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1 ANNEE Semestre d Automne 2012 Master de Sciences, Technologies, Santé Mention Physique- Spécialité Instrumentation P1PY7204 Acquisition de données Cours Denis Dumora Version 6.0 : 11 septembre 2012

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3 Objectifs du cours L objectif de ce cours d option de Master 1 est d apporter à des étudiants en physique souhaitant se diriger vers un Master professionnel ou s intéressant à l expérimentation en physique les notions nécessaires à la mise en oeuvre des systèmes d acquisition de données. Le traitement théorique de l information physique transformée en information numérique ne sera pas abordé de manière exhaustive et formelle, le cours s attachant surtout à présenter certains aspects pratiques de l acquisition de données. Ce cours/td intégré s articule autour de deux grandes parties, la transformation de la donnée physique en information numérique du point de vue de l électronique d une part et l aspect informatique d autre part. La première partie est abordée au travers de trois thèmes, le premier en guise d introduction met en place un certain nombre de définitions et fait surtout le point sur ce qu impose le concept d acquisition de données. Le second thème s attache à détailler le processus de transformation de la grandeur physique à la donnée numérique en donnant en exemple un certain nombre de dispositifs électroniques utilisés. Le troisième thème aborde enfin des aspects un peu plus pratiques mettant en évidence les contraintes et les limitations des dispositifs précédemment décrits. La seconde partie est consacrée à l apprentissage des principes de programmation d une acquisition de données à travers le logiciel LabVIEW R.Oninsisterasurlesspécificitésd unetelleprogrammationenparticulieren terme de déroulement du programme. Ces différents thèmes trouveront leur application dans des travaux pratiques qui suivront l approche du cours avec une partie plutôt électronique et une partie plutôt axée sur la programmation LabVIEW R. En résumé L objectif du cours est l étude du processus d acquisition de données. L approche choisie est résolument pratique, l objectif final étant : 1. De comprendre raisonnablement les concepts théoriques. 2. D acquérir une maîtrise de l approche logicielle. 3. D être capable de mettre en pratique, les deux premières parties dans la réalisation pratique de montages faisant appel à un système d acquisition de données. 3

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5 Table des matières Fiche d UE 12 I De la grandeur Physique à la donnée informatique 15 1 Acquisition de données Introduction Qu est ce qu une acquisition de données Exemple d un système d acquisition autonome Un autre exemple plus près de la physique : Les éléments d une acquisition de données informatique En résumé Partie matérielle Partie logicielle La tâche à réaliser Grandeurs Physiques Continuité dans le temps Grandeurs analogiques Quantité d information Données informatiques Rappels sur les signaux Classification Retour sur les outils Transformée de Fourier Energie d un signal Classification énergétique des signaux Outils d étude des signaux échantillonés Codage des grandeurs physiques Introduction Echantillonnage Modélisation d un échantillonneur idéal Un peu d analyse spectrale

6 TABLE DES MATIÈRES TABLE DES MATIÈRES Transformée de Fourier d un peigne de Dirac Conséquences sur l échantillonnage Spectres Conséquences pour la reconstruction du signal Que se passe-t-il si f e < 2F? Conversion du signal Principe Retour sur le codage - notion de MSB, LSB Quelques convertisseurs Analogique Numérique CAN à rampe Convertisseur à approximations successives Flash ADC La voie indirecte - VCO Numérique )Analogique Principe Caractéristiques d un codeur Numérique Analogique Principe de fonctionnement Convertisseur Numérique Analogique à résistances pondérées Aspects plus réalistes Convertisseur Numérique Analogique à réseau en échelle Commutation en tension Commutation en courant Résumé Vers les systèmes réels Introduction Echantillonneur-Bloqueur Pourquoi a-t-on besoin d un échantillonneur-bloqueur? Quand a-t-on besoin d un Echantillonneur-Bloqueur? Principe Cas réel Vers un modèle réaliste Erreurs dûes à l Echantillonneur-Bloqueur Echantillonnage Transition Echantillonnage vers Blocage Blocage Transition Blocage vers Echantillonnage Au final Quelques valeurs caractéristiques Bruits et Erreurs de codage

7 TABLE DES MATIÈRES TABLE DES MATIÈRES Retour sur la quantification Bruit de Quantification Caractéristiques quantification linéaire Quantification non linéaire Retour sur le rapport Signal Bruit Erreurs des convertisseurs Erreurs Statiques Erreur d offset Erreur de gain Erreur de linéarité différentielle (ou DNL) Erreur de linéarité intégrale (INL) Erreur de monotonicité Compensation des erreurs Erreurs dynamiques Erreur d hystérésis Glitch Retour sur le codage Principe de codage Codage unipolaire Binaire naturel DCB (Décimal Codé en Binaire) Résumé Codage bipolaire Code amplitude de signe Code binaire décalé Code complément à deux Code complément à Résumé Retour sur les Glitches Analogique vs Numérique Communiquer les données Introduction Eléments de communication Définition d un langage commun pour la communication Les contraintes sur le matériel Les contraintes sur les informations communes Définition d un lieu pour dialoguer Configuration

8 TABLE DES MATIÈRES TABLE DES MATIÈRES 4.3 Interfaçage d instruments Eléments à mettre en œuvre La liaison RS Caractéristiques Description de la communication RS232 en résumé Dialoguer en RS Remarques sur le dialogue RS232 avec un instrument GPIB (IEE-488) Conclusion L approche logicielle Introduction Description d une carte d acquisition NI-PCI6221M Description Lecture des caractéristiques Le logiciel d acquisition de données Ecriture du logiciel d acquisition de données dans un langage classique (C, fortran, C++, Visual Basic...) Exécution parallèle Exécution parallèle et langages classiques II Introduction à LabVIEW R 70 6 Premiers pas en LabVIEW R Introduction Objectifs Qu est ce que LabVIEW R? Programme LabVIEW R Instruments Virtuels (VI) L environnement LabVIEW R La Face Avant Le Diagramme Terminaux Nœuds Structures Fils Les Outils Barres d outils de la face avant et du diagramme La palette de commandes

9 TABLE DES MATIÈRES TABLE DES MATIÈRES La palette de fonctions La palette d outils La fenêtre d aide contextuelle <Ctrl+H> Le clic droit Créer un VI Démarrage de LabVIEW R Méthodologie Construction de la face avant Mise en forme de la face avant - retour sur les objets de LabVIEW R Construction du diagramme Exécution du VI Entrer les paramètres Exécution Exécution continue Exécution des VIs Mise au point du code Structures Structures conditionnelles If... Else Case Boucles While For Comportement des boucles en LabVIEW R Séquences Boîtes de calcul sous-vis Un VI plus complexe Analyse et Ecriture du code Création d un sous-vi Modification d un sous-vi Inclure unsous-vi dans un programme Conclusion Acquisitions Introduction Configurer la carte avec MAX R Accéder au matériel - Contrôle d instruments GPIB Communication série, RS232, USB,

10 TABLE DES MATIÈRES TABLE DES MATIÈRES Paramètrages Matériel VISA R Les cartes d acquisition DAQ Ecrire un VI d acquisition - programmation par l exemple Windows n est pas un système temps réel... et ça complique un peu les choses NI-DAQ, NI-DAQmx les drivers National Instrument L assistant DAQ Acquérir des signaux analogiques Acquérir des signaux numériques Produire des signaux analogiques Produire des signaux numériques VIs d acquisition Entrées analogiques Sorties analogiques Entrées/Sorties Numériques - Compteurs/Timers Déclenchement Conclusion

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12 Libellé de l'ue : Acquisition et Projets Libellé court : Acquisition et Projets Code ue Apogée: P1PY7204 Niveau : M1 Période :Semestre d'automne ECTS :6 Responsable : Philippe BARBERET Composante : UFR DE PHYSIQUE Discipline : Physique Public concerné : Pré-requis recommandés : Formation initiale Cours d'informatique et programmation de licence ou équivalent, cours d'électronique de licence ou équivalent Objectifs pédagogiques : Permettre à l'étudiant de Master de comprendre les différents points critiques du processus d'acquisition de données, en insistant plus particulièrement sur la transformation du signal physique et données informatiques et sur l'interfaçage système physique-ordinateur. Initiation aux projets Compétences acquises : Bases de la programmation LabView, compréhension de la problématique liée à l'acquisition de données Programme - descriptif :

13 I-L'ACQUISITION DE DONNEES I- 1 Introduction à l'acquisition de données: Définitions : qu'est ce qu'une acquisition de données. Les caractéristiques fondamentales des grandeurs mises en oeuvre. L'ordinateur comme exemple de système d'acquisition. I- 2 De la grandeur Physique à la donnée informatique : Notions d'échantillonnage. Notions de numérisation. Conversion Numérique-Analogique. Conversion Analogique-Numérique. Montages électroniques. Etude des principales caractéristiques d'un CNA, CAN. I- 3 Aspects pratiques de l'acquisition de données : Déclenchement. Limitations. Bruits. I- 4 Interfaçage avec l'utilisateur (introduction à l'écriture de codes d'acquisition de données) : Principes de base. Montages. Prise en main du logiciel. Principaux paramètres. Premières applications. simples. Notion de processus parallèles. I- 5 Application à l'acquisition de données : La carte d'acquisition. Signaux analogiques. Signaux digitaux. Production de signaux Acquisition de signaux Traitement des données Montages. Exploration des limitations du système d'acquisition. Pilotage et acquisition des signaux d'un CAN et CNA. II PROJETS D'INSTRUMENTATION Projets d'instrumentation en matière de capteurs physique, de détecteurs, de chaîne laser, de chaîne d'acquisition de données. Les projets sont en lien étroit avec le projet professionnel de l'étudiant et peuvent permettre de l'affiner, parfois dans l'objectif de mieux préparer un stage industriel. Dans le cadre des projets, l'étudiant est amené à étudier, développer et tester un dispositif expérimental complet. Ce travail, réalisé en groupe, permet également de confronter l'étudiant à la gestion de projet au sein d'une équipe. Bibliographie : Volume des enseignements : Nombre d'heures en présentiel Cours Magistraux (CM) 0.00 Travaux Dirigés (TD) 0.00 Travaux Pratiques (TP) Cours Intégrés (CI) Travaux Dirigés sur machine (TDM) 0.00 Accompagnement Répartitions des enseignements : Semaines Durée

14 CM 00h00 TD 00h00 TP X X X X X X X X 03h00 CI X XX XX X X 02h00 TDM 00h00 DS 00h00 Mode d'évaluation : Modalités de contrôle des connaissances Epreuves 1ère session Type d'évaluation Détails éventuels Durées Coefficients TP - Epreuve terminale 01h30 0,25 Examen écrit 01h30 0,25 Soutenance 00h h00 00h00 00h00 00h00 00h00 00h00 Epreuves 2ème session (éventuellement) Type d'évaluation Détails éventuels Durées Coefficients Examen écrit ou oral (selon l'effectif) 01h30 Informations complémentaires sur les MCC : 00h00 00h00 00h00 00h00 00h00 00h00 00h00 00h00 Forme d'enseignement : Enseignement présentiel Site de formation : Université Bordeaux 1 (Talence) Langue d'enseignement : Français

15 Première partie De la grandeur Physique à la donnée informatique 15

16 Thème 1 Acquisition de données Sommaire 1.1 Introduction Qu est ce qu une acquisition de données Exemple d un système d acquisition autonome Un autre exemple plus près de la physique : Les éléments d une acquisition de données informatique En résumé La tâche à réaliser Grandeurs Physiques Continuité dans le temps Grandeurs analogiques Quantité d information Données informatiques Rappels sur les signaux Classification Retour sur les outils Introduction Ce chapitre va s attacher à présenter la problématique de l acquisition de données physiques par l étude des différences fondamentales entre les grandeurs physiques et la représentation de celle-ci que peut traiter un ordinateur. Le cheminement pour transformer la mesure de la grandeur physique en donnée informatique fera l objet de la seconde partie de ce chapitre, illustré par un exemple de système d acquisition de données très courant, l ordinateur personnel. 1.2 Qu est ce qu une acquisition de données Une définition assez générale d une acquisition de données est l ensemble des dispositifs permettant de transformer l information contenue dans une grandeur physique en une information exploitable par l observateur. Un système d acquisition de données doit donc être non seulement capable de faire la mesure ou plutôt l ensemble des mesures, et de rendre l information contenue dans celle-ci disponible pour une exploitation immédiate ou future. Celà suppose donc que la mesure traduise fidèlement la grandeur physique, que sa représentation conserve elle aussi cette information et enfin que cette dernière puisse être éventuellement sauvegardée sur un support perenne en vue d une analyse ultérieure. 16

17 THÈME 1. ACQUISITION DE DONNÉES 1.2. QU EST CE QU UNE ACQUISITION DE DONNÉES Exemple d un système d acquisition autonome L archéologue... (Jean Philippe Lauer) Ce système très performant regroupe chacune des caractéristiques décrites dans la définition de la section précédente,... Il a fait ses preuves jusqu au milieu du siècle dernier. Donnée Physique Système d acquisition Information exploitable capteur codeur système de sauvegarde Un cartouche à Saqqarah œil cerveau main Une représentation de cartouche dans un ouvrage sur l Ancien Empire Fréquence d acquisition Quelques acquisitions par semaine (au mieux). Nombre de voies d acquisition 1 Volume de données Un cahier par mois. Consommation 2500kCal/jour (en trois repas) Cycle utile < 50% (12h par jour) 17

18 THÈME 1. ACQUISITION DE DONNÉES QU EST CE QU UNE ACQUISITION DE DONNÉES Un autre exemple plus près de la physique : Donnée Physique Système d acquisition détecteur / codeur Information exploitable contrôle / pilotage contrôle / sauvegarde Salle d acquisition niveau 1 Salle d acquisition niveau 2 p p un évènement p p Détecteur ATLAS sur LHC Un évènement à l écran Fréquence d acquisition Un évènement toutes les 25ns. Puis réduction en ligne par l électronique. Traitement On-Line Niveau 1 Niveau 2 Niveau 3 Entrée (evts/s) Sortie (evts/s) facteur de réduction Nombre de voies d acquisition ' centaine de millions Volume de données 320M o/s pour les données brutes (27CDs par minute) 3200T o/an pour les données brutes, 2000T o/an de données reconstruites. Consommation par voie, beaucoup moins que le dispositif précédent... Cycle utile 30% sur un an Les éléments d une acquisition de données informatique Principe d une acquisition de données du type de celle mise en œuvre dans les travaux pratiques associés à ce cours (dispositif intermédiaire entre les deux exemples précédents) capteur interface matérielle A l extérieur de l ordinateur Système d acquisition de données carte d acquisition de données Ordinateur Dans l ordinateur start O rdinateur horloge + - & ei RAZ compteur A0 A1 A2 A3 CNA transforme la grandeur physique en signal électrique Code le signal électrique en donnée numérique Sauvegarde les données numériques Exploite les données sauvegardées Génère des signaux pour piloter le dispositif d acquisition Pilote la carte d acquisition Commande de l acquisition En résumé Un système d acquisition de données informatisé complet est constitué à la fois d une partie matérielle et d une partie logicielle 18

19 THÈME 1. ACQUISITION DE DONNÉES 1.3. LA TÂCHE À RÉALISER Partie matérielle Capteur transforme le signal physique en signal électrique (le plus souvent). Codeur transforme le signal provenant du capteur en donnée numérique exploitable par l observateur Stockage permet de traiter les données numériques a posteriori. Permet donc de s affranchir de la durée et de l instant où se produit l évènement physique Remarque : Dans la plupart des systèmes d acquisition de données, il faut insérer entre le capteur et le codeur, une logique de décision qui ne déclenche le codage que si l on a affaire à un bon évènement. Une section du cours sera consacrée à ce type de dispositif et en décrira tout l intérêt Partie logicielle Contrôle gére le paramétrage, le démarrage et l arrêt de l acquisition de donnée. Acquisition gère le processus de transfert de l information codée dans la carte d acquisition vers l ordinateur. Sauvegarde gère le processus de transfert des données numériques sur un support perenne (mémoire, disque dur, bande...).... Visualisation permet à l observateur de vérifier le bon fonctionnement du processus d acquisition Analyse en ligne permet d obtenir une première estimation des grandeurs physiques et donc de la même façon de contrôler le fonctionnement du processus d acquisition. Remarque 1 : Les deux derniers points ne sont pas indispensables au fonctionnement de l acquisition de données, ils permettent cependant de ne pas faire une acquisition de données en aveugle. En général, seule une partie des évènements est traitée par ces processus en ligne a seule fin de contrôle du bon déroulement de l acquisition. Remarque 2 : L analyse à proprement parler se fait off-line c est à dire a posteriori, et c est d ailleurs tout l intérêt d une acquisition de données de s affranchir de la durée et de la fréquence propre du phénomène à étudier. On peut imaginer un traitement de plusieurs heures pour un phénomène d une durée d une fraction de ns, ce qui est le quotidien des physiciens des particules. 1.3 La tâche à réaliser La tâche à réaliser par le système d acquisition de données tel qu il sera étudié dans ce cours est donc la transformation de la grandeur physique en donnée informatique. La partie du travail dévolue au capteur fera l objet d un cours au second semestre, le présent cours s attache donc à étudier la transformation d un signal électrique en sortie d un capteur quelconque en donnée informatique. Afin de comprendre le rôle du dispositif d acquisition, il est necessaire de revenir sur la définition et les caractéristiques des différents signaux intervenant dans le processus. 1.4 Grandeurs Physiques De manière générale, la caractéristique commune à la plupart des grandeurs physique est leur continuité Continuité dans le temps L utilisation d un système d acquisition par un physicien est la plupart du temps motivée par la nécessité pour l expérimentateur de suivre l évolution du système physique étudié au cours du temps. Les grandeurs physiques étudiées sont en général des fonctions du temps (même si ce n est pas cette caractéristique que l on exploite), le temps étant pris à chaque instant. Entre deux dates données, la grandeur physique à mesurer est définie à chaque instant. 19

20 THÈME 1. ACQUISITION DE DONNÉES 1.5. DONNÉES INFORMATIQUES Grandeurs analogiques Un grand nombre de grandeurs physiques étudiées peuvent prendre un nombre infini de valeurs entre deux bornes données, on dit alors qu elles sont analogiques. Par exemple, la tension aux bornes d un condensateur lors de l étude de la décharge de celui-ci à travers une bobine, est telle qu elle prend à chaque instant une valeur différente entre E et 0. Elle prend donc une infinité de valeurs différentes durant une durée donnée Quantité d information La continuité, dans le temps et dans le nombre de valeurs qu elle peut prendre, implique dans le cas où l on àaffaireàunsignalquelconquelanécessitéd unequantitéd informationinfinieafindedécrirelagrandeur physique considérée. Remarque : L étude de phénomènes physiques ne pouvant prendre qu un nombre fini de valeurs différentes ne modifie en rien la nécessité d une quantité d information infinie pour les décrire du fait de leur continuité dans le temps. 1.5 Données informatiques La quantité d informations stockée dans un ordinateur est limitée par l espace mémoire dont celui-ci dispose, un ordinateur est donc un dispositif électronique traitant des volumes finis de données numériques, c est à dire des données ne pouvant prendre qu un nombre fini de valeurs différentes. Chaque valeur est codée par une succession de 0 et de 1 sous forme d un nombre binaire qui correspond pour l électronique à une succession d états hauts et d états bas d une tension de référence ( V =0V ou V = V ref ). Le nombre de valeurs différentes codables dépend de la profondeur de codage c est à dire du nombre de bits (unité binaire pouvant prendre pour valeur 0 ou 1) utiliséspourcoderlesvaleurs.uncodagesurn bits permet de coder 2 n valeurs différentes. Pour un ordinateur l unité de codage est l octet 8 bits ou le mot 16, 32 ou 64 bits (2, 4 ou 8 octets), nous verrons que ces valeurs universelles ne le sont pas pour les systèmes d acquisition de données, puisqu il est fréquent de trouver des codeurs sur 10, 12 ou 16 bits voire même 11 ou 13 dans certains matériels!!! La représentation d un signal en sortie d un système d acquisition de données sera donc un tableau de nombres binaires codés sur n bits (n étant la profondeur de codage). 1.6 Rappels sur les signaux Le rôle d une acquisition de données va donc être de transcrire l information contenue dans la grandeur physique dans les données informatiques. Pour celà, il est bon de s intéresser aux caractéristiques des signaux et à la façon de les traiter. Cette section se propose donc de revenir de façon légère sur les outils d étude des signaux Classification De manière générale, il est possible de classer les signaux dans les quatre catégories suivantes : signaux continus en temps et en amplitude x (t) ceux produits par les processus physiques. appelés aussi signaux analogiques. Ce sont généralement signaux discrets en temps et continus en amplitude x e (t = nt e ) ces signaux sont dits échantillonnés. Ils ne sont définis qu à des instants donnés multiples d une période T e appelée période d échantillonnage. En revanche, leur amplitude peut varier continument. 20

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