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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

Vue d’ensemble
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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1. Vue d’ensemble

L’acquisition de données relatives à l’état d’un système physique a pour but d’informer sur l’évolution temporelle de différentes grandeurs physiques. Ces dernières sont judicieusement choisies en fonction de la finalité recherchée, par exemple le contrôle d’un processus industriel ou l’étude du vieillissement d’un dispositif de commande.

Les mesures proprement dites s’effectuent au moyen de capteurs, interfaces d’entrée entre le monde physique et le système électronique (figure 1). En aval des capteurs, les chaînes de mesure qui y sont associées assurent le bon conditionnement de leurs capteurs respectifs (alimentation, gain...) et réalisent les traitements nécessaires des signaux bruts de mesure (filtrage, linéarisation...). En complément, si le système électronique doit également agir ou réagir sur son environnement, il devra disposer d’une seconde interface, de sortie cette fois, constituée de ce que l’on appelle en toute généralité un « actionneur » et dont le pilotage correct est assuré par une chaîne d’actionnement. Dans ce cas, la boucle est fermée et on a normalement affaire à un système de régulation ou de contrôle-commande. Dans les autres cas, les données récoltées seront éventuellement traitées et stockées avant d’être mises à disposition par une interface vers un opérateur ou vers d’autres machines. Toutes ces opérations qui prennent place après les phases d’acquisition et de conditionnement sont regroupées ci-après dans la rubrique relative au traitement et à l’exploitation de l’information.

Au centre du dispositif électronique on trouve bien évidemment le microprocesseur et les circuits qui lui sont nécessaires d’abord pour fonctionner (mémoire de programme...), pour s’interfacer avec la chaîne de mesure (entrées digitales, convertisseurs analogique-numérique...), pour exploiter l’information acquise (mémoire de stockage, afficheurs, circuits de communication), et enfin, si le système est bouclé, pour piloter la chaîne d’actionnement (convertisseurs numériques-analogiques...). Rappelons que les états binaires (un et zéro) du « monde » digital ou numérique correspondent simplement aux niveaux électriques (plage haute et plage basse) des circuits électroniques.

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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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