interfaces pour l'instrumentation

L'instrument de mesure est dorénavant pratiquement toujours interfaçable à un système informatique ou à tout autre outil conforme à un certain type de normalisation. L'interconnexion ne se contente pas d'exploiter un même bus. L'analyse du marché montre qu'ici comme ailleurs la loi de la jungle sévit et des centaines de cartes d'interconnexion dites "propriétaires" ont vu le jour. Cependant nous ne présenterons ici que les principes réellement mondialement reconnus, à savoir dans un premier chapitre les interfaces dits "classiques" c'est-à-dire ceux ayant une certaine antériorité tels l'interface IEEE 488 (encore appellée GPIB, HP-IB ou IEC 625), la liaison série (RS232 et V24), le bus VXI/VME et le système DAQ board. Dans le chapitre suivant nous traiterons des interfaces les plus récentes tels les concepts de bus de terrain, l 'interface USB, encore peu employée en instrumentation et traitée de manière plus complète dans le module informatique, et nous porterons une grande attention aux interfaces radio Wi-Fi ainsi que Bluetooth, tout particulièrement dans un environnement TCP/ IP qui semble la référence pour les prochaines années.

IEEE 488

Initié par Hewlett-Packard en 1965 sous le nom HP-IB (pour interface bus), et normalisé par l'IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.) en 1975, puis mis à jour en 1987 et 1990, ce bus est souvent dénommé GPIB (general purpose interface bus).

Il comporte un connecteur de 24 points, avec huit lignes pour les données, autant pour la masse, trois lignes de contrôle (handshake) et cinq de gestion. Le cable souple de liaison entre instruments en série peut avoir 2m pour un total de 20m maxi et 14 instruments. L'ensemble fonctionne en mode parallèle 8 bits avec une vitesse de transfert qui peut atteindre 1Mo/s .

Précisons qu'il existe de nombreux circuits intégrés adaptateurs de bus GPIB, tel le circuit 9914A de Texas Instruments, qui facilitent grandement la réalisation d'un instrument compatible avec ce standard. A titre indicatif nous donnons ci-dessous le schéma fonctionnel d'un tel circuit dont les habitués des circuits d'interface constateront qu'il est de facture très classique.

Liaison série RS232

Cette liaison de type série permet de plus grandes distances (>1.2km), mais en revanche est sensiblement plus lente que les liaisons parallèles (1Mbit/s). Elle a été normalisée sous l'appellation RS-232C par l'Electronic Industry Association (EIA) dès 1969.

L'une des difficultés d'emploi de la liaison RS232 provient du fait que les deux instruments connectés peuvent être de type DTE (data terminal equipment) c'est à dire susceptible d'envoyer ou de recevoir des informations, ou de type DCE (data communication equipment) c'est à dire équipement de transfert de données (modem le plus souvent). Un DTE émet par son contact 2 et reçoit par son contact 3, tandis qu'un DCE émet par son contact 3 et reçoit par son contact 2. Il en résulte que selon les cas les connexions entre 2 et 3 devront être croisées ou non, et l'expérience montre que c'est la principale source de difficulté car les constructeurs de matériel ne sont souvent pas prolixes en terme d'information, voire de respect des normes. Le port série de votre microordinateur est normalement de type DTE et le modem que vous lui connectez de type DCE.

Notons que progressivement cette liaison est appelée à être remplacée par la liaison USB (universal system board) qui présente de nombreux avantages et que nous détaillons par ailleurs : USB

bus VXI/VME

VXI (virtual extension instrument) est un concept étendant le bus 32 bits standard VME (virtual machine environment) en lui intégrant les protocols IEEE 488. Notons que ce standard est en passe d'être complètement détrôné par le concept appelé PXI (PCI extensions for instrumentation) introduit récemment par National Instruments qui constatant que le bus VME est de moins en moins utilisé en milieu industriel au fur et à mesure que les microordinateurs de type PC montent en puissance, a donc étendu le concept VXI au bus PCI des PC en 1997. On dispose donc dorénavant de la facilité de connecter des dispositifs via un bus GP-IB à un PC et de concevoir un instrument virtuel tournant sous Windows et dont l'architecture a été développée avec LabView.

DAQ board

C'est un concept très répandu que celui de carte d'acquisition prête à l'emploi et insérable directement dans un slot du PC. Quelles en sont les principales caractéristiques:

transfert direct des données dans la mémoire du PC
résolution entre 8 et 32 bits (selon la carte)
échantillonnage jusqu'à 1MHz
conversion analogique-numérique et vice versa
entrées sorties numériques possibles
présence de compteurs et timers.
filtrage possible
isolation électrique
entrées différentielles (ou non)
multiplexage permettant plusieurs canaux d'acquisition (mais au détriment de la fréquence d'échantillonnage).
parfois amplification possible du signal (mais rarement possibilité d'ajuster le gain différemment pour chaque voie de mesure).

liaison 4-20 mA

Pour être relativement exhaustif, il convient de présenter ici la liaison 4-20mA, laquelle est appelée à disparaitre à moyen terme, mais possède encore de très nombreux adeptes en 2014 . Dans la première partie du siècle précédent, on a vu se développer une nouvelle technologie qu'on a ultérieurement dénommée électronique et qui à l'époque exploitait des tubes électroniques. Très vite les problèmes de transmission de données, à quelques dizaines voire centaines de mètres, sont apparus et tout particulièrement dans les domaines alors à la pointe des technologies de contrôle, à savoir les raffineries de pétrole. C'est ainsi qu'un ingénieur de la compagnie ESSO (Standard Oil of New Jersey) en vint à imaginer le concept de liaison 4-20mA.

De quoi s'agit-il ? Le problème à résoudre était que, du fait de l'effet Joule du à la résistance du conducteur, l'amplitude d'un signal décroît le long du cable et comme l'impédance du dispositif récepteur n'était à l'époque pas très élevée, l'erreur de mesure en résultant était d'autant plus importante que la distance à franchir était grande. Cet ingénieur imagina alors de remplacer la transmission du signal en tension par un signal en courant dont l'amplitude serait proportionnelle à la tension à mesurer et fournie non au niveau du capteur mais au niveau du récepteur. Ainsi le débit fourni par le circuit d'alimentation, placé au niveau du récepteur, devrait être proportionnel à la tension à mesurer et sa mesure au niveau du générateur fournirait l'information recherchée. Il restait à imaginer d'associer au capteur un dispositif consommant ce courant proportionnellement à la tension générée par le capteur. La plage de courant des tubes adaptés à ce problème était alors comprise entre 0 et 24mA et le concepteur imagina (avec raison) qu'il pourrait y avoir des dérives et conçut donc la possibilité de réglages et limita donc la plage utile à 4-20mA. Le succès fut tel que ce système se généralisa et devint le premier standard de transmission d'information métrologique en milieu industriel.

Actuellement ce principe est encore très employé, mais on utilise un dispositif à transistor style Darlington comme consommateur de courant avec un courant I_c ajustable entre 4 et 20mA et un courant de commande I_b directement lié au capteur selon divers schémas proches du principe simplifié ci-dessous. L'idée étant que le courant consommé par le capteur en raison de sa propre impédance est sensiblement plus faible que celui consommé par le transistor et peut en première approximation être : soit négligé, soit considéré comme constant (cela dépend du type de capteur)

schéma simplifié illustrant le principe d'une liaison 4-20mA

Notons que divers fabricants de composants fournissent des composants intégrés tant pour générer le courant que pour réaliser la consommation calibrée, ce qui facilite l'installation d'une ligne 4-20mA tout en améliorant la précision de l'ensemble. Notons encore que dans certaines versions "dévoyées" du principe le capteur dispose de son alimentation propre, mais alors on perd évidemment l'un des grands intérêts du concept qui est de combiner en un seul cable de deux conducteurs à la fois l'alimentation du capteur et la mesure de la grandeur captée (et aujourd'hui c'est bien l'intérêt économique de cette solution qui la justifie car le câblage coûte souvent plus cher que le capteur).

A titre d'exemple pour illustrer ce principe nous présenterons le composant XTR105 de la société Burr-Brown conçu pour résoudre à peu près tous les problèmes de liaison 4-20mA quel que soit le type de capteur. Le site web de cette compagnie fournit une documentation conséquente à ce sujet. Nous prendrons l'exemple classique du capteur de pression dont le transducteur est un pont de résistances sensiblement équilibré en l'absence de pression. Le schéma ci-dessous présente le composant XTR105.

On trouve à gauche les deux entrées du signal issu du capteur et une résistance externe Rg qu'il conviendra dajuster pour obtenir le courant souhaité selon la relation Io = 4mA + Vin*(40/Rg). Ainsi pour Vin=0 on obtient 4mA et pour Vin=max on aura 20mA de consommation pour l'ensemble du dispositif.

Le capteur peut être alimenté en courant soit sous 0.8mA soit en utilisant les deux sorties en parallèle sous 1.6mA . La sortie 6 (en bas) assure le retour du courant. On va généralement mettre en série entre le capteur et cette pin 6 une résistance de l'ordre du kO destinée à fixer le potentiel de ref des amplis internes du circuit. Ainsi pour un pont de jauge la liaison complète se présenterait ainsi

On notera qu'en parallèle avec la résistance Rcm on placera un condensateur de 0.01µF, de même en parallèle du transistor externe pour limiter le bruit. La tension de la batterie d'alimentation peut-être choisie entre 7.5 et 35V selon la longueur de la ligne et la valeur des résistances du pont (plus celles-ci sont élevées et plus la chute de tension y est élevée et impose une alimentation de tension plus élevée).

Notons enfin que l'on peut mettre un milli ampèremètre en série sur le cable de liaison mais qu'il est infiniment plus commode de mettre une résistance RL en série et de mesurer la ddp Vo à ses bornes. Cela contribue à devoir augmenter d'autant Vps mais simplifie l'électronique de conversion analogique numérique que l'on placera généralement à la suite.

On peut aussi remplacer cette résistance par un dispositif amplificateur tel celui figuré ci-contre

	Copyright © 2000-2015 LHERBAUDIERE	5 pages à l'impression			version initiale 2002
	INFORMATION				dernière mise à jour 22 janvier 2014

interfaces : IEEE488	courte distance
liaison RS232	la plus simple
bus VXI/VME	un concurrent
DAQ Board	clé en main
liaison 4-20mA	l'ancêtre
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CONCEPTION D'UN SYSTEME D'ACQUISITION DE DONNEES