Conception et réalisation d’un prototype de tag actif au format carte

Nous nous intéressons dans ce chapitre à la partie conception de la clé électronique pour la serrure vélo qui est l’objet étudié dans le cadre de cette thèse industrielle. Nous avons investigué deux solutions, une première qui propose de garder le lecteur d’origine et de ne concevoir que le tag et une deuxième qui propose un nouveau design à la fois pour le lecteur et pour le tag. Nous avons décidé dans un premier temps de garder le lecteur d’origine. Le client ne voulait pas changer son parc de vélos ce qui impliquait de garder les lecteurs actuels. Ces lecteurs fonctionnent à une fréquence de 125kHz. Cette fréquence comme nous l’avons vu auparavant ne permet de communiquer qu’à des petites distances de l’ordre du centimètre. La figure 75 montre la clé électronique existante. L’utilisateur dispose d’un badge qu’il présente devant le lecteur, à l’instar d’un pass Navigo, pour déverrouiller la serrure et pouvoir démarrer le moteur. Il la repasse à nouveau quand il veut verrouiller la serrure et parquer le vélo. Ces clés n’embarquent pas de source d’énergie étant donné la fréquence de fonctionnement, le circuit est directement alimenté par le champ magnétique produit en s’approchant du lecteur. Le cahier des charges définit par le client énonce les contraintes suivantes :

Le challenge ici est d’arriver à augmenter la distance de détection du tag, sans changer de fréquence. Le seul moyen est d’augmenter la puissance d’émission du tag. Ceci implique d’utiliser une source d’énergie propre. Une solution est de concevoir un tag actif en lieu et place du tag passif. En investiguant les solutions et les produits qui existent sur le marché, nous avons trouvé un récepteur qui fonctionne à très basses fréquences (de 15 à 150kHz). Le principe de fonctionnement du système, visible sur la figure 76, est le suivant : Dès que le récepteur détecte le signal du lecteur, il génère une interruption et vient réveiller le système de transmission. Le système de transmission est constitué d’un microcontrôleur qui génère une PWM avec le numéro d’identification de la carte. La PWM est une modulation par largeur d’impulsions qui permet de générer un signal logique (valant 0 ou 1), à fréquence fixe mais dont le rapport cyclique est contrôlé numériquement. La moyenne du signal de sortie est égale au rapport cyclique. Le signal est ensuite amplifié et transmis au lecteur. Une fois le circuit conçu, nous pouvons passer à l’étape de réalisation. Comme nous l’avons vu dans le chapitre 1, une carte est constituée de plusieurs couches (figure 3). Ces couches vont être assemblées en plusieurs étapes. La première étape est la fabrication des flexs. Elle requiert trois semaines et permet d’avoir des flexs avec les pistes imprimées ainsi que les empreintes des composants. Après la fabrication des flexs, vient l’étape d’hybridation où les composants sont montés sur les empreintes réservées à cet effet. En amont, un dossier d’hybridation est préparé avec toutes les consignes de montage des composants, la liste des composants et leur nombre exact ainsi que des tests simples qui peuvent être effectués afin de vérifier que tout est monté convenablement. Le Globtop est une mince couche de résine qui protège les composants en puce nue et qui remplace le boîtier. On vient la poser sur les composants une fois qu’ils sont montés sur le flex. Le flex avec les composants et le gloptop est appelé board. Finalement une couche de PVC, qui est une matière plastique d’usage courant, vient recouvrir le board de part et d’autre. Cette étape est généralement appelée lamination.

Afin de générer les fichiers nécessaires à la fabrication du flex et au montage des composants, on utilise un logiciel de routage. Le routage est le fait de matérialiser les liaisons existantes entre les composants sur le schéma électronique en des pistes de cuivre en utilisant un logiciel. Le logiciel que nous avons utilisé durant cette thèse est le logiciel EAGLE. C’est un logiciel propriétaire de conception assistée par ordinateur de circuits imprimés. Il comprend un éditeur de ‘layout’, de ‘routage’, un ‘routeur automatique’ et une librairie extensible de composants. de routage, il faut les placer correctement de façon à optimiser la surface restante. Les éléments les plus rigides sont positionnés sur les coins pour minimiser les effets de torsion de la carte puisque le circuit est flexible. La position du quartz est aussi imposée, il doit en fait être le plus proche possible du transceiver (émetteur/récepteur) pour éviter les parasites qui peuvent perturber son fonctionnement. Les pistes qui sont assez proches, doivent être suffisamment larges pour assurer une bonne liaison entre les composants et pas trop pour ne pas créer de courts-circuits ou de parasites. En gris, c’est la forme et l’emplacement des composants, V2 et V4 représentent l’emplacement des batteries. En rouge et en bleu, ce sont toutes les pistes et les empreintes sur lesquelles vont être collés ou soudés les composants. Le rouge représente la face supérieure de la carte et le bleu la face inférieure. Les plots en vert sont des vias qui permettent de faire la connexion entre les deux couches.