Projet IMA3 P1, 2015/2016, TD2

Projet IMA3-SC 2015/2016 : MORPION

Cahier des charges

Notre projet "système communicant" aura pour but de créer une interface connectée du "morpion". L'objectif est de permettre à un joueur interagissant sur un site internet de jouer contre une autre personne qui, elle, jouera à l'aide d'un affichage fait à partir de leds.

Nous cherchons donc à exploiter la capacité asynchrone d'un websocket afin de permettre une partie en temps réel.

Matériel

• Une nanoboard
• Une raspberry pi
• Une matrice de leds 9x9 ou plus
• Un clavier numérique ou 9 boutons-poussoirs
• Des ordinateurs avec les logiciels de développement nécessaires

Optionnel

• Un buzzer afin d'avertir le joueur d'un choix incohérent
• Trois afficheurs sept segments afin d'ajouter un tableau des scores

Séance 1

Partie électronique

Le but de cette première séance était de se familiariser avec le logiciel de conception Altium Designer et de réfléchir à la façon d'aborder la conception électronique du morpion.

Cette conception se fera en plusieurs étapes :

• gérer le positionnement d'un curseur en fonction de l'état courant de la partie
• gérer l'affichage de la matrice en fonction des cases remplies / sélectionnées
• permettre la réception et l'envoie de données à l'aide de la liaison série
• traiter la remise à zéro du plateau en cas de fin de partie

Positionnement du curseur et état de la partie

Dans un premier lieu, il était nécessaire de traiter les actions entrantes. En effet, si ce n'est pas au tour du joueur "physique", l'utilisation des boutons doit être bloquée.
Ceci consiste simplement à effectuer un ET logique entre un bit symbolisant le joueur courant (si 1 alors joueur physique, si 0 alors joueur en ligne) et l'action demandée.

Une fois les choix accessibles, il faut désormais les traiter. Le traitement s'effectuera à l'aide de bascules, chaque case comportera deux bascules : une bascule de sélection (la case est-elle sélectionnée ?) et une bascule permettant de savoir si la case a déjà été jouée.
Si la case a déjà été jouée, il ne faut empêcher l'utilisateur de la jouer.
Nous considérerons que le joueur en ligne n'effectuera pas de choix erroné et nous testerons seulement les choix du joueur "physique".

Les ronds verts permettent la distinction des 9 cases.
Le rond jaune correspond à la zone des sorties d'état. Plus précisément, il s'agit de deux bus regroupant les cases remplies et le lieu de la case sélectionnée.
Le rond noir correspond au choix de l'adversaire.
Le rond orange correspond à la sortie "selection_done" qui effectue un état haut lorsqu'un choix valide a été fait par l'utilisateur.
Le rond rouge met en évidence la zone permettant de traiter les décalage du bit de sélection. Ce décalage consiste à garder seulement UNE bascule à l'état haut en effectuant le passage logique d'une bascule à une autre en fonction du choix tout en appliquant un reset sur l'ancienne sélection. Le schéma de ce déplacement se trouve ci-dessous et est appliqué aux 9 cases.

Complément à la séance 1

Affichage dynamique

L'un des grands problèmes à la réalisation du morpion sur nanoboard est l'affichage dynamique. En effet, il va falloir à la fois stocker les valeurs, et stocker quel joueur a joué telle ou telle case, afin de savoir quel case s'allumera de la couleur désirée. Ceci rajouté à l'affichage dynamique de la sélection, ceci s'avère compliqué.
La tâche a alors été décomposée en deux étapes :

• Le traitement des couleurs (Quelle couleur affilier à quelle case ?)
• L'affichage de ces couleurs

Traitement des couleurs

Le but était de se simplifier au maximum les choses. Le premier problème est de savoir quel joueur a joué une case, pour ceci, nous nous sommes servi de l'état du plateau fourni dans le bloc TRAITEMENT. Nous savons quelles cases sont à 1 et imposons donc une couleur rouge à toutes ces cases.
De plus, nous savons qu'à chaque fois que le joueur "physique" effectue un choix valide, un front montant est appliqué sur la broche "selection_done" de TRAITEMENT. Nous avons alors re-créé 9 registres symbolisant les cases, mais cette fois ci, en fonction de l'endroit sélectionné par l'utilisateur, si ce dernier effectue un choix valide, le registre passera à 1. Le but de cette manipulation est de recenser tous les registres joués par le joueur physique.
Maintenant, nous relions ces registres aux valeurs de couleur verte afin d'additionner le vert au rouge des cases jouées et obtiendrons finalement des cases de couleur jaune pour symboliser les cases du joueur physique et des cases de couleur rouge pour le jouer en ligne.
Il ne reste qu'à relier directement la case sélectionnée (recensée par le bus Etat_selection de TRAITEMENT) à la couleur bleue.
Finalement nous avons :

• joueur en ligne : rouge
• joueur physique : jaune
• sélection : magenta, cyan ou bleu

Affichage

La matrice led employée est une matrice led à anode commune. Elle a pour avantage de permettre la sélection d'une ligne et de la couleur de chaque colonne.
Cependant, nous ne pouvons donc choisir la couleur que d'une colonne. C'est pourquoi nous allons faire varier cet affichage ligne par ligne à une fréquence élevée afin que l’œil humain ne le remarque pas. Nous pourrons donc choisir quelle couleur sera affichée sur chaque ligne.
Cet affichage ligne par ligne sera effectué via un multiplexeur donc le bus de sélection sera relié à un compteur 3bits cadencé sur une clock suffisamment rapide pour opérer une persistance rétinienne.
Dans chaque bus nous avons imposé certains bits afin que la grille soit dessinée en bleu.
Le bus multiplexé sera ensuite redirigé vers les pins de la matrice leds.

Tests

Le bloc d'affichage a été testé et deux problèmes ont été rencontrés :

• La sélection a été mal réfléchie
• Un phénomène de rebond a été remarqué sur l'oscilloscope numérique

La sélection

Dans la fonction d'affichage, on retourne la sélection de la ligne en logique inversée. Le problème est que dans la version 1.0 de l'affichage, un GND avait été placé en entrée du MUX de sélection. Nous n'avions pas pensé au fait que dans ce cas la, toutes les sorties seraient en permanence au GND...
La correction a donc été de placer un VCC en entrée et d'inverser les sorties, ainsi une seul anode de ligne sera placée sur le GND.

Le schéma semble fonctionnel cependant d'autres tests restent à faire.

Le rebond

Lors du test de l'affichage, la clock d'affichage a été simulée par un bouton de la nanoboard et l'affichage a été relié sur une seule ligne.
Nous étions sensé remarquer que lorsque la ligne s'allume, si on appuie sur le bouton, elle s’éteint et enfin si nous appuyons sept fois sur le bouton, la ligne se rallume.
Rien ne se passait comme prévu, et plus précisément, il n'y avait même pas de logique dans la ré-apparition de la ligne.
Ayant déjà été confronté à des problèmes de rebonds avec des boutons poussoir, ce phénomène a été testé sur l'oscilloscope numérique.

Nous demanderons alors aux référents quelle stratégie adopter : filtrer le signal avec un condensateur en parallèle au bouton ou bien utiliser une comparaison avec registre à décalage pour vérifier la stabilité du signal avant d'envoie du front montant.
Certes la correction du bouton n'était pas nécessaire aux tests entrepris pour l'affichage (nous aurions pu mettre une clock interne) mais ceci nous servira pour filtrer les choix effectués par l'utilisateur (haut, droite, select).

Objectifs pour la séance prochaine

Les schémas effectués restent des ébauches, il y a forcément eu des oublis. Néanmoins, comme chaque schéma se compile, le passage à l'étape de mise en place de la liaison série durant la séance 2 est envisageable. Il faudra donc créer un protocole plus concret afin de savoir qui doit jouer, quand envoyer, quand recevoir des données. Si le temps le permet, quelques programmes simples seront testés sur la nanoboard afin de vérifier le fonctionnement de l'affichage de la matrice après discutions avec les enseignants au sujet du phénomène de rebond.

Partie informatique

Dans cette première séance nous avons programmé l'arduino afin de créer le programme de morpion, pour pouvoir tester la partie informatique sans disposer de la partie électronique. Pour cela nous avons due apprendre à utiliser une matrice de LED RGB à l'aide des codes fournit par SparkFun.

Puis nous avons pu commencer à programmer le morpion:

• le jeu se déroule dans une matrice 3x3.
• le position du curseur est représentée par une lumière bleue, celle des pions du joueurs 1 par une lumière rouge et celle des pions du joueurs 2 par une lumière verte.
• si le curseur est sur un pions les deux couleurs s'additionnent pour donner du magenta où du cyan.
• le joueur se déplace à l'aide de 2 boutons poussoir,l'un permettant d'aller vers le haut, l'autre permettant d'aller à droite
  • pour éviter plusieurs déplacements d'un coup, un délais a été mis entre deux actions
• une fois tout en haut, si le joueur presse le bouton pour aller vers le haut le joueur se retrouve en bas.
• une fois tout à droite, si le joueur presse le bouton pour aller vers la droite le joueur se retrouve à gauche.
• enfin un dernier bouton poussoir permet de placer un pion à l'endroit où se trouve le curseur.

Une fois les mouvements programmés il fallait régir les règles du jeu:

• Ainsi le curseur commence toujours en haut à droite
• Si le un joueurs arrive a créer une ligne de 3, il gagne la partie
• Si aucun joueur n'arrive à gagner et que le terrain est remplit, la partie se termine sur un match nul
• Une fois la partie terminée, le terrain est remis à zéros

Séance 2

Partie électronique

La matrice led ne pourra être alimentée par les différentes broches de la nanoboard sous peine de créer une chute de tension et risquer un reset du fpga.
Ainsi, le but de cet séance est de réfléchir à la conception d'un prototype de carte permettant d'alimenter la matrice led de manière externe.

Utilisation de transistors

L'utilisation de transistors en saturé paraît la meilleur chose à faire. En effet, ceci permettra de générer un gain en courant et de contrôler l'état des différentes couleurs ligne par ligne et colonne par colonne.
Pour permettra la liaison de chaque led au VCC, on utilisera un transistor PNP. Pour permettre la liaison au GND, on utilisera un NPN.

Comme il s'agit de transistor à anodes communes, il suffira de 8 transistors NPN. Notre choix s'est donc porté vers le ULN2803A, qui est un ensemble de 8 paires Darlington.
L'utilisation de paires Darlington a l'avantage de permettre une génération élevée de courant. (Fort gain en courant)

Pour ce qui est des cathodes, un problème de taille se pose. Il faudrait 24 transistors PNP pour gérer les 8 colonnes * 3couleurs. Ainsi, notre choix s'est plutôt déporté vers le buffer de portes trois états 74AS240. Cette famille de buffer 3 états a la capacité de délivrer un courant du même ordre de grandeur que l'ULN2803A.

Maintenant il reste à dimensionner la résistance sur chaque branche. Après quelques tests à l'aide d'un multimètre et de la matrice, on remarque que chaque led a besoin de 2mA pour fonctionner. Donc le but est de générer un courant d'environ 2mA. Ainsi, si on impose une tension de 5.5V aux bornes du montage, R = 5.5 / 0.002 = 2700 Ohms.

Nous avons désormais toutes les informations nécessaires pour le montage d'un prototype.

Le montage

Au cours d'une séance supplémentaire, un plan a été élaboré et le prototype brasé. Voici donc le prototype achevé :

Sur chaque sortie se trouve une résistance de 2700ohms. Le mieux aurait été de réaliser ce montage avec un réseau résistif cependant, le temps nous faisant défaut, nous avons utilisé les résistances déjà présentes en magasin.
Sur chaque entrée se trouver une broche qui sera reliée à la nanoboard.
Tous les buffers ont leur GND et VCC reliés au générateur 5.5V. Les paires Darlington sont reliées à la même masse.

Il ne restait plus qu'à relier la matrice led. Cette liaison parallèle a été réalisée en recyclant un vieux BUS d'ordinateur fixe. Finalement, voilà le montage final :

Partie informatique

Arduino

Lors de cette séance nous avons pu finir le programme arduino, pour pouvoir jouer à deux sur une la carte. Cette partie a été crée pour pouvoir tester les différentes fonctions, et sera modifier lors de prochaines séances. La matrice LED affiche des clignotement irrégulier de couleur rouge, mais cela ne gêne pas pour jouer.

Raspberry

Nous avons pu enfin commencer notre travail sur la raspberry. Apres avoir branché la raspberry en série à notre pc, nous avons pu la configurer afin qu'elle fonctionne avec le réseau de l'ecole. Pour cela nous avons mis une adresse IP du réseau INSECURE de l'école sur la Raspberry, celle de notre raspberry est :172.26.79.12. C'est à partir de cette adresse que nous allons acceder aux pages html du projet. Pour effectuer cette configuration nous avons remplacé les lignes correspondant à la configuration de la carte Ethernet dans le fichier /etc/network/interfaces par les lignes

 auto eth0
 iface eth0 inet static
   address 172.26.79.12
   netmask 255.255.240.0
   gateway 172.26.79.254

Et afin d'indiquer le serveur DNS dans /etc/resolv.conf nous avons rajouté:

 nameserver 193.48.57.34 

Une fois la raspberry configurée, nous pouvons accéder à notre raspberry sans liaisons série grâce à un ssh. Afin d'effectuer notre projet nous avons besoin de deux bibliothèques:

• jquery.js que l'ont a telecharger sur http://jquery.com/ afin de faciliter la programmation en javascript
• une bibliothèque C de WebSocket trouvé sur http://libwebsockets.org afin de pouvoir effectuer notre programme en C utilisant le Websocket

Notre raspberry est maintenant prête pour notre projet, nous avons pu commencer notre fichier morpion.html qui permet de joueur au morpion à deux sur le même ordinateur, ce qui permet de tester les differentes fonctions utilisés pour la suite du projet.