Trouver carte à son pied

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ACQUISITION DE DONNÉES
Trouver carte
à son pied
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Lorsque l’on cherche une carte d’acquisition de données pour étudier
et décortiquer un signal, il vaut mieux avoir une idée préalable des
caractéristiques dudit signal pour choisir au mieux son matériel. Avec
ces informations en tête, l’ingénieur doit ensuite s’atteler à la lecture
des spécifications techniques des cartes disponibles. Nombre de voies
et vitesse d’acquisitions, résolution des entrées, sans oublier les sorties
et les options de déclenchement…
T
rouver LA carte d’acquisition de
données qui convienne parfaitement à l’utilisation que l’on veut
en faire n’est pas toujours facile. Si
la méthode des petites annonces - « ch. carte
d’acq.,E/S bien sous tous rapports,pour travail sur banc
d’essai et + si affinités » - peut sourire aux plus fortunés, les autres devront se plonger dans la
littérature des “datasheets”. Pour que ce fastidieux travail soit le plus efficace possible,
autant bien saisir de quoi il retourne à la lecture des fiches techniques. Avant de finalement choisir la carte adéquate, en fonction
de ses entrées et de ses sorties. Si les premières
sont souvent au cœur des préoccupations, les
dernières peuvent faire la différence.
Les signaux analogiques devront être
convertis au format numérique en vue de
l’exploitation sur PC. Il y a deux modes de
connexion : commun et différentiel. Dans le
mode commun, “single-ended” en anglais,
les voies seront référencées sur une masse
commune et l’on pourra visionner autant de
signaux qu’il y a de voies. Ce mode s’utilise
surtout pour des signaux de grande amplitude, lorsque les fils sont courts et que les
signaux possèdent la même masse. En mode
différentiel, deux voies sont nécessaires pour
chaque signal. Les capacités de la carte diminuent alors de moitié, mais cette configuration offre une meilleure immunité au bruit.
Certaines cartes possèdent jusqu’à 80 voies.
La connaissance préalable des signaux permet de savoir quel est le type de gamme
d’entrée nécessaire. Si les valeurs peuvent
varier autour de zéro, la configuration bipolaire symétrique autour du potentiel zéro
s’impose. Si toutes les tensions sont positives,
une configuration unipolaire avec une bor-
PCI Express s’invite désormais dans les cartes d’acquisition,en leur faisant profiter de sa grande bande passante.
ne au potentiel zéro et l’autre à un potentiel
positif convient. Les cartes multifonctions
présentent des gammes sélectionnables : il
peut y en avoir jusqu’à 8, et même 15 pour
les modules d’acquisition USB, comme par
exemple les gammes ± 10 mV ou ± 10V.
Du choix des bornes de la gamme d’entrée
dépend la précision des mesures. Parmi les
intervalles de mesure proposés, il faut choisir celui qui est immédiatement supérieur
aux valeurs extrêmes que peut prendre le
signal, pondéré du coefficient multiplicateur
correspondant au gain d’amplification.
Dans l’étage amplificateur
Avant d’être convertis au format numérique,
les signaux analogiques traversent un étage
amplificateur.Typiquement, celui-ci propose des gains variant de 0,5 à 100. Un grand
gain permet d’étirer les signaux faibles, afin
qu’ils occupent la plus grande amplitude
possible dans la fenêtre de mesure.Attention
à ne pas appliquer un gain trop élevé, qui
aurait pour conséquence de faire saturer le
dispositif en faisant sortir le signal à mesurer
de la fenêtre de mesure.
Pour éviter que la mesure ne perturbe le
signal, il est nécessaire que l’amplificateur,
et donc la carte d’acquisition, soit le plus
transparent possible vis-à-vis du circuit. Cela
passe par une grande impédance d’entrée de
l’amplificateur, idéalement une impédance
infinie. Celles proposées chez National Instruments sont de l’ordre de 10 GΩ.
Pour ne pas détériorer la carte, il faut s’assurer qu’on ne lui applique pas une tension
supérieure à la valeur de surtension donnée
dans la documentation. Le dépassement de
cette valeur est potentiellement domma-
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geable, que la carte soit elle-même sous tension ou non.
L’acquisition de données vise à exploiter les
informations remontées, il convient que l’on
puisse en tirer les informations désirées. Cela
passe par une précision adéquate des données, adaptée à chaque application. Cette précision est appelée résolution. Ce chiffre correspond au nombre de bits sur lesquels le
convertisseur analogique-numérique (CAN)
code le signal. Pour une carte à n bits, le
convertisseur découpera la gamme d’entrée
en 2n niveaux. Divisée par le gain, l’amplitude de chacune de ces “tranches” correspond à la plus petite valeur numérisable.
Pour des applications peu exigeantes, on
pourra coder sur 8 bits, tandis que certaines
plus pointues pourront nécessiter jusqu’à
24 bits. Cette grande précision se fait souvent au détriment de la vitesse d’échantillonnage, à part dans certaines cartes très
performantes, plus onéreuses.
Le choix de la fréquence d’acquisition dépend
de celles que l’on s’attend à mesurer. Les
besoins ne sont pas les mêmes pour certaines
applications de mesure de vibration ou de
signaux RF qui peuvent
L’essentiel
demander une grande
vitesse d’acquisition, et Le choix d’une carte d’acquisition implique une
des applications de
bonne compréhension
mesure de température,
des spécifications des
moins exigeantes. La
entrées/sorties.
vitesse minimale d’ac- Nombre de voies, résoluquisition ne se choisit
tion, vitesse d’acquisition,
transfert des données…
pas au hasard : d’après
Ces critères sont détermile théorème de Shannants et doivent être choinon, la fréquence
sis en fonction de l’applid’échantillonnage doit
cation.
être au moins deux fois
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Blocs fonctionnels à l’intérieur d’une carte d’acquisition
Signaux analogiques
Démultiplexeur
Ampli
CAN
FIFO
Transfert (PCI, Firewire)
Multiplexeur
Signaux faible courant
CNA
Ampli
Une fois amplifiés,les signaux analogiques sont numérisés par le convertisseur analogique/numérique (CAN).
Pour utiliser un seul amplificateur et un seul CAN,on a recours au multiplexage (en haut),plus économique que
d’utiliser un CAN par voie (à droite).
Ampli
Ampli
supérieure à la plus grande des fréquences à
mesurer. Sinon la mesure est faussée. Donc
pour une application dont l’une des fréquences
à mesurer est de 100 kHz, il faudra tabler sur
une carte échantillonnant à au moins 200 kHz.
Pour des applications nécessitant de grandes
vitesses (balistique, radar…), des vitesses
d’échantillonnage de 10 Géch/s sont disponibles. D’autres cartes offrent des vitesses de
l’ordre de la centaine de milliers d’échantillons
par seconde.
Multiplexage. Mais si ces performances sont
toujours disponibles dans le cas d’un montage monocanal, cela n’est pas forcément vrai
en mode multicanal. Encore faut-il savoir
combien de convertisseurs analogiquenumérique possède la carte. Car la technique
du multiplexage permet d’en utiliser un seul
pour plusieurs voies. Celui-ci sélectionne
alors une voie d’acquisition, travaille dessus
pendant que les autres canaux sont inactifs.
Une fois la numérisation finie, le multiplexeur sélectionne une autre voie et répète
son opération. La vitesse d’échantillonnage
est alors à diviser par le nombre de voies.
Ainsi, une carte dont la fréquence d’échantillonnage est de 1 Méch/s sur 10 voies n’aura qu’une fréquence réelle de 100 Kéch/s
par voie en mode multicanal. Le multiplexage
a également un impact sur l’amplificateur,
en y faisant passer tour à tour des signaux
différents et auxquels le gain à appliquer est
variable. Cette technique entraîne de grandes
variations du signal de sortie : la différence de
potentiel entre deux canaux lors de la com-
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mutation du
multiplexeur
est encore à
multiplier par
le gain de l’amplificateur. Dès lors, pour que
la sortie de l’amplificateur soit stable, il faut
patienter quelques instants après la commutation. D’abord, le signal tend vers la valeur
qu’il doit prendre, la dépasse et “rebondit”
pour revenir osciller autour de la valeur finale. Le temps que met le signal à atteindre une
certaine précision est le “settling time”. Ce
temps d’établissement se mesure, il est de
l’ordre de quelques microsecondes à quelques
dizaines de microsecondes.
Données en salle d’attente
Buffer. La carte d’acquisition n’étant pas une
fin en soi, les données doivent être transférées
vers l’ordinateur qui fera le traitement logiciel. Parce que ce transfert ne peut se faire en
flux tendu, la carte possède une salle d’attente pour les données. La mémoire FIFO
(First In First Out) dans laquelle sont temporairement stockées les données se vide vers
l’ordinateur au fur et à mesure qu’elle se
remplit de données acquises. En pratique,
cette mémoire est toujours dimensionnée de
façon à ce qu’elle ne sature pas, en fonction
des capacités du bus qui transfère les données vers le PC : PCI, ISA, FireWire, USB…
Ou encore le standard PCI Express qui est
récemment venu apporter ses capacités de
transfert à grande vitesse : sa bande passante est au moins deux fois supérieure à celle du
bus PCI, et ce rapport peut monter jusqu’à
trente. La vitesse du transfert est une donnée
primordiale, c’est dans la plupart des cas le
facteur limitant l’acquisition des données.
Transfert des données. Le transfert peut se
faire de manière différente : utilisé par défaut,
le mode d’accès direct à la mémoire (DMA) se
fait en arrière-plan des tâches réalisées par le
PC, sans que le système d’exploitation n’intervienne. C’est le mode le plus rapide. Plus
lent, le transfert en mode interruption
implique que la carte d’acquisitions interrompe le processeur du PC pour lui demander de lancer l’échange des données. En bas
de l’échelle des vitesses, le mode Programmed I/O laisse l’initiative au processeur du
CAN
CAN
FIFO
FIFO
PC qui interroge la carte à intervalles réguliers.
Hormis la FIFO, une autre zone de mémoire, non-volatile celle-là, autorise la sauvegarde de données de configuration de la carte : tel gain pour telle voie, l’ordre de
scrutation… De quoi gagner lors d’acquisitions répétées et espacées dans le temps, en
personnalisant sa carte d’acquisitions.
Les critères INL et DNL concernent la linéarité de la carte. La précision relative (INL)
garantit la précision des données. Elle compare la tension injectée à la tension renvoyée
en code numérique par la carte d’acquisition. La valeur de l’INL est la plus grande différence détectée entre les deux, et ce sur toute la gamme d’entrée. Cet indicateur
s’exprime en fonction du bit dont la variation
a la plus faible incidence (Least Significant
Bit, LSB), situé le plus à droite dans la trame
binaire. La valeur du LSB correspond à l’amplitude de la gamme de mesure divisée par
le nombre de valeurs que peut prendre la
sortie, soit 2n, n étant la résolution. Pour une
carte 14 bits, avec une gamme d’entrée de
0/10 V, le LSB vaut 0,61 mV. Si la plus grande différence mesurée entre les tensions fournie et renvoyée est de 1,2 mV, l’INL vaudra
2 LSB. Des valeurs d’INL de 0,5 ou 1 LSB sont
largement acceptables.
L’autre indicateur mesuré en fonction du LSB
est le DNL, la non-linéarité différentielle. En
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théorie, pour une configuration donnée, la
carte d’acquisition renverra une sortie
constante pour une plage de tension de la
largeur d’un LSB (ici 0,61 mV). Parce qu’il
existe des problèmes de linéarité, on utilise
le DNL pour quantifier la dérive des plages
d’entrée générant le même code binaire.Avec
notre exemple d’un LSB à 0,61 mV, l’intervalle de tension d’entrée qui sera codé 1
devrait être [0,31; 0,92]. Si une tension de
1,1 mV est appliquée en entrée et qu’en sortie on obtient le code binaire 1, l’écart vaut
alors 0,2 mV, soit 0,3 LSB. Le DNL est l’écart
maximal observé sur la gamme d’entrée. Il
peut prendre une valeur négative.
Autre facteur de non-linéarité : l’amplificateur
dont la pente n’est pas parfaite. Cette distorsion est définie par l’erreur de gain.
Les sorties analogiques. Si elles ne sont pas
au cœur des problèmes d’acquisition, les sorties analogiques peuvent faire la différence
lors du choix d’une carte. La gamme de tension de sortie est évidemment primordiale :
typiquement, elle est de 0 à 10 V. Si les intensités délivrées sont faibles, à savoir quelques
milliampères, cela ne permet pas de fournir
une puissance à un actionneur, mais suffit à
envoyer un signal de commande vers un driver qui pilotera l’actionneur.
Résolution. De même que pour les entrées,
la résolution et la vitesse des sorties sont à
considérer. Si le convertisseur numériqueanalogique transforme un signal 16 bits en
une valeur analogique, la précision en tension
de la sortie sera bien sûr supérieure que si
l’on avait un codage 8 bits. Des applications
ayant une large gamme dynamique avec des
faibles variations de tension nécessitent des
sorties haute résolution.
Vitesse des sorties.Pour la vitesse, deux grandeurs entrent en jeu : le temps d’établissement
(settling time) et le slew rate. Le temps d’établissement est la durée mise par le convertisseur numérique-analogique (CNA) à donner
une tension de sortie stable. L’autre valeur
importante,le slew-rate,est la différence d’amplitude de tension maximale que peut fournir
le CNA en un temps donné. Pour générer des
signaux radio par exemple, il faut un slewrate élevé et un temps d’établissement court.
Ce qui est superflu pour piloter par exemple
un appareil thermique, peu sensible aux variations rapides.
Lorsque la carte est mise en marche, la valeur
de la tension automatiquement retournée en
sortie est appelée Power-on-state. Si elle n’est
pas prise en considération, elle peut éventuellement endommager les appareils
connectés en sortie.
Les entrées/sorties numériques. Les choses
Temps d’établissement en sortie
de l’amplificateur
Tension
ts
Fenêtre de précision
V
Temps
Puisque la sortie de l’amplificateur n’est pas immédiatement stable quand le signal en entrée varie,
il faut attendre un certain temps avant qu’elle ne se stabilise à l’intérieur d’une fenêtre de précision :
c’est le temps d’établissement (ts ).
sont plus normalisées en ce qui concerne ces
signaux,qui rentrent dans des calibres figés.Les
capteurs fonctionnent souvent avec des niveaux
TTL, CMOS, 5 ou 24 V. Pour les actionneurs et
capteurs branchés sur les sorties, les gammes
classiques sont de 5,30,60 et 240Vcc.La multiplicité des possibilités d’entrées/sorties risque
de faire cohabiter des niveaux de tension différents. Il faut donc prendre en compte les
modes d’isolation des voies.
Décompte et déclenchement
En sortie, les actionneurs vont consommer
du courant. Les cartes délivrent seulement
un courant de type commande, de quelques
milliampères. En intercalant entre la carte et
l’actionneur un amplificateur, on peut obtenir des courants plus grands pour connecter et piloter des actionneurs.
Pour des questions de sécurité, des fonctions
de surveillance existent.Appelées watchdog
en anglais, elles détectent les défaillances de
l’application et mettent automatiquement les
sorties à un niveau sécurisé défini par l’utilisateur et qui ne risque pas d’endommager
les actionneurs ni de leur donner une
consigne dangereuse pour l’environnement.
De même, il est possible de choisir, par programmation, le niveau des sorties lors du
démarrage de l’ordinateur : c’est la définition du power-on-state, comme pour les
signaux analogiques.
Les triggers. La gestion du déclenchement
de l’acquisition des données est particulièrement importante dans une application. Elle
se fait en programmant des triggers, c’est-àdire en déterminant sur certaines voies des
seuils au-dessus ou au-dessous desquels l’acquisition doit débuter. Le trigger peut être
analogique ou numérique. Dans le premier
cas, il faut voir quelle broche est concernée
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par le déclenchement.
Le niveau de déclenchement est codé sur
8 bits. Il y a donc
256 niveaux possibles,
répartis à l’intérieur de
la gamme de déclenchement, définie comme le “level” du trigger.
Il est également possible de ne faire l’acquisition de données
que lorsque le signal de
déclenchement est
compris entre deux
valeurs choisies par
l’utilisateur. Cela nécessite l’utilisation du
mode hystérésis.
Dans le cas d’un trigger numérique, le trigger doit être compatible TTL ou CMOS ou
les deux. Le déclenchement peut se faire sur
le front montant, ou bien sur le front descendant de ce signal.
Les compteurs. Les compteurs qui sont présents sur les cartes d’acquisition peuvent servir de diviseurs de fréquence auxquels est
associé une résolution n. Le compteur peut
diviser la fréquence par 2n, par exemple par
16 lorsque n vaut 4. Ils peuvent aussi servir
à faire de l’horodatage, à compter des événements. En sortie, ils sont utilisés pour générer un train de données Pulse Width Modulation (PWM) par exemple.
Synchroniser les cartes.Lorsqu’une carte d’acquisition ne suffit plus, lorsqu’il y a de nombreux signaux à analyser, il est possible de juxtaposer plusieurs cartes. La difficulté consiste à
ce que ces différentes cartes réagissent comme
une seule entité. Il faut alors les synchroniser :
cela peut se faire grâce au bus Real Time System Integration (RTIS) pour les cartes PCI ou
avec le bus integré pour les modules PXI.
Une fois que l’on a trouvé la ou les cartes
qui semblent correspondre aux besoins de
son application, il faut s’assurer de la compatibilité logicielle avec le système d’exploitation, et ce selon le type d’interface utilisée.
PCI et USB s’accommodent sans problèmes
de Windows, Mac OS ou Linux. Mais Mac OS
n’accepte pas les formats PXI ou CompactPCI, tandis que le dernier venu, PCI Express,
ne fonctionne qu’avec Windows.
En ce qui concerne les conditions d’utilisation, les cartes NI sont équipées de circuits
régulateurs qui compensent les effets de la
température, les rendant aptes à fonctionner
de 0 à 55 °C.
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