Acquisition et traitement des signaux de mesure à l’aide de microprocesseurs - Architecture globale : capteurs et chaînes de mesure

L’acquisition, au fil du temps, de données relatives à l’état d’un système physique en permet l’observation : elle a pour but d’informer sur l’évolution temporelle de différentes grandeurs physiques. Ces dernières sont judicieusement choisies en fonction du but recherché : permettre l’étude d’un phénomène scientifique, générer la commande optimale d’un processus, surveiller l’usure d’un outil de production ou, plus simplement, garantir le bon fonctionnement d’un système industriel. Tant au sein des laboratoires de recherche que dans les sites industriels de production, l’acquisition et le traitement de signaux de mesure sont donc incontournables.

Par ailleurs, avec le développement des systèmes à microprocesseur, l’ordinateur et ses possibilités de calcul se sont trouvés démocratisés au point de pouvoir être embarqués à l’intérieur des systèmes de mesure et de contrôle. À partir de là, l’évolution prévisible a été d’accroître la part du numérique pour réduire le nombre de circuits nécessaires, donc réduire les coûts de fabrication et augmenter la fiabilité. C’est ce qui explique la part importante prise par le microprocesseur dès le niveau de la conception des systèmes d’instrumentation électronique. L’utilisation d’une machine séquentielle standardisée – le microprocesseur – permet ainsi de substituer le développement d’un logiciel de calcul à la conception et à la réalisation de toute une chaîne de traitement et de conditionnement de signaux analogiques et numériques. Les avantages en termes de coût et de souplesse en sont évidents. Et le « traitement numérique du signal » y trouva pour beaucoup ses lettres de noblesse.

Finalement, la densité d’intégration sans cesse croissante obtenue dans la fabrication des circuits électroniques permet le remplacement d’une part toujours plus importante de la partie séquentielle par une logique câblée, réalisée à l’aide de circuits logiques programmables, ce qui contribue à la réduction des temps de calcul et donc à l’accroissement des performances des systèmes d’acquisition et de traitement de données sans perte au niveau de la souplesse de conception et de maintenance : il n’est plus rare de trouver le microprocesseur associé à une FPGA, voire même une FPGA seule intégrant, entre autres, le microprocesseur !

Dans cet article, on se propose de rappeler l’architecture d’une chaîne d’acquisition et de traitement de données par microprocesseur en y distinguant les composantes fondamentales et en illustrant leurs rôles particuliers par des exemples choisis. Ce large tour d’horizon comprend deux fascicules : le premier [R 525v2] est consacré aux capteurs et aux chaînes de mesure qui y sont associées tandis que le second [R 526v2] se focalise sur le traitement matériel de l’information tout en soulignant quelques précautions particulières relatives à la mise en œuvre du logiciel. Un troisième fascicule [R 527] complète cette vision architecturale par l’évocation des technologies actuelles : un bref survol des différentes familles de microprocesseurs, avec pour but de mettre en évidence les avantages et les inconvénients qu’elles présentent dans le cadre de notre application (chapitre 1), est suivi d’une évocation de quelques familles de systèmes commerciaux permettant la résolution « clé en main » d’un certain nombre de problèmes classiques en matière d’acquisition et de traitement de données (chapitre 2).

Cet article est le second consacré à l’acquisition de données par microprocesseur. Le premier, disponible en archive, met l’accent sur la mise en œuvre des capteurs analogiques d’une part et sur le traitement numérique du signal d’autre part. Cette fois, ces deux aspects ont été volontairement moins détaillés pour laisser une plus grande place à l’architecture particulière – tant au plan matériel que logiciel – des systèmes basés sur des microprocesseurs et, plus particulièrement, des microcontrôleurs ainsi qu’à la panoplie de circuits périphériques exploitables dans ce contexte à l’heure actuelle. Concernant le traitement du signal, quelques réflexions et exemples touchent aussi aux systèmes bouclés, c’est-à-dire aux systèmes qui utilisent les données acquises pour réagir sur leur environnement (régulateurs, actionneurs).