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1 Dr. Ndiaye Césaire Présenté par Présenté par Présenté par Dr. Césaire Dr. Cés

1 Dr. Ndiaye Césaire Présenté par Présenté par Présenté par Dr. Césaire Dr. Césaire Dr. Césaire NdiayeNdiayeNdiaye Capteurs & Acquisition de données Pourquoi ce cours ? 2 Dr. Ndiaye Césaire Capteurs & Acquisition de données Contexte : Les systèmes utilisés dans l’industrie, dans le domaine des transports ou de l’énergie sont de plus en plus complexes. Problématique : Pour maintenir un niveau de sécurité élevé, il est nécessaire de surveiller certaines grandeurs physiques du système. Méthodologie : Pour surveiller ces grandeurs, nous utilisons des capteurs (les yeux et les oreilles du système). La chaine de communication 3 Dr. Ndiaye Césaire Capteurs & Acquisition de données Principales fonctions du traitement du signal 4 Dr. Ndiaye Césaire Capteurs & Acquisition de données Problématique: Information « programme1 » à transmettre au robot. Message transformé en signal sous forme de vibrations acoustiques. Propagation dans l’air qui constitue alors le canal de propagation. Le signal arrive à destination avec ou sans perturbation. Détection, analyse du signal et interprétation de l’information qu’il contient. Transmission sans perturbation Transmission avec perturbation Elaboration / Interprétation des signaux Principales fonctions du traitement du signal 5 Dr. Ndiaye Césaire Capteurs & Acquisition de données Synthèse: Création de signaux de forme appropriée. Modulation: Adaptation du signal aux caractéristiques fréquentielles d’une voie de transmission. Codage: Traduction en code binaire. ... Elaboration des signaux Interprétation des signaux Filtrage: Elimination des composantes fréquentielles indésirables. Détection: Extraction du signal d’un bruit de fond. Identification: Classement d’un signal dans une catégorie. Analyse: Isolement des composantes essentielles ou utiles du signal par TF. Mesure: Estimation d’une grandeur caractéristique du signal. Différentes configurations possibles d’une chaine d’acquisition et de restitution de données 6 Dr. Ndiaye Césaire Capteurs & Acquisition de données Que peut-on capter ? 7 Dr. Ndiaye Césaire Capteurs & Acquisition de données 8 Dr. Ndiaye Césaire Capteurs & Acquisition de données Que peut-on capter ? Exemple de signal électrique Tout ou Rien fourni par un capteur ou reçu par un actionneur pour le contrôle de l’éclairement d’une lampe Exemple de signal analogique fourni par un capteur ou reçu par un actionneur pour le contrôle de l’éclairement d’une lampe Pilotage d’un processus industriel par un système de traitement numérique 9 Dr. Ndiaye Césaire Capteurs & Acquisition de données Grandeurs physiques (mouvement mécanique, variation de température,...) liées au processus physique transformées en signaux analogiques; Signaux analogiques transformés en signaux numériques; Commande au niveau de l’actionneur qui transforme le signal analogique en grandeurs physiques (énergie mécanique, chaleur,...).Rôle rempli par des interfaces électroniques! 10 Dr. Ndiaye Césaire Capteurs & Acquisition de données Constitution typique d’une interface industrielle Composition de l’interface entre le processus industriel et l’ordinateur: Organes d’entrées (interfaces d’entrées numériques/analogiq ues) Organes de sorties (interfaces de sorties numériques/analogiq ues) Structure de base d’une chaine de mesure informatisée 11 Dr. Ndiaye Césaire Capteurs & Acquisition de données Un capteur sensible aux variations d'une grandeur physique. Un conditionneur de signal. Une unité de numérisation. L'unité de traitement informatique. Chaine Quelques définitions… 12 Dr. Ndiaye Césaire Capteur : Organe de prélèvement d'information qui élabore à partir d'une grandeur physique, une autre grandeur physique de nature différente (très souvent électrique). Conditionneur de signal : Système qui amplifie le signal délivré par le capteur pour lui donner un niveau compatible avec l'unité de numérisation; cet étage peut parfois intégrer un filtre qui réduit les perturbations présentes sur le signal. Unité de numérisation : c’est un CAN qui va échantillonner le signal à intervalles réguliers et affecter un nombre (image de la tension) à chaque point d'échantillonnage. Capteurs & Acquisition de données Unité de traitement informatique : c’est un micro-ordinateur qui exploite les mesures qui sont maintenant une suite de nombres (enregistrement, affichage de courbes, traitements Mathématiques, transmissions des données …). Capteur : La mesure et ses causes d’erreurs 13 Dr. Ndiaye Césaire Capteurs & Acquisition de données Conditionneur du signal 14 Dr. Ndiaye Césaire Capteurs & Acquisition de données Les fonctions réalisées par le conditionneur : Amplification Filtrage Alimentation d’un capteur passif Isolation galvanique (aucun courant entre 2 parties) Multiplexage, ... Unité de numérisation 15 Dr. Ndiaye Césaire Capteurs & Acquisition de donnéesProcessus Processusde deconversion conversionA A--NN • Conversion = traduire un signal analogique en un code binaire, par un processus en 2 phases: 1. l’échantillonnage: un voltage dans la plage de conversion du convertisseur A-N est mesuré à certains intervalles 2. l’encodage: un code binaire est attribué à chaque voltage échantillonné • Caractéristiques distinctifs de convertisseurs A-N: – nombre de bits aux codes binaires: généralement 4-64 bits – précision: l’erreur absolue du processus de conversion – taux de traitement de données: le nombre d’échantillons par seconde Unité de traitement informatique: Représentation de l’information 16 Dr. Ndiaye Césaire Capteurs & Acquisition de données L'information est représentée au sein des composants de l'ordinateur sous forme de différents états de la matière : Lumière ou absence de lumière émise par un laser Courant électrique ou non Ce sont souvent des représentations à deux états, c'est-à-dire « binaires » Dans les ordinateurs, on utilise les transistors en mode saturé, c'est-à-dire « tout ou rien ». En combinant plusieurs transistors, on peut effectuer des calculs complexes Les calculs des ordinateurs sont cadencés par une horloge : Plus la fréquence de l'horloge est élevée, plus l'ordinateur pourra effectuer d'opérations par seconde (s'il n'est pas ralenti par autre chose...) Ce qui importe aux usagers, c'est le nombre d'opérations (plus généralement, « d'instructions ») qu'un ordinateur est capable d'effectuer par seconde On la mesure en MIPS, pour « millions d'instructions par seconde » Unité de traitement informatique: Description globale 17 Dr. Ndiaye Césaire Les 5 éléments principaux constitutifs d’un Système Informatique sont : L'ordinateur Le programme Les données en entrée Les données en sortie Les actions Schéma fonctionnel d’un système informatique Capteurs & Acquisition de données 18 Dr. Ndiaye Césaire L'ordinateur : Élément matériel central qui comporte essentiellement - un calculateur et sa mémoire, un ensemble clavier, écran, des périphériques informatiques conventionnels tels que : unités de sauvegarde, unités d'édition, unités de communication, - des périphériques spécialisés : carte d'acquisition de son, d'images, des dispositifs de contrôle de processus industriels ... Le programme : Élément logiciel central qui indique à l'ordinateur - le type de traitement à effectuer sur les données d'entrée, - les données à fournir et les actions à entreprendre en sortie. Capteurs & Acquisition de données Unité de traitement informatique: Description globale 19 Dr. Ndiaye Césaire Les données en entrée: Elles peuvent être d'origines diverses - ensemble de nombres à traiter issus du traitement des signaux, d'images, des bases de données, .... - informations en provenance de capteurs (température, hygrométrie,...) - données issues du clavier (dialogue homme machine) Les données en sortie : Elles représentent le résultat attendu du traitement spécifié par le programme des données en entrée. Les actions : Elles sont couramment destinées: - au système informatique lui même (sauvegarde) - au processus industriel commandé (marche, arrêt, commande de vanne, de moteur, ... ) Capteurs & Acquisition de données Unité de traitement informatique: Description globale 20 Dr. Ndiaye Césaire Capteurs & Acquisition de données Contrôle/ commande d’un processus industriel par un système de traitement numérique Unité de traitement informatique L’unité de traitement numérique saisit l’info. Traitement des informations suivant un programme de contrôle (régulation, filtrage numérique,...) et des consignes entrées par l’utilisateur. Envoi des signaux de commande au processus industriel pour atteindre le comportement recherché. Unité de traitement informatique: Historique & Evolutions actuelles 21 Dr. Ndiaye Césaire1946 1946: Ordinateur ENIAC : Ordinateur ENIAC Architecture à base de lampes et tubes à vide : 30 tonnes, 170 m2 au sol, 5000 additions par seconde. 0,005 MIPS, dirons-nous...1947 1947: Invention du transistor : Invention du transistor1958 1958: Invention du circuit intégré sur silicium : Invention du circuit intégré sur silicium Multiples transistors agencés sur le même substrat1971 1971: Processeur Intel 4004 : Processeur Intel 4004 2300 transistors dans un unique circuit intégré, Fréquence de 740 kHz, 0,092 MIPS …40 ans d'une histoire très riche...2011 40 ans d'une histoire très riche...2011: Processeur Intel : Processeur Intel CoreCorei7 2600K i7 2600K Plus de 1,4 milliards de transistors, Fréquence de 3,4 GHz, 4 cœurs, 128300 MIPSDe nos jours… De nos jours… Presque 10 milliards de transistors pour le Core i9, 28 cœurs (XEON W-3175X) Capteurs & Acquisition de données 22 Dr. Ndiaye Césaire Entre le 4004 et le Entre le 4004 et le CoreCorei7 2600K i7 2600K : • La fréquence a été multipliée par 4600. • La puissance en MIPS a été multipliée par 1,4 million La puissance d'un ordinateur ne dépend clairement pas que de sa La puissance d'un ordinateur ne dépend clairement pas que de sa fréquence fréquence ! Intérêt d'étudier l'architecture des ordinateurs Intérêt d'étudier l'architecture des ordinateurspour comprendre pour comprendre: : • Où les gains se sont opérés • Ce qu'on peut attendre dans le futur proche Capteurs & Acquisition de données Unité de traitement informatique: Historique & Evolutions actuelles Unité de traitement informatique: Les systèmes micro-programmés 23 Dr. Ndiaye CésaireLes microcontrôleurs sont typiquement des systèmes micro Les microcontrôleurs sont typiquement des systèmes micro--programmésprogrammés « Un microcontrôleur uploads/s3/ cours-capt-acq-1.pdf