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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 528 − 1 Instrumentation personnalisée Capteurs associés aux PC par Lang TRAN TIEN Professeur à l’École Spéciale de Mécanique et d’Électricité de Paris ’instrumentation personnalisée est née de l’association de l’instrumen- tation de mesure et de l’ordinateur personnel (PC). Les ressources de l’ordi- nateur sont exploitées pour rendre l’instrument de mesure intelligent et pour faciliter l’intégration de nombreux outils de mesure dans un seul système. Cet article fait état de l’évolution rapide de cette instrumentation personnalisée, due d’une part à des cartes d’interface de plus en plus sophistiquées et d’autre part à la puissance grandissante des ordinateurs. Cette évolution est en train de changer le concept de la mesure traditionnelle. 1. Historique. Déﬁnition ............................................................................. R 528 - 2 2. Apport des ordinateurs personnels aux systèmes de mesures industrielles........................................................................ — 2 3. Cartes additionnelles.............................................................................. — 3 3.1 Cartes modem.............................................................................................. — 3 3.2 Cartes d’acquisition de données et de contrôle........................................ — 4 3.3 Cartes d’acquisition et de traitement en temps réel................................. — 4 3.4 Cartes d’interface IEEE 488 ......................................................................... — 4 4. Étude de cas : psychromètre ................................................................ — 6 4.1 Expression mathématique de la grandeur à mesurer.............................. — 6 4.2 Carte d’acquisition....................................................................................... — 6 4.2.1 Source de courant I ............................................................................ — 7 4.2.2 Ampliﬁcateurs d’instrumentation ..................................................... — 7 4.2.3 Filtre passe-bas................................................................................... — 7 4.2.4 Multiplexeur........................................................................................ — 7 4.2.5 Convertisseur analogique-numérique .............................................. — 7 4.2.6 Interface programmable .................................................................... — 7 4.3 Logiciel ......................................................................................................... — 8 4.3.1 Élaboration du logiciel ....................................................................... — 8 4.3.2 Organigramme.................................................................................... — 8 4.4 Conclusion.................................................................................................... — 8 5. Évolution de l’instrumentation personnalisée................................. — 9 6. Perspective d’avenir................................................................................ — 10 Références bibliographiques ......................................................................... — 10 L INSTRUMENTATION PERSONNALISÉE _____________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. R 528 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle 1. Historique. Déﬁnition Un nouveau concept de la mesure est né en 1981 lorsque la société américaine Northwest Instruments lança sur le marché ses premiers modules d’instrumentation à associer directement à un ordinateur personnel (un Apple II à l’époque). On l’appelle instru- mentation personnalisée. Cette dénomination est née de l’association de l’instrument de mesure et de l’ordinateur personnel. On utilise les ressources du dernier pour effectuer les tâches de commande, de gestion, d’afﬁ- chage et de traitement, normalement prises en charge par un sys- tème à microprocesseur placé à l’intérieur de l’appareil. L’instrument de mesure communique avec l’ordinateur à l’aide d’un dispositif d’interface qui comporte nécessairement un convertisseur analogique-numérique. L’instrument de mesure peut se réduire à une simple carte d’acquisition de la mesure dépouillée de toute intel- ligence. C’est avec le clavier de l’ordinateur que l’on commande l’ins- trument de mesure. C’est aussi sur l’écran de l’ordinateur que l’on visualise les résultats des mesures, sous forme numérique ou sous forme de courbes. Ces résultats sont les fruits d’un traitement des données brutes acquises par l’instrument de mesure ; ce traitement, qui peut être plus ou moins complexe, est effectué par l’ordinateur à la demande de l’utilisateur. Les premières applications de l’instrumentation personnalisée étaient de nature analogique. Il s’agissait de cartes (commercialisées par Générim en 1983) directement enﬁchables dans le châssis de l’Apple II pour transformer l’ordinateur en oscilloscope et en géné- rateur de fonctions. Mais ce n’est pas sous cette forme que l’ins- trumentation personnalisée continue de se développer. Ses atouts ne sont pas uniquement d’ordre ﬁnancier. Ce qui est important est surtout le concept nouveau d’intégration de nombreux outils de mesure dans un seul système. Comme les cartes enﬁchables entraînent parfois des problèmes de rayonnements et de boucle de masse, on déporte la carte d’ins- trumentation et son alimentation à l’extérieur du châssis de l’ordi- nateur (ﬁgure 1). Cette solution a été rapidement adoptée par Hewlett-Packard et Tektronix qui intègrent à l’intérieur du châssis une carte de communication à laquelle on peut relier un ou plusieurs modules externes. L’intérêt immédiat est que l’on peut réaliser des chaînes de mesure de hautes performances et des instruments haut de gamme pour des applications très variées. Il y a une dizaine d’années, l’ingénieur devait passer jusqu’à 80 % de son temps de travail pour calculer, présenter les résultats de mesure sous forme de tableaux ou de courbes, rédiger les rap- ports des manipulations et analyser les résultats de mesure. Grâce à l’ordinateur associé au système de mesure et de test, il effectue ce travail dix fois plus vite aujourd’hui. Il possède de nouveaux outils (traceurs graphiques, tableurs, logiciels de calculs divers, etc.) qui simpliﬁent considérablement la documentation et l’ana- lyse. Aussi peut-il disposer d’une véritable petite station de travail sur laquelle il peut étudier et calculer son circuit, tester son proto- type, analyser ses résultats, préparer et rédiger son rapport. 2. Apport des ordinateurs personnels aux systèmes de mesures industrielles I Cartes d’acquisition de données Associées à l’ordinateur, les cartes d’acquisition de données et de contrôle constituent des systèmes de mesure très efﬁcaces et performants. Certains fabricants fournissent des systèmes adaptatifs constitués de modules indépendants, dont la juxtaposition permet d’obtenir une station de mesure très compacte. Chaque conﬁguration du sys- tème peut comprendre un module d’alimentation, un module CPU (unité centrale) et de nombreux modules spéciﬁques avec entrées et sorties choisies en fonction de l’utilisation [1] [2] [4] [5] [13] [14]. Toutes les entrées et les sorties du système sont isolées indivi- duellement, ce qui réduit les perturbations dues à l’environnement et aux boucles de masse. Les cartes d’acquisition peuvent être fournies avec des capteurs de mesure (capteurs de déplacement, de débit, de pression, de tem- pérature, etc.) ; elles comportent des conditionneurs de signaux adaptés à la grandeur physique à saisir, un ou plusieurs multi- plexeurs, des convertisseurs analogique-numérique (CAN) dont la résolution est déﬁnie par les exigences de qualité de la mesure. L’ordinateur assure non seulement la gestion de toutes les mesures du système, mais il remplit aussi de nombreuses autres tâches : contrôle de processus, analyse, traitement du signal, gestion des liaisons série ou parallèle, visualisation des résultats, tracé de courbe, etc. Pour cela les fabricants proposent une panoplie de logi- ciels constamment remis à jour permettant une utilisation immédiate sans aucune programmation. Dans les applications d’acquisition de données, l’échantillonnage des signaux d’entrée à cadence élevée peut générer des mégaoctets de données. À ces cadences, l’ordinateur personnel (ou PC : Personal Computer ) ne peut pas à la fois stocker ce ﬂux de données et le traiter en temps réel. En plus, le système doit souvent réaliser plu- sieurs tâches en même temps. Le PC peut alors s’avérer impuissant pour cette multitâche d’analyses en temps réel : MS-DOS n’offre pas de possibilités multitâches. I Coprocesseur d’acquisition de données Pour résoudre tous ces problèmes, on ajoute un coprocesseur au système d’acquisition de données (ﬁgure 2). En effet, dans un système sans coprocesseur, le dispositif des entrées-sorties analogiques et numériques est connecté directe- ment au bus du PC à l’aide d’une interface (ﬁgure 3) ; le PC doit gérer tous les contrôles, mémoriser les données et les traiter. Figure 1 – Ordinateur personnel avec carte d’acquisition de données extérieure Figure 2 – Système avec coprocesseur _____________________________________________________________________________________________________ INSTRUMENTATION PERSONNALISÉE Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 528 − 3 Dans un système avec coprocesseur, les entrées-sorties sont connectées à un microprocesseur dédié. C’est ce dernier qui contrôle le dispositif d’entrées-sorties, stocke les données dans une mémoire locale et les traite en temps réel. Le PC communique avec le copro- cesseur plutôt qu’avec le dispositif d’entrées-sorties. Un coprocesseur d’acquisition est un processeur indépendant. Il exécute un programme différent de celui du PC. Il peut traiter des données en temps réel parallèlement au processeur du PC. C’est lui qui réalise les fonctions multitâches. La ﬁgure 4 représente un exemple de structure d’association d’un coprocesseur à un PC : tandis que le PC contrôle tous les péri- phériques standards : disques, vidéo, communication, clavier, le coprocesseur prend en charge les entrées-sorties. Un grand nombre de traitements sont susceptibles d’être effec- tués par le coprocesseur : — supposons qu’une grandeur d’entrée soit une température issue d’un couple thermoélectrique, le coprocesseur peut corriger la non-linéarité du capteur avant d’envoyer la donnée au PC ; — les calculs statistiques, par exemple la valeur moyenne et l’écart-type des signaux d’entrée, sont en général effectués par le coprocesseur ; le processeur du PC est déchargé du traitement des données brutes, il peut donc disposer de plus de temps pour effec- tuer d’autres traitements ; il peut, par exemple, dessiner un graphe des statistiques en temps réel ; — le changement de gamme automatique, qui améliore la pré- cision de la mesure, est le travail du coprocesseur : la grandeur analogique est échantillonnée et numérisée avec plusieurs gains successifs, celui qui fournit la meilleure résolution est choisi pour le transfert vers le PC ; — la scrutation sur événement constitue une forme de réduction uploads/Geographie/ instrumentation-personnalisee-capteurs-associes-aux-pc.pdf