Introduction à l'acquisition de données

Ce document fait partie de la série de tutoriaux de National Instruments sur les principes fondamentaux de la mesure. Chaque tutorial vous fera découvrir un aspect spécifique des applications de mesure courantes, en illustrant la théorie d'exemples pratiques. Ce tutorial vous initie aux éléments essentiels d'un système d'acquisition de donnée sur PC.

Introduction

L'acquisition de données consiste à recueillir les signaux des sources de mesure et à les numériser pour les stocker, les analyser et les présenter sur un PC. Les systèmes d'acquisition de données (DAQ) existent dans différents formats informatiques pour vous offrir un large éventail de possibilités lors du choix de votre système. Scientifiques et ingénieurs peuvent choisir d'utiliser les formats PCI, PXI, CompactPCI, PCMCIA ou encore d'exploiter les ports USB, Firewire, parallèle ou série pour acquérir des données dans les applications de test, de mesure et d'automatisation. Cinq composantes sont à prendre en compte lors de la construction d'un système DAQ élémentaire (Figure n°1) :

· Transducteurs et capteurs

· Signaux

· Conditionnement de signaux

· Matériels DAQ

· Drivers et logiciels d'application

Figure n°1. Système d'acquisition de données

Ce document décrit les cinq éléments composant un système DAQ et explique les bases de l'acquisition de données.

Transducteurs et capteurs

L'acquisition de données commence avec le phénomène physique à mesurer. Ce phénomène physique peut être la température d'une pièce, l'intensité d'une source de lumière, la pression à l'intérieur d'une enceinte, la force appliquée à un objet, etc. Un système DAQ performant peut mesurer tous ces phénomènes.

Un transducteur ou capteur est un matériel qui sert à convertir un phénomène physique en un signal électrique mesurable, comme une tension ou un courant. La capacité d'un système DAQ à mesurer différents phénomènes dépend de la capacité du matériel DAQ à accepter les signaux issus des capteurs. Dans les systèmes DAQ, les transducteurs sont synonymes de capteurs. Il existe des capteurs spécifiques pour différentes applications, telles que la mesure de température, de pression ou de flux. La Figure n°2 énumère brièvement quelques-uns des transducteurs courants et les phénomènes qu'ils sont capables de mesurer.

 

Entrées et sorties analogiques	Modules de prototypage
Boundary Scan	Instruments
Interface de bus et communication	Commande d’axes
Modules porteurs	Alimentations
Entrées et sorties numériques	Interfaces de connexion
Traitement numérique du signal	Matrices de commutation
Diagnostic et test fonctionnel	Entrées et sorties de comptage/timing
Acquisition d'images

Figure n°2. Phénomènes physiques et transducteurs associés

 

Des capteurs différents ont des exigences différentes pour convertir les phénomènes en un signal mesurable. Par exemple, certains capteurs peuvent requérir une excitation sous la forme de tension ou de courant. D'autres peuvent avoir besoin de composantes supplémentaires comme des réseaux résistifs pour produire un signal. Reportez-vous à ni.com/sensors  pour de plus amples informations sur les capteurs.

Signaux

Le capteur approprié convertit le phénomène physique en signaux mesurables. Cependant, des signaux différents doivent être mesurés de façons différentes. C'est pourquoi il est important de comprendre les différents types de signaux et leurs attributs correspondants. Les signaux peuvent être classés en deux groupes :

· Analogiques

· Numériques

 

Signaux analogiques

Un signal analogique peut adopter n'importe quelle valeur en fonction du temps. Parmi les signaux analogiques, citons par exemple les tensions, les températures, les pressions, les sons et les charges. Les trois principales caractéristiques d'un signal analogique sont le niveau, la forme et la fréquence (Figure n°3).

 

Figure n°3. Principales caractéristiques d'un signal analogique

Niveau

Comme les signaux analogiques peuvent adopter n'importe quelle valeur, le niveau donne des informations essentielles sur le signal analogique mesuré. L'intensité d'une source de lumière, la température d'une pièce et la pression à l'intérieur d'une enceinte sont autant d'exemples qui illustrent l'importance du niveau d'un signal. En règle générale, un signal ne change pas rapidement dans le temps lorsque vous mesurez son niveau. En revanche, la précision de la mesure est très importante. Un système DAQ qui assure une précision optimale est préférable pour la mesure de niveaux analogiques.

Forme

Certains signaux tirent leur nom de leur forme spécifique : signal sinusoïdal, carré, en dents de scie et triangulaire. La forme d'un signal analogique peut être aussi importante que son niveau, car la mesure de la forme permet une analyse plus approfondie du signal analogique en question, comprenant les valeurs de pics, les valeurs DC et la pente. En général, les signaux pour lesquels la forme présente un intérêt changent rapidement dans le temps, mais la précision du système reste importante. Les analyses de battements de cœur, de signaux vidéo, de sons, de vibrations et de réponses de circuits sont quelques exemples d'applications qui nécessitent des mesures de formes.

Fréquence

Tous les signaux analogiques peuvent être classés en fonction de leur fréquence. Contrairement au niveau ou à la forme du signal, la fréquence ne peut pas être mesurée directement. Le signal doit être analysé à l'aide d'un logiciel afin de déterminer les informations relatives à la fréquence. Cette analyse est généralement effectuée à l'aide d'un algorithme connu sous le nom de transformée de Fourier.

Lorsque la fréquence est l'information prépondérante, il est important de considérer aussi bien la précision que la vitesse d'acquisition. Bien que la vitesse pour acquérir la fréquence d'un signal soit inférieure à celle nécessaire pour obtenir la forme de celui-ci, le signal doit cependant être acquis assez rapidement pour que les informations pertinentes ne soient pas perdues pendant l'acquisition du signal analogique. La condition qui définit cette vitesse est le théorème de Nyquist. L'analyse de la parole, les télécommunications et l'analyse des tremblements de terre sont quelques exemples d'applications courantes qui nécessitent de connaître la fréquence du signal.

 

Signaux numériques

Un signal numérique ne peut pas adopter n'importe quelle valeur en fonction du temps. En revanche, un signal numérique a deux niveaux possibles : haut et bas. Les signaux numériques sont généralement en conformité avec certaines spécifications qui définissent les caractéristiques du signal. Les signaux numériques se réfèrent généralement à la logique TTL (Transistor-to-Transistor Logic). Les spécifications TTL établissent qu'un signal numérique est bas lorsque son niveau est compris entre 0 et 0,8 volts, et qu'il est haut entre 2 et 5 volts. L'état et le débit comptent parmi les informations utiles qui peuvent être mesurées à partir d'un signal numérique (Figure n°4).

 

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Figure n°4. Principales caractéristiques d'un signal numérique

 

État

Les signaux numériques ne peuvent pas adopter n'importe quelle valeur en fonction du temps. L'état d'un signal numérique est essentiellement le niveau de celui-ci : allumé ou éteint, haut ou bas. Contrôler l'état d'un commutateur (ouvert ou fermé) est une application courante qui illustre l'importance de connaître l'état d'un signal numérique.

Débit

Le débit d'un signal numérique définit comment le signal numérique change d'état en fonction du temps. Déterminer la vitesse de rotation de l'arbre du moteur est un exemple de mesure du débit d'un signal numérique. Contrairement à la fréquence, le débit d'un signal numérique mesure le nombre de fois par seconde qu'une portion du signal se répète. Aucun algorithme logiciel n'est nécessaire pour déterminer le débit d'un signal.

Conditionnement de signaux

Il arrive que des transducteurs génèrent des signaux trop complexes ou trop dangereux pour être mesurés directement avec du matériel DAQ. Par exemple, lorsque vous avez affaire à des hautes tensions, des environnements bruyants, des signaux extrêmement forts ou faibles, ou à la nécessité de mesurer différents signaux simultanément, le conditionnement de signaux est essentiel pour obtenir un système DAQ performant. Le conditionnement de signaux optimise la précision d'un système, permet aux capteurs de fonctionner correctement et garantit la sécurité.

Il est indispensable de choisir un matériel bien adapté au conditionnement de signaux. La fonction de conditionnement de signaux est proposée dans des formats modulaires ou intégrés (Figure n°5). Les accessoires de conditionnement de signaux peuvent être utilisés dans des applications diverses et variées, notamment :

· Amplification

· Atténuation

· Isolation

· Complétion de pont

· Échantillonnage simultané

· Excitation de capteurs

· Multiplexage

Parmi les critères à prendre en compte pour le conditionnement de signaux, citons le format (modulaire ou intégré), les performances, le nombre d'E/S, les caractéristiques avancées et le coût. Nous vous conseillons d'utiliser le guide interactif DAQ Advisor et d'autres outils en ligne sur ni.com/signalconditioning  pour trouver la solution de conditionnement de signaux la mieux adaptée à vos besoins.

 

 

Figure n°5. Options matérielles pour le conditionnement de signaux

 

Matériels DAQ

Les matériels DAQ jouent le rôle d'interface entre l'ordinateur et le monde extérieur. Ils servent avant tout à numériser les signaux analogiques entrants pour permettre à l'ordinateur de les interpréter. Les fonctionnalités d'acquisition de données peuvent se classer selon les catégories suivantes :

· Entrées/sorties analogiques
· Entrées/sorties numériques
· Compteurs/Timers
· Multifonction  : combinaison d'opérations analogiques, numériques et de comptage au sein d'un seul et même matériel

National Instruments offre plusieurs plates-formes matérielles pour l'acquisition de données. La plate-forme la plus facilement accessible est l'ordinateur de bureau. National Instruments propose des cartes DAQ PCI enfichables dans n'importe quel ordinateur de bureau. Par ailleurs, NI fabrique des modules DAQ pour PXI/CompactPCI, une plate-forme modulaire et durcie particulièrement adaptée aux applications de mesure et d'automatisation. Pour des mesures distribuées, la plate-forme Compact FieldPoint fournit des E/S modulaires, un fonctionnement embarqué (autonome) et la communication Ethernet. Enfin, pour des systèmes de mesures portables ou de poche, les matériels DAQ de National Instruments aux formats USB et PCMCIA fonctionnent avec des ordinateurs portables ou des assistants personnels PocketPC (Figure n°6).

 

Figure n°6. Options du matériel DAQ

 

Drivers et logiciels d'application

Logiciels drivers

Le logiciel transforme le PC et le matériel DAQ en outil d'acquisition, d'analyse et de présentation des données complet. Sans logiciel pour contrôler ou piloter le matériel DAQ, celui-ci ne fonctionne pas correctement. Le logiciel driver est la couche logicielle qui facilite la communication avec le matériel. Il constitue la couche intermédiaire entre le logiciel d'application et le matériel. Le driver dispense également le développeur de recourir à la programmation au niveau registre ou à des commandes complexes pour accéder aux fonctions du matériel. National Instruments offre deux options logicielles différentes :

· Driver NI-DAQmx et logiciel de services de mesure supplémentaires

·Driver NI-DAQmx Base

Avec l'introduction de NI-DAQmx, National Instruments a révolutionné le développement d'applications DAQ en accélérant considérablement le passage de la simple construction d'un programme au déploiement d'une application de mesure hautes performances. L'Assistant DAQ, inclus avec NI-DAQmx, est un guide interactif graphique pour la configuration, le test et l'acquisition des données de mesure. D'un simple clic, vous pouvez même générer du code à partir de votre configuration, facilitant et accélérant ainsi le développement d'opérations complexes. Étant donné que l'Assistant DAQ est entièrement commandé par menus, l'utilisateur fait moins d'erreurs de programmation et diminue considérablement le temps entre la configuration de son système DAQ et son premier relevé de mesure.

Logiciels d'application

La couche application peut être soit un environnement de développement dans lequel vous construisez une application personnalisée qui satisfait des critères spécifiques, soit un programme configurable doté de fonctionnalités prédéfinies. Le logiciel d'application ajoute des fonctions d'analyse et de présentation au logiciel driver. Pour choisir le logiciel d'application approprié, il vous faut évaluer la complexité d'une application, la disponibilité d'un logiciel configurable qui répond à vos besoins et le temps dont vous disposez pour développer l'application en question. Si l'application s'avère complexe ou s'il n'existe aucun programme, utilisez sans hésiter un environnement de développement.

NI propose trois environnements de développement permettant de concevoir des applications complètes d'instrumentation, d'acquisition et de contrôle :

· LabVIEW qui se caractérise par sa méthode de programmation graphique

· LabWindows/CVI  qui s'adresse aux programmeurs en C

· Measurement Studio  pour Visual Basic, C++ et .NET

Avec l'apparition de SignalExpress, NI propose un environnement logiciel configurable dans lequel la programmation n'est plus une nécessité. SignalExpress permet d'effectuer des mesures de façon interactive avec la technologie NI Express.

En outre, tous les logiciels d'applications peuvent être enrichis de toolkits complémentaires dotés de fonctionnalités spécifiques. Enfin NIVI Logger  est un outil à la fois modulaire et facile d'emploi spécialement conçu pour les applications d'enregistrement de données.

Produits NI associés

Les utilisateurs concernés par ce sujet ont également été intéressés par les produits NI suivants :

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Liens associés :

White Paper interactif : Measurement-Ready DAQ Systems
Tutorial : Data Acquisition Fundamentals
Tutorial : Signal Conditioning Fundamentals for Computer-Based Data Acquisition SystemsPrésentation : Measurement Fundamentals