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1 Mise en œuvre de TP avec la plate-forme d enseignement NI ELVIS) Frédéric BOULLOT Ingénieur Commercial pour l Enseignement et la Recherche

2 Sommaire Tendances dans l enseignement scientifique Défis pour les enseignants et étudiants Plate-forme EEP NI Multisim NI ELVIS Questions 2

3 1. Tendances actuelles dans l enseignement scientifique Renforcement des travaux pratiques vis-à-vis de l enseignement théorique Apprentissage orienté projet, démarche collaborative Conception, conception, conception Créativité et innovation 3

4 2. Défis majeurs pour les enseignants en électronique Rendre les concepts d ingénierie intéressants Effectuer la transition de la théorie à l environnement réel Se tenir à jour avec des outils industriels Rénover le contenu pédagogique avec un temps et des budgets limités 4

5 3. Défis pour les étudiants Anticiper le comportement d un circuit Comprendre les effets des composants sur le circuit Éviter les erreurs de câblage Effectuer facilement des mesures Comparer les résultats simulés aux mesures réelles Comprendre 5

6 Traditionnellement Manuels Simulation Matériel Salle de classe Salle de TP, laboratoire Comparaison des données simulées avec les résultats mesurés 6

7 Plate-forme d enseignement de l électronique (EEP) CONCEPTS THÉORIQUES SAISIE DE SCHÉMA ET SIMULATION PROTOTYPAGE ET VALIDATION DÉPLOIEMENT (PCB) 7

8 NI Multisim NI Multisim Environnement unifié pour l enseignement de la théorie des circuits via la saisie de schéma et la simulation Simulation SPICE Mode interactif de co-simulation Instruments NI ELVIS intégrés Intégration avec NI LabVIEW Plus de 20 analyses SPICE 22 instruments de mesure Simulation de microcontrôleurs (MCU) 8

9 NI ELVIS II/II+ National Instruments Educational Laboratory Virtual Instrumentation Suite NI ELVIS II/II+ Plate-forme multi-instruments de conception et de prototypage pour l enseignement des circuits, systèmes embarqués, systèmes de contrôle/commande, télécommunications Interface USB 2.0 Plug-and-Play 12 instruments intégrés avec NI LabVIEW Personnalisable avec NI LabVIEW Intégration complète avec NI Multisim Cartes enfichables de partenaires 9

10 NI LabVIEW NI LabVIEW Logiciel de programmation graphique pour le test et la mesure, le contrôle d instruments, l analyse des données, l affichage des résultats et la distribution d application sur des cibles ou systèmes déportés Mesurer : Acquérir Analyser Afficher Optimiser : Concevoir Prototyper Déployer 10

11 NI Ultiboard Ultiboard Environnement unifié pour l enseignement de la théorie des circuits et de leur conception via la saisie de schéma et la simulation Implantation de circuits imprimés de niveau professionnel Logiciel complet pour enseigner l ensemble du processus d implantation Exportation des schémas Multisim jusqu à l implantation Création de fichiers prêts à la production et visualisation de circuits imprimés achevés en 3D Idéal pour la conception avancée et les TP 11

12 NI Multisim : comment ça marche? Saisir un schéma Simuler Analyser 12

13 NI Multisim Saisie de schémas et simulation Simple Saisie de schéma rapide et simple Simulation interactive Gamme complète d analyses Conçu [initialement] pour l Enseignement Visualisation de la plaque de prototypage NI ELVIS en 3D Fonctionnalités de test intégrées Restrictions des circuits Apprentissage interactif Simulation interactive change-on-the-fly Composants interactifs, animés, 3D, virtuels Annotation dynamique des valeurs sur le schéma 13

14 NI ELVIS Plate-forme multidisciplinaire d enseignement et d ingénierie 14

15 NI ELVIS : du concept à la réalité Système basé LabVIEW/DAQ Carte de prototypage amovible Fonctionnalités d un instrument de mesure intégrées Avant Système PC Logiciel Câble Matériel DAQ externe Station de travail NI ELVIS 15

16 Famille NI ELVIS 12 instruments intégrés PCI/PCMCIA Intégration avec Multisim USB Plug-and-Play API DAQmx/Support de MAX DMM 5 chiffres ½ (flottant) GBF 5 MHz (Sinus) Oscilloscope 100 Méch./s NI ELVIS NI ELVIS II NI ELVIS II+ 1,25 Méch./s 16

17 NI ELVIS II+ Spécifications matérielles NOUVEAU Oscilloscope Oscilloscope Fréquence Résolution d échantillonnage 16-bits Méch./s Méch/s sur une voie, Bande 500kéch/s passante sur deux 50 MHz voies (-3dB) Résolution multiplexées 8 bits Gamme Bande passante d entrée 1 ±20 à 1.5 V MHz max. Couplage Sonde 1x AC/DC/GND et 10x Filtre Gamme antibruit d entrée 20 ±10 MHz V AC/DC Sonde 1x et 10x Connexion BNC Multimètre numérique Mesures isolées Résolutions 5 chiffres ½ 60 VDC, 20 V eff, 2 C A/N, 2 Arms, 100 MΩ Protection interne du circuit Fusibles échangeables Connectivité USB Plug-and-Play USB 2.0 Générateur de fonction 10 bits, ±5 V Sinus 0,2 Hz à 5 MHz Triangle/carré 0,2 Hz à 1 MHz Contrôle logiciel ou manuel Connexion BNC ou via la carte de prototypage 17

18 NI ELVIS II Spécifications matérielles Analyseur d impédance Gamme 0,2 Hz à 35 khz NPN, PNP, diode Autres analyseurs Analyseur (traceur) de Bode Analyseur courant-tension 2 fils Analyseur courant-tension 3 fils DAQ intégré AI : fréquence d échantillonnage en entrée à 1,25 Méch./s par voie, 500 kéch./s pour deux voies Résolution 16 bits AO : taux de rafraîchissement 2,8 Méch./s 24 DIO,15 PFI, 2 CTR Carte de prototypage Connexions optimisées Détachable Connecteurs fiches bananes, BNC, Sub-D personnalisables Alimentation variable Résolution 10 bits 0 à +12 V, 0 à -12 V Gamme de courant 500 ma 18

19 NI ELVISmx Driver Spécifications logicielles Instruments NI ELVISmx VIs Express NI LabVIEW API NI-DAQmx NI LabVIEW SignalExpress 19

20 LabVIEW SignalExpress et LabVIEW Comparaison des résultats 20

21 Comparaison Théorie (simulation) et mesures Les étudiants peuvent comparer les données simulées et les signaux mesurés avec le même instrument Les faces-avant NI ELVIS de Multisim comparent les données simulées sous Multisim avec les signaux mesurés avec NI ELVIS Accédez à NI ELVIS en un clic et commutez de la simulation à la mesure avec NI ELVIS II 21

22 Comparaison et analyse LabVIEW SignalExpress et LabVIEW Flexibilité et personnalisation avec la conception graphique sous NI LabVIEW Simulated Data IN Simulated Data OUT LabVIEW SignalExpress Mesure et compare Instruments virtuels LabVIEW 22

23 Bilan du cycle de conception Étape 1 : Saisie de schéma, simulation et validation d un circuit simulé avec NI Multisim et les instruments NI ELVIS Étape 2 : Pré-câblage en 3D sur la plaquette de laboratoire virtuelle NI Multisim (incluse dans la version étudiant) Étape 3 : Prototypage réel avec NI ELVIS Étape 5 : Personnalisation et analyse complexe Étape 4 : Effectuer des mesures réelles avec NI ELVIS et les comparer avec les résultats simulés sous Multisim 23

24 NI ELVIS II : une plate-forme flexible Des applications pour chaque domaine CIRCUITS Électronique CONTRÔLE/ COMMANDE Systèmes linéaires, non linéaires, asservissements TÉLÉCOMS Transmissions, fibre optique SYSTÈMES EMBARQUÉS Microcontrôleur, FPGA SCIENCES APPLIQUÉES Physique, chimie, biomédical 24

25 Nouveau : Carte ELVIS - FPGA Plate-forme de développement de circuits numériques basée sur le FPGA Spartan 3E de Xilinx Possibilités de mesures et programmation FPGA E/S analogiques/numériques Connectivité JTAG-USB Programmable avec LabVIEW FPGA et les outils Xilinx 25

26 Carte ELVIS - FPGA Programmation VHDL/Verilog NI LabVIEW 26

27 Nouveautés en contrôle/commande Actionneur QNET-013 VTOL Contrôle de vol : décollage et atterrissage vertical Modèle dynamique aérospatial, contrôle/commande cinématique Capteur mécatronique QNET-014 Comment et quand utiliser des capteurs Caractéristiques de chaque capteur Les capteurs de la carte intègrent : Encodeur Potentiomètre Jauge Sonar Piézo Inclus: VIs spécifiques Contenu de TP 27

28 Module LabVIEW Control Design and Simulation Conception graphique de systèmes Concevoir et optimiser des modèles de systèmes complexes et dynamiques Enseignement de l Algorithm engineering Ajustement rapide des algorithmes et changement interactif des paramètres de simulation Plate-forme de conception ouverte Permet d intégrer des modèles créés avec des logiciels tiers comme le logiciel Simulink de The MathWorks, Inc. Interfaces utilisateurs intuitives Utilisation interactive de jauges, boîtes de dialogue, graphes et autres pour illustrer les résultats. Différentes méthodes de programmation Combiner la programmation graphique, des boîtes de calcul textuel, des diagrammes d états ou réutiliser des algorithmes existants. 28

29 Nouveau FOTEx : fibre optique Système d apprentissage de fibre optique ETT-211 (FOTEx) Blocs fonctionnels à câbler LabVIEW Soft Front Panels (faces-avant logicielles) Contenu de TP inclus Exemples de TP Transmission optique de signaux Séparation et combinaison de signaux optiques Liens bidirectionnels de fibre optique Multiplexage en longueur d onde (WDM) Pertes optiques 29

30 DATEx Télécommunication Carte d apprentissage aux Télécoms LabVIEW Soft Front Panels (faces-avant logicielles) Blocs fonctionnels à câbler Ressources pédagogiques incluses (30 expériences) Exemples de TP AM, DSB et FM BPSK, QPSK, QAM FSK, ASK, échantillonnage PCM et encodage Introduction à la transmission radio par logiciel 30

31 Enseignement Télécommunication DATEx Amplitude Modulation Lab Scope Ch1 Scope Ch0 31

32 NEW EMONA Éco-conception Enseignement des principes fondamentaux des cellules solaires, de l'électrolyse et des piles à combustible hydrogène 15 expériences préconçues 2 cellules solaires, une pile à combustible fixe et une ajustable, un électrolyseur et un luxmètre Charges entièrement programmables (256 étapes) et 4 appareils de mesure V/I 32

33 NI ELVIS Embarqué Pod USB HCS12(x)/HCS08 intégré Modules enfichables HCS08 (1) HCS12/HCS12x/DSP (4) Processeurs Coldfire (2) Émetteur/récepteur RF (1) 33

34 Enseignement Embarqué 34

35 Exemples d utilisateurs Lycées Pré-bac Exemples : Physique appliquée Lycée Colbert à Lorient Sciences de l ingénieur Lycée Viette à Besançon Post-Bac : BTS SE, CIRA, TPIL Instrumentation Électronique Mécanique Automatismes Écoles d ingénieurs/universités 35

36 En mars et en avril TP itinérant Multisim/ELVIS 9 villes visitées : Lille (07 mars) Belfort (09 mars) Orsay (16 mars) Grenoble (22 mars) Montpellier (24 mars) Toulouse (29 mars) Bordeaux (31 mars) Rouen (05 avril) Angers (07 avril) 36

37 Résumé Plate-forme d enseignement de l électronique Plate-forme d enseignement NI ELVIS 37

38 38 Enseignements EEA du département de Mesures Physiques de l IUT d Orsay : une première pratique pédagogique de NI ELVIS Première expérience en

39 Département de Mesures Physiques de l IUT d Orsay étudiants IUT d'orsay plateau de Moulon ORSAY 39

40 Nos motivations 40 Suivre l évolution liée à la miniaturisation des appareils d instrumentation Bénéficier d un environnement complet, présentant sur le même support un ensemble d appareils de mesure (générateur de fonctions, oscilloscope, multimètre, analyseur d impédances ) Pouvoir développer des VIs LabVIEW en complément des fonctions déjà implémentées, pour la mise en place de nouveaux enseignements de travaux pratiques À terme, aller vers la notion de «cartable électronique». 40

41 Dans quels modules et pour quels flux? 41 Programme Pédagogique National (PPN) du DUT Mesures Physiques Introduction de NI ELVIS au sein des TP de deux modules du PPN : Électricité 1 (électrocinétique, filtrage ) Électronique (fonctions élémentaires de l électronique, amplificateurs opérationnels ) Flux d étudiants : 130 étudiants en S1 (UE Électricité 1) et en S2 (UE Électronique) 35 étudiants en 1 er et 2 ème semestres décalés (mêmes modules) 41

42 ex1 : Électricité, électrocinétique (1/3) 42 Objectifs pédagogiques : Maîtrise des appareils de mesures électriques : - fonction générateur (types de signaux, offset ) - fonction SCOPE (synchronisation des signaux, calculs valeurs moyennes ) - fonction multimètre (branchements...) Étude de quelques cas simples : - mesure de la fréquence, période, déphasages, valeur maximale, valeur moyenne,, de signaux sinus, carrés, triangulaires - charges et décharges de condensateurs (systèmes RC) => lien entre les représentations temporelles et fréquentielles des signaux Tracé des courbes : - récupération des données au format texte et tracé sous Excel - copies d écran et récupération des images 42

43 ex1 : Électricité, électrocinétique (2/3) 43 Arbitrary Waveform Generator (ARB) Bode Analyzer Digital Reader Digital Writer Digital Multimeter (DMM) Dynamic Signal Analyzer (DSA) Function Generator (FGEN) Impedance Analyzer Oscilloscope (Scope) Two-Wire and Three-Wire Current-Voltage Analyzers Variable Power Supplies Générateur de fonctions de formes arbitraires Mesureur de diagrammes de Bode (amplitude+phase) Assistant à la lecture Assistant à la rédaction Multimètre numérique Analyseur de spectre dynamique Générateur de fonctions Analyseur d impédances Oscilloscope Traceur de caractéristiques de dipôles et de tripôles Alimentations stabilisées variables 43

44 ex1 : Électricité, électrocinétique (3/3) 44 Câblages effectués par nos étudiants => conservation des réflexes propres à toute utilisation d appareils 44

45 ex2 : Électronique (1/3) 45 Étude de filtres passifs : => en plus des fonctions précédentes, utilisation de BODE ANALYSER 45

46 ex2 : Électronique (2/3) 46 AOP en régime non linéaire R 2 R 1 - v e + _ v s v e + v s 46

47 ex3 : Électronique (3/3) 47 AOP en régime linéaire C R R 1 - v e + v s 47

48 Conclusions 48 L environnement de travail, constitué d un ensemble de fonctions d appareils, répond à nos attentes. nous avons noté un certain nombre de points qui nous apparaissent comme des propositions d améliorations Nos perspectives : développer l utilisation de la carte d acquisition disponible et des entréessorties numériques vers le cartable électronique? 48

49 Ressources en ligne Visite guidée de NI ELVIS II Ressources pédagogiques Téléchargement de kits de ressources ni.com/nielvis Présentations vidéo Manuels Articles d utilisateurs et tutoriaux 49

50 Ressources de support Information sur les produits : ni.com/multisim/f ni.com/academic/eep ni.com/nielvis/f ni.com/academic/circuits Programme pédagogique : idées pratiques, enseignement de la RF dans Multisim, TP Tutoriaux et white papers : principes fondamentaux de la simulation Multimédia : présentations vidéo, visites guidées, démos interactives Coordonnées Support : ni.com/ask 50

51 Question? 51

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