Systèmes d'information et numérique (SIN) : acquisition, traitement, réseaux et programmation

Les notions à connaître

Acquisition et caractéristiques d'un capteur

Le capteur convertit une grandeur physique en signal exploitable, caractérisé par sa relation entré$e/sortie :$ étendue de mesure, sensibilité, résolution, précision, linéarité ; le choix du dispositif dépend de l'objectif. Exemple : un capteur de température de sensibilité $10\,\text{mV}/^{\circ}\!C$ sort $250\,\text{mV}$ à $25\,^{\circ}\!C$ — relation affine facile à exploiter.

Conditionnement : amplification et filtrage

Mise en forme du signal avant conversion : amplification par circuits intégrés spécialisés à gain réglable, et filtre passe-bas du premier ordre pour lisser le signal ou atténuer le bruit au-delà de la fréquence de coupure $f_c = 1/(2\pi RC)$. Exemple : un pont de jauges de contrainte délivre quelques millivolts, amplifiés $1\,000$ fois puis filtrés à $100\,\text{Hz}$ avant le convertisseur.

Conversion analogique-numérique (CAN)

Le CAN échantillonne et quantifie le signal : nombre de bits $N$, valeur pleine échelle $U_{PE}$, quantum $q = U_{PE}/2^N$ (plus petite variation codée) et résolution associée ; sa structure interne n'est pas étudiée. Exemple : sur $10$ bits et $5\,\text{V}$ de pleine échelle, le quantum vaut environ $4{,}9\,\text{mV}$ : deux tensions plus proches sont codées pareil.

Codage de l'information

L'information numérique se code en binaire, hexadécimal (lecture compacte : 4 bits par symbole) ou ASCII pour les caractères ; la compression réduit le volume, mesurée par le taux de compression. Exemple : l'octet $10110100$ en binaire s'écrit $B4$ en hexadécimal et vaut $180$ en décimal — trois écritures d'une même valeur.

Architecture de traitement : microcontrôleur, nano-ordinateur, IoT

Le choix de l'unité de traitement dépend du volume de données, de la puissance de calcul, du besoin de stockage et des interfaces : microcontrôleur (temps réel, faible consommation), nano-ordinateur doté d'un système d'exploitation, ou OS (périphériques, calcul), nano-contrôleur connecté pour l'IoT. Exemple : une sonnette vidéo associe un microcontrôleur pour le bouton et la radio, et un nano-ordinateur pour compresser le flux vidéo.

Programmation et mise au point

Python et C++ sont les langages du programme $(HTML/CSS$ et PHP pour les pages web) : structures conditionnelles et itératives, variables typées, fonctions et bibliothèques ; la mise au point s'outille par le débogage pas à pas, les points d'arrêt et l'intégration de programmes. Exemple : un point d'arrêt posé dans la boucle de lecture du capteur permet d'inspecter la variable au moment exact où la valeur aberrante apparaît.

Transmission : liaisons séries, bus et sans-fil

La liaison série transmet bit par bit $(start/stop,$ bit de parité pour détecter les erreurs, débit en bits par seconde) ; les bus (I2C, SPI [bus série synchrone], CAN, KNX, EnOcean) interconnectent les constituants ; le sans-fil (WiFi, Bluetooth, RF) s'appuie sur des modules intégrés. Exemple : un capteur d'humidité I2C partage le même bus à deux fils que trois autres capteurs, chacun ayant sa propre adresse.

Réseaux : modèle OSI, IPv $4, client/serveur$

Le modèle OSI décrit le réseau en couches, avec encapsulation des données ; l'adressage distingue adresse physique (MAC [Media Access Control, contrôle d'accès au support]) et logique (IPv 4), le routage achemine les trames $(TCP/IP,$ UDP) via commutateurs et routeurs ; l'architecture $client/serveur s'$appuie sur serveurs web (AMP), DHCP et DNS. Exemple : quand un élève charge l'ENT (espace numérique de travail), le DNS résout le nom en adresse IP (Internet Protocol), le routeur du lycée achemine les paquets et le serveur web répond en HTTP.

Les erreurs à éviter en ingénierie, innovation et développement durable

• ✗ Confondre bits et octets dans les calculs de débit.

  ✓ Les débits s'expriment en bits par seconde, les tailles de fichiers souvent en octets : $1\,\text{octet} = 8\,\text{bits}$. Un fichier de $25\,\text{Mo}$ représente $200\,\text{Mbit}$ à transmettre.

• ✗ Croire que le quantum est la précision du capteur.

  ✓ Le quantum $q = U_{PE}/2^N$ est la limite du CONVERTISSEUR ; la précision de la chaîne dépend aussi du capteur, du bruit et du conditionnement. Un CAN 16 bits ne rend pas un capteur médiocre précis.

• ✗ Confondre adresse MAC et adresse IP.

  ✓ L'adresse MAC est physique, unique, gravée dans l'interface ; l'adresse IPv 4 est logique, attribuée (souvent par DHCP) et change selon le réseau. Le commutateur travaille en MAC, le routeur en IP.

• ✗ Utiliser TCP et UDP indifféremment.

  ✓ TCP garantit l'arrivée et l'ordre des paquets (web, fichiers) au prix d'accusés de réception ; UDP envoie sans garantie mais vite (streaming, visioconférence, jeux) : le choix dépend du besoin.

• ✗ Négliger le théorème d'échantillonnage en acquisition.

  ✓ Il faut échantillonner à plus de $2$ fois la fréquence maximale utile du signal, sinon le repliement crée des fréquences fantômes. Le filtre passe-bas anti-repliement se place AVANT le CAN.

Sais-tu répondre à ces questions ?

Les corrigés détaillés sont dans le quiz du chapitre.

1. Combien vaut l'octet binaire $1011\,0100$ en hexadécimal ?
2. Quel est le rôle du bit de parité dans une liaison série ?
3. Quelle unité de traitement choisir pour un objet à pile devant réagir en temps réel à un capteur, sans écran ni calcul lourd ?
4. Un CAN a $10$ bits et une pleine échelle de $5\,\text{V}$. Quel est son quantum ?
5. Quel protocole choisir pour du streaming vidéo en direct, où la rapidité prime sur la fiabilité ?