ACQUISITION DE DONNÉES Quelle solution pour synchro Dans toute acquisition de données sur ordinateur ou système PCI ou VXI, il y a souvent plusieurs horloges d échantillonnage, souvent indépendantes, des longueurs de câbles différentes entre signaux, etc. Cela peut poser des problèmes de synchronisation, surtout lorsque l on travaille à des fréquences d échantillonnage élevées. National Instruments décrit ici trois techniques différentes pour résoudre ces problèmes. 58 Lorsque l on crée un système de mesures synchronisées, il convient généralement de désigner un matériel comme étant le maître et un ou plusieurs matériels comme étant des esclaves. Le matériel maître génère des signaux utilisés pour contrôler tous les matériels de mesure qui composent le système. La synchronisation du système fait appel à des signaux de cadencement et de déclenchement. Les temps de retard et les incertitudes temporelles susceptibles d apparaître lors de l orchestration de multiples matériels de mesure représentent le principal défi de la synchronisation, spécialement pour les systèmes travaillant à des vitesses élevées. Ces problèmes, souvent négligés lors de la conception initiale du système, limitent la vitesse et la précision globale. La principale fonction de la synchronisation est soit de corréler les mesures dans le temps, soit de contrôler l exécution d un process de façon précise. Dans ce type de L essentiel Pour mettre en œuvre un système de mesure sur PC, une synchronisation précise exige une distribution soignée des horloges et des signaux de déclenchement Plusieurs approches sont possibles, selon que l on s intéresse aux signaux de déclenchement, de l horloge d échantillonnage ou de l horloge de référence Le choix de l une plutôt que des autres dépend du niveau de précision recherché synchronisation, il convient de prendre en compte la fréquence d échantillonnage du système pour déterminer la précision avec laquelle il faut corréler l horloge d échantillonnage. Par exemple, avec une horloge de 1 Méch./s (équivalent à 1 µs, ou 1000 ns), il faut synchroniser les mesures au niveau de la nanoseconde. L objectif est de créer un système de matériels synchronisés avec une précision inférieure à la microseconde. Un cadencement précis des mesures est un passage obligé dans la réalisation du système. Ainsi, la synchronisation des mesures au travers de plusieurs matériels implique qu il faut synchroniser toutes les horloges National Instruments Dans de nombreuses applications d essais de mise au point ou de diagnostic d équipements, il est nécessaire de faire l acquisition simultanée de plusieurs voies de mesure et d établir des corrélations entre les voies. Pour que les corrélations aient un sens, il est indispensable d avoir un bon synchronisme entre les voies. d échantillonnage à l intérieur de l incertitude de la période des horloges en question. Pour ce faire, il faut examiner la distribution des déclenchements. Pour mettre en œuvre la synchronisation, il y a trois possibilités : - synchronisation au niveau déclenchement
- synchronisation aux niveaux déclenchement et horloge d échantillonnage - synchronisation aux niveaux déclenchement et horloge de référence niser les mesures? Approche 1 Cette première approche est basée sur le partage des signaux de déclenchement entre les matériels de mesure. Le matériel maître distribue tous ces signaux aux matériels esclaves pour initier les opérations. Cette approche est intéressante lorsqu il s agit de synchroniser des mesures de courte durée ou, dans certains cas, des mesures de types différents. Avec cette approche, il faut être conscient de l incidence de certains facteurs comme le retard de propagation (delay), le décalage entre signaux (skew) et la dérive (drift). Le retard de propagation désigne l intervalle entre le déclenchement du maître et celui des esclaves. Le signal de déclenchement doit effectivement arriver à chaque esclave avec un minimum de retard. Pour réduire ce retard, il faut minimiser les distances que le signal doit parcourir du maître aux esclaves. Les mesures basses fréquences peuvent tolérer une certaine médiocrité des spécifications de retard, mais aux fréquences élevées, le retard peut affecter l intégrité des mesures. Le décalage entre signaux (skew) correspond au degré d asynchronisme du déclenchement entre chaque esclave. Des décalages significatifs peuvent entraîner une perte complète de la synchronisation d un système dans son ensemble. Pour éviter ce problème, il faut s assurer que les câbles qui acheminent les signaux du maître aux esclaves sont tous de longueur identique. La dérive des horloges utilisées pour cadencer les différents matériels est faible lorsque l on fait des mesures sur des courtes durées mais elle peut avoir une Approche 1 : synchronisation au niveau du trigger Le maître envoie un signal de déclenchement à tous les esclaves pour déclencher ou arrêter une opération. Approche 2 : synchronisation au niveau du trigger et de l horloge d échantillonnage Le maître envoie un signal de déclenchement à tous les esclaves pour déclencher ou arrêter une opération, ainsi que les signaux de l horloge d échantillonnage pour contrôler temporellement les signaux des esclaves. incidence lors de mesures sur des longues durées. Elle risque d entraîner une perte de synchronisation. Lorsque les horloges opèrent indépendamment, de petites erreurs s accumulent au fil du temps jusqu à excéder le temps d échantillonnage. Pour éviter cela, il faut utiliser des matériels dotés d horloges de haute qualité, ou s appuyer sur l un des deux autres schémas de synchronisation. Approche 2 Le matériel maître peut contrôler les opérations du système de mesure en distribuant aux esclaves non seulement les signaux de déclenchement mais aussi les signaux de l horloge d échantillonnage. Par exemple, un système composé de plusieurs numériseurs et sources de signaux analogiques a généralement une horloge d échantillonnage commune, fournie par un maître désigné. Cette horloge contrôle le cadencement des conversions analogique/numérique et numérique/analogique de tous les matériels. On n échappe pas aux problèmes de retard et de décalage entre signaux (skew), relatifs aux signaux de déclenchement ainsi qu aux signaux d horloge. Mais cette approche offre l avantage, par rapport à la précédente, d une horloge d échantillonnage commune pour contrôler tous les matériels. Les formes d ondes sont ainsi échantillonnées simultanément, sans que la dérive de l horloge ne risque de compromettre la synchronisation de l ensemble. Ce qui est le problème principal des mesures synchronisées. Cette approche convient bien aux systèmes où le retard de l horloge d échantillonnage est suffisamment petit pour être négligeable par rapport à la période d échantillonnage. Par exemple, si le retard de propagation est de 10 ns et que la fréquence d échantillonnage est de 1 Méch./s (1 000 ns), il n y aura pas de problème. Mais ce même retard avec une fréquence d échantillonnage de 500 Méch./s (2 ns) oblige à recourir à la troisième approche. Approche 3 Cette troisième approche consiste à synchroniser le système en partageant le déclenchement et une horloge de référence entre plusieurs matériels de mesure. Dans ce cas, le matériel maître ou une horloge haute précision dédiée peut servir de référence commune pour tous les matériels de mesure. Cette approche est particulièrement efficace dans les opérations en 59
60 hautes vitesses, où l horloge d échantillonnage est dérivée de l horloge de référence (par multiplication, pour obtenir des fréquences élevées). Par exemple, on peut obtenir une horloge d échantillonnage de 100 Méch./s en multipliant par 10 une horloge de référence de 10 MHz. Dans la deuxième approche (synchronisation aux niveaux déclenchement et horloge d échantillonnage), chaque matériel doit être cadencé directement par l horloge d échantillonnage commune. Dans ce cas, pour des fréquences d échantillonnage élevées, on comprend que les retards deviennent critiques. Avec la troisième approche, la fréquence de l horloge de référence pouvant être beaucoup plus faible, le risque de problèmes dus au retard est considérablement limité. La méthode généralement utilisée pour synchroniser et générer des horloges d échantillonnage à partir d une horloge de référence est la boucle à verrouillage de phase (PLL). La méthode PLL consiste à surveiller la phase de l horloge de référence et à produire un signal d horloge haute vitesse calé sur cette phase. Pour obtenir une précision élevée dans la synchronisation des mesures, il faut utiliser une source de fréquence basée sur un oscillateur rubidium ou sur un oscillateur à Les horloges de référence utilisées par les esclaves sont issues de l horloge fournie par le maître ou d une horloge externe. La synchronisation des différentes horloges est assurée par un dispositif PLL (phase Lock Looping) (boucle à verrouillage de phase). quartz thermostaté (OCXO, pour Ovencontrolled Crystal Oscillator). De telles sources présentent des précisions meilleures que ±100 ppb (partie par milliard) à 10 MHz. Ce qui correspond à une incertitude de ±1 Hz. Cette source de fréquence doit par ailleurs offrir plusieurs sorties pour permettre la synchronisation de plusieurs instruments. Et l horloge de référence doit pouvoir être acheminée à plusieurs endroits sans altérer l intégrité du signal. Les problèmes de retard et de décalage entre signaux (skew) décrits dans l approche 1 sont applicables à la distribution des signaux d horloge, et d autant plus critiques que la fréquence de numérisation est élevée. Dans le cas d une numérisation à très haute vitesse, ces retards et décalages peuvent facilement approcher, voire excéder la période d échantillonnage, rendant la synchronisation des mesures totalement vaine. Approche 3. Synchronisation au niveau du trigger et de l horloge de référence Horloge maître 10 MHz Horloge de référence externe La connexion des signaux aux matériels de mesure Il existe trois options possibles pour connecter les signaux de synchronisation aux matériels de mesure : le câblage réalisé par l utilisateur, le câblage défini par le fournisseur ou les connexions intégrées au sein d une plate-forme de mesure. Câblage réalisé par l utilisateur. Il est possible aussi bien pour les systèmes basés sur ordinateur que des systèmes bâtis à l aide d instruments individuels. Par exemple, vous pouvez généralement synchroniser votre générateur de fonction ou votre oscilloscope numérique de façon externe, avec une source de fréquence de référence. Lorsque vous synchronisez votre instrumentation, vous devez vous assurer que les câbles reliant la source de fréquence aux matériels à synchroniser sont tous de la même longueur, pour éviter le phénomène de décalage entre signaux. Le même critère s applique à la distribution du signal de déclenchement, du matériel maître aux matériels esclaves. Ainsi que nous l avons indiqué, la source de fréquence doit être capable de distribuer une horloge de référence commune en divers endroits. Si le câblage réalisé par l utilisateur est l une des options proposées dans l instrumentation sur PC, c est la seule solution possible dans le cas des instruments autonomes classique. Câblage défini par le fournisseur. Certains fabricants de cartes d acquisition et de génération de signaux répondent au besoin de synchronisation par le biais d un bus propriétaire, qui peut être interne ou externe au PC. Les horloges d échantillonnage, les horloges de référence et les signaux de déclenchement peuvent être distribués au travers de ce bus. Ce câblage défini par le fournisseur, sous forme de bus numériques haute vitesse dédiés, est conçu pour faciliter l intégration de diverses cartes au sein du PC. L interface physique de ce type de bus est généralement un connecteur multibroches intégré à la carte de mesure, les signaux étant partagés via un câble courant d un connecteur à l autre. On peut ainsi relier en série deux, trois, quatre ou cinq cartes pour obtenir la synchronisation d un grand nombre de canaux d entrées/sorties. Un autre avantage de ce type de bus est la commutation intégrée, qui permet d acheminer des signaux de et vers le bus à la volée, par programmation logicielle. Cela évite la tâche fastidieuse de configurer manuellement la distribution des signaux de cadencement et de synchronisation sur les différentes cartes. Connexions intégrées au sein d une plate-forme de mesure. Certains matériels de mesures sont conçus suivant des facteurs de forme industriels, comme VXI/VME et PXI/CompactPCI. Ces plates-formes ont été spécialement conçues pour les marchés du test et mesure, des télécommunications, de
la défense, de la recherche industrielle, etc. Le VXI et le PXI étendent respectivement les capacités du VME et du CompactPCI en y ajoutant des bus de cadencement et de déclenchement directement disponibles sur le fond de panier : ceci permet de simplifier considérablement la synchronisation de matériels multiples. VXI et PXI sont des standards ouverts et de nombreuses sociétés proposent des produits compatibles. VXI est traditionnellement utilisé dans des applications de test et mesure de grande envergure. Plus récent sur le marché, le PXI a rapidement séduit les utilisateurs par sa compacité et son rapport coût/performance. Celui-ci s explique par l utilisation de technologies engendrées par l industrie de la micro-informatique. Exemples d applications La synchronisation joue un rôle particulièrement important dans les systèmes impliquant un grand nombre de voies, et dans ceux qui mixent différentes formes d entrées et de sorties. Les systèmes à grand nombre de voies. L intégration de cartes ou de modules de mesure basés PC permet de créer des systèmes offrant un grand nombre de voies dans un minimum d espace. Réaliser des Synchronisation des horloges d échantillonnage sur une horloge de référence à l aide d un PLL Horloge 1 Horloge 2 Horloge 1 Horloge 2 L horloge de référence est utilisée pour synchroniser et générer des horloges haute vitesse par verrouillage de phase (PLL) afin de répondre aux besoins de synchronisation des mesures hautes vitesses. systèmes équivalents avec une instrumentation classique est une tâche compliquée et qui nécessite un espace substantiel. Parmi les systèmes d instrumentation à grand nombre de voies, on peut trouver par exemple des numériseurs 100 MHz sur 12 voies, des générateurs arbitraires 40 MHz sur 6 voies et des systèmes dotés de centaines de lignes d E/S numériques. La synchronisation est essentielle dans ce type Horloges 100 MHz non verrouillées Horloge de référence 10 MHz Horloges 100 MHz synchronisées sur l horloge de référence 10 MHz via un PLL de systèmes pour l acquisition instantanée, et simultanée, de données issues des différentes voies. L évaluation de convertisseurs A/N. Vous pouvez créer un système de mesure sur PC pour effectuer l évaluation de convertisseurs analogiques/numériques (CAN) avec deux générateurs de formes d onde arbitraires et un module d entrée numérique. Les générateurs fournissent un signal ana- PXI : une plate-forme conçue pour les mesures synchronisées Electriquement, le VXI et le PXI étendent le VME et le CompactP- CI en ajoutant des bus locaux et des caractéristiques de synchronisation. Pour les mesures synchronisées, les éléments clés intégrés au PXI et au VXI sont l horloge de référence, le bus de synchronisation et le bus de synchronisation en étoile. Les caractéristiques du PXI décrites ci-dessous s appliquent également au VXI. Horloge de référence. Le fond de panier du châssis PXI fournit une horloge de référence commune pour la synchronisation de modules multiples dans les applications de mesure et de contrôle. Chaque emplacement de module dispose ainsi d une horloge de 10 MHz en sortie TTL. Une longueur identique pour les liaisons de l horloge de référence aux emplacements permet d assurer des décalages inférieurs à 1 ns entre chaque module. La précision de l horloge de 10 MHz est généralement de ±25 ppm (selon les châssis), ce qui représente une horloge relativement fiable pour les applications de synchronisation qui s appuient sur les méthodes à verrouillage de phase (PLL). Si une horloge de référence plus précise est nécessaire, il est possible d intégrer dans le second emplacement du châssis un module compteur/timer doté d un oscillateur à quartz thermostaté (OCXO). L horloge 10 MHz OCXO de cet emplacement peut être distribuée dans le fond de panier PXI en lieu et place de l horloge de référence disponible par défaut. Ainsi, l ensemble du châssis PXI peut bénéficier de la haute stabilité de l horloge OCXO. Bus de déclenchement. Le bus de déclenchement du PXI offre huit lignes pour la synchronisation et la communication entre les modules. Ces lignes peuvent servir à la transmission des signaux de déclenchement comme à celle de l horloge. Les signaux de déclenchement peuvent être envoyés d un module maître vers n importe quels autres modules esclaves. Avec la possibilité de transmettre une horloge d échantillonnage aux modules de son choix, ceux-ci peuvent partager une base de temps qui ne serait pas dérivée de l horloge de référence de 10 MHz. Par exemple, quatre modules d acquisition de données utilisant une fréquence d échantillonnage audio de 44,1 Kéch./s peuvent partager une horloge dont la fréquence est multiple de 44,1 KHz. Pour la synchronisation haute vitesse, les retards de propagation et le décalage temporel entre emplacements ne dépassent pas 10 ns. Bus de déclenchement en étoile pour les plus hautes performances. Le bus en étoile, qui fait appel à un module installé dans un emplacement spécial, permet de disposer d une ligne de déclenchement indépendante pour chaque emplacement (13 au maximum), avec une configuration en étoile. Les longueurs des lignes disposées en étoile sont adaptées pour garantir des retards inférieurs à 1 ns par rapport au module source. Cette caractéristique permet de réaliser des systèmes synchronisés haute vitesse avec une distribution des signaux de déclenchement sans risquer d induire des retards de propagation et des décalages temporels. 61
62 Signal codeur Signal capteur Commande du pistolet à peinture Localisation d un défaut sur un disque tournant Détecteur de défauts Pistolet à peinture Codeur optique Marquage à l endroit précis où a été détecté le défaut Pour marquer à l encre les défauts présents sur un disque en rotation, un détecteur est placé sur le même bras que le pinceau encreur. Lorsque le détecteur voit un défaut, il l indique à l électronique de commande et celle-ci pilote le déplacement du pinceau de façon à le positionner en face du défaut. Comme le disque tourne, l envoi de l encre ne doit se faire qu au moment où le défaut passe en regard du pinceau. Un codeur angulaire indique en permanence la position du disque à l électronique. Tous ces mouvements doivent être synchronisés avec une très grande précision. logique et une horloge pour le CAN, et le module d entrée numérique observe les sorties du convertisseur. En synchronisant la génération de signaux analogiques et l acquisition des données numériques, il est possible de comparer la réponse numérique avec les stimuli analogiques. En exploitant la puissance du PC, il est possible de facilement réaliser toutes sortes de traitements et présenter les résultats sous différentes formes. En utilisant des techniques similaires pour tester d autres classes de circuits avec des signaux analogiques et numériques, les systèmes de test créés au cours du développement peuvent souvent être réutilisés en phases de production et de maintenance. L évaluation de composants électroniques analogiques. L évaluation et le test en production de composants électroniques analogiques impliquent fréquemment des mesures de paramètres en régimes permanent et transitoire. Avec l approche de la mesure sur PC, on peut utiliser un générateur de formes d onde arbitraire pour stimuler le composant sous test et un numériseur haute vitesse pour acquérir une réponse aux transitoires. Le numériseur haute résolution va acquérir PC avec carte N/A la réponse en régime permanent et une carte ou un module compteur/timer servira à fournir une fonction de retard temporel. Si la synchronisation est programmée de telle sorte que les numériseurs démarrent l acquisition avec un retard approprié par rapport aux stimuli analogiques, il est possible d obtenir des mesures de haute qualité et optimiser le temps de test. La fabrication d objets circulaires. Quand il s agit de fabriquer ou de tester des objets circulaires, il est souvent nécessaire de contrôler une partie du process en inspectant l objet en rotation. Par exemple, dans le cas de la fabrication de disques de métal de haute qualité, le système de test peut être constitué d un capteur pour la détection de défauts et d un pistolet à peinture contrôlée électroniquement pour marquer les défauts. Dans ce système de test, le capteur et le pistolet à peinture sont montés de façon à glisser le long du rayon du disque. Le pistolet est positionné assez loin du capteur de façon à surplomber des zones où se trouvait le capteur quatre tours auparavant. Il peut être intéressant d intégrer une carte d acquisition de données multifonction et d utiliser un codeur optique pour cadencer l acquisition à partir du capteur, déclencher l analyse sur le PC et générer une forme d onde pour contrôler le pistolet à peinture. C est un exemple de système de mesure sur PC dans lequel la position est l élément qui va rythmer les différentes opérations de synchronisation. Le temps n est pas essentiel dans ce cas. La même approche peut être employée dans des situations similaires, pour des disques et des cylindres, et pour des systèmes dans lesquels les encodeurs optiques reportent un mouvement linéaire. Dans cet exemple, la synchronisation rend possible un contrôle précis du pistolet à peinture par rapport à la détection de défauts effectuée par le capteur, avec un retard approprié basé sur la position respective des deux éléments. Le contrôle de terrain CAN. Le standard CAN (Controller Area Network) définit un bus fréquemment utilisé pour la communication entre les sous-systèmes des automobiles. Ces sous-systèmes incluent la transmission, le contrôle du moteur, le système d antiblocage des freins, l éclairage, le tableau de bord, les vitres électriques, le système audio/vidéo et la direction assistée. Les réseaux embarqués contiennent des capteurs et des actionneurs. Pour les tester, il faut collecter des données en synchronisme avec le fonctionnement des sous-systèmes reliés au bus CAN. Par exemple, pour tester un sous-système de transmission, qui intègre des nœuds de mesure de température et de pression, on peut par exemple contrôler le réseau avec une carte CAN et simuler séparément des signaux de température et de pression avec une carte numérique/analogique associée à un conditionneur. En utilisant la carte CAN pour se raccorder au sous-système de transmission et en programmant la carte numérique/analogique de génération des signaux de température et de pression appliqués au sous-système, il est possible de valider les données obtenues à travers le bus CAN. Sans cette synchronisation entre la carte numérique/analogique et la carte CAN, on ne disposerait d aucune indication sur les délais temporels entre les signaux de mesure et le bus CAN, ce qui rendrait la validation du système beaucoup plus difficile. Kosta Ilic Lokesh Duraiappah National Instruments