Applications d`utilisateurs

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NATIONAL INSTRUMENTS
Applications d’utilisateurs
Cette brochure rassemble les articles candidats
au concours des meilleures applications de 2014,
ainsi que les gagnants des différentes catégories
Acquisition/enregistrement de données
Automatismes industriels et systèmes embarqués
Enseignement et recherche
Instrumentation/test électroniques
france.ni.com
Table des matières
Qui va faire en sorte que la
« recherche de réseau »
ne soit plus qu’un
lointain souvenir ?
GPSfit, démonstrateur de cinématique de siège pour véhicules sous LabVIEW
Adetel Group
2
Développement d’un programme de reconstruction d’images en Imagerie
par Résonance Magnétique (IRM)
Centre d’IRM fonctionnelle de Marseille
4
Pilotage d’une chaîne d’acquisition pour l’étude et le développement
d’un système d’injection sans aiguille
Crossject
6
Plate-forme expérimentale de géothermie verticale
École Nationale d’Ingénieurs de Metz
8
Automatisation d’un filtre optique Yenista XTM-50
Laboratoire de Physique de la
Matière Condensée de Nice
10
Production de graphène par dépôts chimiques en phase vapeur
Onera
12
LabVIEW devient mobile et réalise des mesures de protection cathodique sans fil
Styrel Technologies
14
Développement d’une plate-forme de test automatisée pour calculateur
de contrôle d’inclinaison
Véléance
16
Mise en place d’un système de détection et de diagnostic de défaut des
machines électriques tournantes
ENSEM et Lorelec
18
Mesure de gaz à effet de serre par spectroscopie laser sous ballons sondes
grâce à NI LabVIEW Real-Time et FPGA
Université de Reims
20
Du mât d’alimentation autonome aux services intelligents connectés
IDSUD Énergies
22
Robot « Droïde R2D2 Geiien » contrôlé par tablette tactile
IUT de Tours
24
SOGEBOX – Surveillance en continu et à distance de centrales hydrauliques
Sogema Services
26
Banc à rouleaux climatique mobile
V-Motech
28
Construction d’une plate-forme de caractérisation et de validation pour transistors
organiques hautes performances
Mines Saint-Étienne
30
Pilotage d’un drone AR 2.0 Parrot à partir des mouvements du corps interprétés
par une Kinect
ESIGELEC
32
LabVIEW et NI Vision Assistant aident au prototypage dúne station de contrôle
pour quadricoptère destiné à localiser et à suivre des moutons
Harper Adams University
34
Logiciel de calcul de coïncidences de photons et statistiques temporelles Nouvelle Interface pour le TDC ID800 ID Quantique
Laboratoire de Physique de la
Matière Condensée de Nice
36
Découvrir l’électronique en classe de seconde à travers la conception de robots
Lycée Colbert
38
Ping Pong Player : un outil d’animation ludique sur tablette tactile
Université Technologique
Belfort Montbéliard
40
Banc de test automatisé de relayage et de puissance des blocs de traction pour TGV
Arcale
42
Portage de l’environnement de simulation d’un composant FPGA développé
pour l’aéronautique (DO254-A) vers un banc de validation physique
Barco Silex
44
Plate-forme de test d’un système de navigation par satellite avec
un transcepteur de signaux vectoriels
M3 Systems
46
Logiciel d’acquisition pour la caractérisation de détecteurs infrarouge
Médiane Système
48
Étude et réalisation d’une solution automatisée de test de fiabilité sur silicium
d’un amplificateur de puissance pour application de téléphonie mobile à 1,9 GHz
STMicroelectronics Central R&D
50
Émulation de canal pour communications par satellite géostationnaire
Télécom Bretagne
52
You and NI will. L’industrie sans fil évolue rapidement. Pour suivre le rythme de
développement des standards et permettre l’avènement de la technologie 5G, NI propose
des matériels RF flexibles et rapides pilotés par le logiciel intuitif LabVIEW. Découvrez
comment cette solution améliore la communication sur france.ni.com.
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Les autres noms de produits et de sociétés mentionnés sont les marques ou les noms de leurs propriétaires respectifs. 19819
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1
GPSfit, démonstrateur de cinématique
de siège pour véhicules sous LabVIEW
Le logiciel permet de visualiser le parcours du véhicule, ses
coordonnées, ainsi que la pression dans chaque coussin. Il est
également possible de changer manuellement les consignes de
pilotage des coussins.
Par Agnès BROUCK, Adetel Group
Un bilan concluant pour le confort du conducteur
L’OBJECTIF
LA SOLUTION
Valider la plus-value d’un système guidé par GPS, capable
d’anticiper les courbes d’un trajet en gonflant les coussins
du siège afin d’améliorer la tenue et l’assise du conducteur
dans les virages.
Utiliser la technologie USB de NI à la fois pour sa compacité et
sa facilité de mise en œuvre, ainsi qu’un module NI USB-6008
pour l’acquisition des capteurs de pression et deux modules
NI USB-6225 pour le pilotage des pompes et des électrovannes.
Après plusieurs séances de mise au point et de paramétrage
sur route, les résultats ont été très concluants et ont permis
d’améliorer considérablement le confort du siège dans les
passages de courbes.
Une démonstration du système a été présentée sur l’événement
NIDays 2014.
Pour en savoir plus, vous pouvez contacter :
GPSfit est un démonstrateur de pilotage des coussins d’un siège
automobile par GPS dont la spécification, la conception et la
réalisation ont été confiées par Faurecia à Adeneo (Adetel Group).
La solution technique devait répondre aux contraintes de coûts,
de performances, d’évolutivité mais surtout d’encombrement afin
d’être embarquée sur un véhicule. Le système doit piloter quatre
coussins par l’intermédiaire d’un GPS, de deux pompes, de quatre
capteurs de pression et de deux blocs de huit électrovannes.
Description détaillée du système
Le système contrôle les coussins en boucle fermée. La consigne
de pilotage est calculée à chaque instant en fonction de la position
GPS du véhicule et de l’anticipation.
Cette consigne est définie selon une formule mise au point par
Faurecia et recodée en LabVIEW dans l’automate de pilotage
par Adeneo. Celle-ci prend en compte de nombreux paramètres
(vitesse du véhicule, rayon de courbure du virage, sexe, mensurations
et taille du conducteur) afin d’adapter le gonflage de chaque
coussin du siège et d’optimiser l’assise en fonction de la morphologie
du conducteur.
Une fois la consigne de gonflage calculée pour chaque
coussin, celle-ci est appliquée par l’activation de pompes et
d’électrovannes à l’aide du module NI USB-6225 et régulée
par l’intermédiaire de capteurs de pressions mesurées à l’aide
du module NI USB-6008.
Agnès BROUCK
Responsable pôle Moyens d’essais
Adetel Group
4, rue Émile Baudot
91120 Palaiseau
+33 (0)1 80 75 01 55
[email protected]
www.adetelgroup.com
Le gonflage doit être suffisamment anticipé afin que le maintien
du conducteur soit optimal de l’entrée à la sortie du virage. De
plus, la vitesse de gonflage doit être suffisamment rapide sans
pour autant incommoder le conducteur.
Des contraintes liées à l’encombrement
et au matériel
L’espace était particulièrement réduit et le boîtier ne devait pas
dépasser des dimensions supérieures à 25 cm x 25 cm. Nous
avons dû empiler les composants en respectant une hauteur
limite de 5 cm.
Ce boîtier devait pouvoir être transportable
et s’interfacer facilement avec un PC portable
et une tablette PC. La solution USB de NI a
donc été la plus adaptée puisqu’elle respecte
la contrainte de taille et qu’elle est parfaite
pour une utilisation sur tablette et sur
portable via leurs ports USB.
Logiciel de pilotage et d’affichage
IHM de pilotage développée en LabVIEW version Windows optimisée pour les tablettes
“La solution USB de NI a donc été la plus adaptée
puisqu’elle respecte la contrainte de taille et qu’elle est
parfaite pour une utilisation sur tablette et sur portable
via leurs ports USB.”
2 france.ni.com
L’applicatif de pilotage a été développé en
LabVIEW par Adeneo afin de s’interfacer
facilement avec les modules USB de NI,
mais aussi de développer et de réaliser
rapidement une interface homme-machine
(IHM). Deux versions ont été créées, une
pour PC portable et une autre optimisée
pour les tablettes PC avec une IHM adaptée
à des fonctions tactiles (ce qui a des
répercussions sur la taille des commandes
et dispense de l’utilisation d’un clavier).
Deux ports USB sont nécessaires : le
premier permet de piloter le boîtier contenant
les modules USB de NI, le second est utilisé
pour le GPS.
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3
Développement d’un programme de
reconstruction d’images en Imagerie
par Résonance Magnétique (IRM)
Par Muriel ROTH, Centre d’IRM fonctionnelle de Marseille
Une interface graphique permettant les tests des
algorithmes de reconstruction
Les données brutes corrigées (plan de Fourier) et les images
reconstruites sont affichées respectivement sur les graphes à
gauche et à droite de la fenêtre de l’interface utilisateur. Un menu
déroulant à gauche permet de sélectionner et d’ordonner les
différentes étapes de reconstruction :
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L’OBJECTIF
LA SOLUTION
Développer un environnement de reconstruction d’images en
IRM pour les besoins du Centre d’IRMf et à visée pédagogique,
présentant une plus grande ouverture et modularité que les
programmes fournis par les constructeurs de systèmes IRM.
Implémenter un projet modulaire sous LabVIEW permettant la
lecture des données brutes issues de différents systèmes d’IRM
(données codées dans le plan de Fourier, plan des fréquences
spatiales des images), l’application de plusieurs techniques de
correction des artéfacts, puis la reconstruction des images et
leurs sauvegardes dans différents formats d’images.
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Le centre d’IRM fonctionnelle de Marseille (INT - UMR7289) est
une plate-forme d’imagerie offrant aux équipes de recherche en
neurosciences les moyens d’étudier le fonctionnement du cerveau
par IRM. La reconstruction des images en IRM est proposée par
tous les constructeurs des systèmes d’IRM. Mais souvent, la
correction des artéfacts dus à l’acquisition dans le plan de Fourier
des données pourrait être meilleure en utilisant des algorithmes
plus adaptés.
Notre solution a donc été de développer, de manière très
modulaire et intégrée dans un projet LabVIEW, un programme
de reconstruction des images permettant de tester plusieurs
algorithmes de correction des artefacts et de sauvegarder les
images dans un format adapté aux logiciels de traitement utilisés
par les chercheurs en neurosciences.
Ces trois clusters sont génériques et indépendants des
environnements matériels et logiciels des constructeurs.
D’autres clusters sont également gérés afin de définir les
formats des images désirés en sortie du programme.
■■
Une programmation modulaire au sein d’une
machine d’état
Le pipeline du processus de reconstruction est complexe et long.
En particulier l’ordre des étapes peut être primordial et dépendant
de la spécificité des données acquises. Nous avons donc mis en
place une machine d’état dont le déroulement va s’adapter à la
nature des données.
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Des définitions de type génériques et évolutives
■■
Les paramètres d’acquisition et de reconstruction sont lus et
stockés dans des clusters transmis facilement d’un module de
reconstruction à un autre.
Regridding : en imagerie rapide, les points du plan de Fourier ne
sont pas échantillonnés sur une grille cartésienne. Avant d’utiliser
la transformation de Fourier numérique pour obtenir l’image, les
points sont ré-échantillonnés sur une grille cartésienne.
Reordering Raw Data : les données brutes acquises doivent
être réarrangées dans un ordre standard avant la transformation
de Fourier.
DC Offset Correction : les données brutes sont des données
complexes dont la partie réelle et la partie imaginaire ne sont
pas acquises sur la même voie analogique. Le décalage
d’intensité moyenne entre ces deux voies est corrigé pour
éviter des artéfacts sur les images.
Ghost Correction : lorsque le signal est déphasé une ligne sur
deux dans le plan de Fourier (ce qui est fréquent pour certaines
acquisitions rapides), on observe une image décalée d’un
demi-champ de vue qui se superpose à l’objet dans le plan
image. Cette image fantôme est fortement atténuée après
correction du déphasage entre les lignes.
Half-Fourier Filling : pour accélérer certaines acquisitions en
IRM, il est possible de n’échantillonner qu’une partie du plan
de Fourier. Les points manquants peuvent être interpolés par
différentes techniques.
Interface du programme de reconstruction : les différentes étapes
de reconstruction apparaissent sur les listes à gauche. Les résultats
obtenus sont présentés dans le plan de Fourier (K-Space)
et dans le plan image (Slice reco).
Grâce à la généricité des modules et à la spécificité des cibles
d’exécution d’un code LabVIEW, il pourra être envisagé à terme
de déployer l’algorithme sur une machine temps réel afin de
reconstruire les données en parallèle de l’acquisition.
Remerciements :
Hugo DARY, stage de fin d’études à l’INP Phelma de Grenoble (2012).
Muriel ROTH
Centre d’IRM fonctionnelle de Marseille
INT, Timone
264, rue Saint-Pierre
13005 Marseille
+33 (0)4 91 38 47 59
[email protected]
irmfmrs.free.fr
Apodization : les transitions entre les données acquises du
plan de Fourier et les zéros doivent être lissées par diverses
fonctions d’apodisation avant la transformation de Fourier finale.
Zero-Filling : cette technique consiste à remplir le plan de
Fourier par des zéros afin d’obtenir la taille désirée des images
après transformation de Fourier (cela revient à une interpolation
sinc dans le plan image).
Trois clusters sont utilisés pour le projet de reconstruction :
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Les outils de la bibliothèque mathématique de LabVIEW, les
transformées et la gestion native du type complexe ont permis
de programmer rapidement et efficacement chaque module.
un cluster des paramètres d’acquisition des données d’IRM
un cluster des paramètres désirés pour la reconstruction
des images
La modularité des projets LabVIEW
un cluster des paramètres temporaires utilisés par les
algorithmes de reconstruction.
Le projet de reconstruction que nous avons développé
comprend donc :
Les deux premiers clusters sont sauvegardés avec les images
reconstruites afin de garder la trace des méthodes de
reconstruction utilisées.
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“Les outils de la bibliothèque mathématique
de LabVIEW, les transformées et la gestion
native du type complexe ont permis de
programmer rapidement et efficacement
chaque module.”
4 france.ni.com
un module permettant l’application du pipeline de reconstruction
à une série de données
un ensemble de sous-programmes de calcul qui sont régulièrement
complétés et optimisés
une interface graphique permettant la visualisation des données
brutes initiales et des images reconstruites.
Ce développement permet de s’adapter aisément à des données
issues d’autres systèmes d’IRM ou de reconstruire les images
dans d’autres formats.
Système d’IRM 3 teslas Bruker
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Pilotage d’une chaîne d’acquisition pour
l’étude et le développement d’un système
d’injection sans aiguille
Par Christophe AURIEL, service R&D, Crossject
L’OBJECTIF
LA SOLUTION
Permettre le pilotage d’une chaîne d’acquisition regroupant une
caméra rapide vidéo numérique et une instrumentation de type
pression dynamique ; exploiter et analyser également des
données acquises.
Mettre en œuvre le logiciel LabVIEW et des modules
complémentaires, tels que NI Vision Development, pour
piloter la carte d’acquisition, la caméra rapide vidéo numérique
et l’amplificateur de charge utilisé dans l’instrumentation de
pression. La solution permet également l’exploitation des
données recueillies et l’édition d’un rapport.
Crossject est une start-up française qui a développé ZENEO, un
système d’injection sans aiguille, unique au monde, conçu pour
améliorer la sécurité, le confort des patients et permettre une
meilleure observance du traitement.
Une technologie innovante unique au monde
ZENEO est un dispositif d’injection sans aiguille pré-rempli, à
usage unique. Le dispositif peut être utilisé pour des injections
intradermiques, sous-cutanées ou encore intramusculaires. Le
dispositif embarque un micro générateur de gaz basé sur une
technologie de type airbag permettant de générer un gaz qui
comprime la dose de médicament laquelle, projetée sous très forte
pression à travers des buses en contact avec la peau du patient,
transperce la peau et atteint la profondeur d’injection désirée.
ZENEO : le fruit d’une recherche multidisciplinaire
L’étude et le développement de cette technologie ont nécessité
d’importantes ressources et compétences réunies à travers des
partenariats avec des leaders mondiaux dans leurs domaines tels
que Hirtenberger, groupe reconnu pour son savoir-faire dans les
technologies de type airbag et prétentionneur de ceinture de sécurité.
La performance d’injection du dispositif dépend de différents
paramètres tels que la profondeur, la quantité délivrée et le temps
d’injection. Pour assurer une injection optimale, la maîtrise de ces
différents paramètres est indispensable. Au fil des années, Crossject
a mené de nombreuses études sur les générateurs de gaz ou
encore sur la physique de l’écoulement des fluides et réalisé de
nombreux essais. Dans le cadre de méthodes expérimentales,
l’instrumentation du dispositif et l’acquisition d’images à haute
vitesse de l’injection sont devenues une nécessité pour appréhender
les phénomènes en jeu.
De par la durée d’injection inférieure à cent millisecondes et les
dimensions réduites du dispositif ZENEO, le choix d’un capteur de
pression miniature s’est porté sur la technologie piézoélectrique
particulièrement adaptée à la mesure de variation rapide de
pression. Le capteur est mis en œuvre avec un amplificateur de
charge. Simultanément, l’utilisation d’une caméra rapide vidéo
numérique est apparue indispensable dans la compréhension
des phénomènes physiques et la quantification de ces derniers.
En 2008, Le choix s’est porté sur une caméra PHOTRON
1 000 images/seconde à pleine résolution et jusqu’à
109 500 images/seconde à résolution réduite. L’acquisition
de la caméra a été complétée avec une carte d’acquisition
INTERFACE AMITA à échantillonnage simultané analogiquenumérique et numérique-analogique jusqu’à 1 MHz.
Création d’une application adaptée,
personnalisée et évolutive
Ces matériels étaient initialement interfacés séparément et pilotés
à l’aide d’applications fournies par les différents constructeurs.
Dans un souci de qualité des essais et des mesures réalisées,
la création d’une interface adaptée et personnalisée permettant
le pilotage de la chaîne d’acquisition et l’exploitation des données
a été envisagée pour offrir plus de souplesse et de performances.
La solution LabVIEW associée à quelques modules complémentaires
tels que NI Vision Development a été retenue pour son environnement
de développement complet et particulièrement adapté à la mesure
et à notre besoin. En effet, LabVIEW propose tous les outils
nécessaires au contrôle des instruments de mesure et à
l’exploitation des résultats via des bibliothèques spécifiques.
Dispositif d’injection sans aiguille ZENEO
6 france.ni.com
IHM permettant de piloter l’acquisition
données vidéo démarre lors du
déclenchement du dispositif d’injection
sans aiguille. Les données synchronisées
sont alors enregistrées. Le VI exploite, dans
un second temps, les données recueillies
pour extraire des points caractéristiques
des courbes de pression gaz à l’aide des
bibliothèques mathématiques et traitement
des signaux, puis affiche les résultats.
Le module NI Vision Development est
également utilisé lors de l’acquisition vidéo
pour l’enregistrement des images par bus
PCI, mais également pour l’exploitation
des données. Les positions et vitesses
successives du piston, sur lequel s’exerce
la pression gaz, sont relevées image par image
à l’aide des fonctions de la bibliothèque
complète de traitement d’images. Enfin, des
rapports de mesure sont automatiquement
générés à la demande de l’utilisateur sous
forme de tableur regroupant les valeurs
caractéristiques et les courbes associées.
Une évolution matérielle pour
de nouvelles perspectives
d’expérimentation
La mise en place de l’application a permis
de réduire significativement les erreurs de
manipulation et les pertes de données.
La solution a également apporté un gain
considérable de temps dans l’exploitation
des résultats. Par ailleurs, les perspectives
d’évolution de l’application sont nombreuses :
de l’optimisation de cette dernière à l’ajout
Visualisation des données traitées de pression gaz et vidéos
de nouvelles fonctionnalités telles que
l’enregistrement des images du jet en sortie
LabVIEW : automatisation et suppression
de buse et l’exploitation des images pour obtenir des résultats de
des erreurs de manipulation
vitesse et des résultats qualitatifs sur la zone dense du jet et la
Notre principale application créée à partir de LabVIEW permet
zone détachée de la zone dense.
donc de piloter les différents matériels évoqués précédemment et
d’acquérir simultanément le profil de pression du micro générateur
Nous envisageons également l’évolution du matériel caméra rapide
de gaz, ainsi que les données vidéo de la dynamique de la dose
vidéo numérique et de la carte d’acquisition dédiée puisque le PCI
médicamenteuse, contenue entre deux pistons, lors de l’utilisation
est dorénavant obsolète. En plus de cela, les caméras rapides
du ZENEO.
actuellement sur le marché proposent des vitesses d’acquisition
de 800 000 images/seconde en format partiel ce qui permettrait
L’amplificateur de charge est interfacé à l’aide d’un port série RS-232C
d’améliorer la qualité des expérimentations actuelles mais aussi
et les paramètres généraux dont la plage de mesure, les filtres,
d’ouvrir de nouvelles perspectives d’expérimentation. Concernant la
la plage de la sortie de tension sont chargés automatiquement.
carte d’acquisition, l’option privilégiée est une carte NI USB-6361
L’ensemble des paramètres (dont la sensibilité du capteur
BNC offrant un niveau de performances inégalé grâce aux
piézoélectrique) peuvent être modifiés, via l’application, par
technologies de cadencement et de synchronisation NI-STC3,
l’opérateur sans passer par la manipulation fastidieuse du bouton
ainsi qu’à un échantillonnage de 1 MHz multivoies.
de commande rotatif de l’amplificateur. Lorsque les réglages sont
Pour en savoir plus vous pouvez contacter :
validés, l’amplificateur commute automatiquement en mode mesure
Christophe AURIEL
et l’acquisition simultanée des données de pression et des
Crossject
60L, avenue du 14 Juillet
“LabVIEW propose tous les outils nécessaires 21300 Chenôve
+33 (0)3 80 54 98 50
au contrôle des instruments de mesure
[email protected]
et à l’exploitation des résultats via des
[email protected]
bibliothèques spécifiques.”
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7
Plate-forme expérimentale de géothermie verticale
instruments ultra-performants de marque YOCOGAWA à affichage
intégré. Ces instruments présentent l’intérêt d’avoir également
des sorties analogiques connectées à la carte d’acquisition
NI PXI-6238.
Félix OCANA, ENIM, École Nationale d’Ingénieurs de Metz
L’OBJECTIF
LA SOLUTION
Acquérir, mettre en forme et stocker l’ensemble des paramètres
énergétiques de notre plate-forme de géothermie à capteur
vertical. Nous souhaitons, en particulier, mesurer les températures
jusqu’à 90 m de profondeur, avec une incertitude des mesures
inférieure à 0,2 °C.
Utiliser un système NI PXIe-1078 avec un contrôleur temps
réel ; réaliser les mesures des températures grâce à une sonde
multipoints de 120 m, composée de sondes pt100 Ω, quatre fils
et associée à une carte d’acquisition NI PXI-4357 RTD ; garantir
des mesures fiables grâce à l’étalonnage Cofrac de la chaîne
d’acquisition complète.
Nous avons également monté sur le châssis une carte NI 8234
qui propose deux sorties Ethernet. Les données sont envoyées
vers un serveur de sauvegarde, mais également vers un panneau
numérique pour afficher les principales données énergétiques de
la plate-forme.
Banc de mesure des pertes de charges linéaires,
connecté au châssis PXI Express
Enfin, le châssis NI PXIe-1078 a été surdimensionné (neuf
emplacements au total) afin de permettre des évolutions ultérieures,
comme le raccordement des bancs connexes ou l’adjonction de
panneaux solaires thermiques sur la plate-forme.
Une plate-forme de géothermie multi-physique
Dans le cadre du développement du laboratoire d’énergétique
de l’ENIM, nous avons souhaité introduire la notion d’énergie
renouvelable comme prétexte à l’étude des phénomènes physiques
classiques. Grâce au cofinancement de l’ENIM, de l’ESITC et de
la Région Lorraine, nous proposons aujourd’hui une plate-forme
complètement instrumentée, sur le thème de l’énergie géothermique.
L’installation est dimensionnée pour le chauffage et la climatisation
d’une habitation de 140 m2 suivant la norme RT 2012, c’est-à-dire que
sa consommation d’énergie primaire est limitée à 50 kWhep/m2/an.
À cette installation viennent s’ajouter sept bancs connexes pour
illustrer les aspects physiques spécifiques.
Dès lors, la plate-forme permet de réaliser plus de dix activités
pédagogiques différentes sur plusieurs domaines de la physique
(bilan énergétique, thermodynamique, thermique bâtiment,
thermique des sols et mécanique des fluides).
Au final, nous n’avons pas retenu le châssis CompactRIO – pourtant
plus abordable –, car le module d’acquisition de température RTD
avec une précision typique de 0,15 °C présentait une incertitude
trop importante pour notre application. Enfin, les sondes de
températures multipoints connectées à notre système PXI
Express ont été étalonnées en étuve à 8 °C et 18 °C, lors
d’un étalonnage Cofrac.
Implantation de la plate-forme de géothermie (de gauche à droite,
aérotherme, PAC, pompes, panneau de commande, banc pertes
de charges linéaires)
En effet, nous avons choisi de calculer les énergies par la mesure
distinctes des températures et des débits, ce qui nous permet de
choisir les capteurs avec la résolution souhaitée.
Un cahier des charges rigoureux pour l’acquisition
des données énergétiques
Afin de calculer la performance énergétique réelle de l’installation,
nous avons choisi d’acquérir l’ensemble des données énergétiques,
24H/24, pendant toute la durée de vie de l’installation.
Nous avons également mis en place un panneau lumineux,
indiquant au public les principales données de l’installation
(puissance électrique consommée, puissance thermique restituée,
énergie extraite du sol, économies annuelles, tonnes de CO2
économisées). Celui-ci doit être piloté par le système sans avoir
recours à un ordinateur externe.
La mise en forme de ces données et leur stockage doivent
également être effectués de manière autonome sans avoir
recours à un ordinateur.
Le choix d’un contrôleur temps réel NI PXIe-8100 RT, fonctionnant
24H/24, s’est imposé comme la meilleure solution. Le recours
à une solution Web par télégestion, plus légère dans sa mise en
place, n’a pas été retenu car nous souhaitions maîtriser la gestion
et la pérennité des données collectées. En parallèle, nous
souhaitions mesurer les températures dans le sous-sol, afin de
quantifier l’impact thermique d’une installation de géothermie
sur son environnement. Or le gradient de température dans le
sous-sol n’excédant pas 2,5 °C entre -20 m et -90 m, nous avons
choisi de réaliser sept points de mesure tous les 15 m, ce qui
8 france.ni.com
Le châssis reçoit également une carte NI PXI-6238 afin d’acquérir
l’ensemble des données énergétiques de la plate-forme (puissance,
débit, pression). Nous avons retenu la carte NI 6238, pour sa
polyvalence. Elle présente l’avantage d’avoir deux compteurs
ainsi que des entrées numériques et analogiques utilisées pour
les capteurs de débits, de puissance électrique et de pressions
différentielles.
Initialement, les mesures des énergies étaient prévues par des
compteurs d’énergies autonomes fonctionnant suivant le protocole
M.Bus, mais leur faible résolution et leur incertitude élevée nous
ont incités à abandonner ces produits.
Opération de forage à 99 m au pied de l’ENIM en août 2014
correspond à une variation de température d’environ 0,3 °C entre
deux points de mesure.
Pour réaliser des mesures fiables, nous avons retenu une sonde à
résistances multipoints de 120 m de longueur, constituée de sept
capteurs RTD, Pt100 Ω à 0 °C, montage quatre fils, qui présentent
la particularité d’être appairés afin de proposer un delta T maximal
de 0,06 °C entre tous les capteurs.
Notre choix s’est orienté, pour les mêmes raisons, sur la carte
d’acquisition NI PXIe-4357, dont la précision typique est de 0,09 °C.
L’ensemble présente ainsi une incertitude de 0,15 °C compatible
avec nos mesures. Le choix de la carte d’acquisition au format
PXI Express a naturellement impliqué l’utilisation d’un châssis au
même format.
Pour mesurer les températures, nous utilisons, là encore, des
capteurs RTD connectés à la carte NI PXIe-4357 déjà présente,
et qui disposent de plusieurs entrées encore libres (vingt au total).
Pour la mesure des débits, nous nous sommes tournés vers des
débitmètres électromagnétiques à impulsions, d’où le choix de la
carte PXI-6238.
Enfin, profitant d’une installation grandeur nature constituée de
2x220 m de conduites linéaires, nous avons décidé de mesurer
les pertes de charges dans une des conduites. Afin d’atteindre
des régimes laminaires, la pompe de circulation est pilotée en
fréquence dans un mode dédié. Pour ces mesures délicates
de pressions différentielles et de débit, nous avons retenu trois
“Au terme du projet, le programme
LabVIEW devrait permettre la supervision
et la commande de la totalité de l’installation,
ainsi que le stockage des données collectées.”
Un chantier délicat
Le forage à 99 m et l’introduction des capteurs de température
dans le sol ont nécessité de la part de l’entreprise de forage une
grande vigilance. La livraison et l’installation de la plate-forme se
sont déroulées au second semestre 2014, pour une utilisation en
pédagogie au premier trimestre 2015.
La structuration du programme LabVIEW a été réalisée par un élève
ingénieur au cours de son projet de fin d’études de 5ème année.
Les premières acquisitions de données ont permis de valider la
qualité de la chaîne de mesure et en particulier les températures
dans le sol qui s’avèrent conformes à nos attentes. La partie
« sauvegarde et transfert des données » vers les serveurs
est en cours de finalisation.
Une plate-forme ouverte
Le choix des cartes d’acquisition montées dans le châssis ainsi
que les emplacements laissés libres nous permettent d’imaginer
de nouvelles acquisitions et de développer une partie dédiée à
la supervision.
L’installation présente ainsi plusieurs modules complémentaires
qui ont été livrés avec des capteurs à affichage dédié, mais dont
les sorties (4-20 mA) pourront être connectées au système
PXI Express.
C’est en particulier le cas de la pompe à chaleur (cycle frigo), qui
est instrumentée de manière autonome afin de garantir une mise
en service rapide auprès des étudiants mais dont les sorties
analogiques pourront être reprises sur le châssis PXIe.
Au terme du projet, le programme LabVIEW devrait permettre la
supervision et la commande de la totalité de l’installation, ainsi
que le stockage des données collectées.
Félix OCANA
ENIM – École Nationale d’Ingénieurs de Metz
1, route d’Ars Laquenexy
57078 Metz Cedex 3
+33 (0)3 87 79 68 27 ou +33 (0)6 65 00 79 52
[email protected]
www.enim.fr
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9
Automatisation d’un filtre optique Yenista XTM-50
Par Grégory SAUDER, Laboratoire de Physique de la Matière Condensée de Nice, LPMC – CNRS UMR7332
L’OBJECTIF
LA SOLUTION
Concevoir l’automatisation d’un filtre optique Yenista XTM-50
associé à un logiciel de pilotage intégrant la possibilité de
calibration et d’utilisation du filtre dans le but de réaliser des
rampes de longueurs d’ondes pour des mesures de comptage.
Développer une application LabVIEW communiquant avec des
cartes Phidgets de pilotage de moteurs pas à pas et d’encodeurs
utilisant des cartes de comptage NI PCI-6602 ou NI PCI-6601.
Le logiciel repose sur une conception évolutive qui permet à des
utilisateurs au sein d’un laboratoire de recherche de le modifier ou
d’y ajouter rapidement des fonctionnalités particulières.
Le but premier était de créer un système
d’automatisation de la vis micrométrique
du filtre qui soit d’une part précis, sans
contrainte et à bas coût, et qui permette
Filtre optique Yenista automatisé avant positionnement sur banc mobile
d’autre part de régler la longueur d’onde
possibilité d’auto-calibration si les appareils sont « visibles »
voulue. Afin d’obtenir un « banc automaau lancement du logiciel, bien que la calibration manuelle
tique informatisé », le choix du langage de programmation s’est
soit plus rapide.
orienté vers LabVIEW, utilisé depuis 10 ans au laboratoire. Ce
logiciel a permis de piloter facilement des cartes Phidgets de
le placement : il s’appuie sur les fonctions PID de LabVIEW
commande de moteurs et de mesure sur encodeur.
sur la mesure codeur tout en pilotant le moteur pas à pas. Les
■■
cartes ne permettent que le pilotage direct du moteur (vitesse,
accélération et position en 1/16 pas), les fonctions LabVIEW
permettent d’ajouter les fonctionnalités manquantes d’une unité
de puissance classique. Le déplacement de la vis est précis au
1/10 000 ème de tour ce qui permet une résolution théorique de
1 pm, la bande passante minimale du filtre est de 50 pm.
Un logiciel gérant l’asservissement du banc
de mesure
■■
le comptage de photons : cette partie fait intervenir les fonctions
DAQmx et permet aux utilisateurs de choisir un temps d’intégration
(temps pendant lequel est réellement effectué le comptage) et
le temps de pause entre deux acquisitions. Pour obtenir un
temps d’intégration constant et précis, un compteur est utilisé
comme Gate sur le compteur de mesure.
L’ensemble du banc est asservi informatiquement via l’utilisation
de DLL pour les cartes Phidgets (driver fournit) et d’une carte
NI PCI-6602 ou NI PCI-6601 pour le comptage de photons.
■■
la calibration du banc : cette calibration utilise un laser Yenista
Tunics et un analyseur de spectre ANRITSU MS9710 pouvant
être automatisés via une liaison IEEE. Le logiciel intègre la
10 france.ni.com
Le suivi des événements
Résultat : un banc de mesure à bas coût pour une
automatisation évolutive
Un système d’automatisation
précis, sans contrainte et à
bas coût
Le logiciel réalisé permet :
L’utilisateur peut aussi programmer une rampe de mesures en
fonction des longueurs d’ondes et, avec les mesures acquises,
effectuer un calcul sur la courbe Nombre de photons en fonction
de la longueur d’onde (courbe de type gaussienne), notamment
de la largeur de bande à mi-hauteur en procédant à un calcul
automatique ou manuel.
Comme le codeur utilisé n’est pas absolu, le programme enregistre
les changements de position afin qu’à la fermeture et à l’ouverture
du programme, celui-ci affiche la dernière position et la longueur
d’onde correspondante. L’utilisation des événements est un point
important du logiciel, notamment pour ne pas surcharger le CPU
de l’ordinateur du banc de mesure.
Le Laboratoire de Physiques de la Matière
Condensée est une Unité Mixte CNRS Université de Nice structurée autour de
deux thèmes de recherche. Dans le cadre
du thème MOSAIQ, l’équipe Information
Quantique avec la Lumière et la Matière
souhaitait réduire ses coûts en matériel
en procédant à l’automatisation d’un filtre
manuel existant Yenista XTM-50 et en
développant un logiciel de pilotage du filtre,
tout en permettant le comptage de photons
suivant des rampes automatiques de
longueurs d’ondes variables de 1 450
à 1 650 nm.
Pour la conception de la partie mécanique et de mesures du banc,
le choix s’est porté sur un moteur pas à pas industriel Oriental
Motor, un codeur incrémental 2 500 points Kübler, des cartes
de mesures Phidgets ainsi qu’une platine de translation AXMO
Précision. La partie mécanique a été réalisée au sein de l’atelier
mécanique mutualisé du LPMC. Afin d’éviter tout problème,
le système a été équipé de deux interrupteurs mécaniques
permettant de régler les fins de course pour éviter tout
dommage au moteur, à la vis micrométrique et au filtre optique.
Page d’accueil du logiciel. La partie inférieure est une aide permettant
d’afficher des informations à l’utilisateur lors du passage de la souris
sur certaines commandes ou indicateurs.
La principale difficulté de ce banc de mesure résidait dans la
réalisation de l’automatisation avec un budget restreint. L’utilisation
de cartes de commandes de moteur et de codeur réservées au
modélisme – mais dont les drivers sont disponibles sous le logiciel
LabVIEW utilisé au laboratoire – ont permis de réaliser un banc de
mesure et d’automatisation d’un filtre dont le logiciel est évolutif
pour les utilisateurs, et à bas coût pour le laboratoire. La partie
mécanique et la protection du banc a été réalisée au sein du
LPMC par l’atelier mécanique composé de Frédéric LIPPI et
Christophe PITIOT.
Grégory SAUDER
Laboratoire de Physique de la Matière Condensée
Université de Nice - Sophia Antipolis
Avenue Joseph Vallot – Parc Valrose
06108 Nice
+33 (0)4 92 07 65 45
[email protected]
www.lpmc.unice.fr
Onglet permettant à l’utilisateur le choix d’une longueur d’onde et le
comptage de photons pour les réglages des bancs d’optiques
Le filtre optique sur son banc mobile
“Afin d’obtenir un « banc automatique
informatisé », le choix du langage de
programmation s’est orienté vers LabVIEW,
utilisé depuis 10 ans au laboratoire.”
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11
Production de graphène par dépôts
chimiques en phase vapeur
LAURÉAT
2014
Par Bruno PASSILLY, Onera
L’OBJECTIF
LA SOLUTION
Développer un banc de fabrication de revêtements de graphène
par la technique de dépôts chimiques en phase vapeur. Le graphène
est un matériau innovant ayant des caractéristiques physiques
hors du commun. Dans l’industrie aéronautique, le graphène
est pressenti, par exemple, pour participer à l’élaboration de
matériaux composites pour alléger les structures.
Concevoir un banc clé-en-main basé sur du matériel CompactDAQ
piloté sous LabVIEW afin d’assurer la production de revêtements
de graphène en gérant l’ensemble des instruments présents sur
le banc et en pilotant la régulation des débitmètres, de la pression,
de la température, tout en étant capable d’actionner et de visualiser
l’ensemble des vannes du process ainsi que l’ensemble des
dispositifs de sécurité.
Face-avant de l’écran de contrôle
Le graphène est un matériau qui a la particularité de se présenter
sous forme de feuillet d’une seule épaisseur d’atomes de carbone
organisés en nids d’abeille. Son avenir est assuré dans les
domaines de l’électronique (écrans souples, électronique haute
fréquence, nanoélectronique), de l’environnement (batteries,
chargeurs, capteurs de pollution atmosphérique, dessalage de
l’eau de mer), de la santé (thérapie ciblée) ou des matériaux.
Meilleur conducteur que le cuivre, plus résistant que l’acier mais
beaucoup plus léger, le graphène pourrait par exemple contribuer
à la construction d’avions plus légers et donc moins gourmands
en énergie.
Pour répondre à ce besoin stratégique, l’Onera s’est lancé dans
la définition d’un banc CVD (Chemical Vapor Deposition) qui est
une des voies prometteuses pour la production de graphène en
quantité (cf. Ill. 1).
Un dialogue multi-instruments
La réalisation d’un dépôt de graphène est subordonnée au
déroulement d’un ensemble d’étapes. Premièrement, le vide
limite est obtenu par un groupe de pompage équipé d’un piège
à azote liquide pour condenser les résidus des réactions de
décomposition du gaz précurseur. Ensuite le point de consigne du
four à induction (1 000 °C) et la rampe de montée en température
sont fixés sur le système de régulation et la montée en chauffe est
enclenchée. À la température de consigne, le débit des gaz est
fixé et les gaz sont injectés dans l’enceinte à vide. La pression
de travail est entretenue par laminage d’une vanne de régulation
sur l’entrée du groupe de pompage. L’ensemble de ces actions :
vanne de régulation, débitmètres, régulation en température sont
générées en dialoguant par liaison série sous LabVIEW avec le
programme. Le dialogue entre les différents instruments de
contrôle permet de modifier aisément chaque paramètre.
La production de graphène est réalisée à partir d’un gaz précurseur,
le méthane, qui est décomposé à 1 000 °C sous vide. L’introduction
d’hydrogène est utilisée pour préparer la surface de dépôt et
pour diluer le gaz précurseur. Pour les dépôts de carbure de
silicium (SiC) ou de nitrure de Bore, on utilise respectivement
le tétraméthylsilane (Si(CH3) 4) et la borasine (B3N 3H 6). Il est
nécessaire d’introduire dans le process un ensemble complexe
de vannes afin d’assurer le mélange de certains précurseurs, de
purger à l’argon les canalisations avant l’introduction des gaz et
de surveiller la mise en fonctionnement des vannes du groupe de
pompage. Ainsi, une vingtaine de vannes sont actionnées et sont
visualisées par l’intermédiaire d’un châssis cDAQ-9178 équipé
de deux modules NI 9485 et de trois modules NI 9423 afin de
pouvoir lire en permanence l’état de l’ensemble des vannes
de l’installation.
12 france.ni.com
Une intégration simple, un résultat rapide
Dans ce type de travail, l’expérimentateur utilisant le programme et
le matériel associé est le meilleur juge pour évaluer si le programme
est convivial et simple à utiliser. Dans le cas présent, la prise en
main du programme par les expérimentateurs n’a pas posé de
problème. Le programme est le centre nerveux de l’installation
et la mise en route du moyen est facilitée par l’aspect graphique
de l’interface. Le plus gros travail a été de s’approprier et de se
familiariser avec le dialogue de chaque instrument. La disponibilité
de drivers et d’exemples de programmes disponibles a largement
diminué le temps de développement du programme qui a nécessité
environ deux mois de travail.
Conclusions et perspectives
Un matériel performant et évolutif
Comme tout moyen de recherche prototype, il est courant que le
cahier des charges initialement élaboré évolue avec les résultats
des premiers essais de fabrication. Il peut s’agir de modifications
importantes comme l’addition d’instrumentations supplémentaires,
ou l’ajout de lignes de gaz, de capteurs, de vannes. Dans le concept
modulaire des châssis CompactDAQ, il est aisé de pouvoir
effectuer ces changements en ajoutant les modules spécifiques.
Une production axée multi-matériaux
“La mise en œuvre de la gestion, du pilotage,
de l’affichage et de la sauvegarde des
données du banc de dépôts chimiques en
phase vapeur a été aisée grâce à la modularité
des produits de la gamme CompactDAQ.”
Pour un usage sous hydrogène, les paramètres de sécurité sont
cruciaux. Pour mener en toute sécurité les essais de dépôts CVD,
un ensemble de capteurs équipent l’installation. Les capteurs
de surpression de l’enceinte, de détection de manque d’oxygène
dans le laboratoire, d’extraction de gaz, de présence de débit d’eau
de refroidissement, de présence de pompage, de surchauffe du
four, de présence de pression de gaz de purge, de ventilation de
l’armoire d’arrivée de gaz et de niveau d’azote liquide sont tous
reliés aux modules CompactDAQ pour pouvoir visualiser l’état de
ces sécurités. Parallèlement à cette visualisation, un automate de
sécurité est chargé d’effectuer les actions de mise en sécurité de
l’installation en introduisant un gaz neutre, en arrêtant le chauffage
et en coupant l’arrivée des gaz en logique câblée.
Exemple d’onglet de l’interface graphique :
gestion des paramètres des débitmètres
La mise en œuvre de la gestion, du pilotage, de l’affichage et de la
sauvegarde des données du banc de dépôts chimiques en phase
vapeur a été aisée grâce à la modularité des produits de la gamme
CompactDAQ. La construction de l’application a abouti à un produit
fini et convivial qui englobe la gestion totale d’un ensemble
d’instruments. L’application est évolutive et les premiers dépôts
de graphène réalisés dans notre centre de recherches permettent
déjà d’envisager de futurs développements sur la base de ceux
réalisés dans le présent travail.
Afficher, enregistrer, alerter
Grâce à une conception à onglets, différentes pages sont affichées
sur l’écran de contrôle. Ainsi, une page « synoptique » (cf. Ill. 2)
permet de voir d’un coup d’œil l’intégralité des paramètres de
contrôle du process de CVD, ainsi que l’état de l’ensemble des
vannes. Une page « graphique » visualise la variation de la
pression, des débits gazeux, de la température du four, en fonction
du temps. D’autres onglets dédiés au réglage de chaque instrument
sont disponibles afin d’accéder au paramétrage des débitmètres
(cf. Ill. 3), de la régulation de la température et de la pression.
Banc CVD pour dépôt de graphène : (1) baie de contrôle (2) générateur
de chauffage à induction (3) sécurités d’eau (4) enceinte à vide
(5) groupe de pompage (6) armoire d’arrivée des gaz précurseurs
Bruno PASSILLY
Onera
DMSC
29, avenue de la division Leclerc
92322 Châtillon Cedex
+33 (0)1 46 73 45 54
[email protected]
www.onera.fr
Parallèlement un dossier est créé pour chaque essai afin d’enregistrer
les paramètres de l’essai et les fichiers des données comportant le
temps, la pression, les débits gazeux, la température du four, ainsi
que l’état binaire de toutes les vannes et seuils d’alarmes afin
d’analyser un éventuel problème technique.
france.ni.com
13
LabVIEW devient mobile et réalise des
mesures de protection cathodique sans fil
Par Sébastien MICHAUD, Ingénieur Test et Mesure, Styrel Technologies
L’OBJECTIF
LA SOLUTION
Construire un logiciel mobile et tactile permettant de communiquer
sans fil avec un capteur de protection cathodique. Garantir sa
robustesse pour le distribuer en tant que produit à part entière.
Architecturer un véritable produit, et répondre au challenge des
nombreuses interfaces du logiciel (webcam, GPS, bluetooth, écran
tactile…). Pour ce double défi, LabVIEW s’est imposé comme une
solution idéale de par son environnement en mode projet et sa
palette immense de fonctions existantes.
L’interface avec la webcam est réalisée
grâce à une DLL Windows, prouvant une
nouvelle fois la capacité de LabVIEW à
intégrer aussi bien du matériel que du
logiciel tiers.
Le driver GPS a été développé via VISA
que l’on ne présente plus. Le décodage des
trames est fait grâce à la norme NMEA.
L’application est entièrement tactile et ne
requiert pas l’utilisation du clavier visuel de
Windows : deux claviers visuels intégrés
ont été développés spécialement pour
cette application, un alphanumérique
et l’autre seulement numérique.
Un outil de terrain très complet
Un produit à part entière
ADCA est une entreprise française spécialisée dans la protection
cathodique qui propose une gamme de services étendue dans
ce domaine. L’ensemble PC DATA LOGGER d’ADCA permet de
réaliser des mesures de protection cathodique. Il est composé de
deux éléments : IHPC et CPC. L’IHPC est constitué d’un Tablet PC
et d’un logiciel développé sous LabVIEW. Le CPC est le boîtier
d’acquisition de mesures développé en interne par ADCA.
Le projet a été mené en appliquant la
méthodologie du cycle en V. L’architecture
a été étudiée dès le départ pour répondre
aux problématiques de lisibilité, de
maintenabilité et d’évolutivité largement
exposées et décrites à juste titre par NI. La
création des processus et les méthodes de
communication entre eux constituent la clef
d’une architecture logicielle digne de ce
nom. Cela a permis de livrer un logiciel
installable comme un produit à part entière,
et non comme un programme conçu pour
réaliser une tâche spécifique et qui ne sera
pas dupliqué, comme c’est souvent le cas
dans le milieu des bancs de test. Le logiciel
intègre de plus un système de licence, avec
période d’essai de 30 jours.
Le Tablet PC est durci et tactile. Il intègre également une interface
Bluetooth qui lui permet de recevoir et de traiter les informations
du CPC. Ainsi, il est possible de se connecter à distance à un capteur
jusqu’à 100 mètres en champ libre. Lorsque les conditions
météorologiques sont dégradées ou en période hivernale,
cette communication sans fil s’avère très utile.
Branchement d’un CPC sur une électrode
Les données sont visualisées sous forme d’un synoptique ou sous
forme de graphique avec système d’annotation. Trois modes
d’enregistrement sont disponibles : enregistrement instantané,
courte durée et longue durée.
Il est également possible de prendre des photos en utilisant la
webcam intégrée, ce qui facilite la mission du technicien pour
repérer et documenter une intervention. De plus, le logiciel est
capable de se géolocaliser en interrogeant en RS232 un GPS
intégré, ce qui complète cet ensemble d’informations et facilite
la maintenance.
LabVIEW, plate-forme sans limites
Visualisation par courbes et système d’annotations
Capture de photos au travers du logiciel
Le temps de développement s’est avéré
très court en regard des enjeux initiaux. Cela a été possible grâce
à l’environnement LabVIEW dédié au mode projet, grâce aux
nombreuses bibliothèques proposées par NI, et grâce au savoirfaire particulier des ingénieurs Styrel en termes d’architecture.
Le Tablet PC industriel
Une fois sa fiche d’intervention remplie dans le logiciel, le
technicien est certain d’avoir tous les éléments nécessaires.
Le logiciel est donc entièrement pensé pour lui simplifier sa tâche.
L’application finale est robuste, ergonomique, maintenable et
évolutive. National Instruments prouve une nouvelle fois sa
capacité à répondre à merveille à des problématiques de terrain.
Depuis ce projet, ADCA a intégré LabVIEW en interne comme
plate-forme de développement pour Windows.
Des interfaces multiples
Le noyau du logiciel est constitué du driver permettant de
s’interfacer avec le CPC. Celui-ci a été entièrement développé
autour des fonctions Bluetooth peu connues mais pourtant
intégrées en natif dans LabVIEW.
Synoptique du logiciel IHPC et capteur CPC
14 france.ni.com
“L’architecture a été étudiée dès le départ pour
répondre aux problématiques de lisibilité,
maintenabilité et évolutivité largement
exposées et décrites à juste titre par NI.”
Sébastien MICHAUD
Styrel Technologies
86, rue Paul Bert
69003 Lyon
+33 (0)9 82 41 23 94
[email protected]
www.styrel.fr
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15
Développement d’une plate-forme
de test automatisée pour calculateur
de contrôle d’inclinaison
Par Jérôme GAILLARD-GROLEAS, Véléance
L’OBJECTIF
LA SOLUTION
Tester, aussi bien en phase de développement qu’en phase de
production, le système de type électrohydraulique « TCS » (Tilt
Control System) qui joue un rôle clé dans la sécurité du Tri’Ode,
le scooter électrique à trois roues à usage professionnel que
nous développons.
Développer, en partenariat avec l’École Nationale des Mines de
Saint-Étienne, cycle ISMIN au centre Georges Charpak à Gardanne,
un banc robotisé de type “plate-forme de Stewart”, qui permet
de programmer des mouvements selon 6 degrés de liberté, et
qui peut être piloté à l’aide du logiciel LabVIEW et d’une carte
d’acquisition USB multifonction performante NI USB-6343.
performante avec des entrées analogiques rapides et précises
(16 bits différentielles), des sorties analogiques, des entrées/sorties
numériques avec des compteurs/timers et des possibilités de
synchronisation.
La carte NI sélectionnée devait permettre de répondre à ces
besoins, tout en ayant quelques entrées/sorties supplémentaires
afin de permettre d’éventuelles évolutions du banc de test.
Cette plate-forme de test est donc dotée d’une carte d’acquisition
USB multifonctions performante et d’un logiciel développé
avec LabVIEW.
Elle comporte aussi un banc électromécanique de type plate-forme
de Stewart à six degrés de liberté, également piloté par LabVIEW,
via des servomoteurs numériques de robotique.
Ce projet, qui était au départ destiné à un usage purement interne
a ensuite débouché de façon inattendue sur un produit.
En effet, l’académie de Reims s’est montrée intéressée par la
diffusion de ce type de matériel dans un cadre pédagogique. Ce
matériel original permettrait aux élèves des classes de STI2D de
faire le lien entre un produit industriel, à savoir le scooter électrique
à trois roues Tri’Ode, et les moyens d’essais utilisés pour la mise
au point et la production de son calculateur inertiel. L’objectif de
l’académie est de mettre l’accent sur le lien entre la théorie (qui
peut être exprimée avec la plate-forme) et la réalité (le Tri’Ode).
À ce jour, 11 plates-formes à vocation pédagogique ont été
acquises par des lycées dépendant de l’académie de Reims,
ainsi que quatre scooters Tri’Ode.
L’ensemble permet de faire des tests statiques de toutes les
fonctions électroniques et logicielles du calculateur d’inclinaison,
ainsi que des tests dynamiques des capteurs inertiels embarqués,
grâce à la plate-forme motorisée.
Véléance développe des véhicules électriques légers, et en
particulier le Tri’Ode qui est un scooter électrique à trois roues
à usage professionnel. Ces véhicules sont dotés d’un « TCS »
(Tilt Control System), dispositif breveté autorisant un contrôle
d’inclinaison du véhicule de type semi-actif. Ce système
électrohydraulique permet un blocage progressif d’inclinaison
du véhicule, apportant ainsi un niveau élevé de sécurité aussi
bien en déplacement qu’à l’arrêt, et ce en consommant très
peu d’énergie.
Ce dispositif, qui joue un rôle clé dans la sécurité du véhicule,
doit faire l’objet de tests, aussi bien en phase de développement
qu’en phase de production. Nous avons donc imaginé un banc de
test dédié, permettant un contrôle automatisé à 100 % des cartes
et de leurs principales fonctions. Le calculateur étant doté de
capteurs inertiels, le banc de test devait inclure des fonctions
de tests électroniques, mais aussi des déplacements en
trois dimensions.
Une solution réalisée en partenariat avec
l’École Nationale des Mines de Saint-Étienne
La solution a consisté à développer un banc robotisé de type
“plate-forme de Stewart”, qui permet de programmer des
mouvements selon six degrés de liberté, et de la piloter à
l’aide du logiciel LabVIEW et d’une carte d’acquisition USB
multifonction NI USB-6343 performante.
Cette solution à la fois performante et évolutive a été choisie
afin d’accélérer le développement du projet et de disposer
d’une architecture ouverte pour des développements futurs.
“L’utilisation d’une carte NI USB
multifonction performante et flexible a
permis un développement rapide grâce
à la programmation LabVIEW, qui a pu
être menée à bien dans le cadre d’un
projet industriel avec un groupe d’élèves
ingénieurs de l’École des Mines de
Saint-Étienne.”
16 france.ni.com
Le choix du matériel NI s’impose pour plusieurs raisons :
■■
compatibilité matériel/logiciel garantie
■■
rapidité de développement
■■
interface conviviale et évolutive
■■
modularité
■■
matériel performant et compatibilité en cas d’évolutions futures.
Jérôme GAILLARD-GROLEAS
Responsable R&D
Véléance
Europarc Sainte-Victoire Bât 6
Route de Valbrillant
13590 Meyreuil
+33 (0)4 42 64 02 67
[email protected]
www.veleance.fr
Du projet pédagogique pour usage interne à
Véléance à la diffusion d’un produit à part entière
Le Tri’Ode est un scooter électrique à trois roues, dont l’inclinaison
est contrôlée par un dispositif anti-basculement breveté, de type
électrohydraulique, piloté par un calculateur inertiel
embarqué sur le véhicule.
Par ailleurs, le travail avec NI et LabVIEW fait partie du cursus de
l’école et ce projet a donc une vocation pédagogique, ce à quoi
Véléance accorde une grande importance : nous avons régulièrement
des personnes en apprentissage, ainsi qu’un ex-apprenti aujourd’hui
embauché en CDI.
Sa réalisation a été menée en partenariat avec l’École Nationale
des Mines de Saint-Étienne, dans le cadre du cycle ISMIN au centre
Georges Charpak à Gardanne. Elle a été faite dans le cadre d’un
projet industriel confié à un groupe d’élèves ingénieurs. Ces
derniers ont eu en charge le développement du logiciel et
Véléance a réalisé la plate-forme robotisée.
Réalisation d’un banc de test confiée à un groupe
d’élèves ingénieurs
Le projet a consisté à réaliser un banc de test du calculateur de
contrôle d’inclinaison, développé chez Véléance, afin de pouvoir
tester les cartes en phase de développement ainsi qu’en phase
de production.
Le matériel à tester est un contrôleur d’inclinaison développé chez
Véléance. Il s’agit d’un calculateur autonome embarqué, sur base
de microcontrôleur, qui possède une centrale inertielle, des
entrées/sorties analogiques et numériques, ainsi que des bus
industriels de communication.
Le banc de test doit permettre de tester l’ensemble des fonctions
de la carte. Il est donc nécessaire de disposer d’une carte
Le banc de test comprend une platine robotisée de type
« plate-forme de Stewart », pilotée par une carte NI USB-6343
et un logiciel spécifique développé en LabVIEW.
france.ni.com
17
Mise en place d’un système de détection
et de diagnostic de défaut des machines
électriques tournantes
Par Hamidreza ZANDI, ENSEM, et Emmanuel FABVRE, Lorelec
L’OBJECTIF
LA SOLUTION
Équiper le banc d’essai de la société Lorelec d’un système de
détection et de diagnostic de défaut des machines électriques.
Numériser et conditionner les signaux des différents capteurs
à l’aide d’un châssis CompactDAQ. Utiliser LabVIEW, la suite
Sound & Vibration et le toolkit Report Generation pour effectuer
les traitements mathématiques et créer un environnement logiciel
de travail efficace et convivial.
Dans la page supervision, l’opérateur peut constater l’état global
de la machine en se basant sur des indicateurs de défaut.
constate une anomalie parmi ces indicateurs ou s’il veut avoir
une analyse plus détaillée de la machine, il a à sa disposition des
onglets dédiés à l’analyse vibratoire et de courant statorique où il
peut s’appuyer sur des moyens d’analyse temporelle et fréquentielle.
L’opérateur peut en l’occurrence placer des curseurs à des
fréquences caractéristiques des défauts qui sont calculées en
temps réel pour voir si la machine présente ou non un défaut. De
même, on peut examiner l’évolution des grandeurs caractéristiques
de la machine lors des accélérations et des décélérations dans un
onglet dédié ou suivre les grandeurs électriques des centrales de
mesure du banc d’essai qui sont visualisées depuis l’IHM à l’aide
de la bibliothèque Modbus pour LabVIEW. Enfin, l’opérateur peut
enregistrer les spectres de fréquence et comparer plusieurs
spectres entre eux.
Génération des procès verbaux d’essai
La maintenance conditionnelle (MC) des machines électriques
est presque aussi ancienne que l’émergence des actionneurs
dans l’industrie. Cette technique d’entretien consiste à se baser
sur certaines grandeurs physiques comme les vibrations de la
machine ou la température des enroulements, pour pouvoir se
prononcer sur l’état de santé global de la machine et prédire
l’apparition d’une panne.
Dans le cadre de son développement technique, la société
Lorelec, spécialisée dans la maintenance industrielle, voulait
équiper son banc d’essai des machines électriques d’un système
de détection et de diagnostic de défaut pour pouvoir vérifier le
bon état de santé d’une machine lors de sa révision, localiser
les éventuels défauts d’une machine et aussi s’assurer qu’une
machine, venue en réparation, est à nouveau prête à fonctionner
après une série d’opérations de maintenance.
Les techniques de la MC des machines
Les techniques et les moyens utilisés pour la maintenance
conditionnelle des machines électriques ont beaucoup évolué
au fil des ans. Aujourd’hui, parmi les méthodes les plus utilisées
dans l’industrie, nous pouvons citer l’analyse vibratoire et l’analyse
de courant. Grâce à ces analyses nous pouvons diagnostiquer
ou prédire des défauts qui peuvent survenir dans une machine
électrique comme, par exemple, le problème de balourd,
l’excentricité, le court-circuit entre spires et les barres
rotoriques abîmées.
de données, nous avons consulté plus de dix fournisseurs et
constructeurs de cartes d’acquisition et d’analyseurs numériques
pour arriver à notre choix final : le matériel d’acquisition CompactDAQ.
Cette solution, en plus de satisfaire au mieux notre cahier des
charges en termes d’acquisition multivoies synchrone, fréquence
d’échantillonnage suffisante et support des entrées analogiques
variées (tension, IEPE, RDT, TTL), nous permettait d’avoir un
système modulaire et évolutif que nous pouvions développer
dans les prochaines phases de notre projet, et tout cela à un
prix acceptable.
Système mis en œuvre
Le système réalisé est composé de deux parties, l’une
matérielle, l’autre logicielle. Au niveau matériel, nous avions
deux accéléromètres triaxiaux et deux monoaxiaux, les quatre
IEPE, trois pinces ampèremétriques, deux pyromètres, une sonde
de tension équipée des broches capacitives pour la mesure de la
tension d’arbre, un détecteur infrarouge pour mesurer la vitesse de
rotation de la machine et le matériel nécessaire pour se connecter
à des capteurs de température de type PT100 que nous trouvons
souvent sur les machines de nos clients. Le conditionnement et
l’acquisition des signaux analogiques sont faits avec deux cartes
NI 9234 pour les voies IEPE, une carte NI 9220 pour les entrées
tension, deux cartes NI 9217 pour les entrées PT100 et une carte
NI 9423 pour la vitesse de rotation.
Pour notre système de détection et de diagnostic de défaut, nous
avons décidé d’utiliser les analyses vibratoires, de courant et de
température pour la première phase de notre projet.
Environ un mois a été consacré à l’étude technico-commerciale
et à la présentation des différentes solutions envisageables pour
le système à mettre en place. Pour la partie dédiée à l’acquisition
“Avec son approche simple et ergonomique,
LabVIEW nous a permis de réaliser un travail
de développement informatique professionnel sans avoir de compétences avancées en
programmation.”
18 france.ni.com
Pour ce projet, nous avons également utilisé le toolkit Report
Generation pour générer les procès verbaux d’essai des machines.
Ce toolkit nous a permis d’interagir facilement avec des fichiers
Word créés avec notre logiciel de GRC, de lire les données
nécessaires sur ces fichiers et de compléter ces fiches comme
nous l’avions souhaité.
Poursuite du projet
Diagnostic de défaut des roulements de la machine en utilisant
la transformée de Hilbert. Les fréquences de défaut sont calculées
en recherchant les références DIN des roulements dans une
base de données.
Interface homme-machine
Au niveau logiciel nous avions deux principales contraintes à
respecter. D’une part, l’opérateur devait pouvoir effectuer le
diagnostic de manière efficace. D’autre part, nous devions assurer
l’aspect esthétique de l’interface logicielle pour les clients qui
assisteraient aux essais de leurs machines. Ayant pris connaissance
des possibilités que nous offrait le logiciel LabVIEW nous avions
opté pour cet environnement de développement accompagné de
la suite Sound & Vibration et du toolkit Report Generation. Ce
choix nous a permis d’atteindre notre but et de mettre en place
une interface homme-machine efficace et conviviale dans un
délai court (environ quatre mois pour réaliser les deux parties
matérielle et logicielle). Avec son approche simple et ergonomique,
LabVIEW nous a permis de réaliser un travail de développement
informatique professionnel sans avoir des compétences avancées
en programmation. De plus, grâce à une grande communauté
d’utilisateurs nous pouvions trouver la réponse à nos questions
rapidement sur internet.
Étant satisfaits des résultats de la première phase du projet, nous
avons décidé d’intégrer davantage de techniques de diagnostic à
notre système ; notamment l’analyse d’orbite pour les machines à
paliers lisses. Nous envisageons, en outre, d’ajouter des analyses
de type temps-fréquence et de l’analyse d’ordre pour les mesures
de vibrations et de courant.
Au départ ce projet était uniquement destiné à la plate-forme
d’essai de Lorelec. Toutefois, après les retours très positifs de
nos clients, nous nous sommes fixé comme objectif de proposer
ce système comme un produit à d’autres entreprises.
Hamidreza ZANDI
ENSEM
+33 (0)6 22 40 09 42
[email protected]
linkedin.com/in/hrzandi
Emmanuel FABVRE
Lorelec
48, avenue du Général de Gaulle
54425 Pulnoy
+33 (0)3 83 29 92 10
[email protected]
lorelec.com
Caractéristiques du système
Le système final nous permet de diagnostiquer des défauts
typiques dans les machines électriques comme le balourd,
l’excentricité, le jeu mécanique, des défauts de roulement et
le défaut de court-circuit entre spires dans son état primitif.
Banc d’essai de Lorelec. Nous pouvons voir à droite l’IHM, au milieu le
module d’acquisition avec les capteurs, rangés dans un châssis mobile
et à gauche les capteurs placés sur une machine.
L’interface réalisée permet à l’opérateur de voir l’état de santé
global de la machine en se basant sur des indicateurs comme les
vibrations globales ou des facteurs de type Kurtosis. Si l’opérateur
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19
Mesure de gaz à effet de serre par spectroscopie
laser sous ballons sondes grâce à NI LabVIEW
Real-Time et FPGA
Par Julien COUSIN, Ingénieur de Recherche, GSMA, Université de Reims Champagne-Ardenne
L’OBJECTIF
LA SOLUTION
Développer un spectromètre laser léger (inférieur à 2 kg, selon
la législation française), compact, robuste et autonome pour la
mesure de profils verticaux troposphériques de concentrations
de gaz à effet de serre, CO2 et CH4, sous ballons sondes jusqu’à
12 km d’altitude (gamme de pressions : 200 hPa à 1 013 hPa ;
gamme de températures : -50 °C à +40 °C).
Utiliser une carte NI sbRIO-9636 comme cœur du senseur
afin de développer un système embarqué autonome et robuste
permettant de piloter l’ensemble du spectromètre et de profiter
du FPGA pour le traitement des données.
Le Groupe de Spectrométrie Moléculaire et Atmosphérique
(GSMA) est une unité mixte de recherche du CNRS. Le GSMA
mène des recherches en spectroscopie infrarouge (IR) et ses
applications atmosphériques. Historiquement, les travaux de
recherches au GSMA sont en lien avec les spectres IR des gaz
à effet de serre, et depuis quelques années, une volonté forte
de s’orienter vers les mesures de terrain se concrétise.
Un système embarqué robuste et adapté
à nos mesures, la carte NI sbRIO-9636
Depuis 2012, le GSMA a entrepris le développement de nouveaux
spectromètres diode laser, compacts (<2 kg) pour la mesure in situ,
précise (< 0,5 ppm) et rapide (<1 s) de gaz à effet de serre (CH4,
CO2) sous ballon de radiosondage. Ces senseurs appelés Amulse
« Atmospheric Measurements by Ultra Light SpEctrometer » doivent
permettre la mesure précise de profils de concentration de gaz à
effet de serre in situ pour mieux comprendre les processus de
dynamique atmosphérique et améliorer les modèles existants
concernant l’émission de ces gaz de sources naturelles ou
humaines. Un instrument inférieur à 2 kg facilite les autorisations
de vol sous ballon, diminue le coût des vols et la logistique est
alors simplifiée. Par conséquent, ces instruments répondent à
un réel besoin de la communauté scientifique.
Les conditions thermodynamiques durant le vol sont relativement
extrêmes, la température descend sous les -50 °C et la pression
descend à 200 mbar pour une altitude de 12 km. L’humidité
relative montre de larges variations allant de quelques pourcents
à plus de 95 %. L’électronique embarquée doit donc résister
à ces conditions.
Les mesures de concentration de gaz à effet de serre sont
réalisées par spectroscopie laser : un laser dont la fréquence
est pilotée par une modulation analogique émet un faisceau
collimaté et dirigé vers une cellule de mesure. Le signal reçu par
un photodétecteur doit être traité et enregistré sur carte mémoire.
Afin de garantir une bonne résolution spatiale, les mesures doivent
être réalisées à quelques hertz et, pour obtenir une bonne sensibilité
de détection, le laser doit être modulé à quelques kilohertz.
Pour répondre à notre besoin, nous avons sélectionné une carte NI
sbRIO-9636 qui nous offre des fréquences d’échantillonnages sur
les E/S analogiques suffisantes. Aussi la disponibilité des E/S
Dans le cadre d’un projet CNES Tosca et régional (PI Lilian Joly),
les membres du GSMA ont participé durant le mois de septembre
2014 à une campagne de mesures sous ballons radiosondes en
Champagne-Ardenne en collaboration avec Météo France (Dominique
Legain et son équipe 4M). L’objectif de ces projets est, d’une part,
la démonstration de ce type de mesure à 10-15 km d’altitude en
France et, d’autre part, une meilleure compréhension des processus des émissions de gaz à effet de serre en Champagne-Ardenne.
Cette campagne de mesure s’est effectuée sur deux périodes (du
03/09 au 12/09 et du 22/09 au 04/10). Au total, dix-sept vols ont
été réalisés avec succès.
numériques ainsi que des ports COM RS232
nécessaires au pilotage des différents
capteurs embarqués est décisive. De plus
cette carte garantit un fonctionnement fiable
et précis dans des gammes de température
(-40 °C à +85 °C) et d’humidité relative
(10 % à 90 %) très larges, ceci avec une
faible consommation électrique.
Un développement rapide, un
système d’une grande flexibilité
L’utilisation d’une carte NI Single-Board
RIO comme cœur du système a permis
un développement rapide grâce à la
programmation LabVIEW. L’électronique
couplant un système temps réel (LabVIEW
Real-Time) et un FPGA (LabVIEW FPGA)
Profils enregistrés par Amulse lors de la campagne de septembre 2014 :
Concentration CO2 (ppm) ; Humidité Relative (%) ; Température (°C) ; Altitude (m)
permet une flexibilité totale dans le
développement instrumental. Le premier
Campagnes de mesures à 10 000 m
prototype fonctionnel a ainsi pu voir le jour
réalisées avec succès
en moins de six mois. Le gain de temps réalisé sur le développeLes profils verticaux sont réalisés grâce à un système de bi-ballons
ment de l’électronique embarquée nous a ainsi permis de nous
concentrer sur la partie optique et laser du senseur, ainsi que sur la récupérables (figure 1) : un ballon porteur gonflé à l’hélium permet
d’assurer la montée de l’instrument à une vitesse verticale d’environ
communication
7 à 8 m/s, lorsque l’altitude maximale désirée est atteinte, le senseur
à distance.
commande la séparation du ballon ascensionnel, et la descente
Grâce à la disponibilité de nombreuses voies numériques, entrées/ s’effectue alors via un second ballon plus petit (descendeur) à une
sorties analogiques, port COM, il est relativement aisé de gérer via vitesse de 5 à 6 m/s. Une fois au sol, la récupération de l’instrument
est possible grâce à l’envoi de ses coordonnées GPS réceptionnées
la carte Single-Board RIO tous les appareils de mesures intégrés
en temps réel sur une carte affichée sur un smartphone.
nécessaires à la détermination des profils de concentration et à
la récupération de l’appareil : température, pression, humidité
Le senseur CO2 développé permet des mesures de concentration
relative, signal optique, position GPS, séparateur du ballon
dans la gamme 300 – 500 ppm avec une résolution de l’ordre de
ascensionnel. La présence d’un port carte SD permet de réaliser
0,1 ppm et une précision absolue de 0,3 ppm avec un temps de
facilement l’écriture et la sauvegarde des données en continu
réponse de 1 s.
sur carte mémoire.
La flexibilité de la carte Single-Board RIO nous a permis également
d’intégrer dans le senseur un système de communication à distance
afin de contrôler l’appareil depuis le sol (séparation du ballon de
montée, état du laser, paramètres de mesures, etc.) et d’envoyer
au sol les données mesurées et la position GPS en temps réel.
L’utilisation des modules LabVIEW Real-Time et FPGA permet de
garantir des mesures parfaitement synchronisées entre les différents
capteurs intégrés et les différentes E/S analogiques ou numériques,
ainsi qu’un traitement du signal laser fiable et rapide en quasi
temps réel, le signal étant traité par une détection synchrone
programmée dans le FPGA.
La faible consommation électrique du système, de l’ordre de 8 W
en consommation maximale, autorise l’utilisation d’une batterie
Li-Ion légère. L’autonomie obtenue permet un fonctionnement
sans interruption d’environ huit heures.
La figure 2 montre un exemple de profils mesurés lors de la
campagne de septembre 2014. Les résultats obtenus lors de ces
premières campagnes sont très encourageants, et la fiabilité du
système basé sur la carte sbRIO-9636 et la programmation
LabVIEW Real-Time et FPGA nous permettent d’envisager de
participer à une campagne de mesure de gaz à effet de serre
ambitieuse, qui se déroulera au Canada en août 2015, cette fois
pour des vols stratosphériques à 30 km d’altitude d’une durée
(montée, plateau à haute altitude, descente) atteignant 8 heures.
Julien COUSIN
GSMA UMR CNRS 7331 - Université de Reims
U.F.R. Sciences - Moulin de la Housse
51100 Reims
+33 (0)3 26 91 87 71
[email protected]
www.univ-reims.fr
Le poids total du spectromètre obtenu est de 1,9 kg, challenge réussi !
“L’utilisation d’une carte NI Single-Board
RIO comme cœur du système a permis
un développement rapide grâce à la
programmation LabVIEW.”
20 france.ni.com
Amulse sous bi-ballons
france.ni.com
21
Du mât d’alimentation autonome
aux services intelligents connectés
SUPER
LAURÉAT
2014
Par Julien TURKALJ, IDSUD Énergies
L’OBJECTIF
LA SOLUTION
Développer une interface électronique de gestion « tout en un »
capable de gérer une production hybride d’électricité spécifique
aux nheosolutions®, recevoir et émettre diverses sources de
données pour le développement de services propres à la « smart
city », et coordonner sur la même interface toutes les options et
fonctionnalités propres aux nheosolutions® (gestion intelligente de
systèmes autonomes d’éclairage, vidéosurveillance, relais GSM,
panneaux d’affichage LED, etc.).
Utiliser les modules NI LabVIEW Real-Time et NI LabVIEW FPGA
ainsi qu’une carte SOM (système sur module) couplée à une carte
d’adaptation en puissance afin de créer un contrôleur fiable,
optimisé et communicant.
Micro-contrôleur permettant la gestion du système nheolight
et de ses applicatifs dérivés
La partie temps réel développée sous LabVIEW
et testée sur myRIO
La société IDSUD Énergies conçoit, fabrique, commercialise et
installe les produits de la marque nheolis®, gamme particulièrement
innovante d’éoliennes de proximité, de 1,5 kW à 3,5 kW, brevetées.
Technologie de rupture dans le monde du petit éolien, nos éoliennes
sont robustes, productives et surtout silencieuses, grâce au principe
de Bernoulli et sa voilure 3D.
Particulièrement adaptées aux milieux perturbés grâce à une plage
de fonctionnement supérieure aux éoliennes traditionnelles de
même puissance, elles permettent de capter le vent dans toutes
les directions grâce à une orientation à 360°.
Afin d’augmenter la production électrique de ces systèmes, des
panneaux photovoltaïques peuvent être rajoutés. Ces derniers
sont dimensionnés suivant les besoins énergétiques du client.
Des contraintes liées à une production
hybride d’électricité
Les produits d’IDSUD Énergies ont deux modes de fonctionnement :
■■
■■
un mode « on-grid » où l’électricité produite par l’éolienne
et les panneaux solaires est directement injectée sur le
réseau national ;
un mode « off-grid » où l’électricité produite par le système
charge des batteries tampon qui serviront à alimenter le client.
On peut donc constater que la modularité des produits d’IDSUD
Énergies apporte une difficulté : il faut pouvoir récupérer l’énergie
produite par un ou plusieurs producteurs, et l’injecter soit sur le
réseau national – en prenant en compte toutes les normes en
vigueur – ou bien charger des batteries. Non seulement le système
doit être communicant, en envoyant ses données de production
“La qualité et la dimension des produits NI
permettent de garantir la pérennité de nos
solutions évolutives et une totale adéquation
avec les exigences de nos cibles de marchés
(certifications/normes UE, etc.).”
22 france.ni.com
ou les données de différents capteurs, mais doit aussi recevoir les
ordres du client.
Deux cartes : une carte NI SOM et une
carte d’adaptation…
Le marché ne propose aucun contrôleur ayant à la fois cette
modularité énergétique et cette capacité de communication ;
IDSUD Énergies a décidé de le développer. Notre société possède
des employés expérimentés en LabVIEW, aussi bien en LabVIEW
Real-Time qu’en LabVIEW FPGA, et nous avons pris le pari de les
coupler sur une carte SOM de National Instruments et une carte
d’adaptation en puissance. La carte NI SOM convient car elle
possède à la fois un microprocesseur qui va être chargé de toute la
partie intelligence et communication, et un FPGA Xilinx qui va être
chargé d’exécuter en quasi temps réel les différents algorithmes
d’optimisation de la production d’électricité, mais aussi la charge
des batteries ou l’injection sur le réseau national.
Le développement de la partie temps réel a été très rapide grâce
au code graphique de LabVIEW. Huit processus s’exécutent en
parallèle et de façon synchrone afin de pouvoir traiter des données
provenant de plusieurs capteurs, du modem de communication, et
des ordres enregistrés sur la carte par le client. Cette partie a été
testée sur un boîtier myRIO de National Instruments, possédant
le même noyau temps réel que la carte NI SOM. Les tests sur
ce boîtier nous ont permis de simuler l’acquisition de données
de capteurs grâce aux différentes entrées/sorties analogiques
et digitales de myRIO.
Banc de test du prototype développé sur mesure avec
National Instruments
Le FPGA a été testé en simulant certains signaux grâce à
VirtualBench, qui offre à la fois une partie oscilloscope deux voies,
ainsi qu’une partie générateur. Un programme de test s’appuyant
sur VirtualBench a donc été créé sur LabVIEW pour pouvoir
analyser la réponse du programme FPGA et optimiser le code.
Un prototype au bout de trois mois seulement
La rapidité du développement sous LabVIEW et tous les outils de
tests de National Instruments vont permettre à IDSUD Énergies
de se démarquer, et d’offrir des services uniques différenciant
la société de ses concurrents.
Julien TURKALJ
IDSUD Énergies
Technopôle de l’Environnement Arbois Méditerranée
Avenue Louis Philibert - Pavillon Le Martel - 1er étage
13100 Aix-en-Provence
+33 (0)4 42 25 98 40
[email protected]
www.nheolis.com
… mais une seule interface
La carte d’adaptation en puissance, quant à elle, est développée
par IDSUD Énergies. Le design et les simulations se font grâce
au logiciel Multisim et à la palette LabVIEW Control Design and
Simulation qui offre une interface native et très simple d’utilisation
entre LabVIEW Real-Time et Multisim. Cette carte d’adaptation
est reliée à la carte NI SOM grâce au connecteur standardisé
de National Instruments.
Deux cartes, une seule interface, pour gérer à 100 % le processus
de récupération de l’énergie – transformation, optimisation et
utilisation – avec toute la partie communication en lien vers le
monde extérieur.
Les produits d’IDSUD Énergies ayant vocation à être installés
partout dans le monde, la carte embarquée doit prévoir la plus
large amplitude de températures.
La carte SOM s’est avérée être la meilleure alternative, avec une
plage de fonctionnement allant de -40 ˚C à +85 ˚C.
Système nheolight
france.ni.com
23
Robot « Droïde R2D2 Geiien »
contrôlé par tablette tactile
Par Corentin LAVAUD, Charly MOREAU, Pierre PROVOT et Nicolas THIBAULT, étudiants GEII, IUT de Tours
Jérôme BILLOUÉ et Véronique AUGER, Enseignants GEII, IUT de Tours
L’OBJECTIF
LA SOLUTION
Développer et réaliser un robot autonome, pouvant être contrôlé
par tablette et ayant l’aspect du robot R2D2 de Star Wars.
Utiliser un système NI cRIO-9074 pour assurer l’interfaçage des
différents capteurs et le contrôle des moteurs.
La commande des moteurs DC est réalisée
par l’intermédiaire de deux modules NI 9505
pilotés par des signaux MLI. Ces derniers
sont générés par le FPGA du châssis
cRIO-9074. La position des moteurs et leur
courant sont également pris en considération
pour alimenter de manière adéquate les
moteurs et éviter toute surintensité et, par
conséquent, d’endommager des modules
et/ou des moteurs.
Un droïde à perfectionner
flexibilité dans le développement de ce projet, mais également
la possibilité de le faire évoluer dans les années à venir.
Un projet innovant
Ce robot avancera grâce à un moteur DC situé dans chaque pied. Il
disposera d’une caméra afin de repérer son environnement. Afin de
ressembler le plus possible au R2D2 des films, nous avons intégré
dans chacun des yeux des LED RGB et infrarouges permettant de
créer des animations visuelles. Pour jouer les sons caractéristiques
du robot, un système audio réalisant des bruitages a été ajouté
à l’ensemble.
De nouvelles fonctionnalités sont envisagées,
comme un contrôle vocal, pour ressembler
davantage au robot du film.
Une innovation que nous pourrons rajouter
à notre R2D2 est la rotation de la tête. Ceci
peut être réalisé tout simplement à l’aide
d’un moteur pas à pas et du module NI 9501
déjà présent.
Synoptique du système de contrôle-commande du robot R2D2
De plus, nous pourrons rajouter un algorithme de suivi de
personne à l’aide de la vision industrielle. À l’aide de la caméra
embarquée, la reconnaissance d’un objet porté distinctement
par une personne permettra au robot de la suivre.
Notre R2D2 et ses solutions techniques
L’association du CompactRIO et des solutions logicielles NI LabVIEW
Real-Time, NI Vision et Data Dashboard s’est imposée comme une
solution idéale. Elle permet de rendre le robot facilement autonome
mais aussi de le contrôler sur tablette sans qu’un développement
Java soit nécessaire. De plus, cette combinaison nous permet de
communiquer très facilement grâce aux différents logiciels de
National Instruments prévus à cet effet.
Le robot R2D2 Geiien
Dans le cadre des projets de deuxième année de DUT GEII, nous
avons choisi de réaliser un robot autonome contrôlable par tablette
tactile. Ce robot s’inspirera du modèle R2D2 présent dans le film
Star Wars. Il devra pouvoir se déplacer de façon autonome en
utilisant des capteurs, intégrer une caméra afin de visualiser son
environnement et dialoguer avec une tablette tactile afin d’offrir
à l’utilisateur un retour d’informations. Compte tenu du temps
imparti pour développer ce projet, nous avons choisi de nous
appuyer sur la plate-forme de développement embarquée
CompactRIO et sur son environnement de développement
LabVIEW. La modularité de cette plate-forme nous a offert une
“L’association du CompactRIO et des solutions
logicielles NI LabVIEW Real-Time, NI Vision
et Data Dashboard s’est imposée comme
une solution idéale, car elle permet de rendre
le robot facilement autonome mais aussi
de le contrôler sur tablette sans qu’un
développement Java soit nécessaire.”
24 france.ni.com
Le système NI cRIO-9074 est le centre de commande. C’est lui
qui exécute l’algorithme qui permet au R2D2 de se déplacer en
toute autonomie. Les principales fonctions de décision sont
exécutées par la partie « processeur », programmée grâce au
module LabVIEW Real-Time. Ce module a également le rôle
d’interface avec les capteurs, la carte Arduino et les actionneurs.
Toute la partie liée à la gestion des signaux MLI est implantée
au niveau du FPGA de la carte.
Notre système se compose d’un châssis cRIO-9074 doté de modules
NI 9403, NI 9501 et deux NI 9505. Une caméra IP est reliée au
CompactRIO par l’intermédiaire d’un réseau. Ce dernier est réalisé
à l’aide d’un routeur qui permet de gérer la communication entre
notre CompactRIO, la tablette et la caméra. Une carte Arduino,
exécutant le firmware LIFA, est connectée par une liaison série
RS232. Cette carte relie des télémètres analogiques permettant
au robot de connaître les obstacles proches et un shield audio
pour émettre des bruitages. Elle est chargée de réaliser des
trames pour les LED infrarouges situées dans la tête.
Le module NI 9403 est relié à trois microswitchs pour compléter
les télémètres permettant de détecter un objet trop proche du
robot. Il est aussi relié aux drivers servant à piloter les LED RGB
placées dans les yeux du robot afin d’apporter une touche
esthétique à notre robot et ainsi ressembler au R2D2 original.
Cœur du robot basé sur un châssis NI cRIO-9074 équipé de modules
NI 9403, NI 9501 et NI 9505
Jérôme BILLOUÉ
Enseignant
Département GEII
IUT de Tours
Avenue Monge – Parc de Grandmont
37200 Tours
+33 (0)2 47 36 71 05
[email protected]
iut.univ-tours.fr/
departement-genie-electrique-et-informatique-industrielle
france.ni.com
25
SOGEBOX – Surveillance en continu
et à distance de centrales hydrauliques
■■
Par Arnaud SIMON, Responsable Bureau Technique et Développement, Sogema Services
L’OBJECTIF
LA SOLUTION
Concevoir un système de suivi de paramètres de centrale
hydraulique capable de fonctionner en autonomie et de communiquer
avec l’extérieur afin de diminuer le nombre de déplacements des
techniciens de maintenance, ce qui a un impact à la fois économique
et écologique.
Développer un programme sous LabVIEW Real-Time afin d’utiliser du
matériel embarqué NI CompactRIO pour enregistrer les températures
du circuit hydraulique, le comportement des filtres à particules,
l’évolution du niveau et de la qualité de l’huile ; le tout sur une
période paramétrable avec expédition des données sur un serveur
distant via un réseau GSM/GPRS et capable d’émettre des alertes
SMS en temps réel.
On pourrait comparer le circuit hydraulique d’une machine au réseau
sanguin du corps humain. Le cœur serait la pompe hydraulique, les
reins seraient les filtres et les veines les tuyauteries. C’est pourquoi
il est important, pour le bon fonctionnement de la machine, au
même titre que le corps humain, de surveiller la qualité de l’huile,
l’usure des filtres, les niveaux et les températures.
du suivi du contrat du client et même au client directement s’il le
souhaite. Ces alarmes sont configurables.
La SOGEBOX permet, dans sa fonction standard, de suivre quatre
types d’informations et de proposer une maintenance proactive :
Un système de suivi des paramètres autonome
Dans la plupart des contrats de maintenance, nous n’effectuons
que quelques visites par an. Afin de rendre le contrat plus efficace
et de ne pas déplacer un technicien toutes les semaines, ce qui
aurait un coût et un impact écologique beaucoup trop importants,
nous avons développé un outil nous permettant de suivre ces
machines de manière beaucoup plus précise et donc plus efficace :
la « SOGEBOX ». Cet outil permet d’enregistrer les données à
l’aide d’un système CompactRIO, et de les transmettre tous les
jours sur les serveurs de Sogema Services. Ces données sont
traitées et permettent l’édition automatique d’un rapport une
fois par mois.
■■
de la qualité de l’huile et du taux d’humidité, par un compteur de
particules. Il est important, dans un circuit hydraulique d’avoir
un bon niveau de propreté de l’huile. En effet, si la qualité
d’huile est mauvaise, nous aurons une usure prématurée des
composants. 80% des pannes hydrauliques et donc des arrêts
machines sont issus de la contamination du fluide.
de la température ambiante et de la température du réservoir
hydraulique. Une température trop basse change les
caractéristiques de viscosité de l’huile et peut engendrer des
dysfonctionnements de même qu’une température trop haute.
Certaines machines sont équipées de sécurité de température
et lorsque la température est trop basse ou trop haute, le
système ne démarre pas ou s’arrête. Avec la surveillance
en continu, nous sommes capables de détecter une dérive
de température issue du process et donc de palier au problème
avant un arrêt machine ou une casse de matériel.
26 france.ni.com
de l’information analogique de colmatage
des filtres pression et de circulation, afin
de mesurer d’éventuelles dérives. Les
indicateurs de colmatage des filtres sont,
en général, digitaux et ne permettent
pas d’évaluer l’usure des filtres. Avec
la SOGEBOX nous sommes capables de
voir comment se comportent les filtres
et donc d’optimiser leurs cycles de vie.
■■
■■
■■
■■
d’un système à contrôleur temps réel
CompactRIO (cRIO-9075) utilisé pour
stocker les valeurs, et communiquer les
données via un port Ethernet.
d’un compteur de particules de marque PARKER –
relié au port série du cRIO-9075
d’une carte NI 9211 – température – 4 voies, utilisée
pour la surveillance de la température ambiante et du
réservoir hydraulique
d’une carte NI 9203 – entrées analogique +/- 20 mA – 8 voies,
utilisée pour récupérer des informations de type capteur de
pression, mesure différentielle de pression sur des filtres
d’une carte NI 9421 – entrées numériques 24 Vdc – 8 voies,
utilisée pour récupérer l’information de colmatage des filtres
pression et de circulation
■■
d’un modem GSM/GPRS Phoenix contact
■■
d’un forfait M2M
■■
de l’ensemble des capteurs nécessaires au suivi.
Totalement indépendante et autonome, la SOGEBOX n’entre pas
dans le processus machine. Pour cette réalisation, nous avions
besoin de matériels capables de mémoriser des données et
d’être communiquant. C’est pourquoi la solution choisie a été
le CompactRIO qui, de plus, est programmable avec LabVIEW
Real-Time, logiciel que nous utilisons pour d’autres applications,
comme le pilotage et l’acquisition de bancs d’essais hydrauliques.
De plus, la SOGEBOX est capable de générer des alarmes en
temps réel, avec des informations de pré-diagnostic facilitant le
dépannage, qu’elle transmet par SMS à la personne responsable
“La SOGEBOX est évolutive en fonction
des machines, car les châssis CompactRIO
choisis permettent d’ajouter une carte de
mesure supplémentaire et de personnaliser
le système.”
du niveau d’huile du réservoir. Non
seulement la surveillance du niveau
permet d’éviter les arrêts machine par
manque de fluide, mais aussi de détecter
des fuites. En effet, il suffit de vérifier les
niveaux dans un état de fonctionnement
donné et de comparer. Si le niveau diminue,
on sait qu’il y a une fuite sur le circuit.
La SOGEBOX est constituée en standard :
■■
■■
Créée en 1980, Sogema Services est une société d’environ
70 personnes spécialisée dans la réalisation et la maintenance de
systèmes oléo-hydrauliques. Le bureau technique est chargé des
études et du suivi des projets pour la réalisation et l’optimisation
d’équipements hydrauliques. Afin de répondre aux différentes
demandes de maintenance sur les machines client, que ce soit
une machine mobile ou industrielle, Sogema Services propose des
contrats de maintenance avec un suivi de paramètres stratégiques.
Ces visites permettent de faire de la maintenance préventive et de
proposer des optimisations de systèmes.
■■
La SOGEBOX a été développée avec un format standard qui ne
nécessite quasiment aucune adaptation pour sa mise en service.
Extrait d’un exemple de rapport automatique
Les châssis CompactRIO au service de l’évolutivité
La SOGEBOX est évolutive en fonction des machines. En effet,
les châssis CompactRIO choisis permettent d’ajouter une carte
de mesure supplémentaire et de personnaliser la SOGEBOX. On
peut ainsi effectuer une analyse vibratoire, une mesure de couple
ou toute autre mesure nécessaire et importante du processus
machine. Dans ce cas, nous sortons de notre standard et cette
analyse supplémentaire nécessite un peu de développement.
Vers une visualisation sur smartphone
La SOGEBOX est déjà fabriquée en 3 exemplaires et fonctionne
sur un four dans une aciérie, sur un transbordeur dans une entreprise
de fabrication ferroviaire et sur une presse à former et découper
de 1 300 tonnes dans une industrie de fabrication de cabines pour
moissonneuse. Les perspectives d’évolution de cet outil sont
nombreuses, notamment l’intégration du Wi-Fi afin de pouvoir
visualiser en direct sur un smartphone les données via l’application
Data Dashboard For LabVIEW, une version ATEX est aussi à l’étude.
Arnaud SIMON
Sogema Services Lille Métropole
53, rue de la Papinerie
Parc d’activités Roubaix Est - CS 60062
59452 Lys-Lez-Lannoy Cedex
+33 (0)3 20 66 10 70
[email protected]
www.sogemaservices.com
L’ensemble des données est récupéré sur nos serveurs et permet
l’édition automatique de rapports chaque mois pour la version
standard. Le logiciel de rapport automatique est développé lui
aussi avec LabVIEW et avec le module de génération de rapport
sous Excel. Les rapports sont personnalisés en fonction du client.
Suivi des paramètres d’une centrale hydraulique permettant de piloter
un four industriel dans une aciérie
france.ni.com
27
Banc à rouleaux climatique mobile
LAURÉAT
2014
L’OBJECTIF
LA SOLUTION
Mettre en place le système de pilotage d’un banc à rouleaux
climatique qui possède la particularité d’être mobile. Ce banc à
rouleaux climatique mobile est développé dans une semi-remorque,
donc la place est limitée et une maîtrise du budget pour son
développement est indispensable.
Utiliser un système CompactRIO moins encombrant et plus
modulaire qu’un PXI ou un PC RT, pour développer l’ensemble
du système de pilotage, le tout piloté sous LabVIEW.
Au sein de ce système CompactRIO, nous avons ajouté plusieurs
modules au châssis, dont les principaux sont deux modules
d’entrées/sorties numériques classiques pour effectuer l’acquisition
des signaux dynamiques (comme l’encodeur numérique et le
couplemètre) et piloter des relais de puissance. Aussi nous avons
utilisé un module d’entrée numérique 24 V du type NI 9425 afin
d’avoir un retour d’état des différents contacteurs du banc qui
pilotent les organes de puissance (variateurs, évaporateurs, etc.).
V-Motech, basé à Longjumeau en Île-de-France, est une start-up
innovante dans l’univers des essais groupe motopropulseur pour
les activités R&D du secteur de l’automobile. La société met à
disposition des équipementiers et des constructeurs automobiles
le premier banc à rouleaux climatique mobile : V-Road. L’équipe en
charge des métiers électriques et électroniques a pour mission de
réaliser le système de pilotage des moyens d’essai, tant logiciels
que matériels.
structure de base saine et évolutive dans le temps. Enfin la
programmation de la partie temps réel a été grandement facilitée
par l’utilisation de boucles cadencées et de VGF (Variables
Globales Fonctionnelles) pour la communication de données.
De plus, afin d’effectuer précisément la régulation de température
froide, nous avons utilisé un module d’entrée RTD NI 9219 qui
effectue l’acquisition des températures avec précision sur
l’ensemble de la boucle de régulation climatique. Par ailleurs, afin
d’effectuer l’acquisition de température moins utile à la régulation,
un simple module d’entrée thermocouple NI 9213 a été utilisé.
Les nombreuses voies par module permettent d’avoir un grand
nombre de thermocouples placés à différents endroits du banc
de test ou de la cellule d’essais.
Par Bertrand MARREAU, Responsable Métiers électriques et électroniques, et Maxime MULLER, Développeur Logiciel, V-Motech
Ambiance climatique de -35 °C à +60 °C
V-Road est un banc de test à rouleaux climatique qui est utilisé
dans le monde automobile pour effectuer des tests et répondre
aux objectifs de performance/pollution et de qualité avec une mise
au point de véhicules. Le but de ce moyen est d’avoir un contact
pneu/rouleaux optimisé, avec une puissance de 200 kW, une force
à la roue de 9 800 N, une classe d’inertie simulable de 700 à
3 000 Kg, dans une ambiance climatique de -35 °C à +60 °C,
le tout avec une régulation de ± 2 °C, ventilation calandre asservie
à la vitesse des rouleaux, guide de conduite, acquisition des
informations banc et véhicule.
Un large éventail de modules utilisés
La solution matérielle utilisée est constituée d’un système NI
cRIO-9074 mis en place pour le contrôle et la commande de
l’ensemble du banc. La modularité qu’offre ce type de matériel
reconfigurable par la programmation de son FPGA et la présence
d’un système d’exploitation temps réel en ont fait la solution
parfaite pour prototyper le banc et le rendre disponible en
production rapidement.
La présence de développeurs certifiés a permis d’architecturer
le projet dans de bonnes conditions afin d’avoir une structure
logicielle évolutive et pérenne.
Aussi, les contacts avec le support technique et les ingénieurs
commerciaux de National Instruments ont permis de définir
correctement le matériel qui a été utilisé et d’avoir des conseils
efficaces concernant sa mise en œuvre.
Réduction du temps de développement
L’utilisation de LabVIEW et du matériel CompactRIO a permis de
réduire les délais d’obtention d’un système fonctionnel. La solution
finale qui est entrée en production n’a pas dépassé les quelques
semaines de développement.
Nous souhaitons enfin faire évoluer le système de pilotage,
notamment en ajoutant plus de voix de mesure et en déployant
des systèmes d’acquisition au plus près des mesures.
Des contraintes spatiales et temporelles
Ce banc étant développé dans une semi-remorque, la place
est limitée pour le système de pilotage. Un système de type
CompactRIO a l’avantage de prendre moins de place que du
matériel PXI ou un PC RT.
Le matériel National Instruments a été utilisé afin de pouvoir
obtenir un prototype fonctionnel dans des délais extrêmement
serrés et fournir rapidement un moyen d’essai opérationnel
en production.
Intérieur du V-Road, lors de l’installation pour un test véhicule
Le V-Road, premier banc à rouleaux climatique mobile
Bertrand MARREAU
V-Motech
1, allée d’Effiat
91160 Longjumeau
+33 (0)1 60 14 46 90
[email protected]
www.v-motech.com
En outre, l’écosystème NI a permis d’obtenir des résultats très
satisfaisants dans des délais très courts grâce au logiciel LabVIEW
et au matériel reconfigurable et évolutif qu’est le CompactRIO.
Pour la partie pilotage nous avons eu recours au logiciel LabVIEW
avec le framework d’acteur au niveau IHM qui a permis d’avoir une
“La modularité qu’offre ce type de matériel
reconfigurable par la programmation de
son FPGA et la présence d’un système
d’exploitation temps réel en ont fait la
solution parfaite pour prototyper le banc et le
rendre disponible en production rapidement.”
28 france.ni.com
Le poste de pilotage avec le PC hôte et les écrans de contrôle.
L’interface IHM du PC hôte, qui permet de paramétrer et de
piloter le moyen d’essai.
france.ni.com
29
Construction d’une plate-forme de caractérisation
et de validation pour transistors organiques
hautes performances
Par Pierre LELEUX et Michel FIOCCHI, Mines Saint-Étienne
L’OBJECTIF
LA SOLUTION
Développer un banc de caractérisation électrique pour transistor
organique à applications dans le domaine de la bioélectronique afin
de doter le laboratoire d’un outil performant de validation et de
fonctionnalisation des dispositifs.
Sur la base d’un châssis PXI, associer une SMU 4 voies et deux
DMM (mesure de courant de précision) pour obtenir un instrument
reconfigurable pour une caractérisation statique et dynamique d’un
dispositif complet, les servitudes du dispositif de mesure étant
assurées par une carte multifonction.
OECT : définition et fonctionnement
La plate-forme National Instruments que nous avons utilisée
pour caractériser l’OECT se compose d’un châssis PXI Express
PXIe-1062Q à 8 emplacements et d’un contrôleur PXIe-8135
embarqué avec un processeur Core i7-3610QE. Plusieurs types de
mesures (en état stationnaire, analyse de fréquence) de la tension
et du courant ont dû être effectués pour comprendre pleinement
le comportement de l’OECT. Afin de pouvoir exploiter au mieux
toutes les possibilités, nous avons embarqué plusieurs instruments
modulaires NI dans notre système PXI :
Les transistors organiques électrochimiques (OECT, pour Organic
ElectroChemical Transistors), ont été inventés par Wrighton dans
les années 1980. Un OECT se compose d’un canal en polymère
conjugué placé en contact avec un électrolyte dans lequel est
immergée une électrode de grille, tandis que deux électrodes de
source et de drain établissent un contact électrique avec le canal.
Ce dernier étant dopé, un OECT est généralement en mode actif
(canal à haute intensité). Sous l’effet d’une tension de grille, les
ions présents dans l’électrolyte pénètrent le film polymère et le
dé-dopent, ce qui réduit sa conductivité, diminuant ainsi le courant
de canal et faisant passer le transistor en mode inactif. Ainsi,
les OECT permettent de convertir les courants ioniques de
l’électrolyte en courants électroniques dans le canal polymère.
Applications au monde du vivant
La plupart des signaux biologiques sont basés sur des courants
ioniques. Aussi, les OECT ont été employés comme transducteurs
de signaux d’origine biologique. Le département de Bioélectronique
du Professeur George G. Malliaras (EMSE) a prouvé leur utilité
dans des domaines variés tels que les neurosciences et les tests
toxicologiques in vitro (cf. références). L’amplification inhérente
à l’OECT a notamment permis d’augmenter de plus de 20 dB
le rapport « signal sur bruit » dans le cadre de mesures
neurophysiologiques (Khodagholy & al., Nature Communications,
2013). De plus, il est possible de fonctionnaliser le canal en polymère
conjugué et de faire d’un transistor standard un dispositif de pointe
dédié à la détection d’activités enzymatiques.
■■
un NI PXIe-4145 à 4 voies SMU haute précision
■■
deux multimètres numériques de la série NI PXI-407x
■■
un NI PXI-6289 d’acquisition de données multifonction.
Tout un ensemble logiciel a ensuite été conçu sous LabVIEW pour
s’adapter à l’équipement nécessaire à chaque expérience. Toutes
les mesures ont pu être facilement déclenchées et synchronisées
à l’aide de l’architecture PXI intégrée au système.
Un banc de caractérisation de l’OECT
Le transistor est caractérisé par les mesures de différents paramètres :
■■
■■
Nécessité d’une plate-forme de
caractérisation performante
La fabrication à l’échelle micrométrique d’un dispositif tel qu’un
OECT requiert l’intégration de technologies électroniques de
pointe, afin de comprendre pleinement ce nouveau composant
et de caractériser ses performances. Nous avons choisi les
produits National Instruments pour composer notre plate-forme
de caractérisation, principalement pour leurs gammes de matériels
modulaires de qualité métrologique et pour LabVIEW, qui a facilité
le développement de notre interface logicielle personnalisable en
fonction de chaque caractérisation.
30 france.ni.com
■■
■■
Caractéristiques en état stationnaire : les mesures des courbes
I-V et de transfert expliquent le point de polarisation de l’OECT
ainsi que ses principales propriétés en état stationnaire (courant
de polarisation, rapport marche/arrêt, transconductance
maximale).
Temps de réponse de l’OECT : ce paramètre définit la vitesse
du transistor et correspond à la mesure du courant drain en
réaction à une décharge électrique au niveau de la grille.
Gain du système : dans notre cas, il s’agit de mesurer
la transconductance de l’OECT correspondant au mode
de fonctionnement du transistor.
Caractérisation in vitro d’un OECT
Un démonstrateur d’application : la mesure d’ECG
Dans le domaine de l’ingénierie biomédicale, l’innovation est un
élément-clé de la conception de composants technologiques
hautes performances. Les applications dédiées aux mesures
électro-physiologiques sont nombreuses ; elles peuvent notamment
être utilisées pour la surveillance de l’activité électrique des organes
vitaux tels que le cœur, ou pour établir des diagnostics. Dans les
deux cas, l’amélioration de la qualité du signal enregistré constitue
un atout précieux pour les cliniciens cherchant à comprendre
une pathologie.
La validation de l’OECT en tant que biocapteur a été effectuée
en mesurant l’activité cardiaque d’un volontaire en bonne santé.
Comme le montre l’illustration 2, la plate-forme NI développée
au préalable a été utilisée pour contrôler le dispositif et mesurer
l’activité biologique. Les pics attendus tels que le complexe QRS
sont bien définis, en haute résolution, au moyen de la technologie
SMU de NI. Son architecture parallèle permet l’enregistrement
multivoies, et donc une mesure d’ECG complète.
Mesure d’ECG
La stabilité et la qualité des mesures sont des caractéristiques
très appréciées dans le cadre du développement d’outils destinés
à des applications électro-physiologiques, étant donné la faible
amplitude des signaux à analyser. L’architecture intégrée du
contrôleur PXI permet de déclencher très simplement plusieurs
acquisitions bien spécifiques, et donc de comprendre les propriétés
physiques du dispositif en développement.
Enfin, l’intégration du logiciel développé vers une version embarquée
du système est facilitée par le fait que NI fournit toutes les
technologies nécessaires au transfert, par exemple vers un FPGA.
Pierre LELEUX
Mines Saint-Étienne
880, avenue de Mimet
13541 Gardanne
+33 (0)6 59 07 61 16
[email protected]
mines-stetienne.fr
Demain, une version ambulatoire avec
les solutions SOM
Dans les laboratoires de recherches dédiés à la création de
nouveaux dispositifs à intégrer dans des applications cliniques,
le développement de la plate-forme de caractérisation – utilisée
comme banc de test – est une étape cruciale. L’optimisation
du transistor dépend de la qualité et de la reproductibilité
des mesures. National Instruments donne aux laboratoires
de recherches la possibilité de composer leur propre banc
de test personnalisé, et de valider leurs technologies à l’aide d’un
équipement de grande qualité.
Bande passante et amplification de puissance : la caractérisation
fréquentielle de l’OECT est essentielle pour adapter le dispositif
à l’application ciblée.
En utilisant l’équipement NI détaillé dans l’illustration 1, nous
avons été en mesure d’explorer toutes les propriétés physiques
de l’OECT, afin de le caractériser et de l’optimiser pour l’utiliser
ultérieurement dans des applications biologiques.
“National Instruments donne aux laboratoires
de recherches la possibilité d’imaginer les
bancs de test leur permettant de valider dès
aujourd’hui les technologies de demain.”
france.ni.com
31
Pilotage d’un drone AR 2.0 Parrot à partir des
mouvements du corps interprétés par une Kinect
Trois mois pour obtenir un démonstrateur
fonctionnel
Le travail réalisé dans les trois mois de stage a permis d’aboutir à
un démonstrateur fonctionnel. Deux démonstrations ont eu lieu :
l’une à l’ESIGELEC en présence des étudiants et enseignants ;
l’autre durant la fête de la Sciences qui s’est déroulée du 26
septembre au 19 octobre. Pour chacune de ces manifestations,
la démonstration a reçu un accueil très favorable.
Par Jean-Marie LANTONKPODE, Nicolas RAGOT et Jean-Jacques DELARUE, ESIGELEC
L’OBJECTIF
LA SOLUTION
Développer une application permettant : 1) la reconnaissance
de la silhouette à partir du capteur Kinect et la récupération
des différents points de « motion control », 2) l’interprétation des
données reçues pour générer des commandes pertinentes pour
le drone, 3) l’envoi des données au drone via une liaison Wi-Fi.
Extraire les coordonnées 3D (XYZ) des points du skeleton fournis
par la Kinect (20 points dont 5 utiles) ; définir les lois de commande
par mesure des différences relatives des points de « motion control » ;
formater les données au format AR 2.0 Parrot et transférer les
informations au drone via une liaison Wi-Fi ; développer une IHM
pour le pilotage du drone intégrant entre autres un rendu visuel
du skeleton.
Synoptique général de fonctionnement du système de pilotage
Nos travaux futurs s’intéresseront à limiter l’espace de vol du drone
de manière logicielle, afin d’offrir aux utilisateurs et aux spectateurs
une sécurité supplémentaire dans le maniement du dispositif.
L’idée envisagée est de définir un cylindre virtuel au-delà duquel le
drone ne puisse pas voler. Ainsi, toute personne pourrait interagir
avec le démonstrateur sans risquer de le détruire prématurément.
Une face-avant « user-friendly » pour le contrôle du
drone et la remontée d’informations sur son état
Établissement d’enseignement supérieur et de recherche,
l’ESIGELEC (Ecole Supérieure d’Ingénieurs, Saint-Étienne-duRouvray) a fait de l’enseignement LabVIEW une stratégie
pédagogique. Ceci se décline au travers de modules d’enseignement
où les bases de la programmation graphique sont découvertes, de
projets de fin d’étude (participation à la coupe robotique NI RIO
entre autres) et de stages de milieu ou de fin de cursus.
3.L’espace Simple fait référence à une zone 3D telle que la main
droite de l’utilisateur contrôle les mouvements du drone dans
le plan XY et la main gauche l’axe Z.
C’est dans ce contexte que s’inscrivent ces travaux : Jean-Marie
LANTONKPODE, étudiant-ingénieur en deuxième année a développé
pendant son stage « Technicien » d’une durée de trois mois une
application interfaçant une Kinect et un drone AR 2.0 Parrot.
L’objectif visé était d’aboutir à un démonstrateur qui puisse être
utilisé dans le cadre de manifestations de promotion des sciences
et des technologies auprès du grand public (fête de la Science,
journées Portes Ouvertes, etc.).
La transition des espaces Simple à Avancé s’opère par un
déplacement latéral de l’utilisateur. La transition entre espaces
Neutre et Action s’effectue par un mouvement d’une des mains
en direction de la Kinect.
L’application utilise la plate-forme de programmation graphique
de National Instruments : LabVIEW. Il s’agit de l’outil idéal de
programmation pour tout système de mesure et de contrôlecommande puisqu’il intègre tous les toolkits nécessaires à la
construction rapide d’applications logicielles. Ces applications
sont organisées autour d’une interface utilisateur nommée la
« face-avant » et d’un « diagramme » qui contient le code source.
Dans notre cas, les outils de développement LabVIEW ont permis
d’interfacer simplement et rapidement la Kinect et le drone et
d’aboutir à un démonstrateur fonctionnel.
Un espace de commande-utilisateur organisé
en quatre zones
L’application utilise le toolkit Kinesthesia (développé par l’université
de Leeds) et se base sur une division de l’espace utilisateur en
quatre zones : espace Neutre, espace Action, espace Simple et
espace Avancé.
1.Dans l’espace Neutre les mouvements de l’utilisateur n’exercent
aucun effet sur le drone.
2.Dans l’espace Action, les mouvements de l’utilisateur, en particulier
les déplacements de ses mains, influent directement sur les
commandes appliquées aux moteurs.
32 france.ni.com
4.L’espace Avancé permet un contrôle évolué du drone en utilisant
des animations pré-définies (looping, etc.). Dans ce cas, la main
gauche sert à sélectionner le groupe d’animations et la main
droite une animation en particulier.
Une machine à états pour structurer le diagramme
de l’application LabVIEW
Le « diagramme » de l’application utilise un modèle de conception
de type machine à états. La machine à états est une structure de
programmation très couramment utilisée pour le développement
d’applications en LabVIEW puisqu’elle permet le maintien durable
d’applications logicielles en facilitant l’insertion de nouvelles
fonctionnalités, la suppression de sections de code existantes ou
le changement de l’ordre d’exécution des sections. Elle détermine
l’état suivant d’un système en fonction des décisions prises dans
l’état actuel.
Cinq états définissent notre structure de programmation :
1.Un état d’Initialisation permet un démarrage de l’application et
des périphériques. Cet état se termine lorsqu’un mouvement
de l’utilisateur est détecté. Le skeleton est alors affiché sur
la face-avant de l’application.
2.L’état Neutre correspond au positionnement de l’utilisateur dans
la zone d’espace associée.
3.Un état Détection correspond aux transitions entre les espaces
Neutre et Action.
La face-avant (interface utilisateur) de l’application se compose
d’une série de commandes et d’indicateurs LabVIEW permettant
une interaction entre l’utilisateur, la Kinect et le drone pour son
pilotage et la remontée d’informations sur son état.
L’interface est organisée autour de 3 fenêtres principales situées
au centre de la face-avant :
1.Une fenêtre permet la visualisation du skeleton obtenu
par la Kinect.
2.Deux fenêtres latérales constituées de jauges d’intensité
renseignent l’utilisateur sur l’influence du mouvement de
chacune de ses mains sur la commande du drone (main gauche :
mouvement selon l’axe vertical / main droite : mouvement dans
le plan XY).
Zones « neutre » et de « contrôle » pour l’application de récupération
des points 3D de « motion control » à partir du capteur Kinect
Des commandes et indicateurs en périphérie de l’interface,
finalisent le design de la face-avant :
1.Un indicateur de débit de données fournit une information
sur l’état de la communication Wi-Fi entre le PC et le drone.
2.Un indicateur d’État affiche l’étape en cours dans laquelle
se trouve l’application.
3.Une commande Démarrage autorise (état booléen « vrai »)
l’interprétation des mouvements par la Kinect.
4.Une commande Stop permet d’arrêter l’application.
5.Un indicateur renseigne si le drone est en vol ou à terre.
6.Des indicateurs de déplacement informent l’utilisateur sur
le sens de déplacement du drone.
7.Un indicateur de mode de vol (stabilisation ou pilotage).
8.Un indicateur de mode de commande (Simple ou Avancé).
Face-avant de l’interface de pilotage du drone à partir des informations
de mouvement reçues de la Kinect
Jean-Marie LANTONKPODE ,
Nicolas RAGOT et Jean-Jacques DELARUE
ESIGELEC, École d’ingénieurs généralistes
Systèmes Embarqués et Instrumentation
Avenue Galilée, Technopôle du Madrillet
76801 Saint-Étienne du Rouvray Cedex
+33 (0)2 32 91 58 58
[email protected], [email protected],
[email protected]
www.esigelec.fr
4.Un état Commande correspond à une position de l’utilisateur
dans l’espace Action.
5.Un état Vide matérialise les transitions entre les espaces Action
et Neutre.
“Grâce aux outils de développement LabVIEW,
nous avons pu simplement et rapidement
interfacer la Kinect et le drone et aboutir à
un démonstrateur fonctionnel.”
france.ni.com
33
LabVIEW et NI Vision Assistant aident au
prototypage dúne station de contrôle pour
quadricoptère destiné à localiser et à suivre
des moutons
Avant de tenter de détecter les moutons à l’aide du drone, des
mesures ont été effectuées avec une caméra statique, la caméra
intelligente NI 1722. Deux séries de photographies ont été prises :
une d’un troupeau de 15 moutons et une autre d’un seul mouton.
Après avoir chargé les photos dans NI Vision Assistant, un script de
traitement d’images a été développé. Le script le plus performant
utilisait la détection de particules après seuillage de l’image. Cinq
étapes étaient nécessaires :
Par Marc-Alexandre FAVIER et Dr. Richard CP GREEN, Harper Adams University
1.Le seuillage de l’image
L’OBJECTIF
LA SOLUTION
Développer une station de contrôle capable de détecter
des moutons au sol en analysant les images provenant dún
quadricoptère et de guider en conséquence láéronef afin que
celui-ci suive automatiquement lánimal.
Utiliser LabVIEW et NI Vision Assistant pour élaborer lálgorithme
de détection de moutons et pour développer un programme
évolutif de commande du quadricoptère.
2.L’érosion pour éliminer le bruit de l’image
3.La dilatation pour compenser l’érosion de la forme du mouton
au cours de l’étape 2
4.Le filtrage des particules pour éliminer celles dont les superficies
ne rentrent pas dans l’intervalle choisi
5.L’analyse de particules pour déterminer l’emplacement de leur
centre de gravité.
Dans les Highlands d’Écosse, le nombre de moutons a
considérablement diminué ces 10 dernières années. Comme
les terres avoisinant les fermes d’élevage ne sont plus utilisées
pour faire paître les animaux, les troupeaux restants tendent à
se disperser. Cela génère davantage de travail au moment de les
rassembler. Pour simplifier le travail des bergers et rendre ainsi
cette profession plus attractive, l’université Harper Adams cherche
depuis 2012 à développer des moyens dáide au management des
troupeaux. Un axe de recherche consiste à promouvoir l’usage
d’aéronefs pour localiser et suivre les moutons perdus. Le travail
présenté ici concerne le développement de la station de contrôle
pour le quadricoptère.
Une grande attention a été apportée au développement d’un
programme évolutif, maintenable et efficace. Une bonne structure
de projets, l’utilisation de machines d’état et l’exécution simultanée
de VIs sont des pratiques essentielles lorsque l’on programme en
LabVIEW. Le projet LabVIEW contient quatre répertoires différents.
Le répertoire « démarrer » contient tous les fichiers indispensables
pour initialiser le prototype fonctionnel. Le répertoire « contrôle »
contient les fichiers gérant le pilotage et lásservissement du
drone. Le répertoire « vision » contient les fichiers nécessaires à
l’acquisition et au traitement de límage provenant du quadricoptère.
Enfin, le répertoire « données de navigation » ne comporte
qu’un seul fichier, qui extrait les données de navigation de
la machine virtuelle.
Le prototype fonctionnel piloté par LabVIEW
Le prototype est composé d’un AR.Drone 2.0 de Parrot et d’un
ordinateur portable pour la station terrestre de contrôle.
Différentes raisons justifient le choix de l’AR.Drone 2.0.
Premièrement, c’est un drone qui dispose dúne technologie de
pointe lui permettant de voler avec une stabilité en vol satisfaisante
et ceci à un prix très abordable. Il était ainsi possible de tester
l’architecture de la station de contrôle sans mettre en péril un aéronef
onéreux. Le quadricoptère dispose dúne caméra frontale délivrant à
un flux de 30 Fps des images contenant chacune près dún million
de pixels. Toutes les données capteurs sont transmises à la station
de contrôle via WiFi.
Les différentes étapes de vision artificielle
Bien que le toolkit ROS permette l’acquisition de messages ROS à
partir de la machine virtuelle, il ne prend pas en charge l’acquisition
vidéo. L’utilisation du serveur ROS MJPEG a pallié ce problème.
Une fonction exécutée sur la machine virtuelle transfère le flux
vidéo depuis le drone vers un serveur MJPEG. Ceci implique
l’utilisation d’un logiciel pour diriger le flux des images sur une
caméra virtuelle USB reconnue par LabVIEW.
34 france.ni.com
Afin de ne pas être dépendant de la performance de la routine de
reconnaissance de mouton, lors du test d’autres fonctionnalités de
contrôle, telles que lásservissement, la décision a été prise
dútiliser dans un premier temps une cible circulaire rouge
facilement reconnaissable.
Figure 1 : acquisition d´ images au-dessus dún troupeau de moutons
avec la caméra intelligente NI 1722
Figure 2 : détection de mouton via filtrage de particule sous
NI Vision Assistant
Bilan des tests en intérieur et en extérieur
Des essais ont été réalisés dans une halle sportive pour tester les
fonctionnalités du prototype : navigation via une manette et suivi
de cible. Les résultats étaient encourageants puisque l’AR.Drone
était à même de suivre une cible définie préalablement détectée. Des
améliorations devront être apportées pour augmenter sa rapidité.
Après avoir atteint les objectifs en intérieur, des essais ont été
réalisés en extérieur à l’aide de la cible rouge en l’absence de vent
fort. Après cette série de tests, d’autres essais seront mis en
œuvre pour détecter des moutons avec la caméra montée sur
l’AR.Drone 2.0. Pour ne pas effrayer les animaux, le drone sera
maintenu à une certaine distance des moutons, et le moindre signe
de stress de leur part entraînera l’arrêt de l’expérimentation. Le drone
pourra être utilisé pour suivre un mouton ou l’ensemble du troupeau
dans lequel un mouton aura une cible rouge peinte sur le dos.
Références :
■■
■■
Favier, Green, Linz (2013). The Potential for UAV Technology
to Assist in Sheep Management in the Scottish Highlands.
Bornimer Agrartechnische Berichte. Heft 81 (p209-222).
Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V. (ATB).
(accessible en ligne)
https://www.youtube.com/watch?v=e95zrU45TfU
Remerciements
Pilotage et asservissement
La machine d´état a été programmée dans le répertoire « contrôle »
sous forme dáutomate de Mealy. Elle coordonne les différentes
actions du drone en fonction de l´état où il se trouve. Elle permet
notamment à l’utilisateur de choisir entre les différents modes de
vol : commande manuelle ou automatique.
Lorsque la machine d´état se situe dans l´état « mode automatique »,
lásservissement visuel qualifié de Position-Based Visual Servoing
(PBVS) entre en fonction. Une fois l’image du drone acquise sous
LabVIEW et la position de la cible dans límage déterminée, un
nouveau programme LabVIEW ‘PoseEstimation.vi’ estime, à partir
de la géométrie de la cible dans límage, la position et lórientation
de la cible par rapport au système de coordonnées du drone. Cette
routine a été développée dans le fichier LabVIEW à l’aide de
LabVIEW MathScript RT.
Celle-ci est équipée de ROS (Robot Operating System) qui est
installé sur une machine virtuelle Ubuntu et de LabVIEW installé
dans le système déxploitation hôte Windows 7. Le toolkit ROS de
Clearpath Robotics installé dans LabVIEW assure la liaison entre
ROS et LabVIEW. Le driver ROS ardrone_autonomy de lúniversité
Simon Fraser a été retenu pour commander le drone car ROS est
une plate-forme open source devenue une référence en robotique.
“Une bonne structure de projets, l’utilisation
de machines d’état et l’exécution simultanée
de VIs sont des pratiques essentielles lorsque
l’on programme en LabVIEW.”
La détection de particules a bien fonctionné et a permis de localiser
l’animal. Toutefois, les objets ayant la même couleur et la même
taille qu’un mouton sont reconnus à tort comme des moutons.
Une solution consistait à détecter les arcs et les contours de
lánimal. Les arcs au niveau du dos et de la tête sont faciles à
détecter à l’aide d’un algorithme de détection dárc disponible
dans NI Vision Assistant. Toutefois, cette technique n’est pas
aussi efficace que le filtrage de particules. Une autre solution
consisterait à développer un algorithme plus intelligent capable de
détecter des formes flexibles, car tous les moutons sont différents
et leur forme se modifie en fonction de leurs mouvements.
Láuteur tient à remercier tout particulièrement la fondation Claas
pour le financement de la caméra intelligente NI 1722 ainsi que de
LabVIEW Vision Assistant.
Marc FAVIER
[email protected]
Dr. Richard C P GREEN
Harper Adams University
TF10 8NB Newport Shropshire
+44 (0) 1952 820280
[email protected]
www.harper-adams.ac.uk
Les boucles de contrôle en position et en orientation sont dotées
dún régleur proportionnel et ont été écrites au sein de deux
boucles While différentes afin d´être exécutées en même temps
sous LabVIEW et de tirer ainsi pleinement parti du processeur i5
double cœur de la station de contrôle.
france.ni.com
35
Logiciel de calcul de coïncidences de photons
et statistiques temporelles - Nouvelle Interface
pour le TDC ID800 ID Quantique
Par Grégory SAUDER, Laboratoire de Physique de la Matière Condensée de Nice, LPMC – CNRS UMR7332
L’OBJECTIF
LA SOLUTION
Concevoir un logiciel aisé d’accès pour tout utilisateur regroupant
toutes les possibilités du « Time to Digital Converter » et ajouter
des fonctions d’histogrammes de coïncidences manquantes
(triples et quadruples) et enfin, d’un point de vue application, mettre
en forme et optimiser le calcul des doubles coïncidences pour les
8 voies simultanément pour une expérience de cryptographie
quantique haut débit.
Développer en un temps réduit le logiciel de pilotage et d’analyse
des données de l’instrument à l’aide de LabVIEW, dans la mesure
où notre laboratoire utilise depuis plus de 10 ans les logiciels de
programmation National Instruments, où l’appareil communique
en USB et dispose des DLL de contrôle de l’instrument.
Le Laboratoire de Physiques de la Matière Condensée est une
unité mixte CNRS - Université de Nice dont un des thèmes de
recherche est l’Information Quantique avec la Lumière et la Matière
(QILM) (http://lpmc.unice.fr/spip.php/article80). Cette activité
repose essentiellement sur la détection de photons (unique, par
paire ou par quatre) et la mesure des taux de corrélations entre
deux, trois ou cinq événements (un trigger + un, deux ou quatre
détections de photons). Dans ce cadre, l’électronique de comptage
et d’analyse des corrélations temporelles entre plusieurs détecteurs
repose sur l’utilisation d’un « Time Digital Converter » de la société
ID quantique pour le comptage et l’analyse des corrélations. L’idée
étant de dénombrer le nombre total de détections et d’observer
d’éventuelles corrélations, temporelles précises (inférieures à la
nanoseconde) sur les temps d’arrivée des photons.
L’instrument utilise un FPGA afin de traiter certaines données
comme les doubles coïncidences sur huit voies, les histogrammes
d’arrivée de photons et de doubles coïncidences et permet de
récupérer les données brutes temps d’arrivée (nombre de coup
d’horloge), numéro du canal d’arrivée (jusqu’à 2 Méch./s). Afin de
traiter ces données le logiciel de pilotage utilise les DLL fournies
par ID Quantique pour la récupération de données, celles-ci sont
visualisées dès que disponibles et enregistrées pour traitement final
par l’utilisateur. Le programme utilise les fonctions « files d’attente »
compte tenu de la vitesse et du nombre de données traitées afin
de garder la vitesse de lecture par rapport à l’enregistrement.
De l’utilisation des optimisations disponibles
nativement pour améliorer la vitesse de calcul
Le logiciel de pilotage est conçu sur la base d’un modèle de type
machine d’état afin de garder une évolutivité complète nécessaire
dans notre travail de recherche au sein d’un laboratoire et de
permettre les nombreuses modifications de programmation
inhérentes aux mesures d’information quantique.
Le principal problème fut de permettre au logiciel de réaliser
le traitement de données particulier voulu sur les possibilités
de coïncidences sur quatre canaux, non calculés via le FPGA.
Le logiciel récupère ainsi les données brutes en continu qui sont
envoyées dans une première file d’attente pour prétraitement afin
d’observer les coïncidences, dès qu’une coïncidence est détectée,
elle est envoyée dans une deuxième file d’attente de traitement
afin de créer les tableaux nécessaires aux histogrammes temporels.
Ce logiciel utilise donc au maximum les possibilités multiprocesseurs
des ordinateurs actuels afin de traiter les différentes tâches en
parallèle. En utilisant toutes les possibilités de LabVIEW sur les
optimisations de VI, le logiciel est à même de traiter les multiples
coïncidences, sur quatre canaux, avec des fréquences d’arrivée
sur tous les canaux de 40 000 éch./s. Le logiciel permet de régler
la fenêtre d’analyse (l’offset et la largeur d’histogramme), ainsi
que sa précision, de visualiser ou non l’histogramme (puisque la
visualisation jouera sur le calcul en temps réel des histogrammes,
ce problème est indiqué au niveau de l’interface).
“La facilité de programmation multiprocesseur
native à LabVIEW nous a permis de développer
ce logiciel en un temps réduit avec une
relative aisance.”
Le nombre d’échantillons traités dépendra fortement des réglages
utilisateurs sur les largeurs et précision d’histogramme. Le calcul
est réalisé par des fonctions optimisées à partir des fonctions natives
de LabVIEW. Dès que l’utilisateur termine l’acquisition, le logiciel
vérifie les différentes files d’attente afin de terminer tous les calculs
nécessaires pour traiter toutes les données. Cette dernière fonction
permet d’utiliser l’instrument pour des vitesses d’arrivée de signaux
plus rapides mais dont la visualisation des résultats ne sera pas
Ajout des nombreuses possibilités de calcul de
coïncidences et visualisation d’histogramme temporel
L’instrument permet un vaste choix de types de mesures requis
pour les protocoles de photonique quantique. Trois types de
mesures et de traitement de données sont utilisés : le comptage
de photons sur huit voies, le calcul d’histogrammes temporels
précis (82 ps) d’arrivées de photons, le calcul et la représentation
de doubles coïncidences sur huit voies deux à deux, la visualisation
de toutes les doubles coïncidences sur huit voies et, pour finir,
le calcul de toutes les coïncidences possibles sur quatre voies,
c’est-à-dire les 11 possibilités de coïncidence.
36 france.ni.com
Histogrammes des coïncidences trois canaux et représentation
2D temporelle
Histogrammes de la répartition temporelle des doubles,
triples et quadruples coïncidences
temps réel. Ainsi, il est possible d’utiliser le logiciel comme simple
enregistreur de données pour traiter par la suite les fichiers de
données nécessitant des calculs longs suivant le nombre de
données. (Le nombre de données pouvant être supérieur à
10 millions de points suivant les fréquences utilisées et le
temps d’enregistrement).
Un logiciel permettant tout type de mesure
et d’analyse des détections de photons
La principale particularité du logiciel est de pouvoir être utilisé
pour toutes les possibilités de l’instrument et de pouvoir calculer
rapidement les histogrammes particuliers de coïncidences multiples
sur quatre canaux. La facilité de programmation multiprocesseur
native à LabVIEW nous a permis de développer ce logiciel en un
temps réduit avec une relative aisance.
Comptage simple de photons sur les 8 compteurs
Le logiciel est actuellement utilisé pour recueillir simultanément
les coïncidences issues d’une expérience faisant intervenir deux
paires de photons et une évolution en cours concerne son adaptation
et optimisation pour l’analyse simultanée de doubles coïncidences
(i.e. entre deux photons) mais réparties sur huit canaux indépendants
afin d’optimiser le débit d’un protocole de distribution quantique de
clés de cryptographie.
À moyen terme, l’évolution principale consistera à concevoir notre
propre TDC de laboratoire en ayant un accès direct à la programmation
FPGA pour les calculs réalisés actuellement par le logiciel, et
permettre ainsi des fréquences de comptage et d’analyse plus
importantes (10 MHz).
Gregory SAUDER
LPMC – CNRS UMR7332
Ingénieur Mesures Physiques – Conception Expérimentation
Laboratoire de Physique de la Matière Condensée de Nice
Avenue Joseph Vallot – Parc Valrose
06108 Nice cedex 2
+33 (0)4 92 07 65 45
lpmc.unice.fr
[email protected]
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37
Découvrir l’électronique en classe
de seconde à travers la conception
de robots
LAURÉAT
2014
Piloter les périphériques
Les périphériques utilisés sur les robots contrôlent les
mouvements, réalisent des jeux de lumière ou produisent des
sons. On se focalise sur l’interface des périphériques tout en se
limitant aux protocoles les plus simples. NI ELVIS s’avère encore
ici particulièrement adapté car ses instruments permettent de
reconstituer les fonctionnalités déjà validées sur les cartes : ses
alimentations remplacent le régulateur de tension et la batterie
alors que son générateur de fonction et ses sorties numériques
simulent le comportement du processeur.
Par Jacques LE COUPANEC, Lycée Colbert
L’OBJECTIF
LA SOLUTION
Faire découvrir à des élèves de seconde l’électronique,
la mécanique et l’informatique mais aussi améliorer leur
maîtrise de l’anglais.
Concevoir des robots présentés dans un concours international
de robotique dans un pays anglophone. Utiliser la plate-forme
NI ELVIS pour concevoir et tester la carte électronique contrôlant
les robots.
L’élaboration du système de surveillance de la charge de la batterie
permet d’introduire un comparateur, les ponts diviseurs de tensions
puis les potentiomètres.
L’enseignement Robotics
L’enseignement Robotics est proposé depuis 2010 aux élèves
de seconde. Il répond à la problématique d’orientation des lycéens
qui envisagent une carrière scientifique ou technologique en leur
faisant découvrir la mécanique, l’électronique et l’informatique
à travers la conception et la réalisation de robots. Dispensé
intégralement en anglais, il a également pour objectif d’améliorer
la maîtrise de cette langue. Chaque année, entre 25 et 35 élèves
suivent cet enseignement à raison de quatre heures hebdomadaires.
Pour assurer l’investissement dans les activités techniques et
linguistiques, les robots sont présentés à un concours dans un
pays anglophone. Aussi l’objectif linguistique est de permettre aux
élèves d’expliquer en anglais le fonctionnement de leurs robots et
de justifier leurs choix technologiques. Avec 15 titres obtenus dont
une médaille d’or lors des RoboGames à San Francisco face à des
universitaires américains et mexicains, l’investissement est bien à
la hauteur de nos espérances.
À noter que l’organisation d’un tel voyage constitue un véritable
challenge car le lycée est soucieux de ne proposer que des voyages
scolaires accessibles à tous. Les élèves doivent donc s’impliquer
dans diverses actions pour financer le voyage : confection de paquets
cadeaux, organisation d’une brocante, recherche de partenaires
financiers... Remercions à ce sujet National Instruments qui nous
a soutenus lors de notre périple à San Francisco.
Lorsque les élèves ont finalisé cette carte, il reste à traiter les
périphériques originaux qu’ils souhaitent intégrer sur leurs robots.
Par exemple, la voix des pingouins est réalisée par un haut-parleur
associé à un compteur alors que la flûte du bagad d’Asimov
nécessite une pompe alimentée par un hacheur. Ces fonctionnalités
peuvent être réalisées sur une carte annexe.
Concevoir les robots
Il revient aux élèves d’imaginer les robots réalisés. Ils ont déjà
réalisé un hexapode qui joue du piano, deux caméléons qui dansent,
cinq pingouins qui marchent et qui chantent mais aussi un groupe
de musique composé d’une flûte, d’un batteur, d’un xylophone et
d’une guitare. Ils souhaitent, cette année, progresser au niveau de
l’esthétique des réalisations.
Toutes les activités sont liées à la réalisation des robots : conception
assistée par ordinateur de l’architecture mécanique, élaboration et
test du système électronique, réalisation des pièces mécaniques,
programmation du microcontrôleur, assemblage des robots,
réalisation des cartes électroniques, mise au point de la
chorégraphie... Notre ambition est de permettre à des élèves
de seconde de maîtriser les outils de conception, de réalisation
et de test mais aussi de comprendre les principes utilisés dans
les fonctions mécaniques, électroniques et logicielles.
Programmer la chorégraphie
La position angulaire des servomoteurs dépend du rapport cyclique
du signal de commande. Les effets de lumière ne nécessitent que
l’utilisation de quelques transistors en commutation.
Réaliser la carte électronique
Les robots sont pilotés par une carte électronique conçue autour
du microcontrôleur PIC18F4550. La réalisation de ces cartes est,
dès le début de l’année, le support des cours d’électronique et
les notions d’électronique explorées découlent directement des
besoins soulevés par la conception des robots.
La progression en électronique se décompose en deux phases :
élaboration du circuit électronique puis intégration des composants
sur la carte électronique. La plate-forme NI ELVIS s’avère ici
particulièrement adaptée : les instruments associés sont introduits
selon les besoins, leur référence commune simplifie grandement
leur utilisation et la simplicité des interfaces graphiques permet,
même à des élèves de seconde, une prise en main immédiate.
La carte de chaque équipe est donc complétée peu à peu tout en
enrichissant les compétences des élèves. Le microcontrôleur et
son quartz peuvent alors être intégrés et l’étude du contrôle des
périphériques retenus peut commencer.
Le bagad d’Asimov : choisir un instrument de musique, comprendre le principe
physique exploité pour produire le son et l’adapter au monde de la robotique.
38 france.ni.com
La commande et le circuit de pilotage d’un périphérique ayant
été étudiés, les élèves soudent les composants sur la carte et
élaborent la partie logicielle. Pour cette dernière tâche les élèves
programment en assembleur et utilisent l’environnement MPLAB X.
Cet apprentissage est facilité par l’installation de plugins réalisés
spécifiquement pour chaque TP. Leur programme étant validé
par simulation, le processeur est reprogrammé in situ et le bon
fonctionnement de l’ensemble est vérifié.
À ce stade, les élèves ont assimilé de nombreux concepts en
électronique, en informatique mais aussi en mécanique. Néanmoins,
ils ne savent contrôler qu’un périphérique à la fois et leur ambition
est de faire marcher des pingouins ou d’apprendre le piano à un
hexapode. Aussi, un système plus complexe est téléchargé sur les
cartes. Celui-ci est capable de contrôler en parallèle une trentaine
de périphériques et facilite la mise au point de la chorégraphie en
temps réel via une connexion USB. Une interface graphique sur
une station hôte permet alors aux élèves de pleinement exploiter
les périphériques qu’ils ont souhaité intégrer dans leurs réalisations.
Cette année, les élèves envisagent de présenter leurs robots
aux RoboGames de Delhi. Vous comprendrez qu’ils sont encore
particulièrement motivés et qu’ils s’investissent sans compter...
Pour en savoir plus, vous pouvez conctacter :
Jacques LE COUPANEC
Lycée Colbert
117, boulevard Leon Blum
56100 Lorient
+33 (0)2 97 37 33 55
robotics.colbert.free.fr
[email protected]
“La prise en main immédiate des instruments
de la plate-forme NI ELVIS permet à nos
élèves de seconde de se concentrer sur
les notions d’électronique étudiées.”
france.ni.com
39
Ping Pong Player : un outil d’animation
ludique sur tablette tactile
la communication avec l’interface homme-machine de la tablette
tactile. Enfin, nous avons utilisé un actionneur linéaire et son
module de puissance.
Un développement facilité par LabVIEW
Par Lilian GRANCLERE, Thibault VAN DER VALK, Thibault DAVASSE, étudiants, Alfred JUNG, correspondant Clemessy, Claude NOBILE,
Responsable filière Conception des Systèmes Mécatroniques-enseignant chercheur et Bruno AVISSE, Rédacteur-enseignant chercheur à
l’Université Technologique Belfort Montbéliard
L’OBJECTIF
LA SOLUTION
Réaliser un outil d’animation ludique mobile pour les ingénieurs
technico-commerciaux de la société Clemessy, qui sera présenté
sur le stand de la société lors de sa participation à des salons. Et
permettre au visiteur, lors de la venue sur le stand, de jouer avec
le démonstrateur.
Réaliser un Ping Pong Player qui permettra au visiteur d’utiliser
une tablette tactile pour contrôler la hauteur de rebond d’une balle
de ping-pong comme il le ferait en jonglant avec une raquette.
Pour des raisons de contraintes temporelles et d’exactitude,
les calculs sont gérés sur la couche FPGA avec un temps de
boucle de 25 ns.
La partie interface homme-machine a été développée sur une
tablette tactile grâce à l’application Data Dashboard for LabVIEW.
Allure de la loi de commande de l’actionneur linéaire
La communication entre la tablette et le système CompactRIO
s’effectue grâce aux moteurs de variables partagées.
Quatre modes de fonctionnement ont été développés :
1.Sans utiliser la tablette avec une hauteur de jongle constante.
La société Clemessy s’est fixé l’objectif de concevoir une
maquette de soutien visuel pour ses commerciaux lors de
leur participation à des salons professionnels ou d’autres
manifestations.
2.En choisissant sur l’interface homme-machine (IHM) une
hauteur de jongle constante entre 0,2 m et 0,7 m.
Pour cela, la société Clemessy a souhaité s’associer à la filière
Conception de Systèmes Mécatroniques (CSM) du département
Génie Mécanique et Conception de l’UTBM pour valider les choix
technologiques existants et finaliser la partie contrôle-commande
sur CompactRIO. Le projet a été réalisé par un étudiant de cette
filière dans le cadre de son cursus de formation.
4.Une commande manuelle de jongle, déclenchement de la
raquette par appui sur la tablette.
3.En choisissant sur l’IHM deux hauteurs de rebond et le nombre
de cycles pour chaque hauteur.
Interface Homme machine - Tablette tactile
Une étude préliminaire pour déterminer
les contraintes à respecter
Après modélisation du rebond de la balle, les contraintes suivantes
sont à prendre en compte :
■■
hauteur maximale de rebond : 50 cm.
■■
vitesse maximale de la balle : 1,4 m/s.
■■
vitesse minimale de la balle : 0,01 m/s.
■■
temps minimal entre le passage devant la fourche optique
basse (calcul de la vitesse de la balle) et l’arrivée à la zone
de frappe : 15 ms.
Stratégie de commande mise en œuvre
hi : hauteur constante qui correspond à la distance du point bas
de la balle à la zone d’impact avec le vérin.
ht : hauteur du lâcher ou hauteur atteinte à l’étape précédente.
hv : distance de la position de repos de la raquette (actionneur
linéaire) à la zone d’impact. Cette distance est constante.
tiA : temps que met la balle pour parcourir la distance hi.
Vi : vitesse de la balle lors du passage devant les fourches optiques. Cette valeur est calculée par le CompactRIO afin de déduire
la vitesse à donner à la raquette pour que la balle atteigne la hauteur hd désirée par l’utilisateur.
La vitesse de l’actionneur linéaire est pilotée à travers son module
de puissance, grâce à une entrée analogique +/- 10 V. La vitesse
transmise à la raquette dépend de la vitesse de la balle lors de
l’impact et de la hauteur désirée (théorie des chocs). La loi de
40 france.ni.com
■■
xm : course de la raquette pendant la phase d’accélération.
■■
xp : course de la raquette à vitesse constante.
■■
xd : course de la raquette pendant la phase de décélération.
Schéma de montage des fourches optiques et du vérin
commande de la vitesse est une loi trapézoïdale générée pour un
module de la Série C NI 9263. Elle est développée sur la couche
FPGA du système à contrôleur temps réel cRIO-9075.
La première allure trapézoïdale correspond à la phase ascendante
de la raquette et la seconde à la phase descendante.
■■
tm : durée correspondant à la phase d’accélération
de la raquette.
■■
tp : durée correspondant au déplacement à vitesse constante.
■■
td : durée correspondant à la phase de décélération.
■■
■■
■■
nm : nombre de points générés pour
construire l’allure trapézoïdale.
np : nombre de points générés pour construire l’allure trapézoïdale.
nd : nombre de points générés pour construire l’allure
trapézoïdale.
“La partie contrôle-commande a été
développée grâce aux couches temps réel
et FPGA d’un système CompactRIO qui
permettent un temps de développement
rapide et le respect des contraintes
temporelles de l’application.”
Pour générer la loi de commande en vitesse, la couche FPGA
calcule la vitesse d’impact de la balle grâce aux fourches optiques
câblées sur les entrées numériques du module de la Série C NI
9375. Par ailleurs,
la couche FPGA calcule le nombre de points nécessaires nm, np et
nd pour générer le profil de la vitesse à appliquer sur l’entrée
analogique du module de puissance de l’actionneur linéaire. La
génération est effectuée par un module de la Série C
NI 9263.
Des choix technologiques en partie dictés par des
contraintes temporelles
Afin de gérer les contraintes temporelles liées à l’application, le
choix d’un système cRIO-9075 a été retenu. Toutes les sécurités
(protection homme-machine) sont gérées sur la couche FPGA du
CompactRIO. Il en est de même pour le calcul de la vitesse
de la balle et la loi de commande du vérin linéaire. La couche
FPGA permet d’avoir un vrai parallélisme des différentes tâches de
sécurités et de contrôle de l’application.
Le Ping Pong Player a atteint ses objectifs
et pourrait encore évoluer !
Du point de vue de l’industriel, le Ping Pong Player est maintenant
utilisé sur les salons dans lesquels intervient la société Clemessy.
Du point de vue de la formation, les projets industriels sont très
intéressants pour nos étudiants de la filière Conception des
Systèmes Mécatroniques. Ils leurs permettent de travailler dans
un contexte métier, d’établir des relations avec des industriels
et de gérer les contraintes de celui-ci.
Une évolution possible et ludique du Ping Pong Player serait
d’asservir le mouvement de la raquette à un accéléromètre, placé
dans un gant. Celui-ci serait porté par l’utilisateur pour activer le
déclenchement de la raquette.
Pour en savoir plus, vous pouvez conctacter :
Bruno AVISSE et Claude NOBILE
Université Technologique Belfort Montbéliard
Département Génie Mécanique et Conception
Filière Conception des Systèmes Mécatroniques
Rue du château, Sevenans
90010 Belfort-Cedex
+33 (0)3 84 58 31 66
bruno.avisse@ utbm.fr
[email protected]
www.utbm.fr
Un module NI 9263 de la Série C est également utilisé pour la
génération de la loi de commande. Ensuite, un module NI 9375
de la Série C, module d’entrées-sorties numériques, permet de
calculer la vitesse de la balle et les sécurités. Par ailleurs, une
borne WiFi branchée sur l’entrée Ethernet du cRIO-9075 assure
france.ni.com
41
Banc de test automatisé de relayage et de
puissance des blocs de traction pour TGV
Par Rodéric L’EXACT, Jean-François DAVID et Julien DELAUNAY, Arcale
L’OBJECTIF
LA SOLUTION
Générer des tensions sur des points définis du bloc sous test,
puis mesurer les tensions en sorties de ce bloc afin de vérifier
son bon fonctionnement.
Utiliser la plate-forme PXI associée à une application logicielle
spécifique développée avec LabVIEW pour améliorer les temps
de test en production.
Alstom Transport développe et propose la gamme de systèmes,
d’équipements et de services la plus complète du secteur
ferroviaire et est notamment spécialisé dans la production de
modules de puissance et de chaînes de traction ferroviaires.
Interface de configuration des séquences de test
deux interfaces de connexion, d’un écran à dalle tactile déporté
dans la zone de test, ainsi que d’une tablette tactile.
Pour tester ses modules de puissance, Alstom Transport disposait
d’un moyen de test vieillissant et peu automatisé. C’est pourquoi la
société a fait appel à Arcale pour concevoir et réaliser un système
totalement automatisé visant à réduire significativement les temps
de tests des modules de puissance.
Le châssis PXI contient une carte NI PXI-GPIB, une carte
NI PXI-PCI-8361 (connexion MXI Express avec le PC), une carte
NI PXI-6229 (32 entrées analogiques et 48 sorties TTL pour
pilotage des racks/cartes relais), une carte NI PXI-4070 (multimètre
6 chiffres ½ 300 V pour mesures entrées), quatre cartes de
multiplexage de 158 voies (routage des 368 entrées vers la carte
multimètre) et une carte NI PXI-2529 (matriçage 32 voies vers
quatre appareils en deux fils).
Un banc générique
Le banc doit pouvoir tester plusieurs blocs moteurs correspondant
aux différents matériels roulants produits par Alstom Transport
(Euroduplex, Coradia Polyvalent, Coradia…). De plus, il existe
actuellement deux exemplaires du banc sur deux lignes de
production. Afin de pouvoir gérer plusieurs produits différents,
un séquenceur et un éditeur de séquences spécifiques au banc
ont été développés. Ce choix a été effectué pour répondre aux
exigences du cahier des charges et créer un éditeur de séquences
qui soit au plus proche du besoin client.
L’architecture basée sur le matériel PXI de NI garantit l’évolutivité
et la gestion de l’obsolescence du moyen d’essai en plus de sa
facilité d’intégration avec NI LabVIEW.
Interface d’exécution des séquences de test
Des temps de test divisés par trois
sur certains produits
La productivité est accrue grâce à la facilité de programmation des
séquences de test. En effet, il est maintenant très facile d’ajouter
ou d’enlever des pas de test aux séquences automatiques. Grâce
au matériel utilisé et l’interconnexion entre LabVIEW et les logiciels
de maintenance d’Alstom, les temps de production ont été
fortement réduits.
Une autre réduction majeure des temps de test est la vitesse
de commutation des relais et des relectures des tensions du bloc
sous test qui est nettement améliorée. Le test est aussi fiabilisé
car il limite les interactions opérateur, notamment la génération
automatique du rapport de test.
Jean-François DAVID, Julien DELAUNAY, Rodéric L’EXACT
Arcale
1, rue des Pénitents Blancs
BP 71028
31010 Toulouse Cedex 6
+33 (0)5 34 40 09 15
[email protected]
www.arcale.net
Architecture matérielle du banc de test
De nombreuses entrées/sorties et de la puissance
Le banc doit proposer 272 sorties de puissance (0-150 VDC
jusqu’à 22 A ou 230 VAC), des alimentations +/-24 VDC, des voies
de masse, 368 entrées de puissance (0-150 VDC jusqu’à 22 A ou
230 VAC), des matrices pour connecter instruments de mesure et
voies d’entrées, et enfin des voies analogiques 0-10 VDC.
Les contraintes majeures résident dans les protections du banc
par rapport aux perturbations électriques et électromagnétiques
compte tenu des puissances mises en jeu. Les tensions à l’intérieur
de certains blocs sous test peuvent aller jusqu’à 17 kV.
Une architecture reposant sur un standard
de l’instrumentation : le PXI
L’architecture retenue s’appuie sur l’utilisation d’une plate-forme
PXI, la conception de racks de puissance et le développement
d’une application logicielle ergonomique avec LabVIEW.
Les blocs de traction testés peuvent provenir de différents trains
produits par Alstom Transport.
“L’architecture basée sur le matériel PXI
de NI garantit l’évolutivité et la gestion de
l’obsolescence du moyen d’essai, en plus
de sa facilité d’intégration avec NI LabVIEW.”
42 france.ni.com
Sur le plan matériel, le banc est composé, dans une baie vitrée,
d’un rack de sécurité (disjoncteur différentiel et thermique,
connectiques et voyant présence tension en face-avant), d’un
châssis PXI 14 slots, de trois alimentations, d’un multimètre,
d’un générateur de signaux basse fréquence, de cinq racks de
multiplexage pour traiter les puissances électriques en jeu, de
Interface de configuration d’un pas de test
Une application logicielle ergonomique
L’ensemble est orchestré par une application logicielle permettant
le paramétrage et la configuration d’un essai, la définition et
la création de séquences d’essai, ainsi que leur exécution pour
les tests en production. Cette application assure également la
communication et les échanges de données avec les logiciels de
maintenance d’Alstom (MMAP et TrainTracer), l’enregistrement
des données liées à chaque essai, la génération d’un rapport PV,
ainsi que l’autotest et la maintenance du banc.
france.ni.com
43
Portage de l’environnement de simulation d’un
composant FPGA développé pour l’aéronautique
(DO254-A) vers un banc de validation physique
Une mise au point facilitée
Grâce aux exemples de mise en œuvre des blocs IP de LabVIEW
FPGA, il a été possible de mettre rapidement au point des
mécanismes d’échange de données sur le bus PXI.
Par ailleurs, la partie code VHDL spécifique réalisée par Barco
Silex était déjà validée sur l’environnement de test d’origine.
Par Francis RAGUIN, Barco Silex
L’OBJECTIF
LA SOLUTION
Effectuer la vérification physique d’un composant FPGA en
réutilisant son environnement de simulation virtuel, suivant un
flot de méthodologie DO 254 niveau A (recommandation de
développement des composants matériels destinés aux
équipements aéronautiques).
Concevoir un système de test à l’aide d’un châssis PXI-1073
équipé de deux cartes FlexRIO PXIe-7962R associées à deux
NI 6581 ayant les mêmes caractéristiques que l’environnement de
simulation du composant à vérifier. Programmer les FPGA des cartes
FlexRIO avec LabVIEW FPGA afin d’intégrer les constituants du
banc de test virtuel. Gérer l’échange des données avec le matériel
PXI et générer l’ensemble des patterns de tests et les fiches de
résultats associées.
Barco Silex a donc développé un banc de test mettant en œuvre
du matériel National Instruments ainsi qu’un PCB réalisé sur
mesure afin de reproduire l’environnement de vérification virtuel,
au niveau physique, tout en tirant parti des activités de simulation
déjà réalisées.
Le banc de test physique réalisé permet d’obtenir les mêmes
performances que le banc de test virtuel, à savoir une fréquence
de génération/acquisition des signaux à 100 MHz, tout en délivrant
les résultats des essais 30 fois plus rapidement qu’à l’aide
d’un simulateur.
Ce code VHDL est utilisé dans les cartes FlexRIO afin de produire
un environnement identique pour la réalisation du test physique. À
l’aide de LabVIEW FPGA, il a été possible d’intégrer ce code sans
aucune modification, tout en ajoutant les interfaces nécessaires
pour gérer les échanges entre le bus PXI et le PC de test.
La vérification de composants FPGA et ASIC est réalisée à
l’aide d’outils de simulation permettant d’en assurer le bon
comportement fonctionnel.
Elle est ainsi basée sur la mise en œuvre de modèles des éléments
qui constituent le FPGA (portes logiques, Pll, mémoires, etc.).
Cette approche nécessite cependant d’apporter la preuve du
bon comportement physique de ce composant (le silicium) afin
de satisfaire les exigences de la DO254 niveau A.
Une adéquation précise aux exigences de la DO-254
et un gain de temps considérable
Le banc de test virtuel et le banc de test physique acceptent
les mêmes données d’entrées et génèrent le même type de
données de sorties. Les procédures de tests peuvent donc
être écrites en commun pour les deux.
Filiale du Groupe Barco, Barco Silex est une société d’études en
électronique réalisant des développements Hardware sur cahier
des charges (ASIC, FPGA et cartes embarquées) et proposant
une gamme de produits IP-cores dans les domaines de la vidéo
(compression, traitement et transport) et de la cryptographie
(AES, Public Key, solutions de contre-mesures). Barco Silex
possède également une expertise forte et une expérience de
plus de 10 ans dans les développements d’ASIC et de FPGA
sous recommandation DO-254 pour des clients prestigieux
comme Airbus, Safran, Thales, etc.
Ce type de vérification permet de tester un FPGA à partir de
sa représentation RTL (« Register Transfer Level » - description de
l’architecture), ainsi qu’au niveau portes logiques (« Gate Level »),
tout en intégrant les notions de délais associées.
L’intégration des différents éléments, aussi bien matériels que
logiciels, a été possible en ajoutant des indicateurs tout au long
de la chaîne de traitement, à savoir dans les FPGA des cartes
FlexRIO et dans l’applicatif LabVIEW.
Exécution de l’ensemble des procédures de vérification du FPGA :
64,5 h par simulation du composant au niveau portes logiques vs
2 h par test physique du composant. Le gain de temps est de
l’ordre d’un facteur 30.
De plus, le taux de couverture du code VHDL obtenu dans
l’environnement de simulation virtuel du FPGA peut être appliqué
directement au silicium du FPGA pour l’environnement de validation
physique de celui-ci. Il est donc possible de fournir les métriques
qui permettent de démontrer l’exhaustivité de la vérification
réalisée sur carte.
Enfin, la solution proposée a passé avec succès les audits SOI#1,
SOI#2 et SOI#3 en vue de la certification d’une application
aéronautique la mettant en œuvre.
Des outils flexibles
Ainsi, il a été possible de combiner trois types de description
du matériel de la carte FlexRIO : l’utilisation des IP intégrées
à LabVIEW FPGA, l’utilisation de la génération de code VHDL
depuis l’interface graphique LabVIEW FPGA et l’intégration de
code VHDL réalisé selon les standards Barco Silex. Cela permet
à l’utilisateur de tirer le meilleur parti de chacune de ces trois
solutions et de les intégrer dans un même environnement.
Francis RAGUIN
Barco Silex
Z.I. Rousset Peynier
Immeuble CCE – Route de Trets
13790 Peynier
+33 (0)4 42 16 41 08
[email protected]
www.barco-silex.com
Un jeu de procédure de test unique
À l’aide d’un programme développé en langage Perl, le banc de
test virtuel décode les procédures à jouer décrites sous forme
d’instructions, afin de piloter un moteur de test, ainsi que les
interfaces du composant à vérifier. LabVIEW permet d’appeler
ce programme Perl et autorise l’utilisation des mêmes vecteurs
de test que ceux joués sur le banc de test virtuel.
Ainsi, le jeu de procédure écrit et validé pour simuler le FPGA peut
être utilisé sans aucune modification sur le banc de test physique.
Une architecture commune
“À l’aide de LabVIEW FPGA, il a été possible
d’intégrer ce code sans aucune modification
tout en ajoutant les interfaces nécessaires
pour gérer les échanges entre le bus PXI
et le PC de test.”
44 france.ni.com
L’architecture du moteur de test, développée et validée par
Barco Silex, ainsi que les interfaces avec le composant à vérifier,
sont écrites en langage VHDL et interprétables par le simulateur
utilisé pour la vérification virtuelle du FPGA. La spécification et la
conception de cet environnement ont intégré comme contrainte
la portabilité vers l’architecture matérielle National Instruments.
L’ensemble de test est composé d’un châssis PXIe-1073 équipé de
deux PXIe-7962R associées à deux NI 6581. Avec une fréquence
d’acquisition de 100 MHz max., elles permettent le monitoring
des différents signaux d’entrée ou de sortie du FPGA.
france.ni.com
45
Plate-forme de test d’un système
de navigation par satellite avec un
transcepteur de signaux vectoriels
LAURÉAT
2014
Par David BOURDIER et Marc POLLINA, M3 Systems
L’OBJECTIF
LA SOLUTION
Pénétrer le marché du test automatique GNSS avec une solution
hautes performances, d’une grande souplesse et à un prix défiant
toute concurrence, qui serait également capable d’évoluer et de
répondre aux exigences croissantes en termes de constellations,
de fréquences et de systèmes de géolocalisation.
Combiner la souplesse et la puissance du FPGA et les capacités
RF du transcepteur de signaux vectoriels NI PXIe-5644R avec
celles du contrôleur NI PXIe-8135 pour embarquer la solution
logicielle radio StellaNGC® de M3 Systems développée
sous LabVIEW. StellaNGC® est un simulateur de signaux GNSS
entièrement configurable, doté de caractéristiques adaptées à
la gestion de l’approche multi-constellations et multifréquences.
Basé dans le sud-ouest de la France et en Belgique, M3 Systems
est spécialisé dans le développement de systèmes hautes
performances de géolocalisation et de navigation aussi bien civils
que militaires. À l’occasion de NIWeek 2012 qui s’est déroulé à
Austin, NI a annoncé la sortie du VST. C’est là que M3 Systems
a réalisé que cet équipement pouvait apporter tout ce dont nous
avions besoin pour créer des outils intéressants pour le GNSS, en
alliant notre expertise et nos connaissances au profit de solutions
clefs en main pour répondre aux exigences de test de nos clients.
La souplesse, la modularité et les performances élevées de la
plate-forme NI, associées à notre expérience dans le domaine
GNSS et la très large gamme de capacités de développement
de LabVIEW offraient la combinaison idéale pour permettre à
nos développeurs de créer des produits attractifs. C’est ainsi
que le projet StellaNGC®, une solution de simulation de signaux
GNSS a vu le jour.
L’objectif du simulateur GNSS est de faire croire à un récepteur
GNSS qu’il suit une trajectoire définie par l’utilisateur. Les données
RF produites utilisent les signaux transmis par chacun des satellites
qui composent les constellations GNSS, la plus connue étant la
constellation GPS (Global Positioning System) fournie par le
département américain de la défense. Cependant, il en existe
d’autres, comme Galileo en Europe, GLONASS en Russie,
et Beidou/COMPASS en République de Chine.
Nous avons utilisé LabVIEW pour faciliter l’intégration du Constellateur
avec d’autres caractéristiques incontournables.
Un simulateur basé sur le Constellateur
Le cœur de notre simulateur est le Constellateur, développé avec
le Centre National d’Études Spatiales (CNES) en France. Il simule
la position de chaque satellite pour chaque constellation sélectionnée.
L’utilisation de LabVIEW a facilité l’intégration du Constellateur
avec d’autres caractéristiques indispensables telles que la
définition de trajectoire, les modèles atmosphériques et le
diagramme d’antenne. En utilisant la fonction de définition de
trajectoire, l’utilisateur peut soit sélectionner un scénario prédéfini
(embarqué avec le logiciel), soit importer sa propre trajectoire
issue d’un test réel (fichier journal d’un récepteur) ou un test
simulé avec un fichier (créé sur Google Earth par exemple).
Pour fournir des conditions d’utilisation réalistes et améliorer
la qualité du test, nous avons ajouté la simulation des modèles
atmosphériques. Deux couches atmosphériques ont un réel
impact sur la qualité de la précision de géolocalisation GNSS.
La ionosphère, couche supérieure de l’atmosphère ionisée par
la radiation solaire, peut avoir un impact important sur la qualité
des signaux RF produits par les satellites, en particulier lors des
éruptions solaires. Vient ensuite la troposphère, région de
l’atmosphère dans laquelle nous vivons et dans laquelle les
conditions climatiques peuvent également avoir des incidences
considérables sur la précision des signaux RF produits par les
satellites. Nous avons implémenté des modèles atmosphériques
réalistes pour mettre à l’épreuve la précision de la position
calculée par le matériel sous test (DUT).
NI TestStand nous a aidés à gérer les tests automatiques
lors de la production.
est une autre, cela nécessite la puissance d’un FPGA embarqué
sur le transcepteur de signaux vectoriels NI PXIe-5644R.
De nombreux utilisateurs ont déjà manifesté leur intérêt pour la
solution StellaNGC®. En utilisant LabVIEW, nous somme à même
de facilement gérer et de proposer des caractéristiques évolutives
que nos utilisateurs n’ont plus qu’à télécharger pour mettre à jour
leur système. L’environnement TestStand va nous permettre
de gérer les tests automatiques une fois entrés en phase de
production.
Les plates-formes NI nous ont permis de répondre aux attentes
de nos utilisateurs : disposer d’une caractéristique marche/arrêt
simple, de signaux RF générés de haute qualité en termes de
puissance en sortie, ainsi que d’une synchronisation précise. Nous
avons pu réunir toutes ces caractéristiques au sein d’une seule
et même solution clefs en main, ce qui la rend véritablement
attrayante en termes de prix.
Des enrichissements possibles
Unique, intégré et modulaire, ce simulateur de constellations
GNSS est la pierre angulaire de notre équipement de test. Fort
des performances élevées de la technologie du VST de NI, le
simulateur GNSS peut être enrichi d’autres caractéristiques telles
que l’enregistrement et la relecture, l’analyse de performances et
le traitement du signal afin de devenir l’environnement de test le
plus abouti et efficace pour la validation et l’homologation
accessible à un large éventail d’utilisateurs.
Simuler le diagramme d’antenne
Nous avons également ajouté la possibilité de simuler le diagramme
d’antenne. En effet, une antenne réceptrice peut être conçue pour
filtrer les satellites en fonction de leur position. Par exemple, si
l’élévation du satellite est trop proche de l’horizon, la qualité médiocre
du signal RF et les potentielles réflexions du sol ou des bâtiments
peuvent entraîner des erreurs de géolocalisation importantes. Le
calcul des signaux est une chose, leur génération temps réel en
Architecture de la solution
46 france.ni.com
Marc POLLINA ou David BOURDIER
M3 Systems
26, rue du Soleil Levant
31410 Lavernose
+33 (0)5 62 23 10 80
[email protected]
www.m3systems.net
“Avec l’augmentation de la diversité et
du nombre de produits GNSS (Global
Navigation Satellite System), de nombreux
acteurs du secteur réclament l’élaboration
d’un environnement de test et de
validation spécifique”
france.ni.com
47
Logiciel d’acquisition pour la caractérisation
de détecteurs infrarouge
Par Maxime GUILLOT et Eddy DUCHENE, Médiane Système et Fabien ROMANENS, ULIS
L’OBJECTIF
LA SOLUTION
Développer un environnement modulaire d’acquisition et de tests
destiné à caractériser le comportement de capteurs infrarouges
sur des bancs de test existants.
Utiliser l’association de LabVIEW et de TestStand pour construire
des séquences de tests automatisées ou semi automatisées
permettant l’application de traitements numériques à des
images capturées au moyen d’une carte d’acquisition d’images
NI PCI-1422.
Filiale de Sofradir, ULIS conçoit, développe, produit et commercialise
des détecteurs de rayonnement infrarouge basés sur une technologie
de silicium amorphe appelés micro-bolomètres.
En R&D comme en production, ULIS utilise plusieurs bancs de
tests chargés de réaliser un ensemble d’essais de caractérisation
du comportement de ses composants. L’architecture matérielle
peut différer d’un banc à l’autre, notamment avec l’interfaçage
d’appareils de mesure variés, ce qui pose des difficultés pour
maintenir et faire évoluer le logiciel utilisé jusqu’alors.
caractérisation mêle des opérations de pilotage totalement
automatisées à des opérations réalisées par un utilisateur au
moyen d’IHM intuitives, ainsi qu’à des fonctions poussées de
traitement et de calcul.
Les rapports complets de TestStand garantissent le bon déroulement
des trames de test tandis qu’un outil complémentaire sous forme
d’exécutable indépendant permet l’exploitation des données
mémorisées depuis n’importe quelle station de travail.
Une intégration facilitée
De plus, ce logiciel s’avère trop limité en termes de fonctionnalités
et, compte tenu de son architecture, il n’offre pas la souplesse
suffisante pour permettre la réalisation de campagnes d’essais
« à la carte ».
La démarche de développement a donc consisté à combiner la
souplesse de TestStand à l’ergonomie de LabVIEW pour mettre
au point un pilotage transparent du point de vue de l’utilisateur
des différents outils de mesure et des matériels périphériques.
Une approche modulaire
Ainsi, la mise en service du banc de tests ne nécessite pas une
connaissance approfondie des technologies qu’il emploie et met
davantage l’accent sur le métier premier de l’utilisateur, qui peut
dès lors imaginer tout type de traitement appliqué aux signaux
qu’il enregistre.
Pour répondre aux besoins d‘ULIS, Médiane Système a suivi une
approche modulaire afin de proposer un ensemble de briques
logicielles dédiées à la réalisation des fonctions suivantes :
■■
mise en place des conditions de mesure
■■
acquisition et visualisation des images issues du capteur infrarouge
■■
traitement des images via des algorithmes sous LabVIEW
et MATLAB
■■
sauvegarde des données
■■
exploitation des fichiers mémorisés par un logiciel indépendant.
Sur le plan matériel, cela s’est traduit par la réalisation de palettes
de contrôle paramétrables sous TestStand associées aux différents
appareils utilisables, que ce soit pour gérer la lecture de mesure
par GPIB, la gestion de température par le biais d’une liaison
RS232 ou l’asservissement d’une table de translation grâce à
la bibliothèque Motion Control. Les drivers bas niveau de ces
instruments ont été développés sous LabVIEW, tout comme les
différentes IHM et les fonctionnalités de sauvegarde ou d’interfaçage
avec MATLAB.
La suite Measurement and Automation Explorer (MAX) a contribué
à faciliter l’intégration matérielle en offrant un niveau d’abstraction
qui évite au code d’être impacté par le paramétrage ou l’ajout de
nouveaux appareils.
Le développement logiciel a été en outre accéléré par la compatibilité
et l’ouverture de LabVIEW qui ont permis de conserver des routines
de calculs conçus sous MATLAB et d’implémenter des fonctions
d’écriture/lecture au format HDF5 grâce à des bibliothèques
libres d’accès.
IHM du logiciel d’exploitation des données acquises
Des performances améliorées et une évolution
sans limite
La hiérarchisation et la segmentation des composantes du projet
autorisent virtuellement tout type d’évolution d’un point de vue
logiciel et matériel. Le gain en termes de performances est en
outre très appréciable : de nouveaux tests et calculs jusqu’à
présent irréalisables sont désormais possibles. Les bénéfices
offerts par ce nouvel environnement de tests sont également
d’ordre organisationnel. Le fait d’avoir conçu le logiciel comme une
plate-forme modulaire adaptable le rend totalement indépendant
d’un banc de test en particulier et autorise la duplication sur
d’autres machines avec plusieurs niveaux d’utilisation.
Maxime GUILLOT ou Eddy DUCHENE
Médiane Système
ILENA PARK, Bât. B1
117, allée des Parcs
69800 Saint-Priest
+33 (0)4 81 07 65 40
[email protected]
www.medianesysteme.com
IHM du logiciel de suivi et configuration de l’acquisition
Cette approche modulaire autorise l’utilisateur d’une part à adapter
son cycle de qualification aux matériels équipant le banc utilisé et
d’autre part à concevoir des séquences de tests personnalisés.
En termes d’architecture, l’environnement final repose donc sur
une construction de séquences dans TestStand au moyen de ces
différentes briques logicielles. L’exécution d’une séquence de
“Le gain en termes de performances est
très appréciable : de nouveaux tests et
calculs jusqu’à présent irréalisables sont
désormais possibles.”
48 france.ni.com
Banc de caractérisation utilisé en R&D
france.ni.com
49
Étude et réalisation d’une solution automatisée
de test de fiabilité sur silicium d’un amplificateur
de puissance pour application de téléphonie
mobile à 1,9 GHz
Par Jeff J. NOWAKOWSKI, Laboratoire de Caractérisation R&D, STMicroelectronics Central R&D
L’OBJECTIF
LA SOLUTION
Concevoir une solution complète de test automatisé sur silicium
pour les nouvelles applications de téléphonie mobile incluant,
dans un flux paramétrable, mesures continues (« DC ») et Radio
Fréquence (« RF »), génération d’un rapport au format propriétaire
afin de démontrer la qualité du produit de type transistor amplificateur
de puissance à 1,9 GHz par ses performances et sa fiabilité
dans le temps.
Développer une solution modulaire combinant le logiciel LabVIEW
et un banc de mesures DC et RF.
STMicroelectronics est un leader mondial des semi-conducteurs.
La compagnie conçoit, développe et industrialise une vaste gamme
de circuits intégrés. Ceux-ci sont destinés à des applications sur
des marchés très concurrentiels, tels que la communication,
l’industrie et l’automobile. Le laboratoire du centre de R&D mondial
réalise la caractérisation des prototypes dans ces domaines et en
particulier ceux destinés à des applications de téléphonie mobile.
Les mesures sont conduites directement sur les plaques de
silicium (« sous pointes ») produites par la société.
de téléphonie mobile. En ce sens, la caractérisation de sa qualité
intrinsèque par sa fiabilité dans le temps est un paramètre clé.
Un circuit à 1,9 GHz de dernière génération
à caractériser
Le circuit intégré à caractériser, conçu en technologie silicium sur
isolant (SOI), est un transistor amplificateur de puissance. C’est un
élément clé dans la chaîne d’émission/réception d’une application
Organigramme simplifié de mesure automatisée
de fiabilité dans le temps
La technologie SOI permet d’intégrer des fonctions RF telles que
la commutation d’antenne, amplification de réception et traitement
sur un seul circuit.
Une automatisation indispensable pour
assurer la qualité
La mesure de fiabilité impose la mise au point d’un enchaînement
d’étapes particulier (« flux de test »). Ce processus fait intervenir
dans des conditions réelles, à la fois un stress RF du circuit à
tester et une série de mesures DC et RF. La précision et le temps
indispensables à ces opérations nécessitent d’automatiser la
solution. Sous cette condition, la qualité du produit, stratégique
dans le monde industriel, pourra être démontrée au client.
Interface de contrôle du banc de mesure et résultats
temps réel de mesures DC et RF
précision. La génération de puissance RF est assurée par un
ensemble générateur, filtres et amplificateur de puissance RF.
Enfin, la mesure des gains RF est confiée à un analyseur de
spectre. Au préalable à ces tests, les impédances d’entrée et
de sortie présentées au circuit sous test sont optimisées à l’aide
de tuners mécaniques spéciaux (méthode « load-pull »). Côté
logiciel, LabVIEW s’impose naturellement en raison de ses
capacités étendues de programmation modulaire et de pilotage
d’instrumentation. Un nombre important d’appareils DC et RF
très différents sont utilisés : LabVIEW est la solution permettant
de les piloter de façon optimale. Enfin, une interface utilisateur
intuitive propose en temps réel de suivre le résultat de l’évolution
des paramètres.
Un gain de temps et une qualité inégalée pour
une application très sensible
La troisième étape est la création d’un format de rapport exploitable
rapidement en interne sans post-traitement. Sur ce point encore,
LabVIEW permet rapidement d’organiser et de personnaliser
les résultats.
Enfin, le formatage automatique des résultats de mesure permet
un gain de temps significatif dans le post-traitement et l’analyse.
La corrélation avec les données de simulation générées lors de
la conception du circuit est ainsi facilitée.
Une interface de contrôle intégrée et fiable
La solution présentée a été entièrement développée et implémentée
avec succès : elle répond parfaitement au cahier des charges. Elle
permet de démontrer au client un paramètre stratégique : la qualité
dans le temps du circuit. Au vu de ses performances, des éléments
matériels et logiciels mis en œuvre dans ce projet industriel seront
réutilisés et déployés vers d’autres applications.
L’utilisation de cette solution entièrement développée en LabVIEW
a permis d’optimiser le temps de mesure et de caractériser
complètement la fiabilité électronique du prototype.
Tout d’abord, le banc fonctionne en continu et adresse des
mesures précises, à la fois DC et RF, sur des grandeurs sensibles.
Le risque d’erreur est donc fortement réduit.
Par ailleurs, l’architecture du programme et la modularité de
l’environnement de développement permettent d’adapter très
rapidement le flux de test aux besoins du client.
Une solution innovante de mesure de fiabilité
Il n’existe aucune application commerciale répondant à ces
contraintes et permettant de caractériser dans le temps la fiabilité
du circuit amplificateur de puissance. Il a donc été nécessaire de
développer complètement une solution de R&D modulaire.
Banc complet de mesure sous pointes avec instrumentation
DC et RF, circuit sous test et ordinateur de contrôle
“Un nombre important d’appareils DC et
RF très différents sont utilisés : LabVIEW
est la solution permettant de les piloter
de façon optimale.”
50 france.ni.com
La première étape est la création du flux de test. Le test de fiabilité
impose notamment de contrôler précisément le cumul des temps
pendant lesquels le circuit va être soumis à une batterie de tests.
L’idée est d’étudier l’évolution de mesures de courant en fonction
de la tension (« réseaux I(V) »), puis en se plaçant à un point de
polarisation obtenu expérimentalement, de mesurer l’évolution
dans le temps du gain RF petit signal (« Gain ») après avoir soumis
le circuit à un fort signal d’entrée ou stress RF (« PinStress »).
La condition d’arrêt est l’atteinte de la tolérance limite en courant
au-dessus de la valeur de fonctionnement nominal. L’enchaînement
des opérations est donc séquentiel avec une modularité permettant
l’organisation rapide des étapes.
La solution développée doit fonctionner jour et nuit : la fiabilité
est donc un critère primordial de ce développement.
Le programme d’automatisation développé en LabVIEW intègre le
flux de test présenté ci-dessus et répond au critère de robustesse
requis. Il permet à l’utilisateur de fournir de manière très conviviale
au banc de test les informations nécessaires telles que consignes
DC et RF aux instruments. L’interface offre également la possibilité
de suivre en temps réel un des paramètres de mesure de fiabilité
du circuit sous test, à savoir l’évolution du courant DC avant et
après stress RF. Un format propriétaire de fichier de résultat est
développé. Les différentes parties du rapport de mesure sont
classées par temps de stress RF. Elles contiennent certains
paramètres du banc et les résultats DC et RF, afin d’assurer
un traitement rapide par les outils d’analyse.
Jeff J. NOWAKOWSKI
Advanced Test Automation Solutions & Lab Quality Leader
STMicroelectronics Central R&D
850, rue Jean Monnet
38926 Crolles
+33 (0)4 76 92 69 35
[email protected]
[email protected]
www.st.com
La seconde étape est le choix des ressources, matérielles et
logicielles. Côté matériel, les mesures DC à de faibles courants
nécessitent des multimètres et alimentations stabilisées de
france.ni.com
51
Émulation de canal pour communications
par satellite géostationnaire
Par Huyen CHI BUI et Laurent FRANCK, Télécom Bretagne
L’OBJECTIF
LA SOLUTION
Proposer un émulateur de canal satellite économique pour
l’enseignement ou tout utilisateur occasionnel.
Développer un émulateur de canal RF basé sur du matériel de
radio logicielle (SDR) « sur étagère ». Combiner les avantages
d’une plate-forme SDR économique avec un PC afin de créer
un émulateur de canal hautement extensible et personnalisable.
Fondée en 1977, Télécom Bretagne est une grande école
d’ingénieur et un centre de recherche international dans les
sciences et technologies de l’information. Le site de Toulouse
est dédié à l’enseignement et à la recherche dans le domaine des
communications par satellites. Nous avons conçu un émulateur
de canal abordable pour transmission par satellite géostationnaire.
L’émulation de canal reproduit en laboratoire les dégradations qui
affectent une transmission dans l’environnement réel équivalent.
Elle sert différents objectifs : démonstration de services, évaluation
des performances de protocoles ou d’équipements sans devoir
recourir à une véritable chaîne de transmission (dans le cas présent,
sans avoir accès à un satellite). À cet égard, une émulation précise
de liaisons satellites est un atout majeur pour toute activité de
recherche. L’émulation de canal permet également de reproduire
à volonté des événements rares ou incontrôlables (fortes pluies,
orages électromagnétiques ou brouillage dans une voie adjacente).
Des émulateurs de canaux satellites basés sur de l’électronique
dédiée sont disponibles sur le marché. Cependant leur prix
dépassant les 100 k€ les rend difficilement accessibles à
l’enseignement ou aux utilisateurs occasionnels. Des émulateurs
fonctionnant au niveau des paquets de données (notamment IP en
rajoutant du délai ou des pertes) offrent un début de réponse au
problème de coût. L’émulation au niveau IP – de par sa conception –
ne fait pas l’affaire pour tous les aspects liés à la RF. De plus,
configurer ces émulateurs nécessite d’abstraire tous les
phénomènes qui se produisent au niveau physique et de les
transformer en dégradations au niveau IP. Cette tâche peut
s’avérer difficile.
Architecture et conception
La Figure 1 représente le système mis en œuvre pour l’émulation.
Le site de l’utilisateur est équipé d’un terminal à très faible ouverture
(VSAT) composé d’un terminal (modem + amplificateurs) et d’une
“La gamme SDR des matériels USRP de
NI offre un double avantage : d’une part,
la solution proposée ici est d’un bon
rapport qualité/prix et, d’autre part, elle est
extrêmement polyvalente, puisque la majeure
partie du traitement du signal est effectuée
sur un ordinateur.”
52 france.ni.com
antenne parabolique. Sur le site de l’opérateur, les mêmes
composants sont mis en œuvre, sachant que certains sont
dimensionnés de façon à pouvoir répondre aux besoins de
plusieurs utilisateurs à la fois. Les sites des opérateurs et des
utilisateurs communiquent via un satellite de télécommunication
géostationnaire. Nous considérons ici que la charge utile est de
type répéteur transparent en bande Ku.
Afin d’émuler un système de ce type, tous les éléments qui se
trouvent entre deux modems sont supprimés. L’émulateur imite
leur influence sur le signal de façon à tromper les deux modems
et à leur faire croire que les composants originaux sont toujours
en place. Cette approche offre l’avantage de fonctionner avec des
signaux RF qui affichent des basses fréquences (environ 1 GHz) et
une faible puissance (environ -35 dBm).
La gamme SDR des matériels USRP de NI offre un double
avantage. Tout d’abord, la solution proposée ici est d’un bon
rapport qualité/prix. De plus, elle est extrêmement polyvalente,
puisque la majeure partie du traitement du signal est effectuée
sur un ordinateur. Les limites de cette approche sont fixées par
la puissance disponible de l’ordinateur et la vitesse de l’interface
ordinateur/SDR. Toutefois, notre expérience montre qu’un trafic
aller-retour de 2 Mbaud en modulation QPSK (c’est-à-dire 4,8 Mbit/s
au niveau IP dans chaque direction) peut être géré en temps réel
par un seul et même ordinateur de bureau. Ces capacités couvrent
les scénarios d’usages courants de satellites dans lesquels un
trafic de données bi-directionnel intervient.
Fig. 1. Schéma d’accès Internet type utilisant des liaisons
satellites bidirectionnelles.
la fréquence d’échantillonnage demandée. Aucun traitement
supplémentaire n’est mis en œuvre dans le FPGA et les échantillons
I/Q obtenus sont transmis via une liaison Ethernet Gigabit à
l’ordinateur. Une fois traités, les échantillons I/Q modifiés sont
renvoyés à l’USRP pour une conversion numérique-analogique et
une conversion par élévation de fréquence, puis ils sont transmis
au modem de destination.
B. Le logiciel d’émulation
Le logiciel d’émulation est composé de trois processus parallèles :
la boucle RX, la boucle d’émulation et la boucle TX. Étant donné
que le signal est traité en temps réel, une attention particulière est
portée aux contraintes temporelles de cadencement. Les boucles
RX et TX gèrent la communication depuis et vers les matériels
USRP de façon à aller chercher et à fournir les échantillons I/Q
à la fréquence appropriée.
A. Le matériel d’émulation
Le système d’émulation est représenté Figure 2. Les deux
modems supportent le standard the DVB/S2 et sont configurés
pour fonctionner en mode SCPC (une seule voie par porteuse).
Concentrons-nous sur une seule voie (aller ou retour) puisque
le système est parfaitement symétrique en ce qui concerne
le traitement RF. Le signal est transmis depuis le modem et
acheminé jusqu’au port RX du matériel USRP. Il est ensuite
converti par abaissement de fréquence par une tête RF, passe
par une conversion analogique-numérique, puis est décimé à
l’émulateur est utilisé avec succès dans le cadre de projets
étudiants et d’activités de recherche.
Des travaux, avec différents objectifs, ont été réalisés récemment :
ajout de l’atténuation générée par la pluie sous forme de séries
temporelles, amélioration de la modélisation du bruit de phase.
Nous avons porté également la plate-forme d’émulation sur le
transcepteur de signaux vectoriels (VST PXIe-5644R), qui est un
matériel plus puissant. Notre but est d’évaluer l’équilibre qui peut
être trouvé en termes de coût, complexité et performances.
La boucle d’émulation, la plus complexe des trois, est susceptible
d’être personnalisée en fonction des phénomènes implémentés
dans l’émulateur. Les traitements actuellement supportés sont :
(a) gain en puissance du signal consécutif au gain d’antenne,
amplification du signal satellite et de la station terrienne.
(b) atténuation du signal consécutive à une perte d’espace libre,
aux conditions climatiques et à d’autres pertes marginales se
produisant au niveau des équipements.
(c) bruit thermique consécutif à la luminosité de la terre et du ciel et
bruit électronique.
(d) produits d’intermodulation et interférences.
Avant de choisir les matériels NI URSP et LabVIEW, l’utilisation
de GNU radio a été envisagée. Finalement, nous avons opté pour
LabVIEW en raison de sa courbe d’apprentissage souple et de la
qualité de la documentation en ligne. De plus, NI offre des
formations et un support en ligne remarquables.
Fig. 2. Schéma d’émulation pour l’accès bidirectionnel à un
satellite. Les modems et les matériels SDR sont connectés
au moyen de câbles coaxiaux.
Fig. 3. Face-avant de l’émulateur
(e) bruit de phase généré par des matériels électroniques.
(f) retard de propagation résultant de la distance parcourue.
Les quatre premiers facteurs peuvent être exprimés comme une
variation de la puissance de la porteuse par rapport au rapport
bruit/puissance. Les échantillons I/Q reçus du matériel USRP sont
dégradés en conséquence. Ensuite, le bruit de phase est ajouté.
Enfin, les échantillons I/Q sont retardés pour correspondre au délai
de propagation (généralement de 250 ms entre l’utilisateur et
l’opérateur). La boucle de l’émulateur fait un usage intensif du
toolkit LabVIEW Modulation.
Laurent FRANCK
Télécom Bretagne, Département micro-ondes, site de Toulouse,
10, avenue Edouard Belin BP44004
31028 Toulouse Cedex 8
+33 (0)5 61 338 365
[email protected]
www.telecom-bretagne.eu
Conclusion et perspectives
Notre solution est capable de traiter en temps réel jusqu’à deux
fois 2 Mbaud de signaux modulés en QPSK. À l’heure actuelle,
france.ni.com
53
ous avez développé une application
V
avec des produits National Instruments ?
N’hésitez pas à rédiger vous aussi un article d’utilisateur !
Chaque article d’utilisateur est :
■■
publié sur l’une des pages les plus visitées du site de NI France (www.ni.com/case-studies/f)
■■
diffusé à des milliers de scientifiques et d’ingénieurs dans l’édition française de la lettre électronique NI News
■■
intégré à la brochure annuelle des applications d’utilisateurs (que vous avez entre les mains)
■■
affiché en poster sur l’exposition NIDays
■■
Qui va sortir notre réseau
électrique de l’obscurité ?
inscrit d’office au concours des meilleures applications de l’année,
organisé en partenariat avec le magazine Mesures
– remise des prix lors de l’édition suivante de NIDays
– cadeaux de valeur pour chacun des lauréats (4 catégories)
– séjour tous frais payés à NIWeek pour le vainqueur toutes catégories confondues
– compte-rendu dans le magazine Mesures et sur mesures.com
Pour un investissement modéré
Deux à cinq heures suffisent en général pour rédiger un article d’une ou deux pages. Cela peut aller très vite
si vous disposez déjà d’éléments écrits et d’illustrations. De surcroît, un rédacteur de NI France vous aidera à
améliorer la forme si nécessaire.
Si vous êtes intéressé(e) :
■■
visitez, pour tout savoir, la page web france.ni.com/pourquoirediger
■■
manifestez-vous sans tarder auprès de Céline GONZALEZ (01 57 66 24 24 ou [email protected]).
france.ni.com/pourquoirediger
You and NI will. Créer un réseau électrique plus intelligent et durable pour notre
avenir commence par l’intégration d’énergies renouvelables, la mise en œuvre d’analyse
automatisée et l’amélioration de l’efficacité énergétique globale. Seule une société peut
fournir des outils de conception, des systèmes de test et des plates-formes embarquées
pour donner vie à ces solutions. Vous trouverez de plus amples informations sur france.ni.com.
54 france.ni.com
©2015 National Instruments. Tous droits réservés. LabVIEW, National Instruments, NI, et ni.com sont des marques de National Instruments.
Les autres noms de produits et de sociétés mentionnés sont les marques ou les noms de leurs propriétaires respectifs. 19819
Qui va nous permettre de
voler plus haut et plus vite,
en toute sécurité ?
You and NI will. Repousser les limites du possible dans les secteurs de
l’aérospatiale et de la défense passe par l’innovation. Avec un éventail de solutions allant
de la simulation Hardware-In-the-Loop au test électrique de signaux mixtes, NI peut vous aider
à explorer ces nouveaux horizons. Pour en savoir plus, rendez-vous sur france.ni.com.
National Instruments France SAS n 2, rue Hennape 92735 Nanterre Cedex (France) n Tél. : (0)1 57 66 24 24 n Fax : (0)1 57 66 24 14
Capital social 1.000,00 euro – RCS Nanterre 804 959 013 – SIRET 804959013 00017 – APE 6209Z – N.I.I. FR 68 804959013
©2015 National Instruments. Tous droits réservés. CompactRIO, CVI, DIAdem, LabVIEW, National Instruments, NI, Multisim, NI
SoftMotion, NI TestStand, NI VeriStand, Big Analog Data, NIWeek, et ni.com sont des marques de National Instruments. Les autres
noms de produits et de sociétés mentionnés sont les marques ou les noms de leurs propriétaires respectifs.Pour plus d’informations
concernant les marques de National Instruments, veuillez vous référer à la partie Terms of Use sur le site ni.com/legal. La marque
LabWindows estutilisée sous licence Microsoft Corporation. Windows est une marque déposée de Microsoft Corporation aux
États-Unis et dans d’autres pays. 19626

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