Périphériques, capteurs et actionneurs : cours de Première NSI

Dans les chapitres précédents, tu as étudié le modèle d'architecture de von Neumann : un processeur, une mémoire, des bus et des entrées-sorties. Ce modèle décrit une machine qui calcule. Mais une machine qui ne ferait que calculer en vase clos ne servirait à rien : il faut qu'elle reçoive des informations de l'extérieur et qu'elle puisse agir sur lui.

C'est exactement le rôle des périphériques. Le clavier sur lequel tu tapes, l'écran qui affiche ton texte, l'imprimante, la souris : tous sont des périphériques. Dans les objets du quotidien, la situation est la même, avec un vocabulaire un peu différent. Un thermostat de chauffage mesure la température d'une pièce (il a besoin d'un capteur), décide s'il faut chauffer (il a besoin d'un calculateur), puis allume ou éteint la chaudière (il a besoin d'un actionneur).

Ce cours répond à ces questions :

• Qu'est-ce qu'un périphérique, et comment le classer ?
• Qu'est-ce qu'un capteur, et que fournit-il à la machine ?
• Qu'est-ce qu'un actionneur, et comment reçoit-il ses ordres ?
• Comment toute cette chaîne s'organise-t-elle autour d'un microcontrôleur ?

Tu verras aussi un point essentiel pour un informaticien : le monde physique est continu, alors que la machine ne manipule que des nombres binaires. Il faut donc une étape de conversion.

On les classe selon le sens dans lequel circule l'information, en prenant comme point de vue la machine :

• un périphérique d'entrée envoie de l'information vers la machine ;
• un périphérique de sortie reçoit de l'information de la machine ;
• un périphérique d'entrée-sortie fait les deux.

Dans ce chapitre, on s'intéresse surtout à une famille particulière de périphériques : ceux qui relient la machine au monde physique. Les capteurs sont des périphériques d'entrée, les actionneurs des périphériques de sortie. Ce qui les distingue des périphériques « classiques », c'est que l'information échangée n'est plus seulement du texte ou de l'image saisis par un humain : c'est une grandeur physique (une température, une lumière, une distance) ou une action physique (un mouvement, un son, une chaleur).

Décortiquons cette définition. Une grandeur physique est une propriété du monde que l'on peut mesurer : la température, l'éclairement, la distance, la pression, l'humidité, l'accélération, la position... Le capteur transforme cette grandeur en un signal électrique, c'est-à-dire en une tension ou en un courant, que l'électronique sait ensuite exploiter. Le point clé est le lien entre les deux : le signal varie quand la grandeur varie. Si la température monte, la tension fournie par un capteur de température change de façon prévisible.

Un capteur ne « comprend » rien : il ne sait pas si la pièce est trop chaude. Il fournit seulement une image électrique de la grandeur. C'est le rôle du programme, exécuté par un calculateur, d'interpréter cette image et de décider.

Si le capteur est « l'œil » du système, l'actionneur en est « le bras ». Il convertit un signal de commande, en général de faible puissance, en une action physique : un mouvement, de la lumière, du son, de la chaleur. Les ressources officielles précisent que les composants techniques d'une chaîne peuvent aussi déclencher des actions spécifiques, par exemple modifier un état du système ¹.

Capteurs et actionneurs ne dialoguent pas directement : entre eux se trouve un système de traitement. Les ressources officielles décrivent ainsi les constituants d'une chaîne d'information, avec des capteurs, des microcontrôleurs et des éléments d'interface entre l'humain et la machine ¹. Dans les objets programmables que tu manipules en NSI, la carte qui joue ce rôle central est organisée autour d'un microcontrôleur.

On retrouve ici l'architecture de von Neumann, miniaturisée : processeur, mémoire de programme, mémoire de données, et surtout des broches d'entrée-sortie qui relient la puce au monde extérieur. Certaines broches sont configurées en entrée (on y branche un capteur), d'autres en sortie (on y branche un actionneur).

Un capteur de température fournit une tension qui peut prendre une infinité de valeurs. Or le processeur ne sait manipuler que des nombres binaires, donc un nombre fini de valeurs. Pour passer de l'un à l'autre, on utilise un convertisseur analogique-numérique (CAN), souvent intégré au microcontrôleur.

Plus le nombre de bits est grand, plus la conversion est fine : avec 10 bits, le même intervalle de 5 V est découpé en 1024 niveaux. Mais la mesure est alors plus longue et plus coûteuse. C'est un compromis classique.

Un système embarqué communique aussi avec l'utilisateur. Les ressources officielles parlent d'interface homme-machine pour désigner l'ensemble des éléments qui permettent cet échange ¹. Un bouton ou un clavier sert à donner un ordre ; un écran, une LED ou un buzzer servent à rendre compte de l'état du système.

Un système peut aussi échanger avec d'autres machines. Les données mesurées sont alors transmises sur un réseau, selon les principes que tu as vus dans le chapitre sur la transmission de données : trames, protocoles, détection d'erreurs. Un capteur de pollution d'une station météo peut ainsi envoyer ses mesures à un serveur qui les stocke. Enfin, sur un ordinateur complet, le système d'exploitation gère les périphériques grâce à des programmes appelés pilotes, afin que les applications n'aient pas à connaître le détail du matériel.