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version initiale 2002
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dernière mise à jour
21 janvier 2014
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CONCEPTION D'UN SYSTEME D'ACQUISITION DE DONNEES

première partie (1/7) : cahier des charges

commanditaire la législation
destinataire/utilisateur
 n'est pas toujours le même
cahier des charges: spécifications techniques
systèmes de mesure: passifs ou actifs le choix
méthode de zéro ou de déflexion  
les signaux différents types
une collection d'icônes pour visiter tout le site
Ce chapitre est destiné à l'instrumentaliste confronté au problème de la conception d'un instrument de mesure ou d'un réseau de mesures. Quels sont les problèmes, à quoi faut-il penser, comment décider des choix de structure du matériel,... C'est à ces questions et bien d'autres que nous essayons d'apporter quelques éléments de réponse dans les pages qui suivent. En raison de sa longueur ce chapitre est coupé en 7 fichiers.

considérations commerciales et technologiques
présidant à l'élaboration du cahier des charges

commanditaire

La première question que l'on doit se poser lors de la définition du cahier des charges, préalable à toute réalisation d'un instrument, n'est pas de nature technique ou scientifique, mais plutôt d'ordre économique et juridique. C'est "qui est à l'origine du projet", et "pour qui vais-je travailler". En effet selon qu'il s'agit d'une proposition interne à votre organisation ou répondant à une demande extérieure précise, ou au contraire relativement imprécise, votre marge de manoeuvre sera sensiblement différente.
  • Ainsi si le projet est de type interne il sera traité selon une procédure habituelle dans votre organisation, si au contraire il s'agit de répondre à une sollicitation extérieure ce sont les contraintes spécifiques de l'organisme extérieur qui s'imposeront et entraineront vraisemblablement des conséquences techniques.
  • Ainsi, s'il s'agit de répondre à un appel d'offres de l'Union Européenne, il y aura à constituer un dossier totalement normalisé et vous imposant un mode de travail extrêmement précis, et peut-être déroutant et fort différent des procédures habituelles de votre organisation. En particulier vous serez invité à respecter d'emblée certaines normes réglementaires européennes. Il vous faudra obligatoirement intégrer votre projet dans un contexte européen impliquant la participation de au moins deux autres partenaires de deux pays différents.
  • Si la demande émane d'un service gouvernemental français c'est la procédure des marchés qui vous imposera un style de réponse a priori, ainsi que le respect de la législation française. Ainsi il conviendra parfois de relire les décrets d'application de l'éventuelle loi concernée avant de vous lancer dans une réalisation scientifiquement correcte (et même géniale) mais non acceptable en terme de loi. Notons qu'en plus il existe souvent une législation européenne pas forcément inspirée par l'intérèt général mais souvent fortement influencée par les lobbies industriels installés à longueur d'année à Bruxelles à proximité du bâtiment de la commission européenne, législation parfois aussi en contradiction avec la législation française. Notons enfin que ces lobbies influents émanent souvent de multinationales extra européennes ce qui ne va pas forcément dans l'intérèt des industriels locaux.
    • A titre d'exemple, la mesure de la pollution atmosphérique est régie, en France, par des décrets parus au Journal Officiel du 13 mai 1998 qui précisent, en particulier, quels sont les techniques explicitement recommandées : vouloir développer un principe différent même s'il est scientifiquement meilleur et moins cher pour répondre à l'appel d'offres d'équipement d'une station de mesures provenant d'un conseil général est donc exclus (c'est parfaitement stupide, mais c'est ainsi). Par contre ce peut-être possible dans le cadre d'un projet de recherche européen dont le résultat pourrait être validé par la commission européenne, et entrer ensuite dans le cadre d'une directive européenne qui pourrait alors imposer l'emploi d'un tel matériel (et donc la modification des décrets de mai 98 qui ne le permettent pas). Précisons en outre que la France prend en général plusieurs années pour mettre en conformité sa législation avec les directives européennes et que l'action des lobbies, souvent multinationaux, retarde très souvent ensuite l'application effective de ladite législation.

    Un second exemple : En France la qualité de l'eau des stations balnéaires est régulièrement contrôlée. Dans les années 70, une équipe niçoise s'avisa que la procédure employée, réglementaire, présentait des lacunes manifestes. En effet, les prélèvements d'eau de mer à analyser étaient transportés sans précautions particulières de plage en plage, puis en fin de journée vers le laboratoire municipal agréé (qui pouvait être lointain) pour être analysés au plus tôt le lendemain, voire le surlendemain. Entre temps les concentrations en bactéries et autres bioorganismes pouvaient avoir sensiblement évolué, dans un sens ou dans l'autre, et les résultats d'analyse en être sensiblement erronés. Ils imaginèrent donc un outil ambulatoire et microinformatisé, architecturé autour d'un des microprocesseurs du moment, pour permettre l'analyse en quasi temps réel directement sur la plage. Cet instrument très astucieux ne put être commercialisé en France car il était ... illégal au terme de la loi qui prévoyait que l'analyse ne pouvait se faire que dans un laboratoire municipal agréé. Par contre leur matériel eut un grand succès en Italie!

    S'il s'agit de répondre à la demande d'un client privé la contrainte majeure sera peut-être le respect d'un délai de fourniture et d'une complexité (ou simplicité) de mode d'emploi autant que d'un coût.

    S'il s'agit d'une demande interne visant à doter votre organisation d'un outil facilitant ou améliorant la bonne marche d'un outil de production vous aurez moins de contraintes juridico-commerciales, l'emballage du produit fini sera moins contraignant et l'aspect technique et sécurité de fonctionnement seront peut-être prépondérants. Mais attention si votre organisation est certifiée ISO 9000 (ou au delà) il faudra que ce nouveau matériel satisfasse aux exigences de cette certification et ce n'est pas l'aspect technique qui passe en priorité mais l'aspect qualité, vu du point de vue du client, et ce n'est pas tout à fait la même chose.

    N'oublions pas non plus qu'une réalisation importante implique des partenaires et pas seulement des donneurs d'ordre et des clients.

    destinataire/utilisateur

    Il ne faut pas confondre le commanditaire et l'utilisateur. Le premier vous imposera des contraintes réglementaires, c'est à dire définies par des textes écrits qui s'imposent à tous. Le second n'est pas défini par des textes a priori et il vous importera de le prendre en compte à la suite d'un examen minutieux. Ainsi, si un service hospitalier vous demande de lui fabriquer un appareil précis, tous les textes qui gèrent l'instrumentation médicale s'appliquent (normes de sécurité en particulier), mais ce n'est pas suffisant. Il faut que vous examiniez avec soin qui sera le réel servant de cet appareil, quel niveau réel de compétence il aura, dans quel contexte le matériel sera généralement utilisé.

    Pour illustrer cela nous allons prendre un exemple vécu par l'auteur:
    Au milieu des années 80, les gastroentérologues ont commencé à envisager la mesure du pH gastro-oesophagien comme examen de routine permettant le diagnostic du reflux gastro-oesophagien (phénomène ayant divers niveaux de gravité et affectant plus de 20% de la population) et le besoin de pHmètres automatiques spécifiques en a résulté. La contrainte réglementaire était essentiellement que l'instrument ne génère pas de risque électrique pour le patient (sonde de pH ingérée!). La contrainte médicale était qu'il fournisse une information fiable en terme de pH enregistré sur une durée pouvant atteindre 24h. Cela ne présente a priori aucune difficulté technologique majeure.

    Cependant une étude approfondie de la pratique hospitalière nous a convaincus qu'il fallait apporter un soin tout particulier à la conception de cet outil en automatisant sa gestion et en imposant par le biais du logiciel de gestion le respect absolu d'une procédure de mise en oeuvre très stricte à défaut de laquelle la crédibilité des mesures ne serait pas assurée. En effet l'organisation d'un séminaire de formation à la pHmétrie, à l'intention de gastroentérologues de ville rassemblant 40 personnes venant de divers horizons (sur les 3000 que comptait alors l'hexagone), nous a permis de prendre conscience que l'opérateur avait une probabilité proche de 100% d'ignorer complètement le principe de la pHmétrie, les problèmes de vieillissement et de dérives thermiques des électrodes et ne procéderait pas spontanément à la vérification systématique de l'état de vieillissement d'un couple d'électrodes combinées avant de le faire ingérer par le patient, de même qu'il ne vérifierait pas spontanément après l'enregistrement qu'au cours de celui-ci, dans l'estomac ou l'oesophage du patient (milieu particulièrement corrosif et visqueux susceptible de mettre à mal la porosité d'une électrode de verre), il n'y aurait pas eu une détérioration de cette électrode combinée, entachant la mesure d'une erreur irrémédiable.

    Il a donc fallu concevoir un logiciel de gestion intégré (et non modifiable) à l'appareil imposant le respect des diverses phases de contrôle dans un ordre strict, et interdisant absolument la mise en oeuvre d'une phase ultérieure tant que la phase précédente n'a pas été intégralement réalisée et validée. Ceci était l'aspect prise en compte de l'exploitant.

    C'était indispensable, mais encore insuffisant. En effet, il y a un troisième partenaire qui est le patient et il ne suffit pas d'éviter de l'électrocuter et d'obtenir des mesures crédibles, il faut encore tenter de prévoir ce que le patient va faire subir au matériel lors de son utilisation en mode ambulatoire, c'est à dire lors d'un enregistrement de 24 heures, ou plus, au cours duquel le patient pourra vaquer à ses occupations habituelles sans aucune surveillance particulière. Ainsi pour avoir négligé cet aspect, un constructeur italien a raté complètement son entrée sur ce marché. En effet lors de tests de validation, effectués dans un hôpital français, un prototype de pré-série de ce matériel italien (technologiquement très affiné et miniaturisé) a été confié à une patiente pour un examen de 48 h. Elle est normalement rentrée chez elle, avec l'instrument en bandoulière, et a tout aussi normalement pris une douche. Et le matériel s'est révélé non étanche et donc parfaitement inadapté à une exploitation en mode ambulatoire.
    Un autre aspect qu'il convient de prendre en compte c'est que votre client peut vous imposer une solution plutôt qu'une autre à un problème donné, solution qui n'est pas forcément celle ayant votre faveur, qui n'est pas forcément la meilleure ou la plus avancée technologiquement mais celle qui convient à votre client, compte tenu de son environnement technologique ou de sa compétence propre, voire d'accords commerciaux qu'il a signés de longue date avec divers fournisseurs et lui imposant l'emploi de tel type de composant ou lui interdisant l'emploi de ceux équivalents d'un concurrent. En outre ignorer l'aspect marketing peut aussi vous conduire à une impasse et les effets de mode ne sont pas seulement réservés aux "gigachaussures" des adolescents, dans le domaine de l'instrumentation aussi on rencontre ces phénomènes irrationnels.

    Il est indispensable d'avoir analysé l'ensemble de ces aspects avant toute autre démarche et d'en avoir fait une synthèse écrite, approuvée par l'ensemble des contractants, avant même d'établir le cahier des charges de la réalisation technique dont nous allons examiner certains aspects dans les paragraphes suivants.

    cahier des charges: spécifications techniques

    Ce n'est donc qu'après l'analyse précédente qu'on pourra préciser quantitativement et/ou qualitativement certaines choses et répondre aux questions suivantes :

    types de systèmes de mesure

    Il est intéressant de noter que, dans le monde réel, il n'est pas toujours possible d'effectuer une mesure et d'en extraire du sens.
    Par exemple les systèmes biologiques et économiques sont si complexes que les outils actuels sont incapables de fournir des prédictions satisfaisantes. Dans ces cas le facteur temps et le nombre de paramètres interagissants sont les principales causes de perturbations.
    Mais il est aussi fréquent que la mise en oeuvre d'un procédé de mesure perturbe le processus en examen. Précisons aussi, ce que beaucoup d'utilisateurs aussi bien que de concepteurs oublient souvent, qu'aucun système ne peut être meilleur que son élément le plus faible. Ce qui revient à dire, d'une part, qu'il ne faut pas se figurer qu'on compensera par des moyens de calculs puissants l'insuffisance méconnue d'éléments matériels du système (et j'insiste lourdement sur cette méconnaissance qui est bien plus fréquente que ne le pense a priori la grande majorité des utilisateurs), et d'autre part, qu'il faudra se poser l'ensemble des questions qui précèdent à propos de chaque sous-ensemble d'un système.

    Notons enfin qu'il existe divers mode de saisie et de transport de l'information (électroniques, pneumatiques, hydrauliques,...) et que nous ne nous intéresserons ici qu'à l'instrumentation électronique.

    systèmes passifs, systèmes actifs

    Les systèmes de mesure peuvent être classifiés en diverses catégories et nous distinguerons en particulier les systèmes passifs des systèmes actifs. La distinction dépend de la possibilité pour le mesurande de transporter de la puissance ou de l'énergie et cette caractéristique va déterminer la structure fonctionnelle du système. Une grandeur dite "active" ou "intensive" ce sera par exemple une pression, un champ électrique, une intensité lumineuse. A l'opposé une grandeur "passive" ou "extensive" ne sera pas en mesure de transmettre directement de l'énergie à un capteur. On citera par ex l'élasticité d'un ressort, la masse, une impédance. Lorsqu'on veut mesurer une telle quantité on doit lui associer une source d'énergie auxiliaire de telle sorte à générer une information exploitable.


    Fig a. chaîne instrumentale linéaire (capteur actif)

    Ainsi la chaîne d'instrumentation, dans le premier cas, sera simplement linéaire et représentée par la figure (a) tandis que dans le second cas, (illustré figure b), on doit disposer d'un générateur de signal (qu'il convient de mesurer via la chaîne 2) pour produire une action sur l'élément passif (process) qu'il conviendra de déterminer (à l'aide du capteur 1) et ce n'est qu'à l'aide d'un calcul ultérieur qu'on pourra obtenir l'information recherchée : ainsi dans le cas de la mesure d'une impédance, il faut un générateur de tension (mesure de V) qui va créer un courant dans l'impédance (mesure de I) et c'est le rapport V/I qui conduit au résultat, à savoir l'impédance.


    Fig b. principe général de mesure dans un process passif

    Notons que, dans ce deuxième type de cas, si le stimuli et la réponse ont la même dimension, c'est à dire si les chaînes 1 et 2 sont de même type, la procédure de division conduisant au résultat permet d'éliminer un certain nombre de facteurs d'erreur, à la différence du premier cas.

    Précisons enfin que dans un système d'acquisition il va falloir tenir compte des impédances relatives des divers éléments.


    Fig. importance de l'impédance d'entrée du système d'acquisition

    En effet généralement le capteur peut-être assimilé à son générateur de Thévenin équivalent, et le reste du système par son impédance d'entrée équivalente Z2. La mise en relation de l'un avec l'autre conduit au schéma équivalent de droite (ci-dessus). Dont on tire la relation : d'où il ressort qu'entre la tension mesurée E2 et la tension générée E1 (celle qu'il faut mesurer) il y a une incertitude fonction du rapport des impédances. On voit qu'il faut au moins Z2 > 100Z1 pour avoir une erreur inférieure à 1%. Cette erreur systématique, dont il est clair qu'elle va évoluer au cours du temps sous l'effet du vieillissement des divers composants et aussi de dérives thermiques non nécessairement identifiées, justifie parfois la mise en oeuvre d'une procédure de mesurage, dite méthode de zéro, précisée ci-après.

    méthodes de zéro ou déflexion

    Un autre aspect doit être considéré, on dispose le plus souvent d'un instrument dit à déflexion, c'est à dire que le mesurande induit dans l'instrument un signal qui lui est proportionnel, ou, si l'on préfère, que le mesurande agit directement sur un dispositif (corps d'épreuve) auquel est associé un transducteur et c'est le signal perçu aux bornes de ce transducteur qu'on va traiter directement.

    Mais il existe une autre méthode de mesure, c'est la méthode dite de zéro. Dans ce cas on dispose en plus de la chaîne de mesure précédente (en tout ou partie) d'une chaîne équivalente de référence susceptible de générer un signal qu'on va ajuster de telle sorte qu'il soit rigoureusement identique au signal à mesurer, selon le principe de la balance, et c'est ce signal artificiel (ou plus exactement une mesure d'un paramètre lié à sa génération) qui sera la mesure. L'intérêt de cette méthodologie est généralement de permettre une plus grande précision en permettant d'éliminer par soustraction certaines dérives.


    Fig. principe d'un instrument à détection de zéro

    La boucle de correction peut être manuelle ou automatique et, via un processus itératif, la correction est ajustée jusqu'à ce que l'erreur en sortie du sommateur soit nulle : alors la valeur inconnue (mesurande) est identique à la valeur connue que l'on vient d'ajuster. La plupart des mesures peuvent relever de cette technique de très grande précision, mais son prix la fait réserver aux besoins de réelle précision.

    signaux

    Un autre élément de classification concerne le type de signaux mis en jeu. On va considérer des signaux : On pourrait bien sûr trouver d'autres classifications en distinguant les signaux analogiques des signaux digitaux, continus ou discrets, stochastiques ou déterministes... Ces signaux sont caractérisés par leur unique occurence. C'est à dire que la mesure n'est significative que du point de l'espace où elle a été perpétrée. Dans ce cas la notion de finesse du capteur possède une réelle signification et un capteur insuffisamment fin va conduire à un résultat moyennant, d'une manière généralement inconnue, la grandeur à mesurer. Ainsi si l'on examine la situation climatologique chaque paramètre présente cette caractéristique d'unicité et on va les examiner en considérant leur comportement en fonction du temps et on pourra en extraire un certain nombre de caractéristiques du type valeur de pic, valeur moyenne, amplitude maxi des variations, puissance moyenne, valeur efficace...

    L'autre type d'observation de signaux uniques consiste à examiner la réponse d'un système à un stimulus : réponse impulsionnelle d'un système électronique, réponse à un échelon ou à une rampe. Ils sont très employés en électronique et relativement fréquents dans notre environnement (vibration de la corde d'une guitarre ou vibrations engendrées par le fonctionnement du moteur de votre voiture par ex.) et sont caractérisés par leur amplitude, fréquence, phase, harmoniques. Rappelons que Fourier a montré que tout signal périodique pouvait être décomposé en une somme de composantes sinusoïdales, et qu'en découpant arbitrairement un signal continu en tranches de durée T on sait obtenir pour chaque tranche le spectre représentant les amplitudes des composantes les plus importantes constituant cette tranche temporelle du signal supposée périodique ce qui conduit à une possibilité d'interprétation, c'est à dire d'extraction d'information ayant un sens, très employée.

    L'extension de cette technique en exploitant les ondelettes a ouvert des possibilités d'interprétation gigantesques. L'échantillonnage, c'est à dire la mesure de l'amplitude d'un signal à des intervales de temps équidistants, judicieusement choisis, permet, d'une part, une forme de compression de l'information et, d'autre part, la possibilité de n'utiliser qu'un seul canal de transmission pour plusieurs informations différentes. C'est ce qu'on appelle parfois le temps partagé ou le multiplexage temporel. Différentes techniques sont envisageables pour ce partage d'un même canal et seront explicitées dans un chapitre ultérieur.

    Précisons qu'un signal pourra effectivement être transmis dans son intégralité par un canal de transmission, ou échantillonné et transmis sous forme analogique via un procédé de modulation (amplitude, largeur d'impulsion, voire de position) ou converti numériquement avant transmission et transmis sous forme de code binaire. Selon le mode de transmission retenu on aura donc une électronique fort différente. En particulier la transmission numérique imposant une conversion sur place nécessitera la présence de circuit de type "sample and hold" assurant l'échantillonnage et la conservation (on parle de bloquage ou de mémorisation) de l'information analogique pendant une durée au moins égale à celle de la conversion.

    Notons enfin, ainsi que l'ont montré Shannon et Nyquist, que l'échantillonnage entraine nécessairement une perte d'information et que pour conserver une certaine pertinence on devra avoir des échantillons suffisamment rapprochés temporellement et correspondant à une fréquence d'acquisition au moins égale à deux fois la fréquence la plus élevée présente dans le spectre du signal (ou que l'on souhaite effectivement conserver). Il est généralement souhaitable d'aller très au delà de ce facteur 2 si l'on en a la possibilité technique (jusqu'à 20 parfois). Un signal aléatoire, appelé encore non déterministe, est un signal dont on ne peut prévoir l'évolution avant de l'avoir observé. En conséquence on le décrira non par une fonction mathématique mais par ses propriétés statistiques : typiquement la densité de probabilité.