Créer un système d'acquisition de données compact

L'acquisition de données (DAQ) est une fonction clé dans une variété d'activités de recherche et d'ingénierie, s'étendant de la validation et de la vérification des conceptions aux tests de production et de durée de vie accélérés, et au-delà. Si les éléments clés d'un système DAQ sont simples — capteurs, matériel de mesure et logiciels — les choses peuvent ensuite se compliquer.

Le système peut être amené à mesurer une grande variété de phénomènes physiques. Il doit donc être flexible et évolutif, tout en étant robuste et fiable, et le coût est toujours un facteur important. Par conséquent, la spécification et la construction d'un système DAQ sont complexes. Si le système est surspécifié, il sera coûteux et potentiellement difficile à utiliser. S'il n'est pas suffisamment spécifié, il sera inadapté aux tâches actuelles ou futures. Pour résoudre ce dilemme, les concepteurs peuvent adopter une approche modulaire qui commence par un châssis robuste et performant doté de plusieurs emplacements pour des performances de traitement, des fonctionnalités et des options de connectivité supplémentaires pouvant être requises au fil du temps.

Cet article passe en revue les mesures de performances des systèmes d'acquisition de données à prendre en compte lors de la spécification, notamment la numérisation des signaux analogiques, le théorème de Nyquist et le repliement, les plages d'entrée, les fréquences d'échantillonnage et l'échantillonnage multiplexé par rapport à l'échantillonnage simultané. Il présente ensuite une approche modulaire basée sur un châssis CompactDAQ de National Instruments, des modules E/S analogiques et numériques, et des composants logiciels comprenant des choix d'environnement de développement, des pilotes et des outils d'analyse/de rapport.

Mesures de performances et exigences DAQ

Comme mentionné, un système d'acquisition de données basique comprend des capteurs, une mise en forme des signaux, des convertisseurs analogique-numérique (CAN), des processeurs et des logiciels associés (Figure 1). La tâche des concepteurs consiste à faire correspondre les éléments du système à ce qui est mesuré et analysé, tout en maîtrisant les coûts et le temps de configuration.

Figure 1 : Les systèmes DAQ se composent de capteurs, de dispositifs de mesure DAQ fournissant la mise en forme des signaux et la conversion des données, et de ressources informatiques comprenant des pilotes et des logiciels d'application. (Source de l'image : NI)

Pour faire correspondre les éléments, il est important de comprendre que la précision, l'amplitude du signal et la fréquence du signal sont les paramètres fondamentaux d'un système DAQ. Ces paramètres se traduisent respectivement par la résolution, la plage et la vitesse de mesure. Dans de nombreuses applications, la résolution est le critère le plus important. La résolution définit le nombre de valeurs de mesure disponibles. Par exemple, un dispositif avec une résolution de 3 bits peut mesurer 8 valeurs (2³) possibles, tandis qu'un dispositif avec une résolution de 6 bits peut mesurer 64 valeurs (2⁶) possibles (Figure 2). Une résolution plus élevée se traduit par des mesures qui reflètent plus fidèlement le signal.

Figure 2 : La précision d'un dispositif DAQ se traduit par la résolution ; un dispositif DAQ avec une résolution de 6 bits fournit 8 fois plus d'informations (8 fois plus précises) qu'un dispositif avec une résolution de 3 bits. (Source de l'image : NI)

Un CAN donné sera défini pour mesurer une plage d'entrée définie, telle que ±10 volts (V), et la résolution du dispositif DAQ s'applique à la plage totale. Si une mesure est effectuée sur une plage plus petite, par exemple ±2 V, le résultat est une mesure avec une fraction (dans ce cas, environ 20 %) de la résolution spécifiée du dispositif DAQ (Figure 3). L'utilisation d'un dispositif DAQ avec des plages d'entrée sélectionnables peut résoudre ce problème. Les plages d'entrée courantes incluent ±10 V, ±5 V, ±1 V et ±0,2 V. La mise à l'échelle de la plage d'entrée en fonction de la plage de signaux permet d'obtenir une mesure de meilleure qualité.

Figure 3 : L'utilisation d'un dispositif DAQ avec une résolution de 3 bits et une plage de ±10 V (lignes rouges à gauche et lignes jaunes en pointillés en haut et en bas de la plage, respectivement) pour mesurer un signal de ±2 V (onde sinusoïdale blanche) entraîne une perte de précision significative. (Source de l'image : NI)

Fréquence d'échantillonnage, Nyquist et suréchantillonnage

La fréquence d'échantillonnage est la vitesse à laquelle le CAN convertit l'entrée analogique en données numériques. La fréquence d'échantillonnage et la résolution peuvent être inversement corrélées. Des fréquences d'échantillonnage plus élevées ne sont souvent possibles qu'en réduisant les bits de résolution, car une fréquence plus élevée laisse moins de temps au CAN pour numériser le signal. Par conséquent, il est important d'optimiser la fréquence d'échantillonnage.

Le théorème de Nyquist est utile ici : Il stipule qu'une fréquence d'échantillonnage, f_s, qui dépasse la fréquence de signal maximum d'un facteur 2, résulte en une mesure précise de la fréquence du signal original. C'est ce qu'on appelle la fréquence de Nyquist, f_N. Pour mesurer avec précision la forme et la fréquence du signal original, le théorème de Nyquist exige que f_s soit 5 à 10 fois la fréquence du signal maximum. L'utilisation d'une fréquence d'échantillonnage supérieure à f_N est appelée suréchantillonnage.

Outre la compréhension de f_N, le repliement (aliasing) et le ghosting sont des problèmes qu'il faut résoudre lors de l'optimisation de f_s. Le repliement est un effet qui provoque une distorsion du spectre d'un signal échantillonné en raison d'une fréquence d'échantillonnage trop faible pour capturer avec précision le contenu haute fréquence. Le suréchantillonnage permet d'éliminer le repliement. Le suréchantillonnage est également utile pour capturer les fronts de signaux rapides, les événements uniques et les transitoires. Cependant, si f_s est trop élevé, un phénomène appelé « ghosting » peut se produire pendant l'échantillonnage multiplexé.

À des fréquences d'échantillonnage multiplexé élevées, le temps de stabilisation de chaque canal d'entrée devient un facteur. Le ghosting se produit lorsque la fréquence d'échantillonnage dépasse le temps de stabilisation du dispositif DAQ. À ce moment-là, les signaux des canaux adjacents interfèrent, ce qui entraîne un effet de ghosting et des mesures imprécises (Figure 4).

Figure 4 : À gauche, la fréquence d'échantillonnage est suffisamment basse pour permettre la stabilisation correcte entre les mesures sur les canaux 0 (rouge) et 1 (bleu). À droite, le ghosting se produit car la fréquence d'échantillonnage est trop élevée et le canal 0 a un impact sur la mesure du canal 1. (Source de l'image : NI)

La fréquence d'échantillonnage effective d'un dispositif DAQ est influencée par le choix d'une architecture simultanée ou multiplexée. L'échantillonnage simultané utilise un CAN par canal d'entrée et délivre la fréquence d'échantillonnage complète sur tous les canaux, indépendamment du nombre de canaux (Figure 5).

L'échantillonnage simultané permet d'acquérir plusieurs échantillons à la fois. Une architecture simultanée est relativement coûteuse et implique davantage de composants, ce qui peut limiter le nombre de canaux disponibles dans un seul dispositif DAQ. Dans une architecture multiplexée, un multiplexeur (mux) est utilisé pour partager un seul CAN entre tous les canaux, ce qui réduit la fréquence maximum disponible pour chaque canal. Les échantillons sont acquis en série avec des retards entre les canaux. Les architectures multiplexées sont plus économiques et peuvent résulter en un dispositif DAQ avec une plus haute densité de canaux.

Figure 5 : L'échantillonnage simultané fournit le plein débit de données sur tous les canaux, tandis que dans l'échantillonnage multiplexé, la pleine fréquence d'échantillonnage est partagée entre tous les canaux, ce qui se traduit par un débit inférieur par canal. (Source de l'image : NI)

Construction d'un système DAQ compact

La première étape dans la construction d'un système DAQ est de sélectionner le châssis CompactDAQ. Les châssis sont disponibles avec différents bus de communication, notamment PCI et PCI Express (PCIe), USB haute vitesse, PXI et PXI Express (PXIe), et Ethernet 2.0, et avec de 1 à 14 emplacements pour les modules E/S série C de NI. Par exemple, le 781156-01 est doté de huit emplacements et d'une interface USB 2.0 (Figure 6). Des canaux et des types de mesure supplémentaires peuvent être ajoutés au système par simple connexion de modules. Tous les modules sont automatiquement détectés et synchronisés sur l'horloge dans le fond de panier du châssis.

Figure 6 : Le châssis CompactDAQ 781156-01 est doté de huit emplacements et d'une interface USB 2.0 haute vitesse. (Source de l'image : NI)

Le bus de communication est un élément important de la spécification du châssis (Tableau 1). Les 60 mégabits par seconde (Mb/s) fournis par USB sont suffisants pour la majorité des applications, et l'USB présente une bonne flexibilité et une bonne portabilité. Ethernet peut supporter des distances de câble plus longues et des systèmes DAQ distribués dans des applications physiquement grandes. Les bus PCI et PCIe permettent de brancher des dispositifs sur un ordinateur de bureau pour l'enregistrement et l'analyse des données. Les bus PXI et PXIe sont similaires aux bus PCI et PCIe, mais offrent des capacités de synchronisation supérieures, permettant la consolidation et la comparaison de grandes quantités de données.

Tableau 1 : La sélection du bus de communication du système DAQ est une partie importante de la sélection du châssis. Le bus doit être adapté aux taux de transmission des données requis, aux distances et aux besoins de portabilité. (Source de l'image : NI)

Une fois le châssis sélectionné, les concepteurs peuvent choisir parmi plus de 60 modules série C pour les applications de mesure, de contrôle et de communication. Les modules de la série C peuvent être connectés à la plupart des capteurs ou bus, et permettent des mesures haute précision répondant aux exigences des applications de contrôle et d'acquisition de données (Figure 7). Ces modules remplaçables à chaud fournissent une mise en forme des signaux spécifiques à la mesure pour filtrer le bruit et isoler les données, une conversion analogique-numérique, ainsi qu'une variété de connecteurs d'entrée.

Figure 7 : Les modules série C ont un facteur de forme commun, peuvent être branchés à chaud dans n'importe quel châssis CompactDAQ, et sont disponibles avec une variété de connecteurs d'entrée pour répondre aux besoins de diverses applications. (Source de l'image : NI)

Les modules série C peuvent être utilisés pour de nombreuses fonctions de contrôle et d'acquisition de données, notamment :

• Les modules d'entrée analogiques présentent jusqu'à 16 canaux pour la connectivité avec des capteurs de tension, de courant et communs pour mesurer la température, le son, la contrainte, la pression, la charge, les vibrations, etc.
  • Le NI 9239 est un module d'entrée analogique à usage général à quatre canaux. Chaque canal fournit une plage de mesure de ±10 V avec une résolution de 24 bits et émet 50 kilo-échantillons par seconde (Kéch./s) de données à sa fréquence d'échantillonnage maximum.
• Les modules de sortie analogiques sont disponibles avec 2, 4 et 16 canaux et peuvent être utilisés pour générer des signaux de tension et contrôler des actionneurs industriels alimentés en courant.
  • Le NI 9263 est un module de sortie analogique à quatre canaux avec étalonnage traçable NIST (National Institute of Standards and Testing), et avec une protection contre les surtensions et les courts-circuits, une vitesse de balayage élevée et une haute précision.
• Les modules d'entrée et de sortie numériques peuvent être utilisés pour générer et lire des signaux numériques. Les modules d'entrée numériques sont disponibles avec 4, 6, 8, 16 et 32 canaux, et les modules de sortie et bidirectionnels sont proposés avec 8, 16 et 32 canaux.
  • Le NI 9423 est un module d'entrée numérique à huit canaux, compatible avec les signaux 24 V. Il est conçu pour fonctionner avec des signaux et des niveaux logiques industriels pour la connexion directe à un ensemble de commutateurs, transducteurs, capteurs et autres dispositifs industriels.
  • Le NI 9472 est un module de sortie numérique à huit canaux, compatible avec les signaux de 6 V à 30 V. Il peut être connecté directement à une variété de dispositifs industriels tels que des actionneurs, des relais et des moteurs.

Intégration logicielle

La dernière étape de la construction d'un système DAQ compact est le logiciel. L'interface de programmation (API) NI-DAQmx fonctionne directement avec diverses options de développement, notamment LabVIEW, C, C# et Python. L'API prend en charge le fonctionnement transparent de tous les dispositifs DAQ de NI et minimise les efforts de redéveloppement résultant des mises à niveau ou des modifications du matériel. Elle inclut l'accès à la documentation, aux fichiers d'aide et à de nombreux exemples logiciels prêts à l'emploi pour dynamiser le développement d'applications.

Les développeurs peuvent sélectionner le niveau de programmation requis pour chaque projet (Figure 8). Le logiciel d'enregistrement de données FlexLogger offre un environnement de développement intuitif à configuration orientée capteur, qui peut s'intégrer à LabVIEW de NI pour une analyse personnalisée. L'utilisation de LabVIEW permet de configurer le matériel à l'aide de panneaux d'analyse interactifs ou d'un environnement de programmation complet. Les développeurs avancés peuvent utiliser la plupart des langages de programmation pour interfacer directement avec l'API DAQmx à des fins de personnalisation et de performances.

Figure 8 : Un diagramme de sélection de logiciel DAQ montre comment les développeurs peuvent choisir le niveau de programmation souhaité pour chaque projet. (Source de l'image : NI)

Conclusion

La conception d'un système d'acquisition de données peut s'avérer complexe si l'on part de zéro. Les capteurs, la mise en forme des signaux, le traitement, les E/S et le logiciel doivent répondre aux besoins tout en permettant des modifications et des mises à niveau au fil du temps. Au lieu d'assembler les éléments, les développeurs peuvent adopter une approche modulaire pour concevoir rapidement et efficacement un système DAQ compact incluant des capteurs, du matériel et des logiciels, qui peuvent tous être remplacés au fil du temps en fonction de l'évolution des besoins de l'application.

En outre, l'approche présentée dans cet article prend en charge différents bus de communication, notamment PCI et PCIe, USB haute vitesse, PXI et PXIe, et Ethernet 2.0, afin de répondre aux exigences spécifiques des systèmes. Elle utilise des modules remplaçables à chaud pour fournir une mise en forme des signaux spécifiques à la mesure afin de filtrer le bruit et d'isoler les données, ainsi qu'une conversion analogique-numérique et une sélection de styles de connecteurs d'entrée. Elle est également flexible et peut être intégrée à divers logiciels de mesure, notamment LabVIEW, C, C# et Python.

Lecture recommandée

1. How to design general-purpose multichannel data acquisition system