L instrumentation virtuelle désormais largement adoptée

Transcription

1 L instrumentation virtuelle désormais largement adoptée Depuis le milieu des années 1980, l instrumentation virtuelle allie la technologie des PC, les logiciels de développement et les matériels de mesure modulaires afin de permettre aux utilisateurs de créer leurs instruments personnalisés définis par logiciel. Ces instruments offrent une plus grande souplesse que les instruments conçus par les fabricants et ont évolué plus rapidement dans la mesure où ils sont issus de la technologie informatique. L instrumentation virtuelle est désormais largement adoptée dans les applications de test. Les concepts de l instrumentation virtuelle sont soit adoptés, soit récusés par l industrie du test. L armée américaine, par exemple, qui n est généralement pas un créateur de tendance en matière de technologie, a largement adopté l instrumentation virtuelle. Le ministère de la Défense américain, qui est le plus grand consommateur d équipement de test automatisé, a adopté le concept de l instrumentation pilotée par logiciel dans son projet nommé "Synthetic Instrument" (Instrument synthétique). Dans un rapport adressé au Congrès, le ministère a déclaré : "Une récente technologie commerciale permet de développer des instruments synthétiques qui peuvent être configurés en temps réel pour effectuer plusieurs fonctions de test Un instrument "synthétique" peut remplacer plusieurs instruments monofonction, ce qui réduit l encombrement, les difficultés logistiques et résout les problèmes d obsolescence. [Rapport du Congrès sur les activités du Bureau de la transition technologique rattaché au ministère de la Défense, février 2002]. L instrumentation virtuelle et l instrumentation synthétique ont en commun l association des propriétés de traitement des logiciels et des matériels commerciaux pour créer un instrument personnalisé. D autres grandes sociétés ont adopté l instrumentation virtuelle. Dans la fabrication, des leaders de l industrie tels que Lexmark, Motorola, Delphi, ABB et Philips utilisent les logiciels et les matériels d instrumentation virtuelle pour créer des applications critiques de test en production à grande échelle. Dans le cadre des applications industrielles, l instrumentation virtuelle est utilisée pour automatiser le forage pétrolier et le raffinage, pour contrôler des machines de fabrication et même des réacteurs nucléaires. Les instruments traditionnels et le dilemme de l innovateur Alors que l instrumentation virtuelle se développait, l instrumentation traditionnelle souffrait du "dilemme des innovateurs", décrit par Clayton Christensen dans son livre intitulé "Innovators Dilemma". Christensen décrit ce dernier comme un phénomène qui se produit lorsque de nouvelles technologies viennent perturber le marché et déstabiliser ses leaders. En fait, Christensen soutient que les leaders d un marché perturbé par une nouvelle technologie restent rarement leaders après cet événement. Sur le marché du test et de la mesure, l innovation en matière d instruments traditionnels a suivi l augmentation des performances de mesure en utilisant les architectures existantes. Les sociétés leaders sur le marché de l instrumentation traditionnelle ont ignoré l instrumentation virtuelle car, à ses National Instruments France Tél. : +33 (0) Fax. : +33 (0)

2 débuts, cette dernière n offrait pas les mêmes performances de mesure et donc, comme c est le cas avec la plupart des autres technologies novatrices, ne constituait pas une menace. À la fin des années 1980 et au début des années 1990, l instrumentation virtuelle commença à être adoptée dans les applications qui nécessitaient la souplesse et la vitesse d exécution des mesures, avantages que ne pouvaient offrir les moyens traditionnels. Alors que les performances des processeurs des PC et des semi-conducteurs continuaient à augmenter, à la fin des années 1990 et au début des années 2000, les performances des mesures offertes par l instrumentation virtuelle firent une envolée spectaculaire. Aujourd hui, les performances des instruments virtuels en matière de mesure égalent, voire surpassent, celles des instruments traditionnels grâce à une vitesse d exécution, une souplesse, une évolutivité supérieures et ce, à des coûts inférieurs. Pour illustrer le principe du dilemme de l innovateur sur le marché grand public, comparons l enregistrement MP3 aux médias traditionnels comme les CD. Les fabricants d équipement audio traditionnel n ont pas, dans un premier temps, considéré les enregistrements MP3 comme une menace. Après tout, ils sacrifiaient la qualité audio et il fallait un PC et un logiciel spécifique pour les écouter. Un lecteur CD, à l inverse, était facile à utiliser et offrait une interface spécifique dédiée à cette application (touches et boutons). Les premiers utilisateurs de MP3 les utilisaient malgré ces inconvénients car ils présentaient l avantage du partage de fichier et étaient faciles à transporter. Avec le temps, la qualité des MP3 est devenue acceptable et les logiciels permettant de les lire ont été considérablement améliorés. Ils sont à présent largement acceptés et représentent une menace importante pour les fabricants de lecteurs traditionnels et pour l industrie du disque. Bien que de nombreuses sociétés spécialisées dans les lecteurs traditionnels aient finalement réagi contre cette technologie perturbatrice en mettant au point des lecteurs capables de lire le MP3 (Sony a récemment mis sur le marché un baladeur MP3), les leaders du nouveau marché seront probablement les sociétés qui ont contribué à l introduction de la technologie MP3. Par exemple, les lecteurs de musique à disque dur représentent 82% des ventes d Apple [NPD, août 2004]. De la même façon, sur le marché du test et de la mesure, des leaders comme Agilent Technologies commencent à adopter les concepts de l instrumentation virtuelle. Par exemple, les dernières annonces d Agilent comprennent un ensemble d "instruments synthétiques" Ethernet et un générateur de formes d ondes aléatoires compatible avec le PXI, plate-forme standard de l instrumentation virtuelle. John Stratton, de la société Agilent, a récemment soutenu le concept de pilotage par logiciel des instruments synthétiques : "Une solution consiste à utiliser des instruments synthétiques, par opposition aux solutions "rackables" d aujourd hui. Un instrument synthétique remplace une unité de test par des algorithmes logiciels et des modules matériels" [Military and Aerospace Electronics, juin 2004]. Lors d une récente conférence destinée aux investisseurs, Bill Sullivan, Directeur de l exploitation au sein d Agilent, a déclaré : "Le passage à l instrumentation modulaire qui offre une configuration logicielle facilement reconfigurable et réutilisable par les utilisateurs est l avenir du test et de la mesure". National Instruments France Tél. : +33 (0) Fax. : +33 (0)

3 Les clés du succès de l instrumentation virtuelle L instrumentation virtuelle a bouleversé le marché de l instrumentation traditionnelle en proposant un nouveau modèle pour concevoir des systèmes de test. L instrumentation virtuelle doit son succès à plusieurs facteurs : l évolution rapide de l architecture des PC, un nombre croissant d ingénieurs maîtrisant cette technologie, le boom des convertisseurs de données semi-conducteurs hautes performances à faible coût et l émergence de logiciels de conception de systèmes qui ont mis l instrumentation virtuelle à la portée d un très grand nombre d utilisateurs. Faible coût, innovation et performances des PC Les performances des PC ont été multipliées par au cours des vingt dernières années. Aucune autre technologie n a connu une telle évolution. Les instruments virtuels utilisent les processeurs des PC pour l analyse des mesures. Par conséquent, chaque nouvelle génération de processeurs permet de résoudre de nouvelles applications grâce à l instrumentation virtuelle. Par exemple, dans le cadre d applications de test de communication, un PC tournant à 3 GHz suffit aujourd hui pour effectuer des analyses complexes de modulation et dans le domaine fréquentiel. Sur un PC de 1990 (Intel 386/16), une FFT sur points (transformée de Fourier rapide, méthode d analyse spectrale indispensable), a pris plus de secondes. Sur un Pentium 4 tournant à 3,4 GHz, la même FFT prend environ 0,8 secondes [Ffbench, John Walker]. En outre, les disques durs, les moyens d affichage et les bandes passantes des bus ont bénéficié de gains de performances du même ordre. La prochaine génération de bus PC haute vitesse, PCI Express, offre une bande passante qui peut aller jusqu à 3,2 Go/s, et rend possible les mesures de bande passante très élevée en utilisant l architecture des PC. Certains fabricants ont vivement protesté contre la disparition des bus internes haute vitesse au profit des bus de réseau et de périphériques, notamment l'ethernet et l'usb. Bien qu il ne fasse aucun doute que ces bus externes sont nécessaires dans certaines applications (l'ethernet permet de mettre en place des systèmes distribués et l USB offre la simplicité de connexion), il y aura toujours une demande pour le transfert de données haute vitesse. Un numériseur IF 100 Méch./s, 14 bits, par exemple, génère des données à 200 Mo/s, soit bien au-delà de la bande passante de 80 Mo/s de l'ethernet Gigabit. La raison pour laquelle on ne trouve pas de cartes vidéo Ethernet sur le marché est que même le Gigabit LAN est au moins 30 fois plus lent que le PCI Express. En fait, les interfaces Ethernet Gigabit et autres périphériques sont connectés à l unité centrale par le biais du bus PCI Express. L instrumentation virtuelle englobe tous ces bus (PCI, PCI Express, USB et Ethernet) dans la mesure où un bus virtuel est intégré dans le logiciel de l application. De nombreux fabricants d instruments traditionnels ont réagi en intégrant des PC directement dans leurs instruments. Ces instruments sont généralement dotés d un processeur d instrumentation embarqué et d une carte mère de PC, tous deux connectés dans le châssis par le biais d un bus interne. Malheureusement, cette approche ne permet pas de bénéficier des économies d échelle offertes par les fabricants de PC comme Dell, ni de mettre à jour son PC afin d améliorer considérablement les performances de mesure, deux avantages clés de la plate-forme PC. La plupart des oscilloscopes ont National Instruments France Tél. : +33 (0) Fax. : +33 (0)

4 une durée de vie comprise entre 5 et 20 ans, mais à quoi servira un PC intégré vieux de vingt ans? En outre, comme le montre la Figure n 1, ces matériels sont toujours prédéfinis par les fabricants et l utilisateur n a toujours pas accès au firmware pour créer des mesures personnalisées. Figure n 1. Comparaison entre l instrumentation virtuelle personnalisée et l instrumentation traditionnelle Plus de scientifiques et d ingénieurs maîtrisent l instrumentation virtuelle L informatique fait partie intégrante de notre société ; avoir des connaissances dans ce domaine est devenu indispensable. En dix ans, nos connaissances techniques se sont accrues. Dans notre système éducatif, la tendance générale est à l introduction de la compréhension technique et informatique dès le plus jeune âge. Dans une récente étude de Lason L. Watai de l Université Vanderbilt, l opinion des étudiants ingénieurs fut recueillie après avoir utilisé, en laboratoire, les instruments de table traditionnels et les instruments pilotés par ordinateur. L affirmation suivante fut confirmée par les étudiants : "Les instruments pilotés par ordinateur sont plus simples à utiliser que les instruments de table traditionnels." Taille de l échantillon N = 77 étudiants (échelle des réponses : 1 = pas du tout d accord ; 2 = pas d accord ; 3 = plutôt d accord ; 4 = d accord ; 5 = tout à fait d accord). Moyenne des réponses : 4,05 D une manière générale, un système éducatif axé sur une plus grande maîtrise des connaissances techniques et de la programmation favorise l adoption de l instrumentation virtuelle sur PC. National Instruments France Tél. : +33 (0) Fax. : +33 (0)

5 Généralisation des convertisseurs A/N et N/A Un autre facteur expliquant l adoption de l instrumentation virtuelle est la généralisation des convertisseurs A/N et N/A à faible coût. La téléphonie mobile et l audio numérique, entre autres, sont des applications qui utilisent constamment ces technologies. Les matériels utilisés en instrumentation virtuelle mettent en œuvre ces circuits très largement disponibles comme frontaux pour les mesures. Les C A/N et C N/A suivent la loi de Moore, c est-à-dire que leurs performances sont multipliées par deux tous les 18 mois, alors que les convertisseurs propriétaires traditionnels évoluent plus lentement. Un exemple de cette hausse des performances est illustré dans la Figure n 2. Figure n 2. La croissance rapide des capacités de numérisation des instruments virtuels repose sur la technologie des semi-conducteurs. Logiciels graphiques de conception de systèmes Le dernier avantage de l instrumentation virtuelle est qu elle permet, grâce à des logiciels de conception de systèmes offrant une interface intuitive, de concevoir des systèmes d instrumentation personnalisés. Dans ses ouvrages, Christensen affirme que les innovations qui perturbent le marché ont pour effet de supprimer un "expert" de la chaîne logistique. Dans les architectures traditionnelles, l expert est intégré dans l instrument sous la forme d algorithmes et de fonctions d instruments fermés. Dans l instrumentation virtuelle, les algorithmes sont ouverts aux utilisateurs qui peuvent alors définir leur propre instrument. LabVIEW en est un exemple. LabVIEW, en utilisant un langage graphique à flux de données, présente une interface bien connue des ingénieurs et des scientifiques : le diagramme. LabVIEW a eu le même effet que les tableurs sur l analyse financière qui ont permis à chaque ordinateur de créer des modèles financiers puissants. Il offre un environnement dans lequel tous les ingénieurs et les scientifiques peuvent eux-mêmes concevoir des systèmes de mesure. National Instruments France Tél. : +33 (0) Fax. : +33 (0)

6 L avenir de la conception de systèmes avec l instrumentation virtuelle L instrumentation virtuelle continue d étendre ses capacités et est utilisée dans un nombre croissant d applications. LabVIEW peut non seulement être utilisé pour créer des programmes de test sur PC, mais aussi pour concevoir des matériels en ciblant des processeurs embarqués et des FPGA (réseaux de portes programmables). À terme, l objectif de cette technologie est de fournir un unique environnement, utilisable de la conception des systèmes de test jusqu à la définition des fonctionnalités du matériel, comme le montre la Figure n 3. Les ingénieurs de test devraient être en mesure de travailler au niveau du système en utilisant les fonctions appropriées. Lorsqu ils ont besoin de définir des fonctionnalités de mesure personnalisées, ils devraient pouvoir atteindre le niveau adéquat et définir la fonctionnalité de l instrument en utilisant le même logiciel. Par exemple, un ingénieur peut créer des programmes LabVIEW pour effectuer des mesures (par exemple de tension DC et de temps de montée) sur des instruments virtuels modulaires. Lorsqu il est nécessaire de mettre au point une mesure personnalisée, les ingénieurs peuvent également utiliser LabVIEW pour effectuer une analyse sur les données de mesures brutes, par exemple une mesure de détection de crête personnalisée. S il devient nécessaire d effectuer une mesure qui requiert de nouvelles capacités matérielles, telles qu'un déclenchement personnalisé, les ingénieurs peuvent encore utiliser LabVIEW pour définir à la fois un déclenchement et un algorithme de filtrage embarqués dans un FPGA sur la carte même de l instrument. Figure n 3. Un outil unique de conception de systèmes suffit de la conception du système jusqu à la conception du matériel. National Instruments France Tél. : +33 (0) Fax. : +33 (0)

7 L instrumentation virtuelle désormais largement adoptée Les possibilités et les performances de l instrumentation virtuelle se sont accrues. Elle est dorénavant largement adoptée, remplaçant ainsi les instruments traditionnels dans de nombreuses applications. En outre, étant donnés les progrès constants réalisés dans les domaines du PC, des semi-conducteurs, des possibilités des logiciels, les futures avancées en matière d instrumentation virtuelle constitueront un cadre passionnant pour la conception de systèmes de test et offriront aux ingénieurs une souplesse et des fonctionnalités inégalées dans la mesure et le contrôle. Eric Starkloff, Responsable marketing PXI et instrumentation modulaire, National Instruments National Instruments France Tél. : +33 (0) Fax. : +33 (0)