Cours Capteurs Intelligents Chapitre2 [PDF]

Zitiervorschau

Cours capteurs intelligents

Présentée par

Dr. Jabri Ihssen

Plan du cours Chapitre 2 : Architecture du capteur intelligent 1.

Structure du capteur intelligent a.

Bloc capteur

b.

Bloc transmetteur

c.

Exemple: Structure d’un capteur intelligent

2.

Sous-système Capteur

3.

Convertisseur analogique-numérique a.

Echantillonnage

b.

Transmission du signal

4.

Sous-système processeur a. Architecture de microcontrôleur b. Sélection du microcontrôleur c. Mémoire

5.

Interface de communication a. Interface périphérique série (SPI) b. bus I2C c. Sélection de bus

6.

Protocole de communication a. b.

Standard Modbus Protocole HART

Structure du capteur intelligent Un capteur intelligent a une structure très variable et dépend fortement des technologies utilisées

Unité de Calcul Local+ Fonctionnalités diverses

• Plus largement, le concept de capteur intelligent se décompose ainsi:  Un ou plusieurs transducteur(s).  Un système de conditionnement du signal (programmable ou contrôlé)

 D'une mémoire.  D'une alimentation.  D'un organe intelligent interne permettant un traitement local et l'élaboration d'un signal numérique.

 D'une interface de communication.

Structure du capteur intelligent

Structure d'un capteur intelligent un capteur intelligent peut être décomposé en deux blocs: Bloc Capteur

Bloc transmetteur

Structure d'un capteur intelligent :Bloc capteur • Le bloc capteur est composé de : 1) Un ou plusieurs transducteurs : utilisés pour générer des signaux électriques représentatifs des grandeurs principales mesurandes que l’on cherche à observer (température, pression, tension d’alimentation, gaz poisons etc.) ; 2) PROM : utilisé pour le stockage de données relatives aux transducteurs (numéro d’identification, grandeur mesurée, caractéristiques métrologiques) utilisées dans les traitements numériques ; Cette PROM, en communication avec le microprocesseur du bloc transmetteur, lui fournira sur sa demande l'identification du bloc capteur et les paramètres de correction à appliquer.

• Le bloc capteur réalise trois fonctions de base : 1) Les mesures de diverses grandeurs physiques (principale et parasites) au moyen de transducteurs appropriés; 2) l'identification du capteur, stockée dans une PROM; 3) mémoire des caractéristiques métrologiques des transducteurs dans cette même PROM, pour permettre les calculs de correction

Structure d'un capteur intelligent :Bloc transmetteur • Le bloc transmetteur est composé de : 1) Des Conditionneurs de signaux : multiplexeurs, amplificateurs, filtres, convertisseurs CAN

2) un microprocesseur effectuant les calculs de corrections avec l'aide de PROM et RAM gérant tous ces auxiliaires en langage numérique et assurant la communication (émission/réception) grâce à une interface de communication avec le bus externe sur lequel est raccordé le transmetteur; 3) Des organes actifs : commutateurs pour effectuer certaines procédures d’auto-ajustage, d’autodiagnostic ou de reconfiguration. 4) Bus de communication interne numérique sur lequel sont raccordés les différents composants obéissant au microprocesseur; 5) convertisseur numérique/analogique permettant de disposer, si besoin est, d'un signal type 4-20 mA, ou 0 V-5 V, ou 2V-10 V etc ...

• Le bloc transmetteur, réalise trois fonctions de base: 1) Alimentation de tous les composants; 2) Calcul, par microprocesseur avec les PROM associées de la grandeur physique mesurée corrigée des effets parasites; 3) Communication avec le réseau ou le système d'acquisition, permettant l'envoi d'informations (mesures, états, contrôles internes .. .) et la réception d'ordres ou de données, le tout sous forme numérique.

Structure d'un capteur intelligent: transmetteur • Le microprocesseur, pour l'élaboration du signal de mesure, commande, via le bus interne de communication • le multiplexeur pour acquérir les signaux issus des transducteurs, interroge la PROM du bloc capteur pour les corrections, exécute l'algorithme de correction, tient compte éventuellement d'autres corrections propres au phénomène physique, mises en mémoire dans une PROM auxiliaire. • Pour la communication, l'interface avec le bus externe reçoit une nomenclature d'identification et de demande de message, transmet le message demandé (mesure, état, alarme .. .) et une nomenclature de fin de message.

Structure d'un capteur intelligent Cette constitution en deux blocs aux fonctions bien distinctes : • le bloc capteur ( mesures brutes/identification/"mémoire" métrologique) • le bloc transmetteur (alimentation / calculs / communication) montre bien que l'intelligence se trouve dans le transmetteur et non dans l'ensemble détecteur/capteur. • l'intelligence ne réside pas dans l'élément capteur proprement dit (ensemble corps d'épreuve et détecteur, ou encore transducteur), mais dans l'ensemble électronique qui, à partir des signaux issus des capteurs, délivre un signal élaboré, sous une forme compatible avec le calculateur central ou le réseau.

Structure d'un capteur intelligent: Exemple

Structure interne d’un capteur intelligent de pression

Structure d'un capteur intelligent: Exemple Mesure et reconnaissance automatique de composants chimiques

Le sous-système capteur • Intègre un ou plusieurs capteurs physiques et fournit un ou plusieurs convertisseurs analogique-numérique ainsi que le mécanisme de multiplexage pour les partager • Contient un transducteur, un appareil qui convertit une forme d'énergie dans une autre forme d'énergie, généralement dans un énergie électrique (tension). • La sortie du transducteur est un signal analogique ayant un grandeur continue en fonction du temps. • Un convertisseur analogique-numérique est nécessaire pour interfacer un sous-système de détection avec un processeur numérique.

Le sous-système capteur Capteur

Domaine application

Événement détecté

Transport

Explication

Irrégularités dans le rail, la boîte d'essieu ou les roues d'un système de train

Accéléromètre AVM

Accélération 2D et 3D de mouvements de personnes et d'objets

Activités volcaniques

Capteur d'émission acoustique

SHM

Ondes élastiques générées par l'énergie libérée lors de la propagation des fissures

Mesure les changements ou déplacements micro-structurels

Capteur acoustique

Transport et pipelines

Vibration de pression acoustique

Détection de véhicule; Mesurer la structure irrégularités; Contamination gazeuse

Capteur de capacité

Pennsylvanie

Concentration de soluté

Mesurer la teneur en eau d'un sol

Rayonnement infrarouge des objets

Détection de mouvement

Capteur infrarouge Soins de santé et HM passif

Classifications des capteurs Type

Exemples

Pression

manomètres, baromètres, jauges d'ionisation

Optique

photodiodes, phototransistors, capteurs infrarouges,

Acoustique

résonateurs piézoélectriques, microphones

Mouvement, vibration

accéléromètres, capteurs de débit massique d'air

Position

GPS, capteurs à ultrasons, capteurs à infrarouge, inclinomètres

Chimie

capteurs de pH, capteurs électrochimiques, capteurs de gaz infrarouges

Humidité

capteurs capacitifs et résistifs, hygromètres, capteurs d'humidité à base de MEMS

Rayonnement

détecteurs à ionisation

Classifications des capteurs

Convertisseur analogique-numérique • Une (ou plusieurs) voie de mesure, à laquelle est connecté un élément sensible à une grandeur physique à mesurer ; un accéléromètre, une jauge, un thermocouple, un MEMS • Pour chaque voie de mesure, un étage qui met en forme l’information analogique (électrique, optique, mécanique) du capteur et la convertit en une information numérique (octets, niveaux logiques) avec un CAN • Les étapes principales de toute conversion analogique-numérique sont :  L’échantillonnage, La quantification,  le codage.

Convertisseur analogique-numérique • Echantillonnage • Un signal numérisé est un signal analogique qui a été échantillonné. Cela signifie que l’on a à intervalles réguliers lu la valeur du signal. • Le nombre d’évènements lus par secondes correspond à la fréquence d’échantillonnage. Cette fréquence doit être suffisamment grande si l’on veut préserver la forme originale du signal.

Convertisseur analogique-numérique Echantillonnage • Le théorème de Nyquist-Shannon dit que la fréquence d’échantillonnage doit être égale ou supérieure à 2 fois la fréquence maximale contenue dans le signal. • La qualité du signal numérique dépend également directement du nombre de bits utilisés pour coder le signal source. Le nombre de valeurs différentes pouvant être discrétisées est égal à 2n (n = nb de bits utilisés).

Convertisseur analogique-numérique Exemple: Echantillonnage de la musique Notre oreille perçoit les sons jusqu’environ 20 000 Hz. La fréquence d’échantillonnage doit être au moins de l’ordre de 40 000 Hz. Dans le cas d’un CD audio cette fréquence est d’environ 44 000 Hz. Le signal est codé sur 16 bits soit 216 = 65536 valeurs différentes pour chaque échantillon. Entre deux échantillons, le signal a été « gommé ». C’est la raison pour laquelle les mélomanes préfèrent écouter la musique à partir d’un disque vinyle

Convertisseur analogique-numérique Transmission du signal Les capteurs numériques vont être capables de transmettre des valeurs déterminant des positions, des pressions, des températures, etc… Les informations qui sont des combinaisons de signaux 0-1, sont transmises à l’unité de traitement et peuvent être lues soit en parallèle, soit en série

Convertisseur analogique-numérique ► L’échantillonnage : - Le convertisseur analogique-numérique prélève des échantillons du signal analogique à intervalles de temps Te égaux appelés période d’échantillonnage.

-La fréquence d’échantillonnage fe est le nombre de prélèvements effectués par seconde (nombre de mesures effectuées par seconde). Elle définit le nombre de valeurs prélevées au signal analogique par seconde. ► La quantification :

- L’échantillonnage consiste à prélever certaines valeurs d’une fonction continue. On ne va retenir que les valeurs selon un certain pas p de quantification. - La quantification consiste à affecter une valeur numérique à chaque échantillon prélevé. Chaque valeur est arrondie à la valeur permise la plus proche par défaut.

► Le codage : -

La valeur permise est codée par un nombre binaire. Les valeurs numérisées vont être stockées sous forme de bits.

- La qualité de la conversion analogique-numérique, ou numérisation, est d’autant plus grande que le pas p du convertisseur est petit et que la fréquence fe d’échantillonnage est élevée.

Convertisseur analogique-numérique • 1. le signal analogique doit être quantifié • les valeurs discrètes admissibles sont influencées: • (a) par la fréquence et l'amplitude du signal • (b) par les ressources de traitement et de stockage disponibles • 2. la fréquence d'échantillonnage • Le taux de Nyquist ne suffit pas en raison du bruit et des erreurs de transmission • Un sur-échantillonnage est nécessaire en raison du bruit • Résolution du CAN :une expression du nombre de bits qui peuvent être utilisés pour encoder la sortie numérique(M)

• Résolution de tension CAN = plage de mesure de tension divisée par le nombre d'intervalles discrets

où Q est la résolution en volts par pas (volts par code de sortie); Epp est la tension analogique crête à crête; M est la résolution de CAN en bits

Le sous-système du processeur • un processeur dont la fonction minimale est de :  acquérir les données issues de chaque voie de mesure; Interconnecter tous les autres sous-systèmes et certains périphéries exécuter les instructions relatives à la détection, communication et auto-organisation • Il se compose de :  puce de processeur  mémoire non volatile (flash) :stocke les instructions du programme  mémoire active (RAM) : stocke temporairement les données détectées  horloge interne

Le sous-système du processeur - Microcontrôleur :  processeur à usage général , optimisé pour les applications embarquées, faible consommation (puces à faible coût) - DSP : optimisés pour les tâches de traitement du signal - VLSI / ASIC personnalisés: Flexibilité (permet de minimiser la taille de puce)  Uniquement lorsque la vitesse de pic / les performances énergétiques sont nécessaires

Architecture du microcontrôleur • Cœur du processeur (ALU, CU, tableau de registres) • mémoire volatile (RAM) pour le stockage des données • ROM, EPROM, EEPROM ou mémoire Flash pour stocker le code de programme de simple instruction ; • Interfaces d'E/S parallèles • générateur d'horloge: souvent un oscillateur à quartz; • Timer: qui compte les impulsions du quartz interne • un ou plusieurs convertisseurs analogique-numérique internes • Interfaces de communication série

Exemples du microcontrôleur • Texas Instruments MSP430 Destiné à être utilisé dans les applications intégrées Cœur RISC 16 bits, jusqu'à 4 MHz, 2 à 10 KB de RAM, plusieurs DAC, horloge RT

• Atmel ATMega Destiné à être utilisé dans les applications intégrées Contrôleur 8 bits, jusqu'à 16 MHz, 128 KB de programmable mémoire flash, SRAM 4KB, EEPROM 4KB

Mémoire • SRAM (mémoire statique à accès aléatoire) Peut être utilisé pour l'exécution du programme Permet de stocker des lectures de capteur intermédiaires  rapide, mais perd du contenu en cas d'alimentation est interrompu • Mémoire flash (NV)  N'a pas besoin d'énergie pour maintenir les données Ex ROM: pour stocker le programme et les données permanentes et est souvent appelée «mémoire programme».  Peut être utilisé pour le stockage intermédiaire si la SRAM est insuffisante ou si l’alimentation de la RAM doit être désactivée  MAIS: délais d'accès en lecture / écriture plus longs  Meilleur choix si les données doivent être stockées pendant de longues périodes.

Sélection du microcontrôleur Consommation d'énergie: • Consommations d'énergie variables: 0,25 à 2,5 mA/MHz • Consommation en mode veille: 1 à 50 μA • Temps de transition: 6μs à 10 ms. • Plus un processeur peut entrer ou sortir rapidement du mode veille, plus on peut économiser d'énergie. Exigence de tension de fonctionnement: • Typiquement 2,7 V à 3,3 V (1,8 V possible aujourd'hui). Vitesse CPU: • Souvent