CHOUR - Régleur de montres mécaniques / chronocomparateur RM4

Appareil : Chronocomparateur (régleur de montres mécaniques) - En cours de réalisation !
Date : 2019
Type : PC-RM4
Marque : Chour
Dernière version logicielle : V0.0
Principaux constituants : STM32F04 de Diymore, PC-RM2, afficheur graphique tactile, amplificateur, circuiterie logique pour gestion horloge

Présentation

L’appareil présenté sur cette page est similaire fonctionnellement à PC-RM3 mais de conception très différente. Il s'agit d'un régleur de montres mécaniques d’atelier de faible coût. On l’appelle également Chronocomparateur. Il permet de vérifier la dérive d’une montre (plus ou moins un certain nombre de secondes par jour) et de la régler afin de minimiser cette dérive. Le détail de l'appareil se trouve sur la page PC-RM1

Si vous souhaitez en savoir plus sur le réglage des montres, vous pouvez aussi consulter cette page.

Quelques caractéristiques du régleur de montre

Ce régleur de montre vise :

• Un coût de réalisation très faible (même ordre de prix que PC-RM3), pour peu que vous soyez un minimum bricoleur.
• Une taille réduite afin de pouvoir être facilement posé sur une paillasse toujours trop encombrée…
• Une très grande facilité d’emploi.
• Une bonne précision de mesure (on y reviendra).

Les principales fonctionnalités sont les suivantes :

• Alimentation via USB en 5V.
• Sélection du nombre de battements par heure.
• Sélection d'une durée d'occultation de la mesure.
• Déclenchement, pause, reprise ou réinitialisation de la mesure.
• Mesure et affichage de la différence entre la période mesurée de la montre et la période attendue.
• Mesure et affichage de la différence entre la durée d’un « tic » et la durée d’un « tac ».
• Mesure et Affichage du nombre de secondes d’avance ou de retard par jour.
• Mini oscilloscope pour visualiser le signal émis par la montre.
• Capteur PC-RM2 piezo externe sans amplification.
• Résolution théorique de l'ordre de 20ns et précision théorique de 1% (voir le chapitre consacré à ce sujet pour en savoir plus).

Les principales différence avec PC-RM3 :

• Utilisation d'un processeur beaucoup plus performant et plus rapide (STM32F04) ce qui évite certains effets de bords que l'on peut trouver sur PC-RM3.
• Utilisation de compteurs matériels pour la mesure du temps. Celle-ci n'est plus dépendante de l'occupation du processeur

Capteur

Le capteur est décrit sur cette page PC-RM2

Vous pouvez également utiliser le capteur de PC-RM1

Schéma électronique

L'électronique se compose :

• D'une carte STM32 de Diymore (7€)
• D'un écran Touchscreen de 3,5 pouces (9€)
• D'un amplificateur (le même que celui de PC-RM3 (quelques euros)
• D'une logique de commande des compteurs (quelques euros)
• D'une alimentation secteur

Carte microcontrôleur

Le microcontrôleur est un STM32F04 à 72MHz que l’on trouve pour environ 7€. Son programme est en téléchargement sur cette page.

Il est utile de s'attarder un peu sur cette carte qui, si elle n'est pas coûteuse, est très mal documentée. Ce que je vous indique ici est issue de mes expérimentations et de recherches dans divers forums.

En premier lieu, la programmation de la carte est faite en utilisant l'environnement de développement éclipse. La carte microcontrôleir est connecté au PC via ST-LINK-V2 qu'il vous faudra vous procurer. Son coût est de l'ordre de 2€.

Lorsque vous recevez la carte, vous avez intérêt à mettre deux pin sur Boot0 et Boot1 afin de pouvoir les connecter à la masse et à les déconnecter si besoin est.

Soudez également des pins sur Vcc, GND, PA13 et PA14. Vous connecterez le ST_LINK-V2 à ces pins de la façon suivantes :

• 5V sur Vcc. Le processeur fonctionne en 3.3 via un régulateur
• GND sur GND
• SWDIO sur PA13
• SWCLK sur PA14

Carte Diymore, face avant

Carte Diymore, face arrière

Afficheur

L’afficheur LCD est de type 3.5" TFT LCD Color Screen Module 480*320 + Touch Pen que l'on trouve pour environ 9€.

Afficheur 3,5 pouces, 480 x 320 pixels, tactile

Il doit être connecté de la façon suivante :

Connexion STM32 avec afficheur

Amplificateur et circuit de commande de l'horloge

La partie électronique L'amplificateur dont le schéma est inspiré de celui qui se trouve sur le site http://www.watchoscope.com/. Les principales différences sont les suivantes :

• Pas de condensateur de sortie (C7 sur le schéma original). La composante continue est récupérée.
• Diodes facultatives en entrée. Je n'en ai pas mis mais si vous utilisez un capteur qui délivre une tension élevée (comme ceux que l'on peut trouver dans le Vibrograf par exemple), ça peut être utile.
• Utilisation d'un LM324 au lieu d'un TL074 ce qui permet d'alimenter le montage en 5V
• Je n'ai pas mis D1 et D2. Vous pouvez l'envisager si vous utilisez un capteur générant des tensions élevées.

Le reste de la carte comporte les deux LEDs commandées par le processeur. Une prise Jack complète l'ensemble.

Interface utilisateur

Comme pour PC-RM3, J’ai souhaité réaliser un appareil très simple d’utilisation, ne comportant que très peu de commandes. La principale différence avec PC-RM3 est que l'appareil dispose d'un mini-oscilloscope permettant de visualiser le signal.

L’appareil comporte donc un afficheur graphique tactile et deux LED pour signaler le battement.

Le mode d’emploi est le suivant :

A la mise sous tension, l’afficheur vous propose une liste de battements par heure et une durée d'occultation par défaut qui est en fait une fenêtre de mesure. Voici quelques explications du principe.

Durée d'occultation

Supposons qu'un certain Tic intervienne au temps T1. Le suivant doit intervenir au temps T2 = T1+durée d'une demi période.

La fenêtre de mesure autorisée est centrée sur T2. Les impulsions ne sont prises en compte que dans la zone verte. Si une impulsion survient dans la première zone grisée en rouge (avant T2), elle est ignorée. Si l'impulsion survient au delà de la zone verte, cela signifie probablement qu'un signal a été perdu. Le chronocomparateur ignore cette donnée et tente de se resynchroniser sur une autre impulsion.

Pour une montre qui bât à 18000 coups par heure, la demi-période (durée entre un Tic et un Tac) est de 200ms. Si l'on choisit une durée d'occultation de 9/10, les impulsions ne seront prises en compte qu'entre T1+180ms et T1+220ms.

Menu de sélection des battements et de la durée d'occultation

Les valeurs proposées sont proposées en fraction de la durée d'une demi-période de battement :

• 50ms : Fenêtre minimum permettant d'éliminer le train d'onde généré par la montre.
• 1/4 : 1/4 de la durée d'une demi période. Par exemple, pour un battement de 18000 coups par heure, la période est de 400ms, la demi période est de 200ms, 1/4 de cette durée donne 50ms de durée d'occultation autour de la demi-période attendue (200ms). Toutes les valeurs entre 50ms et 350ms après le dernier Tic (ou Tac) seront acceptées
• 1/2 : 1/2 de la durée d'une demi-période.
• 3/4 : 3/4 de la durée d'une demi-période.
• 9/10 : 9/10 de la durée d'une demi-période. Par exemple, pour un battement de 18000 coups par heure, les valeurs acceptées devront donc se trouver entre 180ms et 220ms après le dernier Tic (ou Tac).

Il est conseillé de choisir une valeur d'occultation élevée lorsque l'on se trouve dans un environnement très bruité.

Sélection du battement de la montre

Les valeurs disponibles sont programmées. Il n’y a pas de recherche automatique du nombre de battements. Ce n’est pas que cette fonction soit difficile à réaliser mais en pratique, elle n’est pas très fiable, surtout si votre montre est très déréglée.

L'appareil passe en mesure dès que le nombre de battements est sélectionné.

Ecran de mesure

Ecran de mesure

En haut de l'écran se trouvent, la différence entre le Tic et le Tac, la différence entre la période mesurée et la période attendue, la différence moyenne entre la période mesurée et la période attendue depuis le début de la mesure, l'avance/retard calculé de la montre sur 24 heures. Les unités d'affichage sont sélectionnées automatiquement par le programme. Elles sont exprimées en µS, ms, s, ou mn. "***" signifie un dépassement de capacité (valeur trop grande pour être affichée).

Chaque valeur est rafraichie alternativement toutes les secondes. Il faut donc 4 secondes pour que l'ensemble des valeurs soient rafraichies.

En bas de l'écran se trouve un bouton marqué "Pause". L'appuie sur ce bouton stoppe la mesure courante et affiche 3 bouton :

• Reprise : il s'affiche à la place du bouton pause en Rouge. l'appuie sur ce bouton permet de reprendre la mesure.
• Reinit : l'appuie sur ce bouton réinitialise la mesure. Toutes les valeurs déjà mesurées sont remise à zéro.
• Battement : permet de revenir à l'écran du coix des battements et de la durée d'occultation.

On y trouve également l'indicateur de synchronisation (voir plus loin).

La partie centrale de l'écran affiche la différence entre la demi-période mesurée et la demi-période attendue pour le Tic et le Tac. La ligne blanche au centre correspond à une différence de zéro. L'objectif du réglage est de faire en sorte que les deux courbes (celle du Tic et celle du Tac) soient le plus près possible de la ligne centrale (raquette Avance/Retard). Les graduations autour de la ligne centrale sont en ms. Les valeurs au dessus et en dessous de 6ms ne sont pas affichées.

A noter que la ligne centrale comporte un indicateur en rouge qui progresse en fonction de l'avancement de la mesure.

Indicateur de synchronisation

Un indicateur comportant la lettre "S" est présent en bas à gauche sur l'écran de sélection des battements et des durées d'occultation ainsi que sur l'écran de mesure. Cet indicateur est de couleur verte si l'appareil a réussi à se synchroniser avec la montre ou rouge lrosque ce n'est pas le cas. La synchronisation se déroule de la façon suivante :

• L'appareil recherche une absence de signal d'une durée de 50ms.
• Lorsqu'il en a trouvé une, il attend le premier front montant qui correspond normalement à la phase de "dégagement" de l'échappement (voir cette page si vous ne voyez pas de quoi il s'agit).
A partir de ce moment, l'appareil se considère comme synchronisé.
• Il se considère comme désynchronisé si aucun signal n'apparait dans la fenêtre de mesure qui dépend du battement sélectionné pour la montre en cours de mesure.

Précision et résolution de l’appareil

La précision et la résolution de l’appareil doit être définie pour les 3 mesures réalisées :

• La durée d’un battement (par exemple, 400ms pour une montre qui bat 18000 fois par heure),
• L’écart entre un Tic et un Tac,
• L’avance-retard sur une longue période (par exemple, 24 heures).

L’horloge de la carte microcontrôleur utilisée a une résolution de 13ns. Sa précision dépend de celle du quartz et est probablement très inférieure à 1%. On la nommera P% par la suite. Dans ce contexte, on peut dire que :

• La précision de l’écart entre un Tic et un Tac est de +/-13ns à P% près,
• La durée d’un battement est mesurée en sommant la durée des demi-battements. La précision de cette durée est donc inférieure, en valeur absolue, à 26ns à P% près.
• Le fait de passer par des compteurs matériels (compteurs 32 bits du microcontrôleur) permet de garantir que la mesure n'est pas affectée par les traitements. C'est également généralement le cas pour les versions avec Arduino mais il peut y avoir des cas où des priorités d'interruptions retardent le traitement de lecture de l'horloge interne. Dans le cas présent, le processus de comptage (marche/arrêt) et de traitements sont complètement indépendants.

Pour la mesure de l'avance/retard, on effectue la différence entre la somme des durées des Tic et des Tac mesurées et la durée attendue. Si NB est le nombre de mesures de Tic et de Tac, l'écart avec la durée attendue est Ecart = somme(durées des Tic et des Tac) - NB x durée d'une période.

Il suffit ensuite de ramener cette valeur à 24 heures pour avoir l'écart sur 24 heures.

Dans le pire des cas, la résolution de la mesure se cumule en valeur absolue sur la période de mesure. Si NB24 est le nombre de périodes sur 24 heures, alors, la résolution la plus mauvaise est NB24 * résolution. Pour une montre qui bat à 18000 coups par heure, Cette résolution est inférieure ou égale à 18000 x 24 x resolution d'une mesure = 6ms.

avril 2019