Baromètre USB vs capteurs de pression série : pourquoi vous n’avez peut-être pas besoin de SPI, I2C ou RS-485

L’approche par protocole série : ce que ça implique concrètement

Soyons concrets. Supposons que vous devez lire en continu la pression atmosphérique sur un PC pour la compensation d’altitude dans un banc d’essai, pour la surveillance ambiante dans un laboratoire, ou comme canal de référence dans un système de mesure plus large. Si votre réflexe est de recourir à une carte breakout et à un protocole série, voici à quoi le projet ressemble.

Le matériel. Vous achetez une carte breakout MS5611 ou BMP390 (typiquement entre 5 et 15 $). Vous avez ensuite besoin d’un microcontrôleur pour communiquer avec elle: un Arduino Nano, un ESP32, un Raspberry Pi Pico ou un équivalent (5 à 30 $). Vous avez besoin d’une plaque d’essai ou d’un PCB sur mesure pour câbler le tout. Le MS5611 communique via SPI ou I2C : vous connectez SCL et SDA (ou SCLK, MISO et CS), ainsi que l’alimentation et la masse. Si votre microcontrôleur fonctionne en 5 V et que le capteur opère en 3,3 V, vous aurez peut-être besoin d’un convertisseur de niveau. Vous reliez ensuite le microcontrôleur au PC via USB-série.

Le firmware. Vous installez l’IDE Arduino, importez une bibliothèque MS5611, écrivez (ou copiez-collez) un sketch qui initialise le capteur, lit les valeurs brutes de l’ADC, applique l’algorithme de compensation en température décrit dans la fiche technique du MS5611, puis envoie le résultat sur le port série. L’algorithme de compensation du MS5611 fait intervenir six coefficients d’étalonnage en usine stockés en PROM, ainsi qu’une correction du second ordre pour les températures inférieures à 20 °C. Ce n’est pas trivial. La plupart des ingénieurs s’appuient sur une bibliothèque pour le gérer, mais ils doivent tout de même vérifier qu’elle implémente l’algorithme complet correctement, en particulier la correction basse température, que certaines bibliothèques omettent.

Le boîtier. Si le montage n’est pas un prototype de paillasse mais une installation permanente, vous avez besoin d’un boîtier. Le capteur doit être ventilé vers l’air ambiant tout en étant protégé de la poussière, des interférences électromagnétiques et des contraintes mécaniques. Le câble USB nécessite un dispositif anti-traction. La carte microcontrôleur, avec ses broches exposées et ses connecteurs à barrettes, n’a pas été conçue pour un déploiement à long terme.

L’étalonnage. Votre carte breakout est livrée avec des coefficients de compensation programmés en usine, mais elle n’est pas accompagnée d’un certificat d’étalonnage traçable. Si votre application exige une traçabilité ISO 17025 — et c’est le cas de beaucoup d’entre elles — vous avez maintenant un problème supplémentaire à résoudre.

L’intégration logicielle. Une fois les données arrivées sur le PC, il faut encore analyser le flux série. Vous ouvrez un port COM, configurez le débit en bauds, lisez les lignes, découpez la chaîne de caractères, convertissez en nombre à virgule flottante. Si le microcontrôleur redémarre, le port série peut se déconnecter et votre script de journalisation doit gérer la reconnexion. Si vous avez besoin des données dans LabVIEW, vous construisez une boucle de lecture série via VISA. Si vous les voulez en Python, vous utilisez pyserial. Chaque langage d’intégration nécessite son propre code de gestion série.

Quand on additionne le tout (carte breakout, microcontrôleur, câblage, firmware, boîtier, analyse du flux série et tests) on a passé entre 4 et 20 heures de travail d’ingénierie pour obtenir ce qui se résume à un seul chiffre : la pression atmosphérique en kPa.

Consultez cet article du magazine IEEE Spectrum pour avoir un aperçu de ce qui vous attend si vous choisissez cette voie.

Pourquoi les ingénieurs empruntent cette voie par défaut

Ce n’est pas une critique. Il y a de bonnes raisons pour lesquelles l’approche par protocole série semble naturelle.

Les ingénieurs sont formés sur les systèmes embarqués. Les cours universitaires et les tutoriels en ligne enseignent tous l’intégration de capteurs à travers le prisme de SPI, I2C et UART. Si vous avez passé des années à lire des fiches techniques et à câbler des breakout boards sur des microcontrôleurs, c’est le modèle mental que vous appliquez à chaque nouveau projet. Quand vous avez besoin d’un baromètre, vous cherchez un capteur barométrique (le circuit intégré ou la carte breakout), pas un instrument barométrique (le produit fini). Le vocabulaire lui-même vous oriente vers des composants plutôt que vers des solutions.

Il existe aussi un cas d’utilisation légitime pour l’approche série : lorsque le capteur fait partie d’un système embarqué autonome qui n’implique aucun PC. Un altimètre de drone, une station météo autonome, un nœud de capteurs distant, etc.: tous ceux-ci nécessitent SPI ou I2C parce qu’il n’y a pas d’ordinateur auquel se brancher. La confusion survient lorsque les données de pression sont ultimement destinées à un PC, et que le microcontrôleur ne sert que de pont USB-capteur. Dans ce scénario, le microcontrôleur ne résout pas votre problème. Il est le problème.

L’approche USB : ce qui change

Un baromètre USB comme le Dracal BAR20 élimine entièrement la couche embarquée. Le circuit intégré du capteur (en l’occurrence le même MS5611 utilisé sur la plupart des cartes breakout) est intégré dans un boîtier compact au format clé USB, avec sa propre électronique embarquée pour la compensation en température, la conversion ADC et la communication USB. On le branche. La mesure est disponible.

Voici à quoi ressemble le même projet « lire la pression atmosphérique sur un PC » avec un baromètre USB.

Le matériel. Vous branchez le BAR20 dans un port USB. C’est tout. Pas de plaque d’essai, pas de câblage, pas de convertisseur de niveau, pas de microcontrôleur. L’appareil mesure 62 × 20 × 10 mm et pèse quelques grammes. Si vous avez besoin d’éloigner le capteur du PC (pour éviter les artefacts de pression causés par les ventilateurs de refroidissement), vous utilisez un câble d’extension USB standard.

Le firmware. Il n’y en a pas à écrire. Le BAR20 gère l’algorithme complet de compensation du MS5611 en interne, y compris la correction du second ordre pour les basses températures.

L’intégration logicielle. C’est ici que les choses deviennent intéressantes. Le BAR20 est accessible via un outil en ligne de commande (dracal-usb-get) qui retourne la mesure sous forme de valeur en texte brut. Lire la pression atmosphérique dans un terminal se fait en une seule commande :

dracal-usb-get -f -i 0
101.49

C’est tout. Une ligne. La valeur 101.49 est la pression atmosphérique en kPa. Si vous voulez la valeur en hPa, bar, atm, Torr, psi ou inHg, vous ajoutez un indicateur d’unité (-P hPa, -P bar, etc.). Si vous voulez journaliser en continu dans un fichier CSV, vous ajoutez -L monfichier.csv. Si vous voulez rediriger la sortie vers un script Python, un VI LabVIEW, une application C# ou un script shell, vous utilisez la redirection standard des entrées/sorties. Des exemples de code sont disponibles dans plus de 10 langages de programmation.

Pour ceux qui préfèrent une API REST JSON à la ligne de commande, Dracal offre un service local léger qui expose les données des capteurs sous forme de points de terminaison HTTP. Et pour ceux qui veulent simplement voir les données à l’écran, le logiciel gratuit DracalView fournit la visualisation graphique, la journalisation et la conversion d’unités directement. La mise en route prend moins de trois minutes.

L’étalonnage. Le BAR20 est étalonné en usine avec des puces MS5611 conditionnées individuellement. Pour les applications exigeant une traçabilité formelle, des certificats ISO 17025 sont disponibles. De plus, la variante BAR20-CAL offre un mécanisme intégré d’étalonnage utilisateur en 3 points, vous permettant d’ajuster la mesure dans le temps par rapport à une référence connue. Les points d’étalonnage sont stockés directement sur l’appareil, pas sur votre PC.

Comparaison

La différence de prix mérite un commentaire. Oui, 158 $ c’est plus que 15 $ pour une carte breakout. Mais la carte breakout n’inclut ni microcontrôleur, ni boîtier, ni temps de développement firmware, ni code d’analyse série, ni étalonnage. Si vous accordez une quelconque valeur à votre temps d’ingénierie, le baromètre USB est presque certainement moins cher.

Et les enregistreurs de données USB ?

Question légitime. Si vous avez déjà cherché « baromètre USB », vous êtes probablement tombé principalement sur des enregistreurs de données (dataloggers) USB — des appareils qui stockent les données en mémoire interne et exigent que vous récupériez physiquement l’appareil pour télécharger les données. Le BAR20 n’est pas un enregistreur de données. Il fournit un flux de données continu et en temps réel via USB, que vous pouvez lire, journaliser, rediriger et intégrer à votre guise. Vous n’êtes pas enfermé dans un écosystème logiciel propriétaire et vous n’attendez pas un téléchargement par lots. Les données sont disponibles en direct.

Quand l’approche série reste pertinente

Cet article ne prétend pas que SPI, I2C et RS-485 sont obsolètes. Ils restent le bon choix pour :

• Les systèmes embarqués autonomes sans PC impliqué, bien qu’ici encore Dracal offre une solution pour l’intégration OEM 
• Les réseaux multi-capteurs sur un bus partagé, où des dizaines de capteurs sont chaînés sur une seule ligne I2C ou RS-485
• Les boucles de contrôle en temps réel exécutées sur un microcontrôleur, où la latence d’un aller-retour USB serait problématique
• Les environnements électriquement difficiles où la signalisation différentielle du RS-485 offre une immunité au bruit sur de longues distances de câble

Si votre capteur de pression alimente directement un microcontrôleur qui prend des décisions en temps réel sans impliquer de PC, utilisez SPI ou I2C sans hésiter. Mais si la mesure doit ultimement arriver sur un ordinateur — pour la journalisation, la visualisation, l’analyse ou l’intégration dans un système logiciel plus large — insérer un microcontrôleur comme pont entre le capteur et le PC, c’est ajouter de la complexité que l’approche USB élimine entièrement.

Si vous avez aussi besoin de la température et de l’humidité

Le BAR20 mesure uniquement la pression atmosphérique. Si votre projet requiert également la température et l’humidité relative — comme c’est souvent le cas pour la surveillance environnementale en laboratoire, la qualification de salles blanches ou le suivi des conditions de stockage — le Dracal PTH450 combine les trois paramètres dans le même format USB, avec le même CLI, la même API et le même logiciel gratuit. Tout ce qui est décrit dans cet article en matière de simplicité et d’intégration s’applique de manière identique au PTH450.