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

Aperçu

Si vous possédez une multitude de bus pour vous connecter à un instrument, il peut se révéler difficile de choisir celui qui correspond le mieux aux besoins de votre application. Chaque bus présente des avantages différents et des optimisations possibles. Pour vous aider à choisir, posez-vous ces quatre questions et considérez, les unes après les autres, les options des bus de PC les plus courantes.

Des informations supplémentaires sur les bus de contrôle d'instruments

1. Quels sont les bus disponibles sur l'instrument et l'ordinateur ?

Les instruments offrent souvent au moins une option de bus pour leur contrôle et les PC offrent également bien souvent plusieurs choix de bus de contrôle d'instruments. Lorsqu'un PC n'intègre pas nativement le bus qui est disponible sur l'instrument, il peut bien souvent être ajouté sous la forme d'une carte enfichable ou d'un convertisseur externe. Il existe plusieurs bus pour le contrôle d'instruments qui peuvent être divisés dans les catégories suivantes :

  • Les bus autonomes sont utilisés pour communiquer avec des instruments empilés dans une baie. 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. Vous pouvez utiliser certains bus autonomes comme support pour d'autres bus autonomes, tels que le convertisseur USB-vers-GPIB.
  • Les bus modulaires intègrent le bus d'interface à l'intérieur de l'instrument lui-même. Les bus PCI, PCI Express, VXI et PXI font partie de cette catégorie. Ils peuvent également être utilisés comme moyen d'ajouter un bus autonome à un PC qui n'en intègre pas, tel qu'une carte de contrôle NI PCI-GPIB.

2. De quelles performances ai-je besoin ?

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

  • La largeur de bande est la vitesse de données qui est habituellement mesurée en millions de bits par seconde.
  • La latence est le temps de transfert habituellement 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.
  • L'architecture de l'instrument, son logiciel, son firmware et son matériel affecteront 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, décide des compromis optimaux de la mise en œuvre.

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Figure n°1. Comparatif entre les largeurs de bande théoriques et les latences des principaux bus de test et mesure.

3. Dans quel environnement l'instrument sera-t-il utilisé ?

Au moment de créer une application de contrôle d'instruments, il est important de considérer l'environnement dans lequel il sera utilisé. 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).

Les spécifications en termes de robustesse de l'interface et du câblage
Si vos instruments se trouvent dans des environnenents bruyants, comme des environnements industriels, envisagez d'utiliser un bus d'interface capable d'offrir une protection contre ces éléments environnementaux. Par exemple, dans une usine, le GPIB ou l'USB serait un bien meilleur choix de par la robustesse de l'interface et du câblage blindé.

4. Avec quelle facilité le bus pourra-t-il être configuré ?

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 sa popularité auprès des utilisateurs. Pour les systèmes de contrôle d'instruments qui se trouveront là où la sécurité peut poser problème, vous devez savoir que Ethernet/LAN/LXI risque de ne pas être permis par votre service Informatique. Si vous décidez que 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.

Guide de sélection pour les bus les plus courants

Bus Largeur de bande (Mo/s) Latence (µs) Distance (m) (sans extension) Configuration et installation Robustesse des connecteurs
GPIB

1.8 (488.1)

8 (HS488)

30 20 Bonne Excellente
USB 60 (Hi-Speed)

1000 (USB)

125 (Hi-Speed)

5 Excellente Bonne

Ethernet/

LAN

12,5 (rapide)

125 (Gigabit)

1000 (rapide)

1000 (Gigabits)

100 Bonne Bonne
PCI 132 1.7 Bus de PC interne Très bonne

Très bonne

Excellente (pour PXI)

PCI Express

250 (x1)

4000 (x16)

0,7 (x1)

1,7 (x4)

Bus de PC interne Très bonne

Très bonne

Excellente (pour PXI)

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

Présentation des bus pour matériels de contrôle d'instruments

GPIB

Le bus GPIB (General Purpose Interface Bus) est l'une des interfaces d'E/S les plus répandues parmi les instruments autonomes. Le GPIB est une interface numérique, à 8 bits parallèles de communication, avec des vitesses de transfert de données pouvant atteindre les 8 Mb/s. Ce bus offre un contrôleur de système pour 14 instruments au maximum, et le câblage est limité à 20 m max. Vous pouvez passer outre ces deux restrictions en utilisant des câbles d'extension 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.

Découvrir les produits de contrôle d'instruments destinés au GPIB

Série

Le protocole de communication série se retrouve essentiellement sur les anciens PC de bureau ou les anciens portables. Ne le confondez pas avec l'USB. Il s'agit d'un protocole 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 communication série est simple. Le port série envoie et reçoit des octets d'informations un bit à la fois. Bien que ce soit plus lent que la communication parallèle, qui transmet un octet entier à la fois, c'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 complètent la communication en utilisant trois lignes de transmission : le sol, la transmission et la réception. Comme les ports série sont asynchrones, ils peuvent simultanément transmettre des données sur une ligne et en recevoir sur une autre. Il existe d'autres lignes pour le handshaking mais elles ne sont pas nécessaires. Les caractéristiques de la communication série les plus importantes sont la vitesse de baud, les bits de données, les bits d'arrêt et la parité. Pour que deux ports puissent communiquer, ces paramètres doivent correspondre.

Découvrir les produits de contrôle d'instruments destinés à la communication série

USB

L'USB (Universal Serial Bus) a été initialement conçu pour connecter des matériels périphériques PC, comme des claviers, des souris, les scanners, et des disques durs, au PC. Ces dernières années, le nombre de matériels qui supportaient la connectivité USB a crû de façon effoustouflante. 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 Hi-Speed est capable de vitesses de transfert de données pouvant atteindre 480 Mbit/s (60 Mo/s). La toute dernière spécification USB, l'USB 3.0, possède un mode SuperSpeed, dont la vitesse de transfert de données théorique peut atteindre les 5 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 pour l'industrie 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. Également, 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 pour 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 attractive pour le contrôle d'instruments. On le définit sous le nom d'IEEE Standard 802.3 et il offre des configurations qui supportent 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, ces vitesses ne sont que rarement obtenues 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.

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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 pour le contrôle d'instruments. En raison de sa large bande passante, le PCI est également utilisé comme bus de transport pour les instruments modulaires, où les E/S sont intégrées dans le matériel de mesure.

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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 hautes performances et économique, 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 est 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.

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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 pour le contrôle d'instruments. Mais vu sa très grande vitesse, le PCI Express peut servir de bus de transport pour les instruments modulaires.

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VXI

Le bus VXI (VME eXtensions for Instrumentation) fut la première tentative de norme industrielle multifournisseur spécifique à l'instrumentation. Il a été défini en 1987 puis standardisé comme IEEE Standard 1155. Le bus VXI présentait toutefois quelques inconvénients, dont le manque de standard logiciel, l'incapacité d'obtenir un débit de système accru de façon significative, et l'incapacité d'atteindre un coût de système réduit, car le VXI ne profitait pas des technologies standard des PC vendus dans le commerce.

Étapes suivantes

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