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1 - VUE D’ENSEMBLE

2 - MOYEN DE MESURE : LE CAPTEUR

3 - CHAÎNE DE MESURE : CONDITIONNEMENT ET TRAITEMENT DES SIGNAUX

Article de référence | Réf : R525 v2

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

Auteur(s) : Paul SENTE

Date de publication : 10 déc. 2010

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Auteur(s)

  • Paul SENTE : Ingénieur principal, chef de service à l’Université catholique de Louvain (UCL, Belgique) - Responsable du laboratoire LACTION (actionneurs et capteurs intelligents) - Membre du centre de recherche en mécatronique (CEREM) - Chargé de cours à l’ECAM (Haute École Léonard de Vinci, Belgique)

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INTRODUCTION

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).

Nota

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-r525


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3. Chaîne de mesure : conditionnement et traitement des signaux

Le capteur est le premier maillon de la chaîne. Il en conditionne toutes les performances en ce sens que le reste de la chaîne de mesure ne pourra fournir plus d’information que ce que lui-même permet. Néanmoins, diverses techniques permettent d’en tirer la quintessence comme :

  • le réglage optimal du gain d’excitation et de mesure (réglage automatique des gains) ;

  • le réglage optimal du zéro de mesure (correction automatique de zéro) ;

  • le conditionnement optimal du signal de mesure et son traitement (filtrage, moyennage...) ;

  • la prise en compte du régime de fonctionnement (correction des non-linéarités).

C’est la raison pour laquelle la représentation de la chaîne de mesure donnée à la figure 9 reprend, outre le capteur lui-même, un bloc représentant son excitation éventuelle et deux blocs figurant un traitement analogique éventuel du signal de mesure et un traitement analogique éventuel du signal d’excitation.

Finalement, dans les cas habituels, la mesure doit encore être mise sous forme numérique pour pouvoir être ensuite exploitée.

Dans le cas d’un capteur numérique par essence, ces traitements n’existent généralement pas et l’interface d’entrée numérique se réduit souvent à sa plus simple expression (port d’entrée digital).

3.1 Précautions

La chaîne de mesure est aussi malheureusement source de bruit et donc d’erreur dans les systèmes de mesure, non pas tellement parce qu’elle génère du bruit par elle-même (amplificateurs) mais, surtout, parce qu’elle est exposée aux perturbations environnantes et qu’elle peut, si aucune précaution n’est prise, les introduire dans le signal utile.

Dans le cas d’un environnement industriel « hostile », on veillera à respecter les règles classiques destinées à protéger les circuits de mesure des sources de bruit perturbatrices par :

  • couplage capacitif (perturbation électrostatique) :

    • éloigner les conducteurs/pistes à haute impédance des conducteurs portés à haute tension et/ou véhiculant de haute fréquence,

    • utiliser des câbles de connexion blindés et relier le blindage à la terre, séparer les pistes par des anneaux de garde si nécessaire ;

  • couplage...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BUYSE (H.), LABRIQUE (F.), SENTE (P.) -   Introduction à l’électronique et à ses applications en instrumentation  -  Tech. & Doc./Lavoisier, 422 pages (2001).

  • (2) - HAUSSER-HAUW (Ch.) -   Manuel d'électroencéphalogramme de l'adulte  -  Masson, 331 pages (2006).

  • (3) - MANGIANTE (J.-M.) -   Analyse et synthèse des filtres actifs analogiques  -  Tec & Doc/Lavoisier, 378 pages (2005).

  • (4) - BOITE (R.), LEICH (H.) -   Les filtres numériques. Analyse et synthèse des filtres unidimensionnels  -  Technique et Scientifique des Télécommunications/Dunod, 421 pages (1997).

  • (5) - KUNT (M.) -   Traitement numérique des signaux  -  Traité d’Électricité volume XX, Presses Polytechniques et Universitaires Romandes (PPUR), 416 pages (3ème édition) (1999).

  • (6) - BALL...

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Standort Technologiepark

Technologiepark 25

33100 Paderborn

Tel. : +49 5251 1638-0

Fax : + 49 5251 66529

Vertrieb : [email protected]

Support : [email protected]

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