Dans un atelier radioamateur, les appareils de mesure finissent vite par s’accumuler : multimètre, fréquencemètre, générateur de signaux, enregistreur de courant… Et si une petite carte ESP32 pouvait regrouper plusieurs de ces fonctions dans un seul boîtier ?
C’est précisément l’idée du projet open source ESP32_MULTI_METER, développé par Hari Nair. Autour d’un ESP32 et de quelques composants, il propose un voltmètre, un ampèremètre à deux gammes, un enregistreur, un fréquencemètre et même un petit générateur de signaux. Cerise sur le gâteau : l’affichage s’effectue directement dans le navigateur d’un ordinateur, d’une tablette ou d’un smartphone.
Plusieurs instruments dans un seul boîtier
L’ESP32 constitue le cerveau de l’appareil. Sa puissance de calcul, ses compteurs matériels, ses GPIO et surtout son Wi-Fi permettent de lui confier plusieurs tâches.
Le montage original propose principalement :
- la mesure de tension continue jusqu’à environ 40 V ;
- la mesure du courant jusqu’à environ 1,64 A ;
- une gamme sensible jusqu’à environ 78 mA ;
- l’enregistrement graphique de la tension et du courant ;
- un fréquencemètre de 1 Hz à 40 MHz ;
- un générateur de signal carré programmable.
Nous ne sommes donc plus devant un simple multimètre à base de microcontrôleur, mais devant une petite plateforme de mesure particulièrement intéressante pour l’expérimentation.
Architecture générale de l’ESP32 Multi Meter : plusieurs instruments de mesure réunis autour d’un seul ESP32.
L’INA226 pour mesurer tension et courant
Pour la partie voltmètre/ampèremètre, le projet fait appel au INA226, un circuit spécialisé communiquant avec l’ESP32 par bus I²C.
Le principe de la mesure du courant repose sur une résistance de très faible valeur, appelée shunt, placée dans le trajet du courant. Le INA226 mesure la petite tension présente aux bornes de cette résistance.
La loi d’Ohm fait le reste : I = Vshunt / Rshunt
Le INA226 mesure également la tension du circuit alimenté. L’ESP32 dispose donc simultanément de la tension et du courant, ce qui permet également de calculer la puissance consommée.
Deux gammes pour mesurer les petits courants
Mesurer 1 A et quelques dizaines de microampères avec la même résistance shunt n’est pas idéal. Le projet utilise donc deux gammes.
La gamme principale repose sur un shunt de 0,05 Ω et permet d’atteindre environ 1,638 A avec une résolution annoncée de 50 µA.
Pour les faibles courants, une résistance supplémentaire de 1 Ω permet d’obtenir une résolution d’environ 2,4 µA, pour une gamme atteignant approximativement 78 mA.
La commutation est assurée électroniquement à l’aide de MOSFET.
Cette seconde gamme est particulièrement intéressante pour mesurer la consommation d’un Arduino, d’un ESP32, d’un GPS ou d’un petit montage fonctionnant sur batterie.
Il faut cependant garder à l’esprit qu’un ampèremètre influence toujours légèrement le circuit mesuré. Avec un shunt de 1 Ω, un courant de 50 mA provoque déjà une chute de : U = 1 × 0,05 = 50 mV
C’est ce que l’on appelle la burden voltage, ou tension de charge de l’ampèremètre.
Principe de mesure du courant avec deux shunts commutés pour privilégier soit la plage, soit la résolution.
Observer la consommation dans le temps
C’est probablement l’une des fonctions les plus intéressantes pour notre atelier.
L’ESP32_MULTI_METER ne se contente pas d’afficher une valeur instantanée : il peut enregistrer tension et courant et les représenter sous forme de graphique.
Trois fréquences d’échantillonnage sont proposées : 400, 1000 et 2000 échantillons par seconde, avec une mémoire pouvant atteindre 16 000 échantillons.
À faible vitesse, le moyennage permet d’obtenir une courbe plus propre. À vitesse élevée, on distingue mieux les variations rapides et les pointes de consommation.
Imaginez par exemple un petit transceiver QRP : nous pouvons observer sa consommation en réception, puis voir immédiatement le courant augmenter lors du passage en émission.
Déclencher l’enregistrement avec le PTT
Le projet prévoit également une entrée Gate, isolée par un optocoupleur PC817.
Elle permet de déclencher l’acquisition à partir d’un événement extérieur.
Dans notre shack, l’application est toute trouvée : le PTT d’un émetteur peut fournir l’information de déclenchement. L’appareil peut ainsi enregistrer uniquement la période pendant laquelle le poste passe en émission.
Cette fonction peut aussi servir à étudier le démarrage d’un amplificateur, d’un relais ou de n’importe quel montage commandé extérieurement.
Un fréquencemètre jusqu’à 40 MHz
L’ESP32 possède des compteurs matériels qui peuvent être mis à profit pour mesurer une fréquence.
Le projet annonce une plage comprise entre 1 Hz et 40 MHz, avec une résolution de 1 Hz. Cela couvre donc tout le domaine HF et notamment nos bandes radioamateurs jusqu’au 10 mètres.
On peut contrôler un oscillateur, vérifier un VFO, mesurer une horloge ou tester la sortie d’un générateur.
Attention : ce n’est pas encore une entrée RF !
L’entrée utilisée par le montage original est une entrée logique 3,3 V reliée au GPIO34 de l’ESP32.
Il ne faut donc surtout pas brancher directement dessus la sortie antenne d’un émetteur !
Pour une véritable utilisation radio, une amélioration particulièrement intéressante consisterait à ajouter une entrée 50 Ω comprenant atténuation, amplification et limitation du niveau appliqué au GPIO. Nous pourrions même envisager ultérieurement un prédiviseur pour étendre la mesure aux VHF et UHF.
Et même un petit générateur
Le GPIO33 peut simultanément produire un signal carré programmable.
Cette sortie peut servir à tester une entrée logique, un diviseur de fréquence, une horloge ou tout simplement à vérifier le fonctionnement du fréquencemètre.
Attention là encore à ne pas lui demander ce qu’il ne sait pas faire : ce n’est pas un générateur RF sinusoïdal calibré en amplitude, mais une source numérique très pratique pour le dépannage.
L’écran est… votre navigateur !
L’une des bonnes idées du projet consiste à ne pas utiliser d’écran LCD ou TFT.
L’ESP32 héberge directement une interface Web. Les mesures sont transmises au navigateur grâce aux WebSockets, tandis que les graphiques sont réalisés avec Chart.js.
En mode point d’accès, il suffit de se connecter au Wi-Fi créé par l’ESP32 puis d’ouvrir son adresse locale. Il est également possible de connecter l’appareil au réseau Wi-Fi du shack.
Un ancien smartphone ou une petite tablette peut ainsi devenir gratuitement un superbe écran couleur pour notre instrument.
L’ESP32 Multi Meter en situation dans le shack, avec mesures et graphiques affichés directement dans un navigateur Web.
De quoi avons-nous besoin ?
Le montage repose principalement sur un ESP32 DevKit, un INA226, un régulateur MIC5205, des MOSFET Si4925 et 2N7002, un optocoupleur PC817, une diode Schottky SS56, les résistances shunt et quelques composants passifs.
L’auteur a également soigné l’alimentation de la partie mesure avec un filtre et un régulateur faible bruit.
Le logiciel est prévu pour être compilé avec Visual Studio Code et PlatformIO, en utilisant le framework Arduino. Une fois le firmware chargé dans l’ESP32, l’essentiel de l’utilisation s’effectue depuis le navigateur.
Trois expériences pour commencer
Une fois l’appareil construit, trois manipulations permettront immédiatement d’en apprécier l’intérêt.
Mesurons d’abord simultanément la tension d’alimentation et la consommation d’un petit montage radio.
Utilisons ensuite l’enregistreur pour observer les variations de courant lors du passage d’un transceiver QRP de réception en émission.
Enfin, injectons un signal logique provenant d’un oscillateur dans l’entrée fréquencemètre afin d’en contrôler la fréquence.
Nous aurons déjà utilisé trois appareils différents… sans changer de boîtier !
Un appareil universel, mais pas un appareil miracle
Le terme « universel » doit évidemment être relativisé. Notre ESP32 ne remplace ni un oscilloscope, ni un analyseur de spectre, ni un NanoVNA, ni un wattmètre RF.
Il ne doit surtout pas être considéré comme un multimètre destiné à intervenir sur le secteur 230 V. Son isolation et ses protections n’ont rien de comparable avec celles d’un véritable multimètre possédant une catégorie de sécurité CAT III ou CAT IV.
Mais pour les montages basse tension de l’atelier, il devient un formidable couteau suisse.
Et surtout, puisqu’il est open source, rien ne nous empêche de continuer à l’améliorer : entrée RF protégée, prédiviseur VHF/UHF, référence de fréquence plus précise, batterie interne…
On pourrait même lui ajouter un détecteur AD8307 ou AD8318 pour mesurer la puissance RF.
À ce stade, notre petit ESP32 commencerait sérieusement à mériter son titre d’appareil de mesure universel de l’atelier radio !
Projet de référence : ESP32_MULTI_METER de Hari Nair
https://github.com/har-in-air/ESP32_MULTI_METER
