INSTRUMENTATION MODULAIRE : Une solution qui

Solutions
INSTRUMEN T A T I O N M O D U L A I R E
Une solution qui dote
l’USB de capacités
de synchronisation

Les modules d’acquisition pilotés par un PC via leur port USB ont fait leurs preuves.
Ils présentent l’avantage de la compacité et de la facilité de mise en œuvre. Des
fonctionnalités de temporisation et de synchronisation leur font toutefois défaut.
Conçue par Chronologic, la technologie USB-inSync ajoute ces capacités à la liaison
USB (Universal Serial Bus) présente sur tous les PC tout en préservant l’ensemble
des fonctionnalités de ce bus. Ce qui ouvre les technologies d’acquisition via l’USB
à des applications pour lesquelles elles n’étaient pas envisageables jusqu’ici.
L
pour d’autres périphériques. Il présente une
bande passante de 480 Mbps pour la version
USB 2.0 (jusqu’à 4.8 Gbps pour l’USB 3.0).
Il propose un branchement plug-and-play
(reconnaissance automatique par le PC) et à
chaud des périphériques qui s’y connectent.
La fiabilité des échanges est assurée grâce à
des protocoles de correction d’erreur automatique. Il offre, de plus, la possibilité de
constituer une architecture d’extension en
étoile.
L’USB est un bus série conçu pour fonctionner dans une configuration hôte-esclave,
point à point, avec un PC (voir figure 1). En
standard, ce bus autorise le contrôle jusqu’à
Chronologic
’USB est certainement l’interface
de connexion de matériels périphériques à un PC la plus largement employée sur le marché. Elle
autorise la liaison de nombreux équipements exigeant la communication à un ordinateur. Elle équipe désormais tous les ordinateurs de bureau et portables, les matériels
informatiques bureautiques mais également
de nombreux instruments et équipements
industriels. Ce qui lui confère une certaine
universalité et assure l’interopérabilité des
communications. Le standard USB présente
de nombreux avantages. Il s’agit d’un bus
série externe qui libère les ressources IRQ
L’architecture USB InSync
nécessite l’adjonction
d’un boîtier horloge
maître, le Maestro
et de boîtiers
de distribution Legato.
Le boîtier Legato, doté
de 5 lignes Entrée/Sortie,
fournit les signaux
de synchronisation
avec 1 ns de précision.
Le boîtier Maestro,
doté de 6 ports USB,
fournit les horloges
de référence.
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127 périphériques via des hubs d’extension
à partir d’un seul contrôleur d’hôte USB sur
un PC. Les hubs d’extension comportent
habituellement 7 ports et peuvent être connectés à d’autres hubs dans une topologie
quelconque déterminée par l’utilisateur.
Synchronisation et déterminisme
L’USB a été conçu pour piloter simultanément des périphériques de différentes natures intégrant des fonctionnalités différentes.
Ce bus asynchrone permet à ces périphériques de communiquer séquentiellement
avec le PC hôte. Le contrôle asynchrone empêche ces périphériques d’interagir les uns
avec les autres de façon déterministe. Par
conséquent, la capacité de l’USB à synchroniser des événements ou des processus survenant sur ces périphériques est très limitée.
L’essentiel
Typiquement, les périphériques USB peu Chronologic a transformé
vent synchroniser des
l’USB en un bus d’instrumenflux de données sur
tation synchrone.
une base de temps de
 Le bus standard est utilisé
l’ordre de la millisepour synchroniser
conde. Ce qui est juste
des modules d’entrées/
suffisant pour synsorties dédiés.
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naux d’une paire d’enle fonctionnement
ceintes. En tant que
de la liaison USB standard.
bus asynchrone, l’USB  Chaque périphérique
standard n’a pas la caconnecté dispose de sa
pacité de fournir des
propre horloge synchrone
informations de temavec une précision supéporisation à de multirieure à ±1 nanosecondes.
ples périphériques. Il  Ces périphériques peuvent
ne convient donc pas
également fonctionner
aux applications de
de façon déterministe.
précision. D’autant ➜
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Figure 1. Topologie de connexion USB : l’USB standard n’a pas la capacité de fournir des informations de temporisation à de multiples périphériques. L’erreur d’horloge augmente avec la distance physique qui sépare
les périphériques par leur câblage. L’utilisation de hubs d’extension ne fait qu’accroître cette erreur.
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Figure 2. Chaque périphérique USB-inSync connecté à un même hub générique va donc fonctionner avec des horloges synchronisées à quelques nanosecondes près.
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Figure 3. La solution USB-inSync rend possible la réalisation d’un système dans lequel chaque périphérique obtient du PC hôte des informations précises de fréquence d’horloge et une référence temporelle absolue.
Chaque périphérique USB-inSync comporte une horloge intégrée qui est verrouillée en phase avec toutes les autres horloges de périphérique USB-inSync. Ce procédé de synchronisation reste opérationnel via des ports et
un hub USB standard car il repose exclusivement sur la plate-forme matérielle du périphérique USB-inSync. L’utilisation de l’USB-inSync Master Hub assure un contrôle étroit de temporisation des périphériques USB-inSync
quelle que soit leur position dans le système d’entrée-sortie distribué relié au PC.
➜ que l’erreur d’horloge augmente avec la
distance physique qui sépare les périphériques par leur câblage. L’utilisation de hubs
d’extension ne fait qu’accroître cette erreur.
Il est donc impossible d’assurer une acquisition de données ou un contrôle en temps
réel synchrone pour des applications de test,
de mesure ou de contrôle. Ce qui explique
pourquoi le déploiement de l’USB pour le
test et la mesure se limite souvent à un seul
périphérique d’acquisition.
Les périphériques USB exploitent l’infras-
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tructure informatique existante de façon
simple, fiable, et à faible coût qui suffit néanmoins pour une large gamme d’applications.
Pour preuve, l’étendue de l’offre de modules
d’acquisition de signaux et d’instruments
exploitant le bus USB que l’on trouve
aujourd’hui sur le marché. Malgré le manque de synchronisation, la demande pour
une telle instrumentation n’a donc cessé de
croître. L’Australien Chronologic avec sa solution USB-inSync s’est toutefois proposé de
palier cette carence du bus USB standard
pour les applications de test et de mesure
automatiques. Les boîtiers d’acquisition qu’il
a conçus ne se contentent pas d’exploiter la
facilité de connexion qu’offre la liaison USB.
Ils se démarquent en effet des modules d’acquisition de signaux disponibles sur le marché. Ils intègrent la technologie USB-inSync
qui présente les fonctionnalités de l’USB
classique auxquelles s’ajoutent des capacités
logicielles de temporisation requises pour
certaines applications industrielles d’entréesortie à base de PC. Cette avancée offre la
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Compensation passive
La plate-forme USB-inSync transforme l’USB
asynchrone conventionnel en une plateforme de contrôle synchrone, déterministe
et extensible. Les périphériques qui la composent restent toutefois compatibles au standard USB et possèdent toutes ses caractéristiques de connectivité du standard.
Chaque périphérique USB-inSync comporte
une horloge locale qui est verrouillée en
phase avec celle de tous les autres périphériques USB-inSync connectés à un PC hôte
donné. Par ailleurs, chaque périphérique
contient son propre registre “temps réel” qui
est synchronisé à celui des autres périphériques USB-inSync. Grâce à un système de
déclenchement déterministe, les processus
peuvent être lancés et arrêtés avec précision.
Ces deux fonctionnalités procurent de nouvelles possibilités de contrôle et de surveillance via des modules d’acquisition distribués.
USB-inSync garantit que toutes les horloges
de périphérique locales sont synchronisées
à +/-1 nanosecondes les unes par rapport
aux autres lorsqu’elles sont connectées à un
hub d’extension commun avec des longueurs de câble similaires (voir figure 2). Il
s’agit d’un mode de synchronisation passif
car les périphériques se verrouillent automatiquement l’un à l’autre sans nécessiter
d’équipement supplémentaire. Jusqu’à six
périphériques USB-inSync reliés à un hub
d’extension USB générique peuvent être
ainsi synchronisés. Ils verrouillent automatiquement leurs horloges en fréquence, mais
on peut constater un petit décalage de phase
entre les horloges quand les périphériques
sont situés à des points différents de l’arborescence USB. Le décalage de phase typique
pour une configuration distribuée USB-inSync passive est de l’ordre de 100 ns (périphériques répartis sur plus de 30 m). Cette
synchronisation est néanmoins supérieure
de quatre ordres de grandeur à celle de l’USB
standard. Ce qui peut parfaitement suffire
pour de nombreuses applications.
Chaque périphérique USB-inSync connecté
à un même hub générique va donc fonctionner avec des horloges synchronisées à quelques nanosecondes près. Les périphériques
connectés à des niveaux différents de l’arborescence USB subiront un petit décalage de
phase. Bien qu’un tel décalage soit accepté
par la grande majorité des applications, le
procédé USB-inSync offre cependant la possibilité de quasiment le supprimer.
Certains utilisateurs exigent en effet des capacités de synchronisation nettement plus
rigoureuse. Pour ceux-là, USB-inSync a également la capacité de compenser activement
ces décalages de phase et de synchroniser
toutes les horloges à ±1ns, quel que soit
l’emplacement de leur connexion. Le procédé Active USB-inSync exploite un hub
spécifique pour mesurer et compenser le
décalage de phase d’horloge de chaque périphérique (voir figure 3).
Compensation active
La technologie développée par Chronologic
peut en effet mettre en œuvre un hub maître, baptisé USB-inSync Master Hub, comme
contrôleur de temporisation pour synchroniser toutes les horloges de périphérique,
quel que soit le nombre d’hubs d’extension
USB standard utilisés. Celui-ci détermine le
décalage de phase et fournit un facteur de
correction à chaque périphérique USB-inSync pour que tous les périphériques opèrent de façon synchrone. Ceci se fait automatiquement pendant le processus
d’énumération du périphérique et est répété
à chaque fois qu’un nouveau périphérique
est connecté au système, assurant la précision tout en préservant la capacité de remplacement à chaud de l’USB. Dès que
Windows reconnaît le périphérique, ce dernier est opérationnel pour un fonctionnement synchrone. L’utilisation de l’USB-inSync Master Hub assure un contrôle étroit
de temporisation des périphériques USBinSync quelle que soit leur position dans le
système d’entrée-sortie distribué relié au PC.
Sa mise en œuvre au premier niveau de l’arborescence USB assure une compensation
de phase d’horloge à ±1ns, quelle que soit
la position du périphérique dans le réseau
USB. Un système de déclenchement déterministe autorise des déclenchements sur des
événements survenant sur différents périphériques avec une tolérance temporelle de
±1ns.
Fonctionnalités logicielles
USB-inSync constitue une plate-forme d’entrée-sortie PC ouverte qui repose sur le bus
USB standard et qui est conforme au protocole USB. Les périphériques USB-inSync
peuvent donc fonctionner aux côtés de périphériques USB classiques et via des hubs
et des câbles standards. Mais les modules
d’entrées/sorties d’autres constructeurs connectés à un hub aux côtés des modules USBinSync ne bénéficient pas quant à eux des
fonctionnalités de synchronisation.
Associés au logiciel USB-inSync, des facultés de synchronisation et des traitements
déterministes peuvent être intégralement
implémentés à partir une architecture USB
standard. La plate-forme logicielle s’appuie
sur une interface graphique (GUI) à partir
de laquelle les utilisateurs pourront réaliser
l’acquisition de données en provenance
des périphériques USB-inSync. Elle rend
possible le traitement d’entrées-sorties
pour des applications d’échantillonnage
synchrone des signaux ou de contrôle déterministe. Pour les applications plus pointues, ils disposent d’un accès étendu aux
fonctionnalités bas niveau de périphérique
via le Server COM. Ce qui les autorise à
s’interfacer à une application logicielle spécifique basée sous Windows telles que MS
Office, Visual Studio et Labview de National
Instruments. Des pilotes de périphérique
compatibles Labview sont également disponibles pour faciliter l’implémentation
des périphériques USB-inSync dans un environnement de test existant.
Dr. Peter Foster
Directeur technique et cofondateur
de Chronologic
Chronologic
possibilité de développer des systèmes synchronisés pour les applications distribuées
de test, de mesure et d’acquisition de signaux. Cette solution s’interface directement
à plus de 100 périphériques via le port USB
du PC.
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Acquisys distribue
les produits de
Chronologic qui a
développé
la technologie USB
InSync autorisant
la réalisation
de systèmes
d’acquisition
synchronisés et
déterministes
sur un bus USB.
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