La physique COMPUTATIONNELLE au lycée

• Facile à installer, libre et multiplateforme (Linux, Windows, macOS).
• Prise en main très rapide (quelques jours).
• Alternative fiable à des logiciels spécialisés (MATLAB, Excel, LibreOffice…).
• Spécialisé dans le calcul scientifique, la représentation des données sous forme de graphiques et la simulation.
• Utilisation simple de la liaison série pour le transfert de données avec Arduino.
• Python est un des langages les plus populaires d'après L'Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) qui est la plus grande association mondiale de professionnels techniques (IEEE Spectrum). Un article intéressant à lire à ce sujet : IEEE : Python devient le meilleur langage en 2017 en dépassant C et Java (NDLR et détrône même C sur TIOBE pour la première fois depuis octobre 2021).

• Un document ressource de l'éducation nationale mentionnant clairement Python, vient de paraître pour la rentrée 2017 sur le thème algorithmique et programmation.
• Python est très majoritairement utilisé dans l'enseignement de spécialité ISN en terminales S. (NDLR enseignement supprimé au profit d’une nouvelle spécialité NSI depuis la réforme du baccalauréat).
• Python est un enseignement obligatoire en CPGE depuis la rentrée 2013.
• L'informatique avec Python est une épreuve obligatoire des concours aux grandes écoles que ce soit sous forme d'une épreuve de simulation pour la physique - chimie (Concours communs polytechniques et e3a) ou d'une épreuve d'informatique pour tous plus théorique (Centrale-Supélec et Mines-Ponts).

Si lors du test vous obtenez une erreur avec le package pyserial, vous pouvez l'installer de différentes manières : depuis l'interface d'Anaconda Navigator (recommandé)

Cliquer dans la fenêtre d'accueil sur le menu : Environments. Un menu déroulant en haut de la fenêtre indique par défaut : installed Choisir Not installed Sélectionner dans la liste le module pysérial. Valider pour l'installation. depuis Conda ou PyPI : Linux / macOS / Windows : PySerial

La carte Arduino permet de faire l'acquisition d'un signal analogique par l'intermédiaire d'un capteur et de le convertir en signal numérique grâce à son CAN (10 bits). Il est ensuite possible de transférer ces données par le port série vers l'ordinateur pour réaliser un traitement numérique avec Python.

Donc, très schématiquement, on se sert de l'interface de programmation d'Arduino pour écrire un petit programme qui explique à la carte comment faire l'acquisition (programme qui est ensuite téléversé sur la carte par le port série), puis on récupère les données via le port série pour en faire une analyse avec Python.

Le code Arduino ci-dessous envoie une valeur entière aléatoire toutes les secondes en passant à la ligne après chaque valeur (réponse à la question 8).

Remarque : If it is important for a sequence of values generated by random() to differ, on subsequent executions of a sketch, use randomSeed() to initialize the random number generator with a fairly random input, such as analogRead() on an unconnected pin.

Conversely, it can occasionally be useful to use pseudo-random sequences that repeat exactly. This can be accomplished by calling randomSeed() with a fixed number, before starting the random sequence.

Code Arduino à téléverser sur la carte :

void setup() {
    Serial.begin(9600);
    randomSeed(analogRead(0));
}
void loop() {
    Serial.println(random(1, 100));
    delay(1000);
}

Code Python : pour notre premier exemple, nous allons créer une liaison série pour que Python puisse communiquer avec la carte Arduino :

• fermer le moniteur série coté Arduino, pour pouvoir établir une liaison avec Python ;
• ouvrir un nouveau Notebook ;
• changer le nom du notebook : Arduino_Python ;
• recopier l'exemple ci-dessous en n'oubliant pas d'exécuter la cellule de code. Attention de bien indiquer le port sélectionné dans le menu Arduino (Outils → Port série). Sous Windows : COM suivi d'un numéro (1, 2, 3…), sous Linux : /dev/ttyACM suivi d'un numéro (0 ou 1 en général) ou /dev/ttyUSB0.

import serial
serial_port = serial.Serial(port = "COM1", baudrate = 9600)
serial_port.readline()

J'ai effectué une copie d'écran afin que l'on puisse avoir une vue du programme dans le Jupyter Notebook. Chaque case est ce que l'on appelle une cellule et l'ensemble des deux cellules forme notre programme Python. Les cellules ne sont pas indépendantes les unes des autres, elles forment un tout, comme si le code avait été écrit dans une seule et même cellule. Attention lors de la copie d'écran, j'ai séparé les lignes 1 et 2 de la ligne 3 afin d'introduire quelques commentaires.

Le résultat de notre programme peut être visualisé sur la sortie standard (out[3]: dans le notebook) avec un nombre entier aléatoire suivi de 4 caractères indiquant la fin de ligne et le retour à la ligne, ces caractères peuvent changer en fonction du système d'exploitation : '35\r\n'.

Il y a également deux cellules de texte pour donner quelques explications. La mise en forme d'une cellule de texte se fait à l'aide de la syntaxe Mardown.

Dans cet exemple, pour obtenir une nouvelle valeur, il faut relancer à chaque fois la cellule contenant l'instruction : serial_port.readline(). Pour afficher plus de valeurs, on peut utiliser une structure de contrôle appelée « boucle ».

Si l’on veut dix valeurs, on peut écrire :

for i in range(10):
    print(serial_port.readline())

Attention, le fait de valider plusieurs fois une cellule pour obtenir de nouvelles valeurs n'effectue pas un reset de la carte Arduino, contrairement au fait de fermer le moniteur série (cf 2.6.1La structure minimale d'un programme Arduino). C'est-à-dire que le setup n'est pas relu. Pour s'en convaincre, il suffit de tester le programme suivant :

Code Arduino à téléverser :

int i;
void setup() {
    Serial.begin(9600);
    randomSeed(analogRead(0));
    i = 0;
}
void loop() {
    Serial.print(i);
    Serial.print("\t");
    Serial.println(random(1, 100));
    i = i + 1;
    delay(1000);
}

Côté Python, il n'y a rien à changer. Vous pouvez éventuellement modifier le nombre d'acquisitions. Si vous exécutez plusieurs fois le code Python, vous vous apercevrez que le compteur des valeurs transmises n'est jamais remis à zéro.

Pour relancer la fonction setup du code Arduino, vous devez fermer la liaison série avant d'en ouvrir une nouvelle.

Code Python pour relancer la fonction setup sur Arduino :

serial_port = serial.Serial(port = "COM1", baudrate = 9600)
for i in range(10):
    print(serial_port.readline())
serial_port.close()

Si l'on veut pouvoir observer une bonne synchronisation, c'est-à-dire récupérer les premières valeurs transmises par Arduino à partir de la réinitialisation du microcontrôleur et ce quelque soit la vitesse d'acquisition et de transmission, on peut utiliser le code Python suivant :

serial_port = serial.Serial(port = "COM1", baudrate = 9600)
# réinitialisation
serial_port.setDTR(False)
time.sleep(0.1)
serial_port.setDTR(True)
# on vide le buffer
serial_port.flushInput()
# lecture des données
for i in range(10):
    print(serial_port.readline())
serial_port.close()

Une des broches matérielles de contrôle du flux (DTR) du circuit intégré ATmega est connectée à la ligne de réinitialisation de l'ATmega 328 via un condensateur de 100 nanofarads. Lorsque cette broche est mise au niveau BAS, la broche de réinitialisation s'abaisse suffisamment longtemps pour réinitialiser le microcontrôleur. On force la réinitialisation juste avant la lecture des données envoyées par l'Arduino.