Des conceptions électroniques de haut vol (littéralement !)

Nous prenons toujours beaucoup de plaisir à donner la parole aux membres de notre communauté. Nous avons récemment rencontré James Nadir, qui nous avait déjà parlé d'un circuit imprimé qu'il concevait pour la Station spatiale internationale, rien de moins ! Nous avons eu envie de savoir ce que James faisait, et il nous a parlé, avec ses propres mots, des projets et des conceptions sur lesquels lui, ainsi que ses étudiants et ses associés, travaillent, sachant que James Nadir est également un mentor à la Valley Christian High School.

James Nadir (2^e à gauche) avec quelques-uns de ses associés à la VCHS

« Bonjour, je suis James Nadir et je suis l'un des mentors de la Valley Christian High School (VCHS). Nous aidons des étudiants aux États-Unis, et dans le reste du monde, à réaliser des expériences dans la Station spatiale internationale (SSI) à un coût abordable et sur une durée de 9 mois. Les données et les photos de la mission sont renvoyées aux participants toutes les 2 semaines environ, une fois leur expérience en cours sur la SSI. Notre école fournit l'ensemble de l'écosystème (matériel, logiciels, logistique, livraison/récupération des modules et formation) aux écoles partenaires et est ouverte à toute demande en provenance d'une autre école ou université. Cet écosystème permet aux élèves de développer leurs expériences comme s'il s'agissait d'un projet Raspberry Pi ou Arduino, sans pour autant devoir devenir des experts en protocoles de communication, systèmes d'exploitation de la NASA, technologies de vol (en un mot, inutile de sortir de Saint-Cyr...). Ce projet porte essentiellement sur les volets scientifiques et ingénierie d'une expérience autonome à bord de la SSI, mais les connaissances et la formation ainsi acquises seront utiles quelle que soit la discipline scientifique ou technique que choisiront les participants plus tard. Pour plus d'informations, un article récent a été publié dans Nature (NPJ Microgravity), appelé « Low-Cost Hitchhikers guide to the ISS » (Guide du routard de la SSI), qui décrit les éléments annexes et les méthodes du programme spatial.

Avant de devenir un volontaire à la VCHS, je travaillais pour Intel Corporation sur la famille de produits x86, Pentium et Itanium en tant qu'ingénieur principal. J'ai également développé les premières bibliothèques de synthèse (servant à convertir une description logique en conceptions physiques), j'ai développé des logiciels de post-traitement pour améliorer les performances synthétisées des implémentations (placées et acheminées automatiquement) et dirigé des équipes de conception de circuits pour développer des caches de premier et second niveau.  

Une solution pour des conceptions complexes

Notre programme a commencé par des logiciels aussi simples que possible, afin de permettre à tout élève de développer des logiciels, de découvrir l'électronique et de mettre en œuvre leurs circuits imprimés finaux au moyen d'une interface avec les processeurs intégrés. Tout cela a fonctionné à merveille au début, mais les expériences menées par les étudiants de deuxième ou troisième année sont devenues beaucoup plus complexes du fait de leur implication et du mentorat par des professeurs d'université et autres scientifiques qui souhaitent réaliser une expérience en microgravité, mais manquent de moyens pour ce faire. Nous avons donc dû opter pour des outils de nouvelle génération, afin de réaliser des expériences bien plus complexes que celles que nous avions prévues. Nous nous sommes tournés vers Sunstone, Eagle et CircuitMaker avant de sélectionner DesignSpark.

DesignSpark est très intuitif, a une courbe d'apprentissage courte permettant de travailler rapidement et dispose en prime de fonctionnalités avancées, telles que le placement et le traçage automatique. DesignSpark est idéal parce qu'il sert de passerelle entre la partie conception et le volet ingénierie mécanique, grâce aux possibilités d'exportation d'images 3D. C'est très intéressant, car la conception de circuits et la conception mécanique ne sont plus découplées ou traitées comme des interactions de processus isolés. L'étudiant en ingénierie électronique produit une image 3D, qui est ensuite importée dans un outil de CAO 3D (tel que DesignSpark Mechanical ou AutoDesk Inventor), pour analyser les interférences. L'effort nécessaire pour développer un composant personnalisé (y compris un composant non électrique, tel qu'une poche de fluide ou une chambre d'observation) et l'inclure dans l'image 3D du circuit est très faible, mais précieux pour l'analyse de l'interférence mécanique. 

En outre, la plupart des étudiants souhaitent développer des compétences pouvant déboucher sur un emploi. Par exemple, l'étude du code BASIC (même s'il est encore utilisé) n'est pas aussi motivante que celle d'un langage « tendance », tel que Java, C#, C++ ou Python. La même problématique se pose pour les outils de conception de circuits imprimés, et DesignSpark a le double avantage d'être intéressant et facile à apprendre.

Interface moderne

Nous développons actuellement notre écosystème de 3^e génération dans lequel DesignSpark PCB et DesignSpark Mechanical sont en cours d'intégration. Nous essayons naturellement de nous adapter au fur et à mesure, en utilisant des outils qui n'étaient pas prévus par les développeurs à l'origine. Jusqu'à présent, nous avons toujours trouvé des solutions de contournement et avons bénéficié d'une excellente assistance de la part de DesignSpark. Notre première tentative d'utilisation de DesignSpark PCB nous a surpris par sa facilité et a débouché sur une conception viable que nous fabriquons actuellement à OSH Park. Cette conception s'appuyait sur des composants placés manuellement (à gauche, dans l'image ci-dessous), tracés automatiquement, puis modifiés manuellement par la suite (à droite). 

Ce fut une séquence particulièrement difficile, en raison du trou central qui faisait obstacle. Le traçage automatique est parvenu à le contourner sans attributs d'exclusion particuliers. Nous aurions pu nous contenter du routage automatique, mais nous voulions nous familiariser avec les modifications manuelles (qui se sont révélées faciles et ont été terminées en 1 heure).

Nous avons ensuite créé un modèle en 3D de la carte que nous avons importé dans AutoDesk Inventor pour analyser les interférences. Ce fut bien plus facile que prévu. DesignSpark PCB utilise le contour de la couche sérigraphique pour établir l'empreinte d'un composant. Sa hauteur est facilement définie par l'attribut « height » de la propriété du composant. Il s'agit de l'image 3D que nous avons utilisée pour identifier les interférences mécaniques.

Nous évaluons désormais DesignSpark Mechanical comme solution de remplacement de l'outil de CAO 3D pour les étudiants qui n'ont pas encore suivi la classe « Principes d'ingénierie » (qui utilise Inventor CAD), mais doivent produire un module imprimé en 3D pour leur expérience sur la SSI.

DesignSpark PCB et DesignSpark Mechanical s'appuient sur des interfaces modernes compatibles avec les écrans tactiles. La nature intuitive de leur interface les rend particulièrement intéressants pour les étudiants et leurs mentors.

Transmission des données

L'image ci-dessous présente un module d'expérience sans boîtier avec le circuit fini. Ce circuit contrôle deux pompes péristaltiques et assure l'éclairage pour la caméra dépassant de l'ouverture au milieu de la carte. La carte du microprocesseur est située derrière la pompe et inclut les E/S numériques et analogiques, la RAM de la mémoire tampon pour les photos, le support de caméra, les capteurs et le processeur esclave de contrôle de séquence. Le système de développement est situé derrière cet ensemble, avec le contrôleur maître et le contrôle de séquence. La carte du processeur maître est identique à celle du système de contrôle de vol et contient toutes les fonctions nécessaires pour extraire et transmettre les données des étudiants vers la terre. La carte de prototypage rapide se trouve face à la pompe et permet aux étudiants d'identifier rapidement les problèmes provenant de leurs logiciels et de leur matériel de vol. Elle peut recevoir des composants à montage traversant et être utilisée pour contrôler une carte d'expérimentation externe.

Circuit fini avec pompe péristaltique derrière

50 % moins cher et impressionnant !

Nos outils « gratuits » initiaux pour circuits imprimés ont servi de point de départ pour la fabrication. Avec DesignSpark PCB, nous ne dépendons plus de la fabrication et avons réduit nos coûts de façon significative (plus de 50 %). La simplicité d'utilisation et l'apprentissage rapide permettent de réaliser des économies supplémentaires, que nous n'avons pas encore quantifiées, mais dont nous avons connaissance.

De manière générale, j'ai été impressionné par la facilité d'apprentissage du logiciel et son interface intuitive. La capacité d'exportation d'images 3D crée le lien entre les processus de conception électrique et mécanique qui nous avait manqué pour les projets précédents (notamment en raison du coût élevé des composants personnalisés), et est désormais réalisable facilement. La possibilité d'importer des formes de carte complexes à partir d'un outil de CAO en 3D (format XDF) est également un avantage, car nos circuits aux formes compliquées doivent tenir dans les petits boîtiers imposés par ce projet.

Demandes de fonctionnalités

1. Nous avons importé des formes de carte complexes en utilisant le SDF en tant que couche sérigraphique, puis nous avons adapté sa forme à l'aide de l'outil de création de contours. Ensuite, nous avons importé la conception dans un modèle accessible depuis l'Assistant de conversion en circuit imprimé. Il serait toutefois beaucoup plus pratique d'importer le fichier XDF directement sur la couche de la carte.
2. Une autre fonctionnalité intéressante consiste à utiliser des « modèles de circuits » pour nos étudiants, au moyen de connecteurs prépositionnés et autres pièces mécaniques indispensables pour toutes les cartes embarquées. Il serait souhaitable que ces modèles soient préroutés ou définis de telle façon que « l'annulation de tous les réseaux » n'annule pas le routage du modèle par la même occasion.
3. La création de fichiers Gerber est difficile et source d'erreurs pour les étudiants. Nous utilisions « Copper Connection » de Robot Room pour générer les fichiers Gerber et Drill automatiquement, sans avoir à les renommer manuellement ou à créer des étapes de configuration supplémentaires. Malheureusement, Copper Connection a été racheté par ExpressPCB (pour améliorer leurs outils de mise en forme et de génération de stencils). Heureusement pour moi, j'avais déjà acheté un fichier exécutable, ce qui m'a permis de générer des stencils à faible coût, mais il n'en reste pas moins que ce logiciel n'est plus commercialisé. Il serait intéressant que DesignSpark puisse générer des fichiers Gerber pour différents revendeurs, tels qu'OSH Park.  
4. Nous avons eu quelques difficultés avec l'outil générant les plans d'alimentation intérieurs, mais il a pu s'agir d'une erreur de l'opérateur. Si toutefois il s'agissait d'un bogue, il faudrait y remédier d'urgence.

Programme Station spatiale internationale de la VCHS

Le programme SSI de la VCHS est un programme de sensibilisation qui s'adresse à tous les étudiants, quelles que soient leur religion et leurs croyances. Il a permis de soustraire des jeunes « à risque » de l'influence de gangs et de dealers, et de leur ouvrir un avenir gratifiant dans les domaines de l'ingénierie et de la science. Il a permis d'intégrer des jeunes de milieux socio-économiques très différents. L'un des principaux avantages est que les participants apprennent à fonctionner dans le cadre d'une équipe ou tout le monde est à égalité (par exemple, un responsable est simplement quelqu'un ayant une tâche différente à organiser et des activités à coordonner, et si l'un des participants échoue, l'ensemble du projet s'écroule). Cela est très différent d'un environnement scolaire où les élèves sont en concurrence et font tous la même chose sous la direction d'un enseignant. Au cours du programme SSI, les élèves apprennent qu'il n'existe pas qu'une seule bonne réponse, qu'il faut faire preuve d'innovation et puiser dans ses ressources, et ils sont préparés ainsi au monde professionnel. J'invite instamment toutes les écoles et lycées techniques à s'impliquer dans ce programme de sensibilisation et à contacter la VCHS pour plus de détails. »

DesignSpark tient à remercier James pour avoir pris le temps de nous informer sur les projets en cours avec ses élèves et autour de la Station spatiale internationale. Merci James ! De notre perspective, ici à DesignSpark, nous sommes fiers d'apprendre que des composants inspirés par nous sont en orbite autour de la Terre alors que nous écrivons ces lignes !

Visiter le site Web de la VCHS