L'utilisation des nouveaux bus dans le Test et la Mesure

Les avantages des nouveaux bus

Ces dernières années, les ordinateurs qui fournissaient en standard des bus série (RS-232) et parallèle disposent maintenant de bus Ethernet, USB (universal serial bus) et quelques fois IEEE-1394 (FireWire). Ces nouveaux bus sont attrayants pour toute une série de raisons : facilité d'utilisation (USB), connectivité (Ethernet) et vitesse de transfert (FireWire).

USB

L'USB a été initialement conçu pour connecter les périphériques PC tels que claviers, scanners et disques durs. Ces deux dernières années, le nombre de périphériques qui possédaient une interface USB a augmenté de manière très significative suivant ainsi le mouvement initié par Apple qui l'avait adopté dès 1998 comme son seul et unique bus série.

Avec les spécifications USB 1.1, les vitesses de transfert atteignent au maximum 1,5 Mo/s. Les spécifications 2.0 permettent, quant à elles, d'atteindre 60 Mo/s. Les spécifications 2.0 garantissent la compatibilité avec les périphériques 1.1 et utilisent les mêmes connecteurs. Puisque l'USB est une technologie

Plug & Play, l'hôte USB détecte automatiquement l'insertion d'un nouveau périphérique, l'interroge afin d'obtenir son identification et configure automatiquement ses pilotes et la configuration logicielle nécessaire. 127 périphériques USB peuvent être utilisés simultanément sur un même port. En ce qui concerne Windows, le support de l'USB est disponible sur les versions 2000/XP/Me/98.

L'USB représente une manière simple et économique de connecter différents périphériques au PC. De plus, l'USB améliore la technologie série conventionnelle en fournissant de meilleures performances, des possibilités d'insertion à chaud, un support natif au sein des systèmes d'exploitation, le support de plusieurs périphériques sur un même port et l'usage d'un câble fin et souple.

Même si l'USB possède de nombreux avantages, il présente aussi quelques inconvénients lorsqu'il s'agit de l'utiliser pour connecter des instruments de mesure. Premièrement, le câble qui n'est pas conçu pour l'industrie, peut donc amener des pertes d'informations lorsque l'on travaille dans des environnements bruités. De plus, il n'existe pas de sécurité au niveau des connecteurs : les câbles peuvent être trop facilement déconnectés du PC ou des instruments. La longueur maximale des câbles est de 30 m, et ce, même si des répéteurs sont utilisés. Finalement, il n'existe pas de protocole standard industriel pour le contrôle d'instruments à travers USB : contrôler des instruments requiert des implémentations particulières et propriétaires de protocoles de la part de chaque fournisseur. C'est en particulier pour cette raison qu'il n'existe pas de bibliothèque générique permettant de faire des écritures ou des lectures sur un port USB afin de contrôler tel ou tel instrument. Encore une fois, chaque instrument USB doit être accompagné de modules logiciels spécifiques (DLL ou objet COM) permettant son utilisation via n'importe quel langage de programmation.

Malgré sa relative jeunesse, le nombre impressionnant de ports USB disponibles sur les PC actuels ainsi que la vitesse promise par USB 2.0 font de l'USB un sérieux candidat pour le contrôle d'instruments. Actuellement, il y a encore peu d'instruments qui disposent d'une interface USB pour le contrôle. Ceci dit, dès aujourd'hui, les utilisateurs peuvent tirer avantage de la connectivité USB de leurs PC dans leurs applications grâce notamment à des ponts : ces produits sont en fait des convertisseurs de bus qui permettent, par exemple, d'établir une liaison entre les bus GPIB et USB. Nous reparlerons de ces convertisseurs ultérieurement dans cet article.

Ethernet

Tout récemment, les constructeurs d'instruments de mesure ont commencé à inclure une interface Ethernet comme une alternative pour la communication avec leurs instruments de table. Bien qu'Ethernet soit récent dans son application au contrôle d'instruments, c'est une technologie mature qui est déjà très largement utilisée dans les systèmes de mesure pour ses autres possibilités. Avec plus de 100 millions de PC connectés à Ethernet, les arguments pour l'utilisation d'Ethernet comme solution pour le contrôle ne manquent pas.

Les applications de contrôle au travers d'Ethernet peuvent tirer avantage des caractéristiques uniques de ce bus parmi lesquelles on compte : le contrôle à distance, le partage d'instruments et la publication aisée des résultats de mesure. De plus, les utilisateurs peuvent tirer parti des réseaux Ethernet existants dans leur société. Cependant, tous ces avantages peuvent poser quelques problèmes puisqu'ils supposent l'implication des administrateurs réseaux dans les applications d'ingénierie traditionnelles.

D'autres facteurs sont à prendre en compte lorsque l'on évalue une solution de contrôle sur Ethernet : taux de transfert, déterminisme et sécurité par exemple. La majorité des réseaux Ethernet actuels sont de type 10BaseT ou 100BaseTX et font circuler respectivement les informations au rythme de 10 Mo/s ou 100 Mo/s. Cependant, ces vitesses de transfert sont rarement atteintes à cause des autres types de trafics qui circulent sur le réseau. De plus, puisqu'il ne peut y avoir de garantie vis-à-vis des taux de transfert, le déterminisme ne peut être assuré lui non plus. Finalement, quand il s'agit de faire circuler des données critiques, les utilisateurs doivent mettre en place des mesures supplémentaires afin de garantir l'intégrité et la confidentialité des informations.

IEEE 1394 (FireWire)

Le standard IEEE 1394-1995, connu aussi sous le nom de FireWire (marque déposée par Apple), est un bus série haute performance initialement développé par Apple dans les années 80. Actuellement, le 1394 supporte des taux de transfert de l'ordre de 50 Mo/s. Cependant,le comité qui gère FireWire revoit actuellement les spécifications afin de porter le taux de transfert à 400 Mo/s. Les périphériques doivent rester à moins de 4,5 m de leur connecteur afin de se conformer aux spécifications et 16 périphériques peuvent être ainsi enchaînés sur une longueur maximale de 72 m. En ce qui concerne Windows, seules les versions 2000/XP/98 supportent l'IEEE 1394.

Le 1394 offre donc un très grand potentiel pour les applications rapides. De nombreuses caméras numériques et autres produits électroniques disposent déjà de ports 1394 pour le transfert des données. La large bande passante nécessaire aux applications multimédia fait du 1394 une solution viable. L'IEEE 1394 bénéficie de plus, vis-à-vis de l'USB, de l'existence de protocoles définis pour le contrôle d'instruments. Cependant, il y a, à l'heure actuelle, encore très peu d'instruments de mesure disposant d'un port 1394.

Bien que l'IEEE 1394 présente de nombreux avantages (bande passante par exemple) pour le contrôle d'instrumentation, d'autres facteurs ralentissent son adoption immédiate. Au premier rang d'entre eux, on compte le fait qu'il n'existe pas de support pour le 1394 dans les jeux de composants d'Intel (par contre, tous les ordinateurs Apple disposent en standard de ports FireWire). Cela signifie donc que les utilisateurs de PC à base Intel doivent faire l'acquisition de contrôleurs 1394 (typiquement des cartes PCI additionnelles) afin de pouvoir communiquer sur le bus avec des périphériques 1394. Bien que les câbles FireWire offrent l'avantage d'être fins et souples, ils ne sont pas de types industriels ce qui peut conduire à la perte de données dans certaines applications de test et mesure. Notons enfin que les connecteurs FireWire existent sous deux formats (6 et 4 broches selon que des lignes d'alimentation sont disponibles ou non) et qu'à l'instar de l'USB, il n'existe pas de sécurité sur les connecteurs. Ici aussi, ces derniers peuvent être trop facilement débranchés pour être utilisés dans certaines applications de test et mesure.

 

Niveau d'adoption des nouveaux bus

Aujourd'hui, seule une poignée de constructeurs d'instruments propose des options de contrôle à travers l'USB, l'Ethernet ou l'IEEE 1394. La lente intégration de ces bus par les constructeurs peut être attribuée au manque de dominance, dans l'industrie du contrôle d'instruments, de l'un des bus en particulier. La très grande disponibilité de l'USB ou l'existence de très grands réseaux Ethernet pourrait inciter les concepteurs à commencer à inclure un bus de communication séparé pour le contrôle de leurs instruments. Alors que les constructeurs discutent encore de la viabilité de telle ou telle option, les utilisateurs qui veulent utiliser les dernières technologies en matière de bus avec leurs systèmes de test existants, disposent toutefois d'une solution avec les convertisseurs de bus.

Préservation des investissements avec les convertisseurs de bus

Compte tenu de la lente adoption des nouvelles technologies en termes de bus et des incertitudes de l'industrie vis-à-vis de la prédominance d'un bus en particulier, les ponts s'imposent finalement comme une solution viable en termes de contrôle d'instrumentation et de connectivité. En utilisant des convertisseurs de bus, les utilisateurs passent de manière transparente leurs données d'un type de bus à un autre et se faisant, tirent avantage des dernières technologies tout en préservant une compatibilité avec l'existant. Par exemple, d'un côté, le convertisseur de bus peut être connecté à un port Ethernet, USB ou 1394 de l'ordinateur alors qu'à l'autre extrémité, le pont se connecte à un bus traditionnel de type GPIB ou RS-232. Dès lors, les utilisateurs bénéficient du support du Plug & Play, de la facilité d'utilisation et de la très grande disponibilité de ces nouveaux bus sur la plupart des PC de dernière génération. De plus, en maintenant la compatibilité de leur logiciel de contrôle d'instrumentation, les utilisateurs minimisent les investissements en temps de développement logiciel. Notons pour finir que les convertisseurs, sous réserve bien sûr qu'ils ne remettent pas en cause les développements réalisés, représentent un choix à faible risque. En effet, si ayant fait le choix d'un convertisseur GPIB-USB, l'utilisateur réalise pour finir qu'il serait plus judicieux de travailler avec un convertisseur Ethernet-GPIB, l'utilisateur a encore le choix.

Les convertisseurs de bus de NI sont conçus comme des solutions transparentes pour les applications des utilisateurs. Par exemple, un utilisateur réutilise le code écrit pour un contrôleur GPIB sans aucune modification lorsqu'il remplace ce contrôleur par un convertisseur Ethernet/GPIB. L'importance du logiciel dans les systèmes de contrôle d'instruments est abordée ultérieurement dans l'article.

NI dispose d'une large gamme de contrôleurs GPIB externes qui permettent à l'utilisateur d'être opérationnel rapidement tout en bénéficiant d'une solution économique et performante. Par exemple, avec le convertisseur NI GPIB-ENET/100, les utilisateurs peuvent contrôler et partager des instruments situés n'importe où sur la planète via un simple réseau TCP/IP. De plus, les utilisateurs de GPIB-ENET, réutilisent, sans aucune modification, le code qu'ils avaient écrit pour n'importe quelle autre interface NI GPIB.

De son côté, le boîtier compact NI GPIB-USB-B transforme n'importe quel ordinateur disposant d'un port USB en un contrôleur IEEE-488.2 plug & play qui peut contrôler jusqu'à 14 instruments. La petite taille du GPIB-USB-B en fait un candidat idéal pour les applications qui mettent en oeuvre des PC portables ou des PC qui ne disposent pas d'emplacements internes pour carte d'E/S.

De son côté, le GPIB-1394 transforme tout ordinateur disposant d'un port IEEE 1394 en un contrôleur IEEE 488.2 qui peut, là aussi, contrôler jusqu'à 14 instruments.

Ethernet, USB et 1394 possèdent des potentiels formidables en tant que bus d'interface pour les applications de test et mesure. Alors que le PC évolue sans cesse, ces bus ainsi que les autres bus à venir pourront, grâce aux convertisseurs, être pris en compte dans les applications de contrôle d'instruments. Ceci dit, il est important de noter que si la technologie du PC évolue rapidement, l'industrie du test et de la mesure possède une constante de temps beaucoup plus grande. Par conséquent, il est pertinent de faire en sorte que le bus utilisé pour les applications de contrôle soit disponible sur une période de temps relativement longue. Les succès remportés par le GPIB à travers le passé font de ce dernier l'un des bus le plus utilisé aujourd'hui pour le contrôle d'instruments. A contrario des bus émergents, le GPIB a été, dès le départ, conçu pour le contrôle et il sera donc encore présent dans les applications de test et mesure pendant de nombreuses années encore.

Créer une architecture logicielle évolutive

Quel que soit le bus qui sera, dans le futur, utilisé en conjonction avec le GPIB, la compatibilité logicielle et les facilités d'intégration seront la clé du succès des utilisateurs dans un monde d'E/S hétérogènes. Le logiciel qui maintient la compatibilité ascendante et permet une intégration en douceur des nouveaux bus fera la différence entre passer trois heures pour connecter un nouvel instrument en ligne et passer trois mois à ré-écrire l'ensemble de l'application.

Étant donné que les systèmes multi-fournisseurs et/ou à interfaces multiples sont en train de devenir la règle, vous devez mettre en place une architecture logicielle capable de supporter ces systèmes avec un minimum d'efforts et un maximum de garanties quant à la réutilisation du logiciel. L'utilisation de standards industriels tels que les drivers d'instruments interchangeables (IVI) ou VISA (Virtual Instrument Software Architecture) permet aux utilisateurs de préserver leurs investissements logiciels lorsqu'il s'agit de migrer vers de nouveaux bus. Bien sûr, VISA et IVI garantissent lors de cette migration la ré-utilisation des codes précédemment écrits et l'adhésion aux standards industriels des protocoles de communication.

Conserver les investissements logiciels avec VISA

En tant qu'étape vers une compatibilité logicielle pour toute l'industrie du test et de la mesure, l'Alliance des Systèmes VXI plug & play développa une spécification pour les logiciels d'E/S : VISA. À la date de la création de l'Alliance en 93, il existait alors pléthore d'implémentations non standards et commerciales des logiciels d'E/S pour le VXI, GPIB et le RS-232. Pour tous ces bus, VISA fournit alors une architecture pour le développement et l'interopérabilité de composants logiciels de haut niveau, multi-fournisseurs tels que les drivers d'instruments, les faces-avant logicielles et les applications logicielles. Bien que l'Alliance ait défini VISA, différents fournisseurs publièrent différentes implémentations de VISA ce qui n'alla pas sans poser quelques problèmes.

Ceci dit, puisque VISA définit une interface de programmation des applications (API) pour la communication avec les instruments, vous disposez donc d'un moyen pour préserver vos investissements logiciels lorsque vous intégrerez de nouveaux bus d'interface ou concevrez des systèmes d'E/S hétérogènes. Par exemple, un système de test programmé avec l'API VISA et mettant en oeuvre uniquement des instruments RS-232 peut très facilement continuer à être utilisé tel quel lorsqu'un ou plusieurs instruments utilisent une interface de communication GPIB. On le voit, dans cet exemple simple, le système est passé du tout RS-232 à une architecture mixte RS-232/GPIB sans que le code de départ ne soit fondamentalement remis en compte.

Ceci dit, un problème du précédent modèle était dû au fait que chaque fournisseur concevait sa propre implémentation de VISA qui ne fonctionnait généralement qu'avec ses propres contrôleurs. Dès lors, vous ne pouviez pas utiliser la bibliothèque VISA en question avec les contrôleurs d'autres fournisseurs. De plus, afin de fonctionner avec de nouvelles interfaces de communication, vous deviez procéder à la ré-installation d'une nouvelle version de la bibliothèque VISA. Parfois, celle-ci provenait d'un autre fournisseur ce qui ne garantissait pas la préservation des interfaces existantes.

Pour résoudre de manière définitive ce type de problème, National Instruments décida de revoir complètement son implémentation de la bibliothèque VISA en utilisant le modèle de plug-in "Passport". Chaque Passport est en fait un composant logiciel dédié à la gestion d'un bus spécifique. Le modèle Passport de NI sépare donc les mécanismes de communication propres à chaque type de bus du reste de la bibliothèque VISA. C'est ce dernier qui contient, entre autres, la populaire API de haut niveau VISA. Avec ce nouveau modèle, chaque bus (GPIB, VXI, USB, etc.) nécessite un Passport spécifique afin d'établir une connexion avec le cœur de la bibliothèque VISA. Se faisant, la compatibilité avec les nouveaux bus est facilement assurée sans pour autant remettre en cause le bon fonctionnement des Passports et des interfaces précédemment installées.

Avec cette nouvelle architecture de la bibliothèque VISA, vous pouvez véritablement construire des systèmes multi-fournisseurs et multi-interfaces. A contrario d'autres solutions qui s'appuient sur COM (component object model), l'ANSI C multiplates-formes qui est à la base du modèle Passport assure une totale indépendance vis-à-vis de telle ou telle technologie particulière ou de tel ou tel système d'exploitation. En complément des interfaces avec lesquelles VISA fonctionne déjà, NI créera les Passports nécessaires pour rendre VISA compatible avec tous les nouveaux bus d'interface qui deviendront suffisamment populaires dans les applications de test et mesure.

Cliquez ici pour avoir un exemple de mise en oeuvre de VISA dans LabVIEW

Garantir l'interchangeabilité avec IVI

La Fondation IVI définit un standard pour les drivers d'instruments (des modules logiciels qui évitent la programmation bas niveau des instruments de mesure). Les drivers IVI bénéficient de tout un ensemble d'avantages parmi lesquels on compte entre autres :

La possibilité de changer un instrument venant d'un fournisseur par un autre venant d'un autre fournisseur sans avoir à changer une ligne de code. Ce changement d'instrument peut même s'opérer alors que l'application (l'exécutable) est en cours de fonctionnement.

Un mode de simulation qui permet de tester l'application sans que les instruments soient physiquement connectés

Un moteur d'analyse des trames qui circulent sur les bus de communication afin de limiter au strict minimum les informations échangées et donc augmenter notablement les vitesses d'exécution.

Différents modes de débogage qui permettent, avant de placer le banc de test en ligne de production, d'avoir un contrôle total sur ce qui se passe lors des échanges avec les instruments.

Le standard IVI s'appuie complètement sur VISA afin de fournir une interface de communication avec les instruments qui soit de haut niveau, robuste et haute performance. Ces drivers d'instruments, créés selon les règles édictées par les standards de la Fondation IVI contiennent des fonctions de haut niveau telles que "Configure Measurement" ou "Read WaveForm" qui utilisent en interne des appels aux fonctions bas niveau de la bibliothèque VISA. Travaillant avec VISA, IVI fournit donc un formidable outil qui permet la création de systèmes de test multi-fournisseurs, multiplates-formes et aux E/S hétérogènes.

Cliquez ici pour voir un exemple de mise en oeuvre de IVI avec LabWindows/CVI

Conclusion

 

Alors que l'avenir des technologies Ethernet, 1394 et USB dans les systèmes de contrôle d'instrumentation n'est toujours pas clairement défini, les convertisseurs de bus permettent à l'utilisateur de bénéficier, aujourd'hui, des toutes dernières technologies disponibles sur leurs PC. Quel que soit le bus de contrôle du futur, les utilisateurs demanderont une compatibilité avec les modules logiciels existants et les applications développées avant qu'une quelconque nouvelle technologie ne soit largement adoptée. Dans ce cadre, les convertisseurs de bus offrent une alternative faible risque à l'utilisateur.

L'avenir des systèmes de test sera très vraisemblablement fait de matériel d'instrumentation connecté à des systèmes d'E/S hétérogènes. Dans un tel contexte, le meilleur moyen qu'ont les utilisateurs de garantir leurs investissements dans le matériel et le logiciel tout au long de la vie de leurs systèmes de test, est d'utiliser une architecture stable, capable de travailler dans des systèmes multi-fournisseurs, multi-interfaces et multiplates-formes. Nous l'avons montré, VISA et IVI qui existent depuis de nombreuses années maintenant, disposent d'une telle architecture.

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