Système d'Acquisition de Données

7/26/2019 Systme d'Acquisition de Donnes

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Acquisition de Donnes et CEM

Chapitre 2

Systmes

d'acquisition de

donnes


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Chapitre 2 -Systmes d'acquisition de donnes......................................................................................1

2.1 - Dfinition et composants ........................................................ .........................................12.2 - Exemples d'applications...................................................................................................3

2.2.1 - Installation de surveillance et d'enregistrement (Data-logger),......................3

2.2.2 - Systme de rgulation ou de traitement numrique (DSP) .............................5

2.2.3 Automate Programmable Industriel (API PLC) ..........................................6

2.2.4 - Systme d'essai ou de test ......................................................... ......................7

2.3 - Architectures....................................................................................................................9

2.3.1 - Carte d'acquisition...........................................................................................9

2.3.2 Echantillonnages squentiel et simultans .................................................. ......132.3.3 Temps rel ou temps diffr..............................................................................14

2.3.4 Format des donnes...........................................................................................17

2.3.5 Sorties analogiques............................................................................................20

2.3.6 - Interface et chassis d'expansion .......................................................... ............23

2.3.7 - Bus d'instrumentation......................................................................................25

2.3.8 - Bus de terrain (Field-Bus)........................................................ ......................27

2.4 - Logiciel ..................................................... ........................................................... ............28

2.4.1 - Pilote et langage de haut niveau......................................................................28

2.4.2 - Gnrateurs d'application................................................................................28


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Chap 2 - Systmes d'acquisition page 2-1

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Chapitre 2 -Systmes d'acquisition de donnes

2.1 - Dfinition et composants

Dfinition

Systme d'acquisition de donnes : tout ensemble d'appareils interconnects de manire permettre

l'obtention automatique d'une srie de mesure sur un objet. Ce dernier peut

aller d'un simple circuit intgr une chane de fabrication complte.

Sur un si large spectre d'applications, il est bien clair qu'on ne peut donner de rgles universelles,

l'analyse et le choix des caractristiques du systme tant fortement lis l'application. L'objectif de ceparagraphe est cependant de donner une vision gnrale de ces systmes et de leurs composants. Le choix d'une

ralisation doit tre le rsultat d'un travail de synthse entre les connaissances des moyens de mesure, des

structures possibles et des lments disponibles.

objet

mesurer

Chanes de mesure

Chanes d'action

Affichage Clavier

Interface decommunication

Mmoirevive

Mmoire

de masse

Processeur

Squencede travail

Calcul

Figure 2.1 - Systme typique d'acquisition de donnes

Tout systme d'acquisition comprend au moins une chane de mesure. Ds que l'on est en prsence de

plusieurs chanes, se pose la question d'une conomie de matriel en exploitant un multiplexage, soit sous forme

analogique (sortie des conditionneurs ou transmetteurs connectes successivement une seul convertisseur

A/D), soit sous forme numrique (les convertisseurs sont relis au processeur au travers d'un bus numrique).


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Dans la majorit des cas, il faut pouvoir agir sur l'objet mesur au moyen de chanes d'action. L'action

recherche peut tre de type tout ou rien (arrt d'urgence, enclenchement - dclenchement d'une pompe ou d'un

chauffage...) ou de type analogique (envoi d'un stimulus, commande d'une vanne proportionnelle, de la vitesse

d'un moteur ...). Dans le premier cas un signal logique de sortie du processeur commande un relais permettant

d'appliquer ou non une puissance fixe sur l'actionneur. Dans le second cas la chane d'action comprend un

convertisseur digital - analogique (D/A) qui commande l'actionneur au travers d'amplificateurs de puissance.

Le coeur du systme est son processeur, charg de commander la squence de travail, d'effectuer les

calculs ncessaires au traitement numrique, d'assurer le sauvetage et la transmission des donnes ainsi que de

la communication avec l'oprateur du systme. Selon le type d'application on peut se contenter d'un simple

micro-contrleur ,exploiter un processeur de calcul numrique (DSP) ou devoir exploiter un ordinateur haut de

gamme.

Pour pouvoir excuter ses tches, le processeur doit disposer d'une mmoire vive pour stoquer les

donnes, ventuellement la squence de travail demande par l'utilisateur. De plus il doit disposer d'un moyen

de communication: soit directement avec l'utilisateur par un clavier et un panneau d'affichage (voyants

lumineux, affichage numrique, cran tactile graphique), soit par l'intermdiaire d'un processeur hte. Enfin une

mmoire de masse est gnralement ncessaire sous une forme ou sous une autre (PROM, mmoire flash,

disquette, disque dur ...), pour le programme d'exploitation du processeur et / ou l'archivage des donnes.


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2.2 - Exemples d'applications

2.2.1 - Installation de surveillance et d'enregistrement (Data-logger),

Il s'agit l de surveiller le bon fonctionnement d'une installation et d'obtenir des informations statistiques

destines au contrle de qualit ou au service d'entretien, ainsi que d'avertir l'oprateur lorsque certaines limites

sont atteintes. Gnralement l'volution des conditions de travail est suffisamment lente pour qu'on puisse se

contenter d'un intervalle relativement lent entre les mesures: quelques dizaines de secondes plusieurs heures.

Par contre certaines situations peuvent conduire surveiller un trs grand nombre de canaux de mesure

(plusieurs centaines) pour des phnomnes trs rapides, pendant une dure totale relativement courte (par

exemple la recherche sur la fusion nuclaire tokamak)

Baromtre - altimtre micro-contrleur

Figure 2.2 Systme de surveillance - Baromtre-Altimtre

Le micro-contrleur comprend d'une part un convertisseur A/D et un multiplexeur 4 canaux, d'autre part

un interface pilotant directement un affichage numrique ainsi que la lecture d'un clavier maximum 16 touches.

Un canal d'entre est utilis avec un capteur de pression accompagn d'un simple amplificateur diffrentiel

comme conditionneur. Un deuxime canal est utilis avec un capteur de temprature conditionn par une simple


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rsistance srie. L'information de temprature est utilise pour corriger la drive du capteur de pression. Deux

touches de clavier sont utilises pour commander le type d'affichage (pression ou altitude) ou initialiser

l'appareil (dfinition initiale de l'altitude un point connu). Ici aucun archivage des donnes n'est ncessaire; la

mmoire de masse ne contient que le programme du micro-contrleur (X24(L)C04.

Surveillance d'un prototype de bus piles combustible

Dans le cadre des projets Eureka, une recherche sur l'exploitation de piles hydrogne a t entreprise:

Un bus a t quip d'une batterie de piles et un systme d'acquisition est charg de surveiller le comportement

en usage normal ainsi que de calculer les rendements du systme. En plus des tches statistiques, destinees la

recherche, le systme est capable de donner l'alarme au conducteur en cas de problme.

Figure 2.3 Sytme de surveillance (data-logger) : Projet Eureka pour piles combustible


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2.2.2 - Systme de rgulation ou de traitement numrique (DSP)

En plus de la mesure proprement dite, ces systmes sont capables de fournir des signaux de sortie

analogiques permettant d'agir sur le processus et de rgler une ou plusieurs grandeurs de sortie. Gnralement

ils n'utilisent qu'un nombre limit d'entres et de sorties, mais par contre ils doivent pouvoir assurer une

relativement grande frquence d'chantillonnage (nombre de mesures par seconde sur chaque signal), ainsi

qu'une puissance de traitement numrique assez leve. Trs rapidement la complexit de l'algorithme de

rgulation ou la vitesse d'chantillonnage imposent l'utilisation d'un processeur de signaux (digital signal

processor = DSP) uniquement affect aux calculs de traitement de signal en temps rel, l'interface utilisateur et

l'archivage tant assure par un processeur hte (PC ou ordinateur central).

Rgulateur numrique

Un simple micro processeur suffit

pour des algorithmes simples. Parcontre pour une rgulation plus

efficace, une mthode auto -

adaptative rend le calcul

suffisamment complexe pour exiger

l'exploitation d'un DSP.

Figure 2.4 Principe de rgulateur numrique

Traitement de la parole,

traitement d'image

L'exemple ci-contre montre la

ralisation d'une transmission par

codage prdictif linaire (LPC),

utilis dans les tlphones mobiles.

L'objectif du systme est de rduire

le dbit de donnes: au niveau des

convertisseurs on a 64 kbits/s, alors

que sur la ligne de communication

on n'en a plus que 13 kbits/s

Figure 2.5 Systme de traitement numrique du signal


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2.2.3 Automate Programmable Industriel (API PLC)

Ces systmes ont pour objectif la ralisation dune recette de fabrication. Hritier des automates cbls

laide de relais, il gnrent une squence de travail, sur la base de ltat actuel des diffrents composant. Les

entres et sorties sont principalement de type tout-ou-rien (dtecteur de prsence,

enclenchement/dclenchement). Ici cest la notion de temps rel qui est primordiale, pour garantir un temps de

raction dtermin un vnement ; cette exigence est particulirement vitale dans les applications de type

robotique o lon veut pouvoir piloter une trajectoire avec plusieurs axes synchronis, les temps de raction

descendent alors souvent largement en dessous de la milliseconde, voir de quelques dizaines de micro-secondes.

Le principe de fonctionnement exige donc que cycliquement, lautomate lise toutes les entres du

systme, calcule les nouvelles sorties de commande, puis gnre ces sorties, garantissant ainsi un temps de

raction dtermin.

Figure 2.6 Cycle dun automate (Beckhoff)

Lvolution des besoins a ncessit lutilisation de micro-processeur, puis dunits centrales de plus en

plus volue pour introduire la possibilit dutiliser des dlais dattente, des entres-sortie analogiques, voir des

algorithmes de rgulation. Si bien que la tendance actuelle est de les remplacer par un PC embarqu (PC-

industriel) comprenant galement un sous-ensemble du systme dopration Windows, tout en garantissant une

priorit absolue au temps rel.

Figure 2.7 - Automate sous forme de PC-embarqu avec entres-sorties locale et bus de terrain


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2.2.4 - Systme d'essai ou de test

Destins vrifier le bon fonctionnement d'un produit (circuit intgr, module sur carte imprime,

appareil complet), ces systmes doivent pouvoir simuler les conditions de fonctionnement du produit et vrifier

que ses caractristiques correspondent aux spcifications. Leur tche principale est donc l'identificationde la

caractristique du produit.

Figure 2.8 Systme de test de production de circuits intgrs

Les signaux du circuit sous test

sont trop rapides pour pouvoir tre

analyss ou gnrs mme par un

DSP, ce qui oblige utiliser desappareils analogiques

programmables. Le multiplexage

intervient donc au niveau

numrique par un bus

d'instrumentation (ici le bus GPIB,

mais la tendance actuelle est

d'utiliser le bus VXI, plus rapide et

plus efficace).

Un deuxime multiplexage est ncessaire au niveau des signaux analogiques: la squence de mesure exige

d'appliquer les signaux d'excitation et les appareils de mesure en diffrents points du circuit essay au cours des

diverses tapes de l'essai. Pour cela on utilise une matrice de commutation dont la proprit est de permettre de

relier chacune des lignes verticales (bornes du circuit essay) chacune des lignes horizontales (entre des

appareils de mesure ou sortie des gnrateurs.


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2.3 - Architectures

2.3.1 - Carte d'acquisition

Les cartes universelles d'acquisition permettent de raliser bon march des applications d'acquisition et

de contrle de processus. Il ne faut pas oublier cependant que leur rsolution et leur prcision sont limites,

qu'elles sont sujettes passablement de bruit (terre du PC largement perturbe par les transitoires de la logique

rapide) et que les frquences d'chantillonnage sont limites tant par le nombre de canaux mesurer que par la

ncessit de les commander directement par le processeur.

Figure 2.9 Carte universelle dacquisition

La carte MOI-16, dont le schma est prsent ci-dessus, comprend:

8 ou 16 entres analogiques (Ain0 Ain7 ou Ain15): un multiplexeur 16 canaux asymtriques

(commutable en 8 canaux diffrentiels) est suivi d'un amplificateur d'instrumentation gain programmable

(gain 0.5/1/2/5/10/20/50/100), puis du convertisseur AD 12bits (gamme 5V ou 0-10V) et d'un tampon

(FIFO)

2 sorties analogiques (Aout0 et Aout1): deux convertisseurs DA, avec leur tampon et les commutations

de gamme de sortie associes (gamme 10V / 0-10V avec rfrence interne ou EXT / 0-EXT en

rfrence externe, celle-ci tant limite 11V)

8 entes/sorties digitales: avec lesquelles on peut travailler individuellement bit bit, ou de manire

globale en tant que groupe


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des compteurs programmables: pour grer la frquence de balayage entre canaux et la frquence

d'chantillonnage, plus 2 compteurs disponibles pour gnrer des signaux externes de synchronisation

(impulsions de dure ou de frquence programmable, comptage d'vnements )

un connecteur interne (RTSI) pour la synchronisation entre cartes multiples d'acquisition

un connecteur externe pour relier les signaux.

2.3.1.1 Modes du multiplexeur:

Trois modes de fonctionnement du multiplexeur sont disposition:

SE Asymtrique:Le multiplexeur relie l'une des 16 bornes d'entre (Ain0 Ain15) l'entre hi du

PGA, alors que lentre lo est mise la masse (gnd) de la carte. On mesure ainsi le potentiel de la bornecorrespondante par rapport la carte. Cette mthode est donc dangereuse, si les sources de signal sont

rfres la masse locale : le bruit au niveau de la masse du pc sajoute aux signaux mesurs. A nutiliser

que pour des sources de signal flottantes dont on pourra connecter la borne de rfrence la masse de la

carte ! !

Figure 2.10 Mesure asymtrique (SE = Single Ended)

RSE pseudo-diffrentiel ou asymtrique rfrence externe :le multiplexeur fonctionne de la mme

manire, mais la borne lo du PGA est relie la borne Aisense du connecteur externe. Il faut alors


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relier cette borne la rfrence zro (gnralement la masse) de lobjet mesurer. On limine ainsi les

problmes de bruit au niveau de la masse du PC. Cependant toutes les sources de signal doivent tre relies

ce mme point commun Aisense .

Figure 2.9 Mesure Pseudo-diffrentielle ou Asymtrique rfrence (RSE = Referenced Single Ended)

Diff Vrai diffrentiel : le multiplexeur est spar en deux parties travaillant simultanment : la partie A

relie le canal i (Ain0 Ain7) la borne hi , pendant que la partie B relie la borne correspondante i+8

(Ain8 Ain15) la borne lo . On mesure alors vraiment la diffrence de potentiel entre un couple de

bornes (Ain0 et Ain8, Ain1 et Ain9 .), mais on ne dispose plus que de 8 canaux. La seule exigence

respecter est que le mode commun reste dans le domaine support par le PGA, soit que chacune des bornes

reste dans le domaine de 11V par rapport A-gnd (masse de la carte).

Figure 2.12 Mesure diffrentielle

2.3.1.2 Sources flottantes et courants de polarisation

Lorsquon mesure une source flottante, il faut prvoir un chemin de retour vers A-gnd pour les courants

de polarisation du PGA (mode RSE et Diff). Labsence dun tel chemin galvanique provoquerait la saturation

du PGA. Ces courants sont infrieurs 200 pA. Une rsistance de lordre de 100 kOhms contre A-gnd, suffit,

mais afin de ne pas dgrader le taux de rjection du mode commun, il est prfrable de connecter une rsistance

sur chacune des deux entres (hi et lo). Le dimensionnement de ces rsistance se fait en fonction du mode

commun : ce montage ajoute un mode commun de (200 pA*100kOhms) = 20 V gnralement ngligeable. On

voit quon pourrait sans autre fortement augmenter la valeur des rsistances.


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Au laboratoire C05, le pilote NI-DAQ a t configur pour choisir le mode diffrentiel, puisque cest la

mthode de mesure la plus fiable et la plus souple. Ce nest que lorsquune application demande plus de 8

canaux dentres, quil sera ncessaire de changer de mode (changement entirement programmable

dailleurs).

2.3.1.3 Conditionnement des signaux

Bien que le fait de disposer dun PGA permette un grand choix des gammes de mesures (100mV 10V

en unipolaire et 50mV 10V en bipolaire), la plupart des applications exigent dutiliser des circuits de

conditionnement (capteur, attnuateur, amplificateur, shunt ...) avant de relier les signaux la carte. Le pilote

de la carte est gnralement capable de tenir compte automatiquement du gain du PGA. Il peut ainsi fournir lesrsultats des conversions selon deux options :

en V au niveau du connecteur dentre (nombre rel).

ou directement le code de conversion sous forme dun nombre entier (2048).

Cest lutilisateur de tenir compte des caractristiques de conditionnement pour calculer lquivalent de

la grandeur mesure en units physique (degrs Celsius, Bar, Kg ...)


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2.3.2 Echantillonnages squentiel et simultans

2.3.2.1 Carte standard chantillonnage squentiel

La commande de conversion des canaux exploites deux horloges (gnralement programmables): La frquence

de scrutationou horloge canaux fcan( dont la priode est l interchannel delay ) permet de choisir lintervalle

de mesure entre deux canaux successifs, alors que la frquence de balayage fchou scan clock permet de

choisir la frquence de mesure sur chaque canal, soit la priode laquelle on renouvelle la scrutation de tous les

canaux demands.

Il est bien sr ncessaire que fcan> (nb canaux)* fch.

En dautre termes, pour une carte dacquisition dont la frquence de scrutation maximum (malheureusement

souvent dsigne par frquence dchantillonnage) est donne, on constate que la frquence relle

dchantillonnage maximum dpend du nombre de canaux mesurs Ncan:

FchfscanNcan

Graphiquement on peut reprsenter les acquisitions comme suit :

Figure 2.13 Horloges de scrutation et de balayage

Le choix de fcandpend des circuits de conditionnement utiliss : si limpdance de source est trs faible, le

temps dtablissement des tensions dans le multiplexeur, au moment de la commutation ne dpend que de la

carte dacquisition et lon peut utiliser la frquence maximum possible de la carte. Si au contraire ces

impdances ne sont pas ngligeables, on risque de mesurer la tension avant quelle ait atteint la bonne valeur,

introduisant donc des erreurs supplmentaires, il faut donc demander une horloge plus lente. Pour rechercher

lhorloge idale, il faut augmenter le dlai inter-canaux partir de la valeur par dfaut de la carte (labo C05 : 10

s) jusqu obtenir des indications correctes. Un bon critre de vrification est que en augmentant encore le

dlai, on ne constate plus de changement sur les valeurs lues.

Cette structure dacquisition permet dabaisser les cots, puisquun seul convertisseur, et un seul ampli

programmable servent plusieurs canaux. Par contre en raison des mesures successives, le dlai entre canaux

introduisent un dphasage artificiel entre les canaux. Ce dphasage est sans importance tant que lon traite

chaque canal pour lui-mme. Par contre, si lon veut identifier un processus, en analysant les signaux dentre et

de sortie, ces dphasages peuvent influencer considrablement les rsultats.


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2.3.2.2 Echantillonnage simultan

Lorsque lon doit conserver la relation de phase entre les canaux, il faut utiliser du matriel permettant la

mesure simultane sur les canaux : Les cartes dacquisition chantillonnage simultan comprennent un

convertisseur et un ampli programmable par canal. Leur cot en est dautant plus lev ( bande passante et

frquence de scrutation quivalentes).

Une autre solution consiste exploiter plusieurs cartes standard, et synchroniser les conversions sur chaque

carte (par un bus interne entre les cartes, transmettant les horloges de scrutation et de balayage dune carte

matre, vers la ou les cartes esclaves). Les canaux correspondant sont alors synchrones.

2.3.3 Temps rel ou temps diffr

Les applications en temps rel exigent de traiter chaque chantillon immdiatement (par exemple dans uneapplication de rgulation). Dans ce cas chaque chantillon on peut lire les valeurs mesures directement sur la

carte, dans la mmoire FIFO. La frquence dchantillonnage est dtermine par le temps dexcution du

programme (y compris une attente software ventuelle). Cette frquence reste relativement basse, de lordre du

kHz, si le traitement des chantillons est simple. Dans une application lmentaire il faut commencer par crer

une liste des canaux mesurer et des gains utiliser pour chaque canal (AI-Config). On pourra ensuite

commander les mesures, attendre la fin des conversions, enfin de lire les rsultats directement dans le FIFO par

un appel spcifique du pilote (AI Single Scan) chaque priode d^chantillonnage.

Figure 2.14 Acquisition immdiate

La configuration de la carte nest ncessaire quau premier appel. La vitesse de ce type dapplication est

fortement limite par la quantit de traitement faire sur les chantillons mesurs. Par la suite on se rfre


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Figure 2.16 Tampon circulaire

Si le programme de traitement est suffisamment rapide, on disposera toujours dans le tampon dassez de

place pour ajouter les nouveaux chantillons, sans jamais parvenir un dbordement (situation dans laquelle

les nouveaux chantillons pourraient craser des donnes qui nont pas encore t exploites).

Pour exploiter ces mthodes il faut dfinir la taille du tampon lors de la configuration de la tche

dacquisition (AI-Config), puis dmarrer les conversions et le transfert DMA (AI-Start) en prcisant la

frquence dchantillonnage et le nombre de balayages acqurir. Celui-ci correspond au nombre total de

balayages acquis avant la fin de l'acquisition. Un balayage reprsente un point par voie. Lorsque la valeur

d'entre est -1, on remplit exactement un tampon de donnes. Si vous dfinissez le nombre de balayages

acqurir gal 0, alors la carte acquire les donnes indfiniment dans le tampon circulaire jusqu' ce que vous

rinitialisiez l'acquisition (AI Clear).

2.3.3.3 Dclenchemnent de lacquisition

Trs souvent lors dacquisition, on souhaite acqurir un tampon donn des mesure lorsquune condition

est atteinte. Ce dclenchement des acquisitions peut tre provoqu par un signal logique externe, par un circuit

de dclenchement analogique propre certaines cartes (en gnral comparaison de la tension avec un niveau et

une pente de dclenchement) ou enfin par analyse logicielle. Dans les deux premiers cas lhorloge de balayage

est dmarre par le signal de dclenchement, et on ne peut enregistrer quaprs cet vnement. On parle

dacquisition post-dclenchement, et lon peut au besoin retarder lenregistrement dun nombre quelconque

de priodes de balayage. Il est cependant des cas o une partie importante de linformation prcde le point de

dclenchement. Dans ce cas, il convient dexploiter le dclenchement logiciel dans lequel lutilisateur peut

demander N pr-balayages avant dclenchement, on parle alors dacquisition pr-dclenchement:

Aprs configuration de la carte dacquisition et du tampon (AI-Config), les conversions sont immdiatement


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dmarres dans le tampon, utilis de manire circulaire. Le pilote vrifie en permanence le contenu du tampon

pour dtecter une ventuelle condition de dclenchement. Lorsque celle-ci est trouve, il laisse faire les N (= N-

tampon N-pr)balayages post-dclenchement, puis arrte les conversions. Le tampon contient donc finalement

lensemble des balayages entourant le point de dclenchement.

Dans cette mthode, N peut tre au maximum gal la longueur du tampon (on ne peut observer que

lquivalent dun tampon avant le dclenchement). De plus les balayages ne sont pas synchrones avec le

dclenchement (dun enregistrement lautre les chantillons peuvent se dcaler de 0 une priode

dchantillonnage, donnant ainsi limpression dune vibration de limage : jitter).

2.3.4 Format des donnes

La fonction de lecture AI READ fournit les rsultats de mesure sous forme dun tableau de nombres

rels simple prcision (Single), deux dimensions. Il est donc important de comprendre lorganisation des

donnes dans ce tableau. La slection dun lment du tableau fait intervenir deux indices. Le premier indice

correspond la dimension la plus extrieure de la matrice (ses lignes), le dernier correspond lindice le plus

intrieur (les colonnes).

Figure 2.17 Affichage dun lment du tableau sous LabView

Lors de lacquisition de donnes, chaque chantillon on balaye lensemble des canaux, les donnes

sont donc sauves selon lindice intrieur du tableau, crant ainsi une ligne du tableau. Les colonnes

correspondent alors aux canaux mesurs successivement (dans lordre choisi par lutilisateur). A chaque

chantillon on incrmente lindice externe, et les lignes du tableau correspondent aux numro des chantillons.

Figure 2.18 Tableau de sortie dune routine dacquisition multi-canaux

Lors dun affichage graphique multi-courbes, la convention est inverse : lindice intrieur correspond au

No de lchantillon, lindice externe correspond au No de la courbe (donc au canal). Heureusement on dispose

de fonction de transposition de la matrice. Certains pilotes proposent le choix entre une convention et lautredirectement la lecture des mesures.


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2.3.4.1 Liste de canaux

Toute fonction dacquisition exige de recevoir une liste de canaux et ventuellement les gammes de

mesure correspondantes. Lutilisateur dispose dune grande libert dans la manire de spcifier cette liste, selon

quil veut utiliser les noms de canaux dfinis lors de la configuration du systme (Measurement & automation

explorer MAX) ou sil veut faire appel au numros physiques des canaux. Le liste se prsente toujours sous la

forme de chanes de caractres, mais selon les fonctions, on doit utiliser soit un scalaire, soit un tableau de

chanes de caractres.

Si lon dsire exploiter les noms spcifiques de configuration , cest lutilisateur de vrifier quil

exploite les noms existants (avec la bonne orthographe, attention aux espaces et caractres spciaux, par contre

il ny a pas de distinction entre majuscule et minuscule). Dans ce cas, la carte dacquisition, la gamme demesure, et les conversions en grandeur physique sont prise en compte, il ny a donc pas besoin de spcifier un

numro de carte ni de limites de gamme.

Si lon veut exploiter directement les numros physiques des canaux de la carte, alors on spcifie le

numro du canal sur la carte (0 7 ou 15), et il faut introduire le numro de la carte (device 1, au laboratoire)

comme paramtre auxiliaire. Si lon veut choisir une autre gamme de mesure que 10.0V (valeur de

configuration de la carte au laboratoire), alors il faudra spcifier les limites de mesure.

Dans chaque chane de caractre, on peut spcifier un seul canal (nom ou No), une succession de canaux

(spars par des virgules) ou un ensemble contigu de canaux physiques (Nos des canaux extrmes spars par

: , par exemple 0 :3 pour les canaux 0 3 de la carte).

Figure 2.19 Diffrentes possibilits de spcifier les liste de canaux


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On voit quon peut spcifier les canaux temperature et pressure, soit raison dun canal par chane dans

un tableau, soit par les deux noms spars par un virgule dans un seul lment. De mme pour les canaux de la

carte, avec la possibilit supplmentaire de spcifier lensemble des canaux 0 2 sous forme abrge. Seules les

fonctions lmentaires utilisent un scalaire comme liste de canaux. Tous les autres utilisent un tableau.

2.3.4.2 Choix des gammes

Lorsquon spcifie les canaux par leurs noms, les gammes de mesures, et la carte utiliser sont

automatiquement reprises de la liste systme (MAX). Il nest donc pas ncessaire de les spcifier, sauf sil est

ncessaire de modifier la gamme, dans ce cas les valeurs correspondent lunit physique dentre du capteur.

Par contre lorsquon dsigne les canaux par leur numro physique sur la carte, alors il faut spcifier sur quelle

carte ils se trouvent (device), et spcifier la gamme de mesure (dans lunit de la carte, donc en V) laide de input limits .

La gamme de mesure est spcifie par les limites infrieure et suprieure de la gamme. Cette paire de

valeurs est regroupe dans un cluster. Si ce paramtre nest pas cbl, ou quon a introduit des valeurs nulles, le

pilote utilisera les valeurs de la configuration de la carte (Numro de canal) ou de la liste du MAX (nom de

canal). Lorsquon introduit des valeurs non nulles, le pilote choisira le gain du PGA de manire obtenir la

meilleure rsolution possible compatible avec les limites.

Par exemple des limites de 0.1 et +0.2 V placeront le convertisseur AD en mode bipolaire, et le PGA

avec un gain de 20, soit une gamme de conversion de (5.0/20)=0.25V. Les rsultats de mesures seront

cependant crts entre 0.1 et + 0.2 selon les limites demandes. Si lon demande des limites de 0.1 et 4.5V

alors le convertisseur travaillera en mode unipolaire, et le gain sera de 2, soit une gamme de conversion de 0

+5V (rappel : la gamme de base du convertisseur est de 5V en bipolaire et de 0-10V en unipolaire).

Lorsque la liste des canaux et les limites sont sous la forme dun scalaire (appareils lmentaires), la

mme gamme de mesure est utilise pour tous les canaux de la liste. Lorsque ces paramtres sont sous la forme

de tableaux (tous les autres appareils), chaque lment du tableau correspond un groupe de canaux, affects

des limites de llment correspondant du tableau des limites.

Figure 2.20 Groupes de canaux et gammes de mesure


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Dans lexemple ci-dessus, trois groupes de canaux ont t dfinis :

Le groupe 0 comprend les canaux 0 3, avec une gamme de 10V

Le groupe 1 comprend le canal 4, avec une gamme de 5V

Le groupe 2 comprend les canaux 5 7 avec une gamme de 0 1V

Si le tableau des limites comporte moins dlments quil ny a de groupes de canaux, le dernier lment

des limites est utilis pour les groupes supplmentaires. Par consquent si, dans lexemple prcdent le tableau

des limites ne comprenait que les deux premiers lments, alors la gamme 5V serait galement utilise pour le

groupe 2 (canaux 5 7).

2.3.5 Sorties analogiques

2.3.5.1 Commande point point

Lorsque les tensions gnrer varient lentement, (rgulation, commande), lappel dune fonction (AO 1-

update) permet dactualiser immdiatement le ou les canaux de sorties. On transmet un tableau de valeurs en

[V] (liste de canaux daprs le No physique) ou ventuellement en units physiques (MAX) qui sont

immdiatement transmises et mmorises dans le(s) convertisseur(s) de la carte jusquau prochain appel. Cest

donc bien le programme dapplication qui impose la frquence dchantillonnage (peu stable).

Les autres paramtres (optionnels) permettent de choisir la gamme (unipolaire / bipolaire), ainsi que le

choix de la tension de rfrence (interne /externe).


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2.3.5.2 Gnration de signaux

Lorsquon veut synthtiser un signal rptitif, la frquence dchantillonnage dpasse rapidement les

possibilits du programme dapplication, on a alors recours un tampon que lon remplit avec la suite des

chantillons gnrer, et qui sera relu, une seule fois ou cycliquement, par DMA. A nouveau on fait appel ici

des fonctions de configuration des canaux, dcriture dans le tampon, de dmarrage, dattente de la fin du

tampon et darrt.

Figure 2.21 Gnration rptitive dun tableau dchantillons

Pour des signaux trs complexes ou trs long, on peut galement prvoir lcriture par demi tampons en

cours de gnration.

Figure 2.22 Gnration continue par tampon circulaire


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2.3.5.3 Acquisition et gnration simultane

Sur les cartes possdant suffisamment de compteurs (horloges), et de canaux DMA, il est galement

possible de prvoir simultanment la gnration dun signal dexcitation de lobjet essayer, et la mesure des

diffrents signaux de rponse cette excitation. Typiquement le signal gnrer est pralablement charg dans

le tampon de gnration, et les canaux de mesures sont configurs. Ensuite on dmarre la gnration cyclique

du signal, puis le dbut des mesures.

Figure 2.23 Gnration et mesure simultanes

Les limitations lies aux cartes dacquisition sont de deux ordres : dune part le nombre de canaux est

faible et la prcision de mesure reste limite par la rsolution (en standard 12 ou 16 bits), dautre part la fiabilit

du systme dopration du PC (soccupant de nombre dautres tches, en particulier les communications

rseau !!) peut compromettre le bon fonctionnement de lacquisition. Sparer les fonctions dacquisition et

dinterface utilisateur, voir rpartir lacquisition, permet de rsoudre ces difficults, soit en utilisant un chssis

spar dacquisition, soit en rpartissant lacquisition au moyen dun bus dinstrumentation ou par un bus de

terrain.


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2.3.6 - Interface et chassis d'expansion

Ici l'acquisition se fait dans un botier spar, les donnes tant transmises entre le processeur et le

systme au travers d'une carte d'interface et d'un cble adquat (spcialis ou selon une norme de

communication, par exemple USB, Firewire, GPIB, ou VXI).

Figure 2.24 - Interface et chassis d'expansion (Keithley)

Destin aux mmes applications que la carte d'acquisition, ce type de solution est videmment plus cher,

mais permet de meilleures performances dans la majorit des cas. En effet, dans le botier d'acquisition, aucune

contrainte lie au processeur n'est impose si bien qu'on peut beaucoup mieux sparer signaux analogiques et

digitaux, et ainsi parvenir des niveaux de bruit nettement plus favorables. De plus on y trouve gnralement

un module multimtre de mesure (AC et DC), dont les possibilits de rduction de bruit sont de loin suprieures

aux simples convertisseurs A/D (mais plus lent).

On peut ici distinguer deux catgories: les botiers entirement contrls par le processeur, et les botiers

"intelligents" disposant de leur propre microprocesseur.

Les premiers permettent une excellente sparation entre les signaux analogiques et digitaux, mais

mobilisent constamment le processeur. Les seconds peuvent excuter des tches compltes d'acquisition sans

intervention du processeur, ils ne lui communiquent que les rsultats. Le fait de disposer d'un microprocesseur

permet d'incorporer au systme toute une srie de routines (linarisation, comparaison avec des limites,

moyennage...) simplifiant d'autant la programmation par l'utilisateur. A performances gales le choix dpendra


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essentiellement de la rponse aux questions: Que se passe-t-il, et que peut-on tolrer en cas de panne du

processeur ? Quel investissement reprsente la programmation ?

Le nombre de canaux de mesures et de contrle ne pose plus de problmes: mme si la capacit du

botier doit tre dpasse, il suffit de rajouter un second botier, command partir du mme interface. En rgle

gnrale le premier botier sert de matre pour le contrle des suivants. Ces derniers ont uniquement pour tche

d'assurer la commutation, ventuellement la pramplification des signaux. Par consquent la distance entre deux

botiers doit rester courte et les entres sorties numriques doivent toutes tres implantes dans le botier matre.

Il en rsulte, pour de gros systmes, des cots de cblage qui peuvent aller jusqu' doubler le prix d'achat ! Une

autre solution, moins frquente, consiste en une liaison de communication entre le processeur et les diffrents

botiers qui sont alors tous identiques. Dans ce cas l, on peut rpartir les diffrents botiers proximit des

capteurs donc fortement diminuer les cots de cblage.

En rsum on peut donc caractriser cette structure:

Excellentes performances (vitesse et prcision)

Bien adapt aux moyen et grand systmes

Effort de programmation moyen lev


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2.3.7 - Bus d'instrumentation

Dans une telle structure, le processeur communique avec l'ensemble des chanes de mesure ou d'action

au travers d'un bus numrique externe, ce qui permet de rpartir l'instrumentation proximit des points de

mesure, et d'exploiter des appareils "intelligents" effectuant une bonne partie du traitement du signal (capteur

compens, analyseur de spectre, synthtiseur de signaux ...)

Figure 2.25 - Bus d'instrumentation

Ce type de ralisation est souvent dsign par systme d'instrumentation. Remarquons en passant

qu'on peut fort bien relier ce bus d'instrumentation un botier intelligent d'acquisition de la catgorie

prcdente.

Le processeur est dsign sous le terme de "Contrleur" car il a pour but de contrler les diffrents

appareils relis au bus: slection du mode de fonctionnement, lecture des rsultats, arbitrage des priorits,

dclenchement des processus etc. Une seule carte d'interface est, en principe, ncessaire pour le relier

l'ensemble des appareils par un bus d'instrumentation. Le cblage de l'installation en est grandement simplifi,

puisque tous les appareils utilisent le mme cble, et qu'il ne faut qu'un seul accs au "contrleur".

Actuellement les systmes d'instrumentation sont btis autour de deux types de bus normaliss: le bus

GPIB et le bus VXI. Le premier de ces bus, dvelopp par Hewlett-Packard se retrouve sous toute une srie

de dnominations :

GPIB : General Purpose Interface Bus

HPIB : Hewlett Packard Interface Bus

IEEE-488 : Norme amricaine base sur HPIB

IEC-625 : Norme internationale base sur IEEE 488


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On trouvera une introduction succinte sur ce bus et son utilisation dans un language haut niveau (Turbo-

Pascal) dansM. Gouet - Mesure et Contrle sur PC - Masson 1993et dans G. Bastide et J-R. Vellas - Mise en

oeuvre du bus IEEE 488- diTests 1984,disponibles la bibliothque. Ce bus permet de relier un maximum de

15 appareils , avec une longueur de cble infrieure 20 mtres. La vitesse de transfert est de 400 kbyte/s plus

de 1 Mbytes/s selon les options de construction. L'avantage d'une telle normalisation est qu'une quantit

croissante d'instruments de diffrents fabricants sont disponibles et permettent de satisfaire pratiquement toutes

les conditions d'essai.

Le bus VXI permet de dpasser les limitations du bus GPIB pour les grands systmes de test: il est

ralis dans un chssis spcifique, et les instruments (de mme complexit que ceux d'un bus d'instrumentation

habituel) sont raliss sous forme de tiroirs insrer dans le chssis. Ceci permet d'augmenter le nombre

d'appareils et d'utiliser 16 ou 32 bits de donnes, donc d'augmenter la vitesse de transfert.

En rsum, un systme d'instrumentation prsente les avantages suivants :

Trs grande souplesse d'adaptation

Grand choix dans les fonctions disponibles

Utilisable pour de trs petits systmes comme pour de trs grands

Les inconvnients en sont:

Ncessit de comprendre un nouveau protocole

Parfois incompatibilit entre appareils du fait que la norme ne spcifie que l'interface et non les

codage des messages. Ce problme est en passe de se rsoudre, de nouvelles normes tant apparues pour

imposer la manire de coder les messages (IEEE 488-2 et SCPI = Standard Commands for Programmable

Instruments).


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2.3.8 - Bus de terrain (Field-Bus)

Les avantages d'une communication par bus numrique normalis a conduit l'apparition de toute une

srie de bus dits de "terrain", dont le but premier tait de permettre la liaison directe d'un rseau de capteurs

"intelligents" dans un milieu industriel (automobile, ou halle de production robotise). Ici l'objectif est d'une

part la simplification du cblage, d'autre part de garantir certaines contraintes de temps rel (accs une

information donne dans un dlai prcis), alors que l'information transmettre est trs courte (tout ou rien, ou

quelques bits seulement). La concurrence entre les protocoles a conduit une extension de la majorit de ces

bus la possibilit de relier des sous-stations d'entres-sorties dportes, voire mme une concurrence directe

au bus d'instrumentation.

PROFIBUS : multi-matres (jeton) et esclaves CAN-DeviceNet : Producteur-Consommateur

Interbus-S (aussi Sercos) : Anneau Asi : Matre-esclave Capteur-actionneurs

Figure 2.26 Quatre exemples de bus de terrain


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2.4 - Logiciel

L'importance du logiciel est primordiale dans un systme d'acquisition: Rien ne sert d'acheter un systme

sophistiqu s'il faut consacrer des annes dvelopper le programme d'application. Trois options principales

peuvent tre choisies selon les besoins de l'utilisateur: - Dveloppement complet du logiciel au moyen d'un

langage structur de haut niveau et d'un driver permettant d'accder au matriel - Utilisation d'un logiciel de

dveloppement d'application, gnralement ralis sous forme de menus de dialogue interactif (vrification

immdiate de la logique des oprations), et permettant d'obtenir un programme excutable ou enfin - achat

d'un programme d'application ddicac pour autant qu'on en trouve un qui corresponde au cahier des charges.

2.4.1 - Pilote et langage de haut niveau

Tous les fabricants livrent avec leur matriel un pilote (driver), qui est une collection de fonctions,

appelables depuis le langage de haut niveau (C++, Visual-Basic ...) permettant la gestion du matriel. Encore

trop souvent, ces pilotes ne permettent pas d'exploiter pleinement les possibilits du matriel, mais se limitent

aux fonctions les plus simples. La tendance est cependant d'inclure des fonctions de gestion de blocs de donnes

(par DMA =accs direct en mmoire sans passer par lunit centrale, ou par interruption) ou de traitement numrique des

valeurs (mise l'chelle, linarisation etc) simplifiant du mme coup l'criture du programme principal. Le

choix d'un matriel ne doit donc pas se faire uniquement sur la base des spcifications de performance, mais

largement tenir compte des possibilits du pilote.

Cette solution exige un gros effort de programmation, mais permet une exploitation optimale du matriel.

2.4.2 - Gnrateurs d'application

Il s'agit en fait de langages de haut niveau spcialiss dans l'acquisition, le traitement et la reprsentation

des donnes. Ils utilisent les pilotes des fabricants et libre l'utilisateur de toute une srie de tches rptitives

par des instructions orientes sur l'acquisition (par exemple acquisition d'un bloc de donnes, transformation de

Fourier, optimisation de paramtres, analyse statistique, reprsentation graphique...). On peut distinguer

actuellement deux tendances :

Langage graphique par exemple LabVIEW ou HP-VEE ou Visual-Designer. La programmation se fait

sous forme graphique l'cran, chaque tche d'acquisition tant reprsente par un

icne, la succession des oprations dpendant des liaisons entre les icnes (plus

quelques structures de base : boucles, choix conditionnels ...). L'interface utilisateur,

dans l'application se fait sous forme d'un panneau fictif d'appareil, reprsent l'cran

et actionn par la souris. Ici aussi on peut excuter en interactif tout ou partie du


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programme, ce qui permet un dveloppement ais. Par contre il n'est plus ncessaire

de changer d'environnement (diteur, compilateur) pour l'criture proprement dite du

programme.

Menus interactifs par exemple LabWINDOW ou TestPoint. Ici l'oprateur choisit les oprations

effectuer en rpondant une suite de menus sur l'cran (initialisation du systme,

acquisition proprement dite, traitement numrique, stockage sur fichier,

reprsentation graphique). Chaque rponse une question ou un groupe de

questions du menu gnre une squence de programme, excute immdiatement

(interactif), et pouvant tre mmorise pour une rutilisation ultrieure. D'un emploi

plus simple que les deux solutions prcdentes, ce type de logiciel est forcment

limit aux cas prvus dans les menus. De plus les possibilits de structure deprogrammation sont nettement rduites.

Ces solutions ont l'avantage d'tre orientes vers l'acquisition de donne et d'viter la programmation

proprement dite pour ne se concentrer que sur les conditions d'acquisition, mais elles exigent un compromis

entre les possibilits (fortes pour les langages, faibles pour les menus) et la ncessit d'un apprentissage plus ou

moins long.

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