Cet article doit paraître dans le prochain CCD & Télescope.
Le point sur l'interface Ethernaude : ses possibilités et son industrialisation.
Rédigé par Mathieu SENEGAS et l'équipe du projet :
Cyril CAVADORE, Michel MEUNIER, Boris GAILLARD, Laurent BERNASCONI, Robert SOUBIE et Alain KLOTZ
L'interface Ethernaude arrive maintenant à maturité. A l'heure ou ces lignes seront imprimées, la première série aura été livrée (10 exemplaires de pré-série livrés aux béta-testeurs et aux développeurs, 20 exemplaires pour être intégrés dans une AlAudine NT et 20 exemplaires de l'interface autonome en boîtier). Une seconde série de 25 exemplaires aura été lancée.
Le but de cet article est de vous présenter la genèse du projet et un point sur ce qui s'est passé depuis la présentation réalisée à Genève, lors du dernier séminaire Aude en mai 2002. Le travail d'industrialisation, les tests et les développements ont été bien plus difficiles et plus longs que prévu initialement. Nous tenterons de vous expliquer les raisons des derniers retards, l'expérience nous permettra d'améliorer cela à l'avenir.
1 - Rappel sur les buts de l'interface Ethernaude et sur sa conception
La caméra Audine de base fonctionne avec le port parallèle des PC. La vitesse de lecture obtenue est d'environ 25000 pixels par seconde. Lors de la lecture, le programme d'acquisition est obligé de bloquer les interruptions du PC (clavier, souris, horloge, ...) de manière à améliorer la régularité du chronogramme de lecture des pixels. Sinon on a des pixels blancs ou des lignes blanches qui perturbent l'image et qui sont dus à des attentes "importantes" des pixels à l'intérieur du registre horizontal et du registre de lecture. Ceux-ci ne sont en effet pas aussi optimisés face au courant thermique que ne l'est le reste de la matrice. Dans ce cas, c'est le PC qui gère directement les phases du CCD qui en permettent sa lecture.
Ce fonctionnement, déjà compliqué, avec des risques d'instabilité et consommant d'importantes ressources systèmes ne semblait plus adapté et compatible avec les systèmes d'exploitations (dits OS pour Operating System) récents (Windows2000 et XP en particulier) et c'est pour cela qu'il fallait trouver une solution matérielle. Même si, depuis lors, des outils logiciels ont permis de faire fonctionner la caméra sur ces OS avec plus ou moins de facilité de mise en oeuvre. De plus, la démocratisation des capteurs KAF1602E et KAF3200E rendait le temps de lecture des images, respectivement 64 secondes et 128 secondes environ en binning 1x1, difficilement acceptable. Le souhait d'utiliser des modes d'acquisitions un peu spéciaux (vidéo, drift scan, ...) rendait nécessaire l'utilisation d'un microcontrôleur pour commander la caméra et l'avènement prochain de systèmes d'horodatage des images ne pouvait correctement se faire que si le PC se trouvait en dehors du contrôle direct de la puce CCD et de l'obturateur éventuel.
La conception de ce qui allait devenir l'Ethernaude a démarré en janvier 2001, après une première annonce faite sur la liste Aude en septembre 2000. Elle était basée sur une carte électronique de communication Ethernet, conçue par Cyril CAVADORE et Boris GAILLARD, et déjà adaptée sur leur caméra MAYA2000. Cette carte était en effet suffisamment flexible pour s'adapter à de nombreuses applications. Dès le début, le système a été conçu sous la forme de deux cartes électroniques superposées : la carte de communication Ethernet, appelée EtherIO, et la carte de pilotage de la caméra, aussi nommée carte applicative. Michel MEUNIER a donc commencé à développer début 2001 la carte destinée à piloter la caméra CCD Audine, appelée en conséquence EtherAudine, depuis un PC à travers la carte EtherIO.
Le premier prototype fonctionnel de cet ensemble a été montré lors du Séminaire Aude à Strasbourg en mars 2001. Le bureau de l'association AUDE a alors décidé d'aider au financement des prototypes successifs de l'interface. Le travail étant réalisé principalement par Michel MEUNIER pour la programmation de la carte EtherAudine (la carte applicative qui commande la caméra Audine, la carte de communication Ethernet, nommée EtherIO, étant jugée finalisée). La nouvelle conception de la carte EtherAudine (maintenant basée sur le même microcontrôleur que la carte EtherIO) permet une amélioration notable des performances. Le premier prototype correspondant est assemblé par Raymond DAVID fin 2001. Il est décidé de nouvelles améliorations, en particulier pour faciliter le support ultérieur des caméras Hisis22 (conçue par Christian BUIL et Gilles REVILLON en 1993) et KafAude (conçue par Laurent BERNASCONI et Alain MAURY en 1997). Le travail étant réalisé bénévolement par toutes les personnes impliquées, le temps libre est une denrée très rare, surtout si on souhaite observer un peu, sans négliger sa vie professionnelle et familiale, et l'usure du temps change la motivation des personnes.
Un dernier prototype a été réalisé par Cyril CAVADORE et a été présenté au séminaire Aude à Genève en mai 2002. Le programme du microcontrôleur de la carte EtherAudine étant au point. L'étape suivante, à ce moment là, consistait à trouver un industriel pour dupliquer l'interface et la proposer aux membres de l'association au meilleur prix. Il n'était pas possible pour chacun de se monter l'interface car elle exploite principalement des composants montés en surface (CMS), dont un, par exemple, possède même 3 pattes par millimètre !
2- Vers l'industrialisation
Le prix estimé en passant entièrement par un sous-traitant externe au monde des astronomes amateurs faisait apparaître une inflation très importante (environ 450 Euros pour une interface complète). La simple sous-traitance des cartes électroniques et la réalisation bénévole du travail additionnel n'était pas envisageable compte tenu du temps à passer par interface. Une autre solution était de profiter de la création d'une nouvelle société (mécASTROnic) dans ce secteur d'activité pour sceller un partenariat engageant cette société et Aude afin de proposer l'interface au meilleur prix. Ce prix fut finalement fixé à 300 Euros TTC pour les membres de l'association Aude. Deux séries de 50 exemplaires leur seraient entièrement réservées et le prix promotionnel acquis sans limite.
Le contrat ne fut signé qu'en septembre 2002 et la série fut immédiatement commencée, le sous-traitant pour la réalisation des cartes électroniques ayant été sélectionné pendant l'été. Les commandes permirent de boucler la première série en moins d'un mois, les approvisionnements des composants furent réalisés pendant la première quinzaine de septembre. Hélas, du côté du sous-traitant, les choses ne se passèrent pas aussi bien. Les retards commencèrent dès la fabrication des circuits imprimés, les anomalies aussi (oubli, par le sous-traitant des CI, de la sérigraphie sur les cartes, précipitation qui lui empêcha de réaliser les tests électriques pourtant demandés sur les circuits imprimés, mauvaise matière utilisée compte tenu du passage au four des cartes après mise en place des composants montés en surface, ...). La livraison de la pré-série de 10 exemplaires eut lieu mi-octobre, elle prévoyait des tests pendant un mois environ. Malheureusement les cartes livrées présentaient pour la plupart des anomalies, non dues à la conception, puisque certaines fonctionnaient parfaitement. Les tests poussés sur ces cartes, les retours et discussions avec le sous-traitant pour connaître la cause des problèmes, des tests sur les autres cartes en fabrication, ... n'ont pas permis de livrer tous les 10 exemplaires avant fin novembre. Des travaux, tests et développements étaient tout de même effectués sur les exemplaires fonctionnels. Une présentation fut effectuée à l'assemblée générale de Aude lors des Rencontres du Ciel et de l'Espace mi-novembre, un exemplaire était intégré dans l'alimentation conçue par Robert SOUBIE dont la série était lancée depuis quelques semaines, pour une livraison des kits prévue en fin d'année 2002. Plusieurs bugs logiciels ont été trouvés, compris et corrigés dans les programmes des microcontrôleurs même celui de la carte EtherIO... et les développements dans les logiciels de pilotage ont avancé depuis. Les testeurs qui sont orientés vers l'observation ont été les derniers à recevoir leur interface, car la nécessité de posséder une clef de programmation, en cas de correction nécessaire des programmes, nous engageait à attendre un peu.
Finalement, le sous-traitant a mis en évidence un problème dans la fabrication des circuits imprimés, apparu lors de la duplication du schéma initial pour optimiser la fabrication de plusieurs cartes en même temps, qui aurait été vu si les tests électriques demandés avaient été faits. Le temps de le faire accepter au sous-traitant des CI, qu'il refasse des circuits, les testes ce coup-ci... que l'on réapprovisionne, à ses frais, les composants déjà soudés puisque toutes les cartes étaient passées sur la machine à souder les composants montés en surface et qu'il n'était pas acceptable de les dessouder pour les remonter... Cependant l'approche de la fin d'année... provoque encore un retard difficilement acceptable dans la livraison aux clients finaux.
Preuve est faite que l'on a beau s'adresser à des professionnels, implantés depuis de nombreuses années et spécialisés dans l'électronique pour l'aéronautique, avec tous les labels qualités existants, ... il y a toujours quelque chose pour faire apparaître ce sacré Murphy et continuer de perdre du temps, jouer avec notre patience et tenter d'ébrécher la confiance que vous avez montré en commandant les interfaces de cette première série qui essuie les plâtres d'un projet nouveau et ambitieux qui se lance.
3- Travaux et tests de la pré-série
Chaque interface livrée aux testeurs de la pré-série a tout de même subi des dizaines de milliers d'acquisitions chacune, sur table principalement, dans le but de fiabiliser les codes et d'améliorer les logiciels d'acquisitions. Laurent BERNASCONI a travaillé sur un sujet laissé de côté quelques mois plus tôt : l'accélération de la lecture de l'Audine au delà de la vitesse actuelle de l'Ethernaude qui s'établit tout de même à 100000 pixels / seconde. L'interface peut aller autour de 350000 pixels par seconde et probablement bien au delà grâce à la constante amélioration des vitesses des composants utilisés dans les exemplaires de la série. Cette vitesse est atteinte avec d'autres cartes applicatives, bientôt avec certaines caméras.
Nous pensions nécessaire de remplacer certains éléments à l'intérieur de l'Audine, qui risquaient de se retrouver en limite lors des tentatives d'accélération, et puis finalement non, l'Audine a été si bien conçue et les composants employés si flexibles, que la caméra peut maintenant être lue à plus de 160000 pixels / seconde sans aucune modification. Il faut tout de même avoir un convertisseur AD976AAN, livré dans pas mal des Audines distribuées lors de la première série. Un achat de ce composant est prévu très prochainement pour ceux qui souhaitent bénéficier de la pleine vitesse sur leur Audine et qui ne sont équipés que de la version AN. Cela est écrit sur le composant si vous souhaitez vérifier lequel est monté dans votre caméra.
Depuis la correction du bug dans le logiciel de la carte EtherIO, Boris GAILLARD a pu reprendre l'implémentation du code permettant de gérer le port RS232 présent dans l'Ethernaude. Une version de ce code existe déjà et est en cours d'optimisation et de tests. Le but étant de pouvoir piloter le télescope (MCMT, LX200 et autres) directement à travers l'Ethernaude et d'éviter un câble supplémentaire depuis le PC. Ce port série pourra aussi permettre de dialoguer avec d'autres appareils (GPS, focalisation, ...). L'interface possède aussi un port I2C (port bidirectionnel sur 2 fils bien connu des électroniciens) qui sera utilisé par certains accessoires.
Les nouvelles fonctionnalités d'acquisition ont été testées, principalement sur table, car le ciel a été très peu clément en cette fin d'année 2002. Des tests plus poussés en observation et sur la tenue au froid, au chaud et au vieillissement sont en cours.
Il reste du travail à faire sur les périphériques qui seront associés à l'interface. Ces projets concernent une roue à filtres pilotée depuis l'Ethernaude, un système d'horodatage précis déclenchant les poses à des instants parfaitement connus, ... Ceux-ci, et d'autres, avanceront lorsque l'interface aura été plus largement diffusée, et ne nécessitera pas de modification dans le code des microcontrôleurs de l'interface.
4- Comment l'interface se branche-t-elle et comment la mettre en route ?
La documentation vous détaillera comment mettre en place et en route une carte réseau dans votre PC s'il en est dépourvu. Cela dépend principalement du système d'exploitation utilisé. Le seul protocole nécessaire à l'Ethernaude est TCP/IP. Vous pouvez bien sûr utiliser d'autres protocoles pour dialoguer avec d'autres ordinateurs sur le réseau. NETBEUI par exemple facilite la mise en réseau de plusieurs PC. Votre PC pourra être relié directement à l'interface Ethernaude par un câble "croisé", nommé comme cela car les fils de données sont organisés de manière à permettre un branchement direct de seulement deux appareils, ou à travers un HUB (concentrateur) ou un SWITCH (commutateur). Ce dernier est le plus performant car la vitesse maximale est atteinte pour tous les appareils branchés sur le réseau et non plus partagée entre eux. Des centaines d'appareils peuvent être interconnectés grâce à la mise en "cascade" de ces éléments. L'utilisation d'un GATEWAY (passerelle) permet de relier plusieurs réseaux entre eux, même s'ils sont distants de plusieurs centaines de kilomètres. Lors de l'utilisation de ces éléments pour réaliser un réseau comportant plus de deux appareils, il faut utiliser un câble "droit" pour chaque appareil. Il faut une pince spéciale pour fabriquer ces câbles mais le schéma en est détaillé dans la documentation ou sur pas mal de sites internet. Ils peuvent être achetés dans de nombreux endroits.
Alain KLOTZ a développé un petit outil didactique permettant d'apprendre à installer l'Ethernaude. Il détaille l'alimentation le branchement des câbles, la mise en route et les premières opérations à réaliser pour configurer l'interface sur son réseau.
Il peut être téléchargé à l'adresse : http://www.astrosurf.com/ethernaude/index.html#src (3,5Mo environ) ou sur le site de mécASTROnic.
Il détaille aussi le câblage de la prise DB9 pour l'utilisation du port RS232, du port I2C et des alimentations disponibles pour les accessoires extérieurs. Une page explique le changement nécessaire pour sélectionner le capteur utilisé. La mémoire du microcontrôleur d'une carte EtherAudine permet d'héberger deux programmes, pour une question de place et d'optimisation, le choix se fait grâce à un petit cavalier à l'intérieur du boîtier. Une autre détaille même la manière de procéder pour reprogrammer les deux microcontrôleurs de l'interface (une clef de programmation est nécessaire pour cela).
Une étape importante dans cette mise en route est la programmation de l'adresse IP à laquelle l'interface répondra sur le réseau. Chaque appareil ne peut avoir qu'une seule adresse distincte des autres appareils. Pour programmer celle de l'Ethernaude, on utilise une requête BROADCAST (diffusée sur tout le réseau). Celle-ci l'intercepte, comprend que le message lui est destiné et utilise les informations pour enregistrer sa nouvelle adresse. Celle-ci est immédiatement prise en compte et ne nécessite pas de redémarrage de l'interface (contrairement à cette même opération sur un PC). Ceci ne peut se faire que si une seule interface Ethernaude est connectée sur le réseau et alimentée. Elle peut se faire à travers un HUB ou un SWITCH mais dans ce cas quelques minutes peuvent être nécessaires avant que ces appareils aient parfaitement intégré le changement d'adresse de l'interface. Celle-ci répond encore à l'ancienne adresse, puis aux deux, puis seulement à la nouvelle adresse, c'est inhérent au principe de ces commutateurs.
L'outil nécessaire à la programmation de l'adresse IP de l'interface est disponible sur le site Internet et sera livré sur le CDROM.
Suite à cette programmation, l'utilisation de l'outil standard PING (à taper depuis une fenêtre de commandes MSDOS) permet de vérifier que l'interface répond bien aux requêtes du PC.
Par exemple si votre PC a l'adresse :
192.168.0.4 (avec un masque de sous-réseau de 255.255.255.0)
Vous pouvez programmer l'adresse : 192.168.0.8 pour l'Ethernaude ou
n'importe quelle adresse commençant par 192.168.0. du fait du masque de sous-réseau
choisi. La vérification pourra alors se faire en faisant :
PING 192.168.0.8 (le logiciel retournera les délais et éventuelles anomalies dans le dialogue)
5- Utilisation de l'interface depuis les logiciels d'acquisitions
Michel MEUNIER a développé un programme d'acquisition autonome pour tester toutes les fonctionnalités de l'interface Ethernaude. Le logiciel est téléchargeable sur le site et sera livré sur le CDROM. Les autres logiciels utiliseront une librairie commune pour dialoguer avec l'interface. Cela permet une plus grande fiabilité dans le support de l'Ethernaude dans ces logiciels et une plus grande facilité d'intégration. Cyril CAVADORE s'occupe de l'intégration dans PRISM, Alain KLOTZ dans Audela et Pierre-Jean PALLEZ dans TéleAuto. N'hésitez pas à nous contacter si vous souhaitez l'implémenter dans un logiciel propriétaire.
L'utilisation sera à peu près la même dans tous ces logiciels, c'est à dire que l'on commence par choisir le type de caméra (ici caméra à travers la librairie de pilotage, ou directement Ethernaude), puis on saisie (ou on vérifie si le logiciel l'a mémorisé) l'adresse IP de l'interface avec laquelle on veut dialoguer. Ensuite les fonctions d'acquisitions sont accessibles comme à l'habitude, mais avec quelques fonctions supplémentaires et une vitesse de lecture bien accrue...
Une librairie de pilotage pour Linux (et autres Unix) est en cours de réalisation. Elle sera disponible sous peu.
6- En savoir plus
Je vous encourage à consulter des différents sites Internet qui présentent l'interface, vous pourrez y obtenir des renseignements bien plus techniques. Une liste de diffusion est ouverte, a été animée pendant les phases de conception et le sera certainement à nouveau lors de la livraison de la totalité de la première série. Vous pourrez aussi profiter des interfaces de la prochaine série dont la fabrication a été lancée (elle démarrera effectivement après la livraison de la première) si vous n'aviez par encore commandé.
L'adresse du site sur la présentation
technique de l'interface est : http://www.astrosurf.com/ethernaude
L'adresse pour s'inscrire à la liste de diffusion est : http://fr.groups.yahoo.com/group/Ethernaude
L'adresse du site Internet de la société qui distribue l'interface est :
www.mecastronic.com
Vous pouvez aussi écrire ou téléphoner à :
SARL mécASTROnic
Le Village
31460 LE CABANIAL
Tél. : 05 62 18 40 75