Intégration de mesures sans fil à des systèmes d'acquisition de données câblés

La technologie sans fil offre des possibilités et des avantages prometteurs : réduction des coûts de câblage, possibilité de prendre des mesures dans des endroits qui étaient auparavant inaccessibles, mesures distribuées et réseaux intelligents, capables de s'auto-dépanner. La technologie sans fil est en position de jouer un rôle essentiel dans les capacités qu'auront les systèmes de mesure du futur. Mais quel rôle exactement, et de quelle manière ? Les systèmes sans fil vont-ils remplacer les systèmes câblés ? Les investissements existants auront-ils toujours leur utilité dans les systèmes futurs ? Quelles décisions importantes doivent être prises avant de choisir un matériel d'acquisition de données sans fil ? Dans quels cas les systèmes sans fil ne doivent-ils pas être considérés comme solution possible ? De nombreuses questions n'ont pas encore de réponse précise et vous avez encore le temps d'étudier les possibilités avant que vos systèmes de mesure existants ne courent le risque de devenir obsolètes. Cet article a pour objectif de tenter de répondre à certaines de ces questions en examinant plusieurs décisions de conception de haut niveau dans les systèmes de mesure sans fil, ainsi que les moyens de compléter les systèmes de mesure existants par des systèmes sans fil.

Systèmes de mesure sans fil

Alors que l'adoption des technologies sans fil dans les applications de contrôle, de mesure et de test est de loin éclipsée par celle de ces technologies dans les produits électroniques grand public, elle fait l'objet d'un intérêt tout aussi vif. Néanmoins, remplacer des systèmes câblés par des systèmes sans fil n'est pas aussi simple que de débrancher leurs câbles et de mettre un réseau sans fil à la place. Après plusieurs décennies d'utilisation, d'expérience et d'innovations technologiques avec les systèmes de mesure câblés, les ingénieurs en sont venus à exiger certaines caractéristiques des systèmes de mesure que les systèmes sans fil ne peuvent pas encore égaler. Deux préoccupations majeures sont communément citées par ceux qui envisagent l'utilisation de systèmes sans fil : sécurité et fiabilité. Pour répondre à ces préoccupations, les organismes chargés de mettre en place des normes pour le sans fil, souvent dirigés par des constructeurs d'équipement électronique, continuent d'améliorer la sécurité et la fiabilité dans chaque nouvelle version de protocoles de normalisation du sans fil ; ainsi, les fournisseurs de matériels d'acquisition de données peuvent bénéficier de ces améliorations en utilisant une radio et une architecture logicielle conformes à ces normes.

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Il existe toutefois d'autres exigences que les systèmes de mesure sans fil ont du mal à satisfaire, comparé aux systèmes câblés existants, notamment la largeur de bande passante et la latence des données, la synchronisation, la sélection des E/S et l'intégration dans un système multifournisseur.

Bande passante et latence

Les systèmes de mesure basés sur PC sont souvent limités par les contraintes imposées par les spécifications de bande passante et de latence du bus physique qu'ils utilisent pour les communications. La bande passante équivaut au volume de données qui peut être transféré par le bus en un laps de temps déterminé. La latence définit approximativement le temps que mettent les données entre leur point de départ et leur destination. Lorsque l'on compare les spécifications de bande passante et de latence du sans fil à celles d'autres bus couramment utilisés à l'heure actuelle dans des applications d'acquisition de données (PCI Express, PXI, USB 2.0), c'est un peu comme entrer dans une machine à remonter le temps et revenir 25 ans en arrière ou plus.

Les deux réseaux sans fil les plus répandus aujourd'hui dans les produits de mesure sans fil sont l'IEEE 802.11 et l'IEEE 802.15.4. Appelé aussi Wi-Fi, le protocole IEEE 802.11 est couramment utilisé pour les réseaux résidentiels et commerciaux. IEEE 802.15.4, le protocole sur lequel s'appuie ZigBee, est fréquemment utilisé pour la mise en réseau distribuée à faible consommation électrique. La bande passante théorique de ces deux bus est comparable ou inférieure à celle du bus ISA dont l'usage s'est répandu dans les années 80. Comparés à un lien PCI Express x1 (multiplié par un) de la première génération, le 802.11n (la plus récente itération de ce bus) et le 802.15.4 fournissent respectivement une bande passante 10 fois et 1000 fois inférieure.

Cette limite inhérente aux réseaux sans fil implique que les systèmes sans fil ne peuvent pas remplacer les systèmes câblés dans tous les cas d'utilisation. Les mesures dynamiques haute vitesse utilisant un grand nombre de voies ont toujours besoin de bus à large bande passante physiquement connectés à des PC. D'autres mesures, comme celles moins rapides (statiques), et les mesures dynamiques et par capteurs qui nécessitent un nombre moins élevé de voies ne dépassent pas les limites de la bande passante des bus existants, et peuvent par conséquent bénéficier des nouvelles technologies sans fil.

Synchronisation

Un critère important pour la plupart des systèmes de mesure est la mesure synchrone sur plusieurs voies ou matériels, ou même sur plusieurs systèmes. La synchronisation est obtenue de plusieurs manières, mais elle fait généralement appel au partage d'une horloge ou d'un signal de déclenchement par le biais d'un câble physique, ou à une approche basée sur le temps, dans laquelle plusieurs bases temporelles locales synchronisent leurs oscillateurs sur un point commun dans le temps et fonctionnent ensuite à la même fréquence. Ces techniques de synchronisation ont chacune leurs avantages et inconvénients. La synchronisation filaire offre une synchronisation plus étroite et plus précise entre les différentes voies, matériels et systèmes (possibilité d'obtenir une précision de quelques nanosecondes et picosecondes), mais limite la distance entre les systèmes synchronisés (maximum de 100 m ou moins). Avec une synchronisation basée sur le temps, vous pouvez synchroniser des systèmes sur de plus grandes distances (éventuellement sans limite, si vous utilisez un GPS), mais la précision sera réduite (typiquement mesurée en microsecondes).

En ce qui concerne le cadencement et le déclenchement, la plupart des systèmes de mesure sans fil actuels fonctionnent indépendamment les uns des autres et ne possèdent donc pas de moyens de partager un signal ou une information temporelle à des fins de synchronisation. Dans les mesures où plusieurs voies de données acquises et les relations de phase du signal ont un effet direct sur la précision des résultats obtenus, la synchronisation est d'une importance vitale. De nombreux systèmes de mesure câblés utilisés de nos jours pour de tels systèmes emploient des bases de temps extrêmement précises, un circuit PLL (Phased-Locked Loop, ou boucle à verrouillage de phase) et des chemins à l'impédance adaptée. Par principe du moins, des systèmes câblés sont exigés pour remplir les conditions extrêmement strictes de la synchronisation. Toutefois, les réseaux câblés et les réseaux sans fil sont sur le point de bénéficier des normes émergentes et de recherche supplémentaire, comme le montrent les technologies IEEE 1588 et GPS.

Sélection des E/S et disponibilité de puissance

Aussi prometteuse qu'elle paraisse, la technologie du sans fil en est encore à ses tout débuts en ce qui concerne le test, la mesure et le contrôle industriels. Ceci restreint le nombre et les capacités des matériels disponibles. Il existe des centaines de capteurs différents, chacun exigeant un conditionnement de signaux spécialisé pour assurer la précision des mesures. Depuis plus de 20 ans, National Instruments innove et propose des produits de mesure basés sur PC pour rendre possible des mesures sur un total de plus de 50 millions de voies de mesure dans le monde entier. Les systèmes de mesure sans fil ne sont certes pas prêts de remplacer les voies de mesure existantes, mais ils peuvent fournir certains avantages qui complètent les systèmes de mesure existants dans certaines applications.

Intégration dans un système multifournisseur

Bien que cet article ne soit pas exhaustif, la dernière limite, et la plus importante, des systèmes de mesure sans fil actuels est leur inaptitude à fonctionner effectivement dans d'autres systèmes de mesure et de contrôle, que ceux-ci soient câblés ou sans fil. Comme c'est le cas dans de nombreuses industries, lorsqu'une nouvelle technologie prometteuse émerge, le temps nécessaire pour sa disponibilité sur le marché est une considération plus importante que son aboutissement technique et son interopérabilité. Typiquement, les produits sans fil d'aujourd'hui ont comme objectif principal de prendre une mesure générale (tension ou courant), puis de transmettre ces données de manière sûre et fiable tout en consommant le moins d'énergie possible. L'attention est centrée sur le matériel et parfois sur le réseau sans fil propriétaire.

Un minimum d'attention est accordé à la partie logicielle des matériels, laquelle fournit l'interopérabilité avec l'ensemble de l'entreprise. Comme le fait remarquer l'éditeur de la section Industries des procédés de la revue Control Engineering dans son article de novembre 2007 sur les topologies de réseau sans fil, “Extraire les données du matériel et les transférer au système de contrôle nécessite en général des logiciels propriétaires qui ne sont pas interopérables entre différentes plates-formes”. On ne peut pas nier qu'ils remplissent bien leur fonction spécifique. Le problème est que les produits de mesure déployés dans une industrie doivent être capables de communiquer avec d'autres produits de mesure et de contrôle, quels que soient l'endroit et la manière dont les données ont été acquises. Pour que l'adoption du sans fil s'étende au-delà du battage initial, il est essentiel de résoudre le problème d'interopérabilité au moyen d'un environnement logiciel de haut niveau.

Systèmes de mesure hybrides et technologies sans fil

En raison des limites qui affectent les technologies et les produits sans fil actuels, il est rare que la solution sans fil puisse répondre exclusivement aux besoins d'un système de mesure. La plupart des systèmes de mesure ont certaines spécifications qui exigent l'intégration d'un système câblé, notamment des exigences en bande passante, synchronisation, disponibilité des E/S, puissance ou intégration système. Vous bénéficierez au maximum des avantages des produits sans fil si vous les utilisez dans un système hybride. Les systèmes hybrides combinent des éléments de plusieurs plates-formes de mesure et de contrôle, quels que soient leur emplacement, méthode de transfert des données, et fournisseur. Ces systèmes pivotent autour d'une architecture de PC centrale et peuvent réunir des instruments autonomes basés sur Ethernet ou GPIB, des instruments modulaires dans un matériel PXI, des systèmes de mesure portables via USB et des systèmes de mesure sans fil sur réseaux Wi-Fi ou ZigBee. Les systèmes hybrides utilisent un environnement de développement logiciel ouvert permettant de gérer et de communiquer avec l'ensemble du système de mesure et de contrôle.

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Figure 1. Les systèmes de mesure hybrides utilisent une plate-forme logicielle ouverte pour combiner plusieurs produits de mesure, quels que soient le bus de communication et le fournisseur. (image 9292_ill)

Ce qui importe le plus dans la création et la maintenance d'un système hybride est la mise en œuvre d'une architecture système capable de gérer plusieurs technologies de bus de manière transparente et qui utilise une plate-forme logicielle ouverte permettant de communiquer avec des systèmes spécifiques à différents fournisseurs. En suivant cette approche, vous gagnerez à sélectionner le meilleur matériel d'acquisition de données et de contrôle industriel pour une tâche spécifique, en fonction des spécifications de cette tâche. NI LabVIEW est capable de fournir le ciment nécessaire au bon fonctionnement du système complet. Avec LabVIEW, vous pouvez réutiliser des systèmes de mesure existants, y compris des systèmes d'acquisition de données basés PC, des instruments modulaires et des instruments autonomes, et leur intégrer de nouveaux produits sans fil. Exemples d'intégration de LabVIEW à des technologies sans fil :

• Communication via des protocoles standards à l'aide des bibliothèques intégrées de LabVIEW, notamment TCP/IP
• Déploiement de LabVIEW avec le module LabVIEW PDA sur des PDA équipés en  
  Wi-Fi et Bluetooth
• Connexion de contrôleurs existants NI PAC (Programmable Automation Controllers) basés Ethernet, notamment NI CompactRIO et Compact FieldPoint, à des points d'accès Wi-Fi industriels et des radios GPS
• Utilisation des drivers d'instruments fournis par LabVIEW pour communiquer avec un éventail de nœuds de capteurs sans fil provenant de tiers.

Pour obtenir de plus amples informations sur l'intégration de produits de mesure sans fil dans des systèmes existants, reportez-vous au white paper intitulé Développer un système de mesure sans fil.

Coexistence de systèmes câblés et de systèmes sans fil

Parmi les diverses technologies émergentes, le sans fil est l'une des plus prometteuses pour l'acquisition de données. Une période de transition est cependant inévitable, durant laquelle la nouvelle technologie ne remplace pas l'ancienne, mais doit être capable d'interopérer avec elle. Cette tendance est tout aussi vraie pour les systèmes de mesure et de test, où les nouveaux systèmes impliquent une combinaison de nouveaux matériels d'instrumentation de type modulaire, comme PXI, avec l'ancienne instrumentation autonome, ou l'instrumentation VXI. Grâce à l'utilisation d'une plate-forme logicielle ouverte, comme LabVIEW, vous pouvez dès maintenant ajouter des capacités de mesure sans fil pour profiter des avantages de cette technologie tout en continuant à utiliser les investissements en systèmes de mesure existants.

Voir la présentation multimédia Simple Remote Monitoring with NI LabVIEW (Surveillance de systèmes distants en toute simplicité avec NI LabVIEW)

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