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Les capteurs analogiques vous parlent

Youssef Belgnaoui

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- Connectez-les au système d'acquisition de signaux et ils déclineront leur identité. - C'est l'objectif du standard IEEE P1451.4 en cours d'adoption. - Plusieurs fabricants ont déjà adapté ce standard à leurs produits.

Si vous avez déjà égaré une fiche d'étalonnage ; si vous vous êtes acharnés sur vos câbles pour connecter correctement des dizaines de capteurs à leurs unités de conditionnement ; si vous vous êtes creusés la tête pour trouver le moyen simple et efficace pour inventorier vos capteurs... Alors vous allez être soulagés : de nombreux fabricants vont implanter une technologie plutôt simple sur leur produit. Elle rendra leurs capteurs autoreconnaissables par les systèmes de conditionnement de signaux auxquels ils se connectent.

Le "plug and play" arrive

Les capteurs analogiques autrefois muets accèdent à la parole. Ils déclineront désormais leur identité.

Bref, les capteurs traditionnels sont invités à faire leur entrée dans l'univers du plug and play. La fonctionnalité est a priori accessible à n'importe quel type de capteur qui convertit un phénomène physique (pression, température...) en un signal électrique (tension, courant, résistance).

Pour saisir tout l'intérêt du dispositif, il faut se souvenir que les capteurs analogiques délivrent un signal dont l'intensité varie proportionnelle-ment au paramètre physique mesuré. De plus, pour que le dispositif de traitement interprète correctement le signal de mesure, il faut le paramétrer selon les caractéristiques propres au capteur.

Typiquement, la configuration d'un système d'acquisition s'effectue en deux étapes. On commence par saisir manuellement dans le conditionneur de signaux les données relatives aux capteurs (sensibilité, gamme de mesures, facteurs d'échelle, etc.). On ajuste ensuite l'unité conditionnement par logiciel ou directement sur sa face avant, afin qu'elle puisse traiter correctement les signaux qui sont délivrés par ce capteur.

A priori, tout cela n'est pas bien compliqué. Sauf que la procédure prend un temps considérable lorsqu'il faut multiplier ces opérations pour des dizaines ou des centaines de voies de mesure. Sans compter les nombreuses erreurs lors du report des informations ou lors du branchement des capteurs. L'arrivée de capteurs plug and play va changer tout cela. Les manipulations seront sensiblement simplifiées. Elles le seront d'autant plus que des capteurs autoreconnaissables de diverses origines pourront être utilisés avec les conditionneurs de signaux de n'importe quel constructeur.

Cette compatibilité est garantie par le respect du standard IEEE P1451.4. Cette norme fait partie de la famille IEEE 1451 qui s'intéresse à la standardisation des interfaces des transducteurs intelligents. C'est un projet de norme qui devrait être validé cette année par l'IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Mais plusieurs fabricants de capteurs ont d'ores et déjà adapté les spécifications de ce standard à leurs produits.

Le standard IEEE P1451.4 s'est plus particulièrement intéressé à la définition d'un mécanisme simple pour doter les capteurs et actionneurs analogiques traditionnels des fonctionnalités d'autoreconnaissance par les systèmes d'acquisition et leurs unités de conditionnement. Il définit une interface en mode mixte (Mixed Mode Interface) capable de délivrer des signaux analogiques et numériques. L'interface analogique transmet alors le signal reflétant le phénomène physique mesuré (pression, température, force, etc.).

La mémoire Eeprom suit toujours le capteur

Une interface numérique complémentaire a été spécifiée. Cette communication série numérique est utilisée pour lire les informations contenues dans une mémoire embarquée dans le capteur. « Toutefois, si le circuit mémoire ne peut être intégré à côté de l'élément sensible du capteur par manque de place ou pour d'autres raisons propres à la technologie ou à l'environnement de mesure, il pourra être placé au niveau du connecteur à l'extrémité du câble », indique Philippe Baucour, directeur marketing chez National Instruments.

Cette mémoire de type Eeprom (Electrically erasable programmable read only memory) contient toutes les informations relatives au capteur. Celles-ci sont rassemblées dans un format normalisé afin de pouvoir être lues par n'importe quel matériel de conditionnement et d'acquisition. Ce fichier de données a été baptisé Teds (Transducer electronic data sheet). C'est la véritable fiche technique électronique du capteur. Le Teds contient des informations sur le fabricant du capteur, le type de capteur, son numéro de série, sa gamme de mesures, sa sensibilité, ses spécifications d'étalonnage, etc.

Le Teds est l'élément clé de l'IEEE P1451.4. Sa structure a été définie de manière à répondre aux exigences spécifiques d'une large gamme de capteurs. « Le standard est là pour définir les différents champs de l'Eeprom. Les premiers bits déterminent le type de capteur et la façon dont vont être décodées les informations suivantes », explique Philippe Baucour. La première portion du Teds dévoile les données permettant d'identifier le capteur (fabricant, modèle, numéro de série). Elle est suivie par une liste de données techniques complémentaires spécifiques à chaque catégorie de capteurs (gamme de mesures, niveaux des signaux délivrés, sensibilité, date d'étalonnage). Il s'agit de toutes les caractéristiques nécessaires pour configurer correctement l'unité de conditionnement.

Le projet de norme spécifie toute une panoplie de formats de Teds standards pour chaque type de capteur. Celle-ci comprend les microphones et accéléromètres IEPE (Integrated electronics for piezoelectric), les capteurs de pression IEPE, les capteurs à pont de Wheatstone, les jauges de contraintes, les transducteurs de force et de charge, les thermocouples, les sondes de température RTD, les thermistances, les capteurs de déplacement LVDT/RVDT, les capteurs avec sortie de courant ou de tension, etc.

Les erreurs de câblage

pourront être évitées

Enfin, la dernière partie du Teds est laissée à la disposition de l'utilisateur. Ce dernier pourra enregistrer des informations relatives à son application directement dans la mémoire du capteur. « Il pourra y inscrire l'emplacement du capteur, la date du prochain étalonnage ou toute autre caractéristique qui lui est propre. Il aura ainsi accès à ces données en interrogeant le capteur via l'unité de conditionnement. Sur des bancs d'essais employant des centaines de capteurs, cette fonctionnalité est très intéressante », souligne Pascal Fremaux, ingénieur des ventes chez Kistler.

« Cela permettra d'éviter les erreurs de câblage, la saisie manuelle de données et réduira le temps de mise en oeuvre d'un essai en éliminant le temps passé à vérifier quel est le capteur qui est au bout du câble », ajoute Franck Retourné, PDG de PCB Piezotronics. L'interchangeabilité des capteurs est également facilitée. Lorsqu'un capteur est endommagé au cours d'un test, il pourra être changé rapidement. Le système d'acquisition et de conditionnement prend aussitôt en compte les nouveaux paramètres du capteur. En revanche, deux types d'interfaces ont été définis pour que l'unité de conditionnement accède au signal analogique de mesure et aux données numériques contenues dans la mémoire Teds.

La première, dite de Classe 1, est principalement destinée aux transducteurs piézo- électriques alimentés en courant constant, tels que les accéléromètres et les microphones. Il s'agit d'une paire de câbles qui va transmettre séquentiellement le signal analogique et le signal numérique grâce à un simple système de commutation.

La seconde, dite de Classe 2, sera adoptée par la plupart des capteurs. L'interface numérique dédiée à la mémoire Teds est séparée de la sortie analogique du capteur. La liaison analogique du capteur reste inchangée. Mais on lui adjoint parallèlement une interface numérique deux fils pour la transmission des données Teds.

Cette approche permet d'implémenter la fonctionnalité plug and play à pratiquement tout type de capteur. Elle rend également possible l'adaptation des capteurs d'ancienne génération à cette technologie. Il "suffit" de leur ajouter le circuit mémoire.

Des Teds virtuels

Sensotec propose un kit grâce auquel le composant mémoire peut être monté sur le connecteur du capteur ou sur le capteur lui-même et un adaptateur spécifique attaché au câble du capteur. Lem ne souhaite pas, pour l'instant, intégrer de mémoire Teds à ses capteurs de courant et de tension. Il préfère adhérer au concept de Teds virtuels de National Instruments (voir encadré ci-dessus). « Mais nous projetons à terme de concevoir des capteurs avec mémoire Teds », observe Loïc Moreau, directeur marketing chez Lem.

Bien entendu, une unité de conditionnement de signaux adaptée est nécessaire pour accéder aux données contenues dans la mémoire Teds. Toutefois, un capteur Teds peut être utilisé avec un conditionneur conventionnel, mais qui n'aura pas accès à la mémoire Teds. À l'inverse, un capteur classique pourra être employé avec un conditionneur Teds, mais il ne bénéficiera pas pour autant des fonctionnalités Teds. En tout cas, la norme IEEE P1451.4 se veut universelle. La mémoire de n'importe quel capteur Teds doit pouvoir être adressée par n'importe quel conditionneur Teds, quels qu'en soient les fabricants.

UNE NORME EN COURS D'ADOPTION

- La famille des normes IEEE 1451 compte cinq membres. Elle s'intéresse à la standardisation des interfaces de communication des capteurs afin de les rendre plus fonctionnels, donc plus intelligents. - Le standard IEEE P1451.4, qui devrait être adopté cette année, en est le quatrième membre. Il spécifie le type d'interface à intégrer aux capteurs analogiques afin que les systèmes de conditionnement et d'acquisition de signaux puissent les identifier automatiquement en accédant aux données techniques stockées dans leur mémoire. - Ces informations sont réunies dans un fichier standard appelé Teds (Transducer Electronic Data Sheet).

LES VIEUX CAPTEURS PRENNENT AUSSI LA PAROLE

Il est tout à fait possible d'utiliser les capteurs traditionnels dans un système d'acquisition plug and play. Toutefois, dépourvus de mémoire Teds, ils ne seront pas autoreconnaissables. Pour ne pas laisser les capteurs d'ancienne génération complètement muets, National Instruments a développé le concept de Virtual Teds. À travers une base de données rassemblant les informations des modèles existants fournies par les constructeurs des capteurs, les utilisateurs vont pouvoir télécharger sur www.ni.com les fichiers Teds dont ils ont besoin. Un travail collectif Une douzaine de fabricants de capteurs travaillent avec National Instruments, au sein du plug and play Sensors Program, au développement de ce concept et à la promotion de la norme IEEE P1451.4. « Grâce à ces Teds virtuels, les ingénieurs vont désormais pouvoir tirer avantage de cette nouvelle technologie avec les capteurs existants et bénéficier ainsi d'une transition en douceur vers l'utilisation de capteurs intégrant leur propre mémoire Teds », explique Philippe Baucour de National Instruments. Cependant, si les Teds virtuels fournissent toutes les informations nécessaires à la configuration de l'unité de conditionnement, ils n'empêcheront pas les erreurs de câblage.

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