Soutenance mémoire
Introduction à l’instrumentation virtuelle
De l’instrumentation à l’instrumentation virtuelle
Au début, les premiers instruments électriques ont été contrôlés manuellement. Le domaine de l‟instrumentation a fait un grand progrès vers les appareils de mesure sophistiqués gérés par ordinateur et programmés par l‟utilisateur. L‟instrumentation avait les phases suivantes :
➤ Appareils de mesure analogiques,
➤ Appareils d‟acquisition et de traitement de données,
➤ Traitement numérique de données basé sur des systèmes électroniques et informatiques,
➤ Instrumentation virtuelle distribuée .
La première phase est représentée par les premiers appareils de mesure analogiques purs tels que les oscilloscopes analogiques. L‟usage supplémentaire de données ne faisait pas partie du paquet de l‟instrument, et un opérateur devait copier physiquement les données à un cahier en papier ou à une fiche technique. Une représentation complexe ou des procédures de test automatisées ont été plutôt compliquées ou même impossible, comme tout devait être mis manuellement. La deuxième phase a commencé en 1950, par suite de demandes du champ de commande industriel. Les instruments ont commencé à numériser les signaux mesurés en autorisant le traitement numérique de données et en introduisant un contrôle plus complexe ou des décisions analytiques. Cependant, les exigences du traitement numérique en temps réel étaient encore trop hautes. Les instruments étaient encore des boîtes définies par le vendeur. Dans la troisième phase, c‟est la phase qui nous intéresse le plus étant donné qu‟elle concerne surtout notre projet, les instruments de mesure sont devenus basés sur ordinateur. Ils ont commencé à inclure des interfaces qui ont permis la communication entre l‟instrument et l‟ordinateur. Initialement, les ordinateurs ont été utilisés comme des instruments autonomes. Comme la vitesse et les capacités des ordinateurs croissent exponentiellement alors ils sont devenus plus rapides pour des mesures en temps réel complexes. Bien que la performance des ordinateurs soit devenue assez haute, les ordinateurs n‟étaient pas encore faciles à utiliser pour les expérimentations. Presque tous les premiers programmes de commande de l‟instrument ont été écrit en BASIC, parce qu‟il avait été le langage le plus utilisé avec des contrôleurs spécialisés pour l‟instrument. Cela exige des ingénieurs et autres utilisateurs de devenir programmeurs avant d‟être utilisateurs de l‟instrument. Par conséquent, une borne importante dans l‟histoire de l‟instrumentation virtuelle s‟est passée en 1986, quand «National Instruments » a introduit « LabVIEW 1.0 » sur une plate-forme PC (Personal Computer). LabVIEW a introduit des interfaces utilisateurs graphiques (GUI : Graphical User Interface) et une programmation visuelle de l‟instrumentation informatisée, en joignant la simplicité d‟une opération de l‟interface utilisateur avec des capacités élevées d‟ordinateurs. Aujourd‟hui, le PC est la plate-forme sur laquelle la plupart des mesures sont faites, et l‟interface utilisateur graphique a rendu des mesures conviviales. En conséquence, l‟instrumentation virtuelle a rendu possible la baisse du prix d‟un instrument. La quatrième phase est devenue faisable avec le développement de réseaux locaux et globaux d‟ordinateurs, depuis que la plupart des instruments ont déjà été informatisés. Les avances dans les télécommunications et les technologies de réseau ont fait des systèmes du télémédical pour fournir de l‟information médicale et des services à distance, grâce à la distribution physique de composants d‟instruments virtuels. L‟infrastructure possible pour l‟instrumentation virtuelle distribuée inclut l‟internet, les réseaux privés et les réseaux cellulaires où l‟interface entre les composants peut être équilibrée pour le prix et la performance.
Notion sur les instruments virtuels
Du fait des besoins croissants en puissance, capacité, et précision des instruments utilisés dans divers domaines scientifiques, la conception d‟un instrument est toujours révisée. Pour une nouvelle version d‟un instrument, même si juste une petite partie de l‟instrument est à remanier, il fallait remplacer l‟instrument tout entier ! L‟utilisateur était donc constamment contraint à acheter un nouvel instrument (souvent plus coûteux) et à laisser l‟ancienne version. Face à cette situation, des chercheurs ont envisagé une solution plus flexible pour concevoir des instruments reconfigurables, en utilisant des circuits logiques programmables. La reconfigurabilité permet de faire évoluer les fonctionnalités de l‟instrument. Ainsi l‟utilisateur est rassuré que son instrument peut suivre les évolutions des techniques de mesure et des normes. Pour les concepteurs, cette solution leur offre une nouvelle manière de concevoir les instruments, une manière souple, conviviale et rapide. L‟instrument reconfigurable envisagé doit être capable d‟émuler des configurations matérielles complexes. Cette technologie est possible grâce à des circuits logiques également complexes et reprogrammables, ainsi qu‟un langage de haut niveau pour programmer ces circuits. Le but est de concevoir une plateforme matériel/ logiciel réutilisable pour l‟émulation de différents instruments électroniques et scientifiques. L‟architecture est basé sur des partages en blocs indépendants ce qui favorisent la réutilisabilité et l‟aptitude à des évolutions complexes. On peut donner la définition de l’Instrumentation Virtuelle comme l’association d’outils informatiques (ordinateurs, logiciels, réseaux…) et des moyens d’entrée/sortie (interface Série, Parallèle, USB, modules d’acquisition, instruments de mesure…) afin de réaliser des systèmes définis par l’utilisateur.
La définition que nous avons donnée plus haut est très générale. Ceci dit, certains termes sont importants. Par exemple, le fait que le système soit « défini par l’utilisateur » est tout à fait essentiel puisque cela place l’utilisateur au core des préoccupations. Il faut noter que par rapport à des systèmes fermés, prêts-à l‟emploi, propriétaires, l’Instrumentation Virtuelle propose une alternative dans laquelle le concepteur peut utiliser son libre arbitre. Certes, cela impose de faire des choix et des responsabilités mais en contre partie, l’Instrumentation Virtuelle est la seule solution qui permette de concevoir des systèmes dont les coûts sont optimaux et qu’il est possible de faire évoluer. Par exemple, avec un même matériel d’E/S, il est possible de concevoir différents Instruments Virtuels. Outre les économies qui en découlent, c’est surtout un formidable exemple de ce que signifie « systèmes définis par l’utilisateur ». Un jour, l’ensemble matériellogiciel peut être utilisé comme un analyseur de spectre alors que le lendemain, il se comportera comme un enregistreur de données. La réciproque est vraie aussi. En effet, une application peut et doit être utilisée avec différents types de matériel. Par exemple, une première version d’un Instrument Virtuel met en œuvre un boîtier externe USB d’acquisition de données alors que la seconde utilise un module d’acquisition PCI ou tout un système de conditionnement du signal. L‟autre notion importante qui est présente dans la définition est le fait que l’Instrumentation Virtuelle résulte d’une « association » entre le logiciel et le matériel. Fondamentalement, cela signifie que dès leur conception, les logiciels et les matériels utilisés dans un Instrument Virtuels doivent avoir été pensés pour travailler ensemble.
Analyse des coûts
D‟une manière générale, l‟instrumentation virtuelle réduit le coût des mesures. En effet, la conception et la mise en œuvre de systèmes de test et mesure engendrent des coûts fixes et des coûts liés au temps de travail.
a) Les coûts fixes
Les coûts fixes comprennent le prix du package logiciel et du matériel d‟acquisition de données. Dans notre cas, ce prix est de $250 soit environ Ar 600 000. À l‟heure actuelle, grâce à la convivialité des achats en ligne, nous pouvons rapidement et facilement déterminer ces coûts dès que nous savons ce dont nous avons besoin.
b) Les coûts liés au temps de travail
Les coûts liés au temps de travail, en revanche, sont plus difficiles à calculer. En conséquence, ils sont fréquemment oubliés du coût total du système. L‟instrumentation virtuelle combine des logiciels et du matériel modulaire avec des technologies informatiques standards afin de fournir plusieurs solutions capables de minimiser les coûts cachés liés au temps de travail qui interviennent au cours du développement.
En se référant aux données fournies par la société NI (National Instruments) qui est un leader mondial de l‟instrumentation virtuelle, on peut savoir comment les ingénieurs et scientifiques emploient leur temps et, de ce fait, mieux comprendre leurs besoins, NI a enquêté auprès des experts de différents secteurs industriels et de différents pays afin de déterminer la répartition des coûts de leur système de test ou de mesure. Cette enquête a permis de distinguer cinq types de coûts représentés dans la Figure1.1 ci-après pour le développement d‟une application de mesure. Le coût le plus important est le prix des matériels et logiciels, qui représente 36% du total ; autrement dit, c‟est le coût fixe d‟après ce que nous avons vu précédemment [1]. Toutefois, les quatre autres peuvent être regroupés pour former les coûts cachés liés au temps de travail et représentent alors 64% du total. Les dernières innovations de l‟instrumentation virtuelle concernent tout particulièrement ces derniers (développement du logiciel, installation, spécifications du système, validation du système et étalonnage du matériel) et réduisent ainsi les risques d‟échec ou les dépassements de budget.
Conception d’un instrument virtuel
Architecture d’un système Instrument Virtuel Reconfigurable
Un instrument reconfigurable (Reconfigurable Instrument) est un périphérique matériel polyvalent qui peut être configuré en un instrument électronique en utilisant un outil logiciel. Une instrumentation virtuelle reconfigurable (RVI pour Reconfigurable Virtual Instrumentation) est un système matériel et logiciel qui sert à émuler l‟instrument reconfigurable à l‟aide d‟une console virtuelle et d‟une interface graphique. Cette interface graphique permet les réglages et les commandes du matériel à travers la console logicielle comme pour un instrument réel. Une application logicielle de haut niveau fournit une interface graphique à l‟utilisateur qui peut choisir un instrument virtuel comme un oscilloscope numérique, générateur de forme d‟onde, depuis une librairie d‟instruments et configure le système RVI en l‟instrument sélectionné avec sa console. Un approche modulaire permet les évolutions indépendantes des architectures matérielles et logicielles, par le biais de la réutilisation de la plupart des composants développés (codes sources logiciels et cores matériels).
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE I. GENERALITES SUR L’INSTRUMENTATION VIRTUELLE
I.1. Introduction à l‟instrumentation virtuelle
I.1.1. De l‟instrumentation à l‟instrumentation virtuelle
I.1.2. Notion sur les instruments virtuels
I.1.3. Analyse des coûts
I.2. Conception d‟un instrument virtuel
I.2.1. Architecture d‟un système Instrument Virtuel Reconfigurable
I.2.2. L‟instrument reconfigurable
I.3. Introduction aux circuits FPGA
I.4. Le logiciel
CHAPITRE II. LA PROGRAMMATION MATERIELLE
II.1. Les langages de description matérielle
II.1.1. Généralités
II.1.2. VHDL et normalisation
II.1.3. Relation entre une description VHDL et les circuits logiques programmables comme les circuits FPGAs
II.1.4. Utilité du VHDL
II.2. Méthodologie de développement matériel
II.2.1. Analyse des besoins
II.2.2. Spécification et synthèse
II.2.3. Interface VHDL et codage
II.2.4. Simulation
II.3. Les outils de développement matériel
II.3.1. Les principaux outils sur le marché
II.3.2. L‟environnement intégré de conception Actel Libero
II.3.3. La suite Soft Console IDE
II.4. Les circuits utilisés
II.4.1. La carte d‟acquisition d‟Actel « Fusion Embedded Development Kit »
II.4.2. Caractéristiques de Fusion Embedded Development Kit
II.4.3. Le low-cost programming stick ( LCPS) »
CHAPITRE III. LA PROGRAMMATION LOGICIELLE
III.1. Les langages et compilateurs
III.1.1. Le langage C++
III.1.2. Visual C++ et MFC
III.2. Méthodologie de développement logiciel
III.2.1. L‟analyse des besoins
III.2.2. Spécification et conception
III.2.3. Codage
III.2.4. Test du logiciel
III.2.5. Maintenance
III.3. Interfaçage matériel de l‟Instrument Reconfigurable avec le PC
III.3.1. Le port USB
III.3.2. Principe de communication avec le port USB
III.4. Les contraintes du logiciel
CHAPITRE IV. REALISATION D’UN OSCILLOSCOPE VIRTUEL
IV.1. Généralités
IV.2. Conception et développement de la partie matérielle
IV.2.1. Synoptique du système à concevoir
IV.2.2. Le flot de conception de l‟oscilloscope (Hardware design flow)
IV.2.3. Conception de la carte fille pour l‟oscilloscope
IV.3. Conception et développement de la partie logicielle
IV.3.1. Synoptique du système à concevoir
IV.3.2. Présentation de l‟interface utilisateur de l‟oscilloscope virtuel
CHAPITRE V. REALISATION D’UN GENERATEUR DE FORME D’ONDE
V.1. Généralité
V.2. Conception et développement de la partie matérielle
V.2.1. Synoptique du système à concevoir
V.2.2. Le flot de conception du générateur de forme d‟onde (Hardware design flow)
V.2.3. Conception de la carte Fille pour le générateur de forme d‟onde
V.3. Conception et développement de l‟interface utilisateur de la partie logicielle
V.3.1. Synoptique du système à concevoir
V.3.2. Présentation de l‟interface utilisateur du générateur de forme d‟onde
CONCLUSION
ANNEXE
