Comment choisir le bon bus matériel pour votre système de contrôle d'instruments

Les instruments offrent généralement au moins une option de bus pour les contrôler, et les PC en offrent généralement plusieurs pour le contrôle d'instruments. Lorsqu'un PC n'intègre pas nativement le bus qui est dans l'instrument, ce dernier peut souvent être ajouté sous la forme d'une carte enfichable ou d'un convertisseur externe. Il existe de nombreux bus de contrôle d'instruments et, de façon générale, ils appartiennent à ces catégories :

• Autobus autonomes sont utilisés pour communiquer avec des instruments rack-and-stack. Ils comprennent des bus autonomes spécifiques au test et à la mesure, comme le GPIB et des bus standard sur PC, comme les bus série (RS-232), Ethernet et USB. Certains bus autonomes peuvent être utilisés comme support pour d'autres du même type, tels qu'un convertisseur USB-vers-GPIB.
• Bus modulaires incorporer le bus d’interface dans l’instrument lui-même. Les bus PCI, PCI Express, VXI et PXI font partie de cette catégorie. Vous pouvez aussi utiliser ces bus comme support pour un bus autonome dans un PC qui n'en a pas, tel qu'une carte contrôleur NI PCI-GPIB.

Trois facteurs essentiels affectent les performances du bus : la largeur de bande, la latence et l'architecture de l'instrument.

• Bande passante est la fréquence des données et est généralement mesurée en millions de bits par seconde.
• Latence est le temps de transfert et est généralement mesuré en secondes. Par exemple, dans les transferts Ethernet, de grands blocs de données sont fractionnés en petits segments et envoyés en plusieurs paquets. La latence est la quantité de temps passé à transférer l'un de ces paquets.
• Implémentation d'instruments du logiciel, du firmware et du matériel du bus affectera ses performances. Tous les instruments ne sont pas créés de la même façon et les compromis dans la mise en œuvre effectués par le concepteur de l'instrument, qu'il s'agisse d'un instrument virtuel défini par l'utilisateur ou d'un instrument traditionnel défini par le fournisseur, auront un impact sur les performances de l'instrument. L'un des avantages principaux des instruments virtuels est que l'utilisateur final, de même que le concepteur de l'instrument décident des compromis optimaux de la mise en œuvre.

Figure 1. Comparatif entre la bande passante théorique et les latences des principaux bus de test et mesure.

Au moment de créer une application de contrôle d'instruments, il est important de considérer l'environnement dans lequel elle sera utilisée. Les éléments à considérer en priorité sont la distance entre l'instrument et le PC et les spécifications en termes de robustesse de l'interface et du câblage. Ces deux éléments jouent un rôle essentiel dans le choix du bus à utiliser pour votre système de contrôle d'instruments.

Distance entre l'instrument et le PC

Si vos instruments sont proches du PC (moins de cinq mètres), vous avez la possibilité de choisir parmi tous les types de bus. Par contre, si vos instruments sont loin du PC, par exemple, dans une autre pièce ou dans un autre bâtiment, vous devriez considérer une architecture distribuée de système de contrôle d'instruments. Un système distribué de contrôle d'instruments peut inclure l'utilisation de câbles d'extension, de répéteurs, de convertisseur LAN/LXI ou LAN (par exemple, convertisseur Ethernet-vers-GPIB).

Spécifications de robustesse de l'interface et du câblage

Si vos instruments se trouvent dans des environnements bruyants, tels que des environnements industriels, envisagez d'utiliser un bus d'interface qui offre une protection contre ces éléments environnementaux. Par exemple, dans une usine, le GPIB ou l'USB serait un bien meilleur choix de par les spécifications de robustesse de l'interface et de blindage du câblage.

Gardez en tête la configuration et l'installation au moment de choisir l'interface de votre bus. Pour les déploiements de contrôle d'instruments qui se trouveront dans des secteurs comme le laboratoire où un grand nombre d'utilisateurs interagiront avec le système, pensez à utiliser une interface de bus USB pour sa facilité d'utilisation et son expérience utilisateur homogène. Pour les systèmes de contrôle d'instruments qui se trouveront dans des lieux où la sécurité pourrait poser problème, vous devez savoir qu’Ethernet/LAN/LXI risque de ne pas être autorisé par votre service informatique. Si vous décidez qu’Ethernet/LAN/LXI est la meilleure interface de bus pour votre système de contrôle d'instruments et qu'il sera déployé dans un environnement où la sécurité prévaut, nous vous conseillons de travailler avec votre service informatique tout au long du processus de conception de votre application.

Tableau 1. Bref aperçu des bus pour les matériels d'instruments les plus répandus

GPIB

Le bus GPIB (General Purpose Interface Bus) est l'une des interfaces d'E/S les plus répandues parmi les instruments autonomes. GPIB est une interface de communication parallèle numérique 8 bits offrant des taux de transfert de données pouvant atteindre 8 Mo/s. Ce bus offre un contrôleur de système pour 14 instruments au maximum, et le câblage est limité à 20 m max. Vous pouvez dépasser ces deux limitations en utilisant des modules d'extension ou d’expansion GPIB. Les câbles et les connecteurs GPIB sont polyvalents et sont classés industriellement, pour une utilisation dans n'importe quel environnement.

N'étant pas un bus industriel sur PC, il y est rarement disponible nativement. À la place, vous pouvez ajouter un matériel enfichable, comme une interface PCI-GPIB, un convertisseur externe tel qu'un GPIB-USB, pour ajouter des fonctionnalités de contrôle d'instruments GPIB à votre PC.

Série

Le protocole de communication série se retrouve essentiellement sur les anciens PC de bureau ou les anciens ordinateurs portables. Ne le confondez pas avec l’USB. Le protocole de communication série est largement répandu en instrumentation, et de nombreux matériels compatibles GPIB en disposent avec un port EIA232. Les ports EIA232 et EIA485/EIA422 se nomment aussi RS232 et RS485/RS422.

Le concept de communications série est simple. Le port série envoie et reçoit des octets d'informations un bit à la fois. Bien que cette transmission soit plus lente que la communication parallèle, qui transmet un octet entier à la fois, elle est plus simple et vous pouvez l'utiliser sur de plus grandes distances.

Les ingénieurs utilisent généralement la communication série pour transmettre des données ASCII. Ils établissent la communication à l'aide de trois lignes de transmission : masse, émission et réception. Comme les ports série sont asynchrones, ils peuvent simultanément transmettre des données sur une ligne et en recevoir sur une autre. D'autres lignes sont disponibles pour le handshaking, mais pas obligatoires. Les caractéristiques série importantes sont les débits en bauds, les bits de données, les bits de stop et la parité. Pour que deux ports communiquent, ces paramètres doivent être identiques.

USB

Le bus série universel (USB) a été conçu principalement pour connecter des périphériques PC, tels que des claviers, des souris, des scanners ou des lecteurs de disque, aux PC. Au cours des dernières années, le nombre d'appareils offrant une connectivité USB a considérablement augmenté. L'USB est une technologie Plug-and-Play qui permet à l'hôte USB de détecter automatiquement l'ajout d'un nouveau matériel, de requérir l'identification de ce matériel et de configurer les drivers matériels de manière appropriée.

L'USB 2.0 est entièrement compatible en amont avec les matériels basse et haute vitesse. Son mode Haute vitesse peut supporter des vitesses de transfert de données pouvant atteindre 480 Mbit/s (60 Mo/s). La toute dernière spécification USB, l'USB 3.0, possède un modeSuperSpeed, dont la vitesse de transfert de données théorique peut atteindre les 5,0 Gbit/s.

Bien que l'USB soit conçu au départ pour être un bus pour périphériques de PC, sa vitesse, sa large disponibilité et sa facilité d'utilisation font de lui un bus attractif pour une utilisation dans les applications de contrôle d'instruments. Cependant, on note quelques inconvénients dans son utilisation pour le contrôle d'instruments. D'abord, les câbles USB ne sont pas classés industriellement et peuvent générer des pertes de données potentielles en environnement bruyant. De plus, il n'existe pas de mécanisme de fixation des câbles USB : ils peuvent être retirés du PC ou de l'instrument relativement facilement. Par ailleurs, la longueur de câble maximum dans les systèmes USB est de 30 m, en incluant l'utilisation de répéteurs en ligne.

Ethernet

L'Ethernet est une technologie mature qui est largement utilisée dans les systèmes de mesure pour ses autres capacités, comme la mise en réseau générale et le stockage de données à distance. Avec plus de 100 millions de PC dotés de capacités Ethernet dans le monde, l'Ethernet offre aussi une option attrayante de contrôle d'instruments. On le définit sous le nom d'IEEE Standard 802.3 et il offre des configurations pouvant supporter des vitesses de transfert de données théoriques de 10 Mbit/s (10BASE-T), 100 Mbit/s (100BASE-T) et 1 Gbit/s (1000BASE-T). Les réseaux les plus courants sont les 100BASE-T.

Les applications de contrôle d'instruments par Ethernet peuvent tirer parti des caractéristiques uniques du bus, dont le contrôle à distance des instruments, le partage d'instruments simplifié et une publication facile des résultats. De plus, les utilisateurs bénéficient des avantages des vastes réseaux Ethernet existants dans leur entreprise ou dans les laboratoires. Cependant, cet avantage peut poser un problème dans certaines entreprises où il implique les administrateurs réseau dans les applications techniques traditionnelles.

Les vitesses de transfert actuelles, le déterminisme et la sécurité constituent d'autres inconvénients propres à l'Ethernet en tant que bus de contrôle d'instruments. Bien que les réseaux Ethernet puissent atteindre une vitesse de transfert théorique de 1 Gbit/s, celle-ci n’est que rarement obtenue sur un réseau réel en raison du trafic réseau externe et de l'inefficacité du transfert de données. De plus, en raison de l'incertitude des vitesses de transfert, le déterminisme n'est pas assuré dans les communications par Ethernet. Enfin, les utilisateurs de données sensibles doivent prendre des mesures de sécurité supplémentaires pour assurer l'intégrité et la confidentialité des données.

PCI

Le bus PCI n'est pas utilisé de manière classique directement pour le contrôle d'instruments, mais en tant que bus de périphériques, afin de connecter des matériels GPIB ou série de contrôle d'instruments. En raison de sa large bande passante, le PCI est également utilisé comme bus de transport des instruments modulaires, où les E/S sont intégrées dans le matériel de mesure.

PXI

Le PXI (PCI eXtensions for Instrumentation) est une plate-forme durcie sur PC, destinée aux systèmes de mesure et d'automatisation. Le PXI associe les fonctionnalités électriques du bus PCI avec le boîtier Eurocard durci et modulaire du CompactPCI, et ajoute des bus de synchronisation spécialisés ainsi que des fonctionnalités logicielles essentielles. Cela en fait une plate-forme de déploiement à la fois bon marché et à hautes performances, idéale pour les systèmes de mesure et d'automatisation. Ces systèmes sont très utiles dans des applications telles que le test en production, l'aérospatiale et la défense, la surveillance industrielle, l'automobile et le test industriel. Développé en 1997 et lancé en 1998, le PXI a été introduit comme un standard industriel ouvert, destiné à satisfaire les exigences croissantes des systèmes d'instrumentation complexes. Désormais, le PXI est administré par le groupe PXISA (PXI Systems Alliance), qui regroupe plus de 65 entreprises ayant signé une charte et qui promeut le standard PXI, assure l'interopérabilité et maintient la spécification PXI. Le PXI est largement utilisé en tant que plate-forme d'instrumentation modulaire qui offre une alternative intéressante à l'instrumentation autonome traditionnelle, via des matériels de mesure hautes performances dotés de ressources de cadencement et de synchronisation intégrées.

PCI Express

Comme le PCI, le PCI Express n'est pas utilisé directement pour le contrôle d'instruments, mais en tant que bus périphérique afin de connecter des matériels GPIB aux PC de contrôle d'instruments. Mais vu sa très grande vitesse, le PCI Express peut servir de bus de transport des instruments modulaires.

Étapes suivantes

• Télécharger le guide complet sur la façon de construire un système de contrôle d'instruments
• Voir tous les produits GPIB, Série et Ethernet de NI