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Dès la naissance, nous communiquons. Pourtant, communiquer efficacement s’avère parfois difficile, même pour les personnes les plus expérimentées. Tout au long de son évolution, l’être humain a développé de nombreuses formes de communication : la parole, l'écriture, les dessins, les gestes, etc. Chacun de ces modes d’expression s’appuie sur des règles de syntaxe et des règles sémantiques. Certains sont plus efficaces que d’autres, mais tous ont pour finalité de transmettre une information d’une personne à une autre ou plus généralement d’un point A à un point B.
De cette façon, la communication entre appareils numériques modernes ne diffère pas fondamentalement par rapport à celle entre humains. Tout comme nous, ces appareils peuvent être très bavards et disposent de nombreux modes de communication. C’est par exemple le cas d’un microcontrôleur qui interroge divers capteurs et envoie des paquets par ondes radio. L’échange de données s’effectue à l’aide de protocoles de communication numérique définis. Dans le domaine des systèmes embarqués, il en existe plusieurs parmi lesquels les ingénieurs peuvent choisir.
Cet article examine les protocoles de communication les plus communs utilisés dans les systèmes embarqués. Ce sera l’occasion d’en apprendre davantage sur les particularités de chaque protocole et de comprendre par la même occasion la structure globale des protocoles de communication intégrés.
Commençons par passer en revue les protocoles de communication numérique. En bref, un protocole de communication numérique est un ensemble de règles qui définissent la manière dont les composants numériques s’interfacent pour échanger des données. Les protocoles régissent la façon dont un signal électrique se comporte lorsqu’il est utilisé pour transmettre des données binaires, afin de garantir qu’émetteur et récepteur puissent communiquer de manière fiable. Voici une liste non exhaustive des principales spécificités techniques communes à tous les protocoles de communication numérique.
Au cours des dernières décennies, de nombreux protocoles ont été développés pour faciliter le transfert de données entre les nombreux composants des systèmes embarqués modernes. Au gré des cas d’utilisation, divers protocoles ont été optimisés pour satisfaire à certaines exigences comme le transfert rapide de grandes quantités de données ou la réduction de la complexité et de la charge pour les systèmes extrêmement limités en ressources (mémoire, fréquence d’horloge). Vous trouverez ci-dessous une liste des protocoles les plus utilisés dans le développement de systèmes embarqués avec mention de leurs caractéristiques, avantages et inconvénients, ainsi que de leurs domaines d’application les plus courants. Enfin, le tableau 1 fournit une synthèse des spécificités de ces protocoles.
Protocole
Broches nécessaires
Vitesse
Appareils pris en charge
Cas d’utilisation
UART
2
Jusqu’à 115 200 b/s
1:1
Débogage, GPS, Bluetooth
I²C
~400 kHz (standard)
Multiple
Capteurs, OLED, EEPROM
SPI
4+
~10 Mb/s+
Multiple (avec broches SS)
Cartes SD, écrans TFT
1-Wire
1
~16,3 kb/s
Capteurs de température
CAN
~1 Mb/s
Automobile, industrie
RS-485
~10 Mb/s
Industriel longue distance
I²S
4
44,1 kHz–192 kHz
Microphones numériques, CNA et traitement audio
Tableau 1 : synthèse des différents protocoles de communication numérique.
Les protocoles de communication numérique sont de langages invisibles, mais toutefois essentiels au fonctionnement des systèmes embarqués. Des liaisons série simples comme l’UART aux réseaux industriels robustes comme le CAN, chaque protocole a ses propres atouts et ses cas d’utilisation les plus indiqués, mais oblige aussi à certains compromis. Pour créer des systèmes efficaces et fiables, il est essentiel de comprendre le fonctionnement de ces protocoles, de leur signalisation physique à leur structure de données en passant par des notions telles que le boutisme, la correction d’erreurs et les modes de transmission. Parce que les dispositifs embarqués deviennent de plus en plus puissants et interconnectés, les ingénieurs doivent impérativement maîtriser ces principes fondamentaux de communication afin de disposer des outils nécessaires pour concevoir du matériel plus intelligent, plus rapide, plus performant et véritablement capable de « parler » au monde qui l’entoure.