberry Pi
    • Diodes électroluminescentes
    • Interrupteurs
    • Convertisseurs A/N et N/A
du 20 janvier au 3 février 2021 (3 séances)

Laboratoire #1 : Prise de contact avec le matériel et traitement de signal

  • GPIO
    • Activation des DEL
    • Utilisation des boutons poussoirs
  • SPI
    • Configuration et utilisation du port SPI
    • Communication avec un convertisseur numérique analogique
    • Communication avec un convertisseur analogique numérique
  • Génération de signaux sinusoïdaux
  • Modulation et démodulation d'amplitude (AM)
  • Filtre à moyenne mobile
  • Programmation de "threads"
du 10 au 17 février 2021 (2 séances)

Laboratoire #2 : Filtres numériques

  • Filtres à réponse impulsionnelle finie (FIR)
    • Fonction de fenêtres
  • Filtres à réponse impulsionnelle infinie (IIR)
    • Transformation bilinéaire
    • Filtres de Butterworth
    • Filtres de Chebyshev
    • Filtres de Bessel
du 3 au 17 mars (3 scéances)

Laboratoire #3 : Asservissement numérique et HMI (sur GTK+)

  • Commande d'asservissement (modèle d'un système dans le Arduino UNO)
    • Commande ON/OFF
    • Commande PID
    • Commande d'un système ayant deux entrées et deux sorties
  • Interface HMI avec librairie GTK+
du 24 mars au 7 avril 2021 (3 séances)

Laboratoire #4 : Internet des objets

  • Transmission d'information à distance via WiFi
    • Capteurs
    • Asservissement
  • Protocole MQTT
    • Configuration
    • Utilisation d'une interface sur téléphone mobile (ou tablette)
  • Interface Node-Red
    • Configuration et usage

 




Utilisation d'outils d'ingénierie

L'étudiant devra utiliser:

  • Calculatrice;
  • Raspberry Pi avec les équipements dédiés;
  • Arduino UNO R3;
  • Montage d'électronique;
  • Logiciels : 
    • MATLAB 
    • Geany
    • Glade
    • Node-Red
    • Python
      • via Spider (plateforme Anaconda - sur PC)
      • ou via Éditeur Python (sur Raspberry Pi)                                                                                                                                                 
    • Interface de programmation de l'Arduino



Évaluation

Pondération des évaluations du cours 

 
Activité Proportion
Laboratoire #1 - Introduction  9 %
Laboratoire #2 - Filtres numériques FIR et IIR 6 %
Laboratoire #3 - Commande numérique et IHM 10 %
Laboratoire #4 - IoT 10 %
Examen de mi-session 30 %
Examen final 35 %

 




Dates des examens intra
Groupe(s) Date
1 16 février 2021



Date de l'examen final
Votre examen final aura lieu pendant la période des examens finaux, veuillez consulter l'horaire à l'adresse suivante : http://etsmtl.ca/Etudiants-actuels/Baccalaureat/Examens-finaux


Politique de retard des travaux
Tout travail (devoir pratique, rapport de laboratoire, rapport de projet, etc.) remis en retard sans motif valable, c’est-à-dire autre que ceux mentionnés dans le Règlement des études (1er cycle, article 7.2.7 b / cycles supérieurs, article 6.5.4 b) se verra attribuer la note zéro, à moins que d’autres dispositions ne soient communiquées par écrit par l’enseignant dans les consignes de chaque travail à remettre ou dans le plan de cours pour l’ensemble des travaux.

Dispositions additionnelles

Un malus de 20 % est applicable par jour de retard.




Absence à un examen
Dans les cinq (5) jours ouvrables suivants, la tenue de son examen, l’étudiant devra justifier son absence d’un examen durant le trimestre auprès de la coordonnatrice – Affaires départementales qui en référera au directeur du département ou du SEG. Pour un examen final, l’étudiant devra justifier son absence auprès du Bureau du registraire. Dans tous les cas, l’étudiant doit effectuer sa demande en complétant le formulaire prévu à cet effet qui se trouve dans son portail Mon ÉTS/Formulaires. Toute absence non justifiée par un motif majeur (maladie certifiée par un billet de médecin, décès d’un parent immédiat, Activité compétitive d’un étudiant appartenant à un club scientifique ou un club sportif d’élite de l’ÉTS ou au programme « Alliance sport étude » ou autre) à un examen entraînera l’attribution de la note zéro (0).



Plagiat et fraude
Les clauses du « Règlement sur les infractions de nature académique de l’ÉTS » s’appliquent dans ce cours ainsi que dans tous les cours du département. Les étudiants doivent consulter le Règlement sur les infractions de nature académique (https://www.etsmtl.ca/docs/ETS/Gouvernance/Secretariat-general/Cadre-reglementaire/Documents/Infractions-nature-academique ) pour identifier les actes considérés comme étant des infractions de nature académique ainsi que prendre connaissance des sanctions prévues à cet effet.  À l’ÉTS, le respect de la propriété intellectuelle est une valeur essentielle et les étudiants sont invités à consulter la page Citer, pas plagier ! (https://www.etsmtl.ca/Etudiants-actuels/Baccalaureat/Citer-pas-plagier).



Documentation obligatoire

Fichiers disponibles sur le site Internet du cours GPA787 - Microsystèmes.




Ouvrages de références
  • FAIRHEAD, Harry (2016). Raspberry Pi IoT in C, I/O Press.
  • MOLLOY, Derek (2016). Exploring Raspberry Pi, Wiley.
  • CHASSAING, R. (1992).  Digital Signal Processing with C and the TMS320C30, John Wiley and Sons. 
  • SMITH,  S.  W.  (1997-2011).  The  Scientist  and  Engineer's Guide to Digital  Signal  Processing,  Ebook : http://www.dspguide.com/pdfbook.htm  
  • DOWNEY, A. B. (2008).  The Little Book of Semaphores, Ebook:http://www.greenteapress.com/semaphores/index.html
  • MAGEE, J. et KRAMER, J. (2006). Concurrency : State Models and Java Program, Wiley. 
  • BOULET, B. (2006). Fundamentals of Signal and Systems, Da Vinci Engineering Press.
  • MUDRY, F. (2011). Traitement des Signaux, Université des Montagnes, Haute École d’Ingénierie et de Gestion du Canton de vaud. 
  • HILLAR, Gaston C. (2017). MQTT Essentials - A Lightweight IoT Protocol, Packt.
  • UPTON, Eben et HALFACREE, Gareth (2012) Ebook: http://www.cs.unca.edu/~bruce/Fall14/360/RPiUsersGuide.pdf, Wiley.
  • LALITTE, Éric (2019), Apprenez le fonctionnement des réseaux TCP/IP, Éditions Eyrolles.
  • MONK, Simon (2014), Raspberry Pi Cookbook, O'Reilly Media.
  • HAINE, David et al. (2017), IoT Funcamentals : Networking Technologies, Protocols, and Uses Cases for the Internet of Things, Cisco Press.

 




Adresse internet du site de cours et autres liens utiles

Voir le Site Moodle du cours




Autres informations

Le descriptif du cours n'est plus à jour...

Voici ce qui devrait s'appliquer:

Au terme de ce cours, l’étudiant sera en mesure : de définir le fonctionnement interne des microcontrôleurs; d’appliquer les microcontrôleurs dans un contexte de systèmes embarqués.

Ce cours porte sur les microcontrôleurs Broadcom BCM2837 (SoC) de 64 bits à 4 coeurs ARM Cortex-A53 que l'on retrouve dans le Raspberry Pi 3 B.  Architecture  interne,  périphériques.  Concepts  et  outils  de développement en langage évolué. Programmation en temps réel. Sécurité des systèmes basés sur les microcontrôleurs. 

Interfaces intégrées dans les microcontrôleurs : interface  série,  compteur-temporisateur,  convertisseur  analogique-numérique  et  numérique-analogique. 

Le principal but est de permettre à l'étudiant d'acquérir des connaissances sur les microprocesseurs en particulier le BCM2837. En outre, ce cours met en relief les circuits d'interface (parallèles, séries, analogique/numérique  et  numérique/analogique) et les circuits périphériques permettant  au microprocesseur de communiquer avec le monde réel. En  ce qui concerne le logiciel, l'étudiant sera familiarisé avec les techniques de programmation du langage C.

 

Préalable : GPA325 Introduction à l'électronique (4 cr.)

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Situation Hiver 2021

En raison de la situation actuelle due à la COVID, les laboratoires se feront sur un kit que vous devrez emprunter du département de génie des systèmes.  Pour pouvoir être évalué dans la partie laboratoires, il faut obligatoirement avoir ce kit. Il faut s'assurer d'avoir un clavier, une souris et un écran HDMI pour utiliser le montage.

Le kit implique de faire du câblage pour pouvoir faire les laboratoires. Il implique d'installer certains logiciels dans un PC et/où le Raspberry Pi. Surveillez le site Moodle du cours régulièrement, il est actif depuis le 29 octobre 2020.