L`instrumentation virtuelle désormais largement adoptée

L’instrumentation virtuelle désormais largement adoptée
Depuis le milieu des années 1980, l’instrumentation virtuelle allie la technologie des PC, les logiciels de
développement et les matériels de mesure modulaires afin de permettre aux utilisateurs de créer leurs
instruments personnalisés définis par logiciel. Ces instruments offrent une plus grande souplesse que
les instruments conçus par les fabricants et ont évolué plus rapidement dans la mesure où ils sont issus
de la technologie informatique.
L’instrumentation virtuelle est désormais largement adoptée dans les applications de test. Les concepts
de l’instrumentation virtuelle sont soit adoptés, soit récusés par l’industrie du test. L’armée américaine,
par exemple, qui n’est généralement pas un créateur de tendance en matière de technologie, a largement
adopté l’instrumentation virtuelle. Le ministère de la Défense américain, qui est le plus grand
consommateur d’équipement de test automatisé, a adopté le concept de l’instrumentation pilotée par
logiciel dans son projet nommé "Synthetic Instrument" (Instrument synthétique). Dans un rapport
adressé au Congrès, le ministère a déclaré : "Une récente technologie commerciale permet de
développer des instruments synthétiques qui peuvent être configurés en temps réel pour effectuer
plusieurs fonctions de test… Un instrument "synthétique" peut remplacer plusieurs instruments
monofonction, ce qui réduit l’encombrement, les difficultés logistiques et résout les problèmes
d’obsolescence. [Rapport du Congrès sur les activités du Bureau de la transition technologique rattaché
au ministère de la Défense, février 2002]. L’instrumentation virtuelle et l’instrumentation synthétique ont
en commun l’association des propriétés de traitement des logiciels et des matériels commerciaux pour
créer un instrument personnalisé.
D’autres grandes sociétés ont adopté l’instrumentation virtuelle. Dans la fabrication, des leaders de
l’industrie tels que Lexmark, Motorola, Delphi, ABB et Philips utilisent les logiciels et les matériels
d’instrumentation virtuelle pour créer des applications critiques de test en production à grande échelle.
Dans le cadre des applications industrielles, l’instrumentation virtuelle est utilisée pour automatiser le
forage pétrolier et le raffinage, pour contrôler des machines de fabrication et même des réacteurs
nucléaires.
Les instruments traditionnels et le dilemme de l’innovateur
Alors que l’instrumentation virtuelle se développait, l’instrumentation traditionnelle souffrait du "dilemme
des innovateurs", décrit par Clayton Christensen dans son livre intitulé "Innovators Dilemma".
Christensen décrit ce dernier comme un phénomène qui se produit lorsque de nouvelles technologies
viennent perturber le marché et déstabiliser ses leaders. En fait, Christensen soutient que les leaders
d’un marché perturbé par une nouvelle technologie restent rarement leaders après cet événement. Sur
le marché du test et de la mesure, l’innovation en matière d’instruments traditionnels a suivi
l’augmentation des performances de mesure en utilisant les architectures existantes. Les sociétés
leaders sur le marché de l’instrumentation traditionnelle ont ignoré l’instrumentation virtuelle car, à ses
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débuts, cette dernière n’offrait pas les mêmes performances de mesure et donc, comme c’est le cas
avec la plupart des autres technologies novatrices, ne constituait pas une menace. À la fin des années
1980 et au début des années 1990, l’instrumentation virtuelle commença à être adoptée dans les
applications qui nécessitaient la souplesse et la vitesse d’exécution des mesures, avantages que ne
pouvaient offrir les moyens traditionnels. Alors que les performances des processeurs des PC et des
semi-conducteurs continuaient à augmenter, à la fin des années 1990 et au début des années 2000, les
performances des mesures offertes par l’instrumentation virtuelle firent une envolée spectaculaire.
Aujourd’hui, les performances des instruments virtuels en matière de mesure égalent, voire surpassent,
celles des instruments traditionnels grâce à une vitesse d’exécution, une souplesse, une évolutivité
supérieures et ce, à des coûts inférieurs.
Pour illustrer le principe du dilemme de l’innovateur sur le marché grand public, comparons
l’enregistrement MP3 aux médias traditionnels comme les CD. Les fabricants d’équipement audio
traditionnel n’ont pas, dans un premier temps, considéré les enregistrements MP3 comme une menace.
Après tout, ils sacrifiaient la qualité audio et il fallait un PC et un logiciel spécifique pour les écouter. Un
lecteur CD, à l’inverse, était facile à utiliser et offrait une interface spécifique dédiée à cette application
(touches et boutons). Les premiers utilisateurs de MP3 les utilisaient malgré ces inconvénients car ils
présentaient l’avantage du partage de fichier et étaient faciles à transporter. Avec le temps, la qualité
des MP3 est devenue acceptable et les logiciels permettant de les lire ont été considérablement
améliorés. Ils sont à présent largement acceptés et représentent une menace importante pour les
fabricants de lecteurs traditionnels et pour l’industrie du disque. Bien que de nombreuses sociétés
spécialisées dans les lecteurs traditionnels aient finalement réagi contre cette technologie perturbatrice
en mettant au point des lecteurs capables de lire le MP3 (Sony a récemment mis sur le marché un
baladeur MP3), les leaders du nouveau marché seront probablement les sociétés qui ont contribué à
l’introduction de la technologie MP3. Par exemple, les lecteurs de musique à disque dur représentent
82% des ventes d’Apple [NPD, août 2004].
De la même façon, sur le marché du test et de la mesure, des leaders comme Agilent Technologies
commencent à adopter les concepts de l’instrumentation virtuelle. Par exemple, les dernières annonces
d’Agilent comprennent un ensemble d’"instruments synthétiques" Ethernet et un générateur de formes
d’ondes aléatoires compatible avec le PXI, plate-forme standard de l’instrumentation virtuelle. John
Stratton, de la société Agilent, a récemment soutenu le concept de pilotage par logiciel des instruments
synthétiques : "Une solution consiste à utiliser des instruments synthétiques, par opposition aux
solutions "rackables" d’aujourd’hui. Un instrument synthétique remplace une unité de test par des
algorithmes logiciels et des modules matériels" [Military and Aerospace Electronics, juin 2004]. Lors
d’une récente conférence destinée aux investisseurs, Bill Sullivan, Directeur de l’exploitation au sein
d’Agilent, a déclaré : "Le passage à l’instrumentation modulaire qui offre une configuration logicielle
facilement reconfigurable et réutilisable par les utilisateurs est l’avenir du test et de la mesure".
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Les clés du succès de l’instrumentation virtuelle
L’instrumentation virtuelle a bouleversé le marché de l’instrumentation traditionnelle en proposant un
nouveau modèle pour concevoir des systèmes de test. L’instrumentation virtuelle doit son succès à
plusieurs facteurs : l’évolution rapide de l’architecture des PC, un nombre croissant d’ingénieurs
maîtrisant cette technologie, le boom des convertisseurs de données semi-conducteurs hautes
performances à faible coût et l’émergence de logiciels de conception de systèmes qui ont mis
l’instrumentation virtuelle à la portée d’un très grand nombre d’utilisateurs.
Faible coût, innovation et performances des PC
Les performances des PC ont été multipliées par 10 000 au cours des vingt dernières années. Aucune
autre technologie n’a connu une telle évolution. Les instruments virtuels utilisent les processeurs des
PC pour l’analyse des mesures. Par conséquent, chaque nouvelle génération de processeurs permet
de résoudre de nouvelles applications grâce à l’instrumentation virtuelle. Par exemple, dans le cadre
d’applications de test de communication, un PC tournant à 3 GHz suffit aujourd’hui pour effectuer des
analyses complexes de modulation et dans le domaine fréquentiel. Sur un PC de 1990 (Intel 386/16), une
FFT sur 65 000 points (transformée de Fourier rapide, méthode d’analyse spectrale indispensable), a
pris plus de 1 100 secondes. Sur un Pentium 4 tournant à 3,4 GHz, la même FFT prend environ 0,8
secondes [Ffbench, John Walker].
En outre, les disques durs, les moyens d’affichage et les bandes passantes des bus ont bénéficié de
gains de performances du même ordre. La prochaine génération de bus PC haute vitesse, PCI Express,
offre une bande passante qui peut aller jusqu’à 3,2 Go/s, et rend possible les mesures de bande
passante très élevée en utilisant l’architecture des PC. Certains fabricants ont vivement protesté contre
la disparition des bus internes haute vitesse au profit des bus de réseau et de périphériques,
notamment l'Ethernet et l'USB. Bien qu’il ne fasse aucun doute que ces bus externes sont nécessaires
dans certaines applications (l'Ethernet permet de mettre en place des systèmes distribués et l’USB offre
la simplicité de connexion), il y aura toujours une demande pour le transfert de données haute vitesse.
Un numériseur IF 100 Méch./s, 14 bits, par exemple, génère des données à 200 Mo/s, soit bien au-delà
de la bande passante de 80 Mo/s de l'Ethernet Gigabit. La raison pour laquelle on ne trouve pas de
cartes vidéo Ethernet sur le marché est que même le Gigabit LAN est au moins 30 fois plus lent que le
PCI Express. En fait, les interfaces Ethernet Gigabit et autres périphériques sont connectés à l’unité
centrale par le biais du bus PCI Express. L’instrumentation virtuelle englobe tous ces bus (PCI, PCI
Express, USB et Ethernet) dans la mesure où un bus virtuel est intégré dans le logiciel de l’application.
De nombreux fabricants d’instruments traditionnels ont réagi en intégrant des PC directement dans
leurs instruments. Ces instruments sont généralement dotés d’un processeur d’instrumentation
embarqué et d’une carte mère de PC, tous deux connectés dans le châssis par le biais d’un bus interne.
Malheureusement, cette approche ne permet pas de bénéficier des économies d’échelle offertes par les
fabricants de PC comme Dell, ni de mettre à jour son PC afin d’améliorer considérablement les
performances de mesure, deux avantages clés de la plate-forme PC. La plupart des oscilloscopes ont
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une durée de vie comprise entre 5 et 20 ans, mais à quoi servira un PC intégré vieux de vingt ans ? En
outre, comme le montre la Figure n°1, ces matériels sont toujours prédéfinis par les fabricants et
l’utilisateur n’a toujours pas accès au firmware pour créer des mesures personnalisées.
Figure n°1. Comparaison entre l’instrumentation virtuelle personnalisée et
l’instrumentation traditionnelle
Plus de scientifiques et d’ingénieurs maîtrisent l’instrumentation virtuelle
L’informatique fait partie intégrante de notre société ; avoir des connaissances dans ce domaine est
devenu indispensable. En dix ans, nos connaissances techniques se sont accrues. Dans notre système
éducatif, la tendance générale est à l’introduction de la compréhension technique et informatique dès le
plus jeune âge. Dans une récente étude de Lason L. Watai de l’Université Vanderbilt, l’opinion des
étudiants ingénieurs fut recueillie après avoir utilisé, en laboratoire, les instruments de table
traditionnels et les instruments pilotés par ordinateur. L’affirmation suivante fut confirmée par les
étudiants :
"Les instruments pilotés par ordinateur sont plus simples à utiliser que les
instruments de table traditionnels."
Taille de l’échantillon N = 77 étudiants (échelle des réponses : 1 = pas du tout d’accord ; 2 = pas
d’accord ; 3 = plutôt d’accord ; 4 = d’accord ; 5 = tout à fait d’accord). Moyenne des réponses : 4,05
D’une manière générale, un système éducatif axé sur une plus grande maîtrise des connaissances
techniques et de la programmation favorise l’adoption de l’instrumentation virtuelle sur PC.
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Généralisation des convertisseurs A/N et N/A
Un autre facteur expliquant l’adoption de l’instrumentation virtuelle est la généralisation des
convertisseurs A/N et N/A à faible coût. La téléphonie mobile et l’audio numérique, entre autres, sont
des applications qui utilisent constamment ces technologies. Les matériels utilisés en instrumentation
virtuelle mettent en œuvre ces circuits très largement disponibles comme frontaux pour les mesures.
Les C A/N et C N/A suivent la loi de Moore, c’est-à-dire que leurs performances sont multipliées par
deux tous les 18 mois, alors que les convertisseurs propriétaires traditionnels évoluent plus lentement.
Un exemple de cette hausse des performances est illustré dans la Figure n°2.
Figure n°2. La croissance rapide des capacités de numérisation des instruments
virtuels repose sur la technologie des semi-conducteurs.
Logiciels graphiques de conception de systèmes
Le dernier avantage de l’instrumentation virtuelle est qu’elle permet, grâce à des logiciels de conception
de systèmes offrant une interface intuitive, de concevoir des systèmes d’instrumentation personnalisés.
Dans ses ouvrages, Christensen affirme que les innovations qui perturbent le marché ont pour effet de
supprimer un "expert" de la chaîne logistique. Dans les architectures traditionnelles, l’expert est intégré
dans l’instrument sous la forme d’algorithmes et de fonctions d’instruments fermés. Dans
l’instrumentation virtuelle, les algorithmes sont ouverts aux utilisateurs qui peuvent alors définir leur
propre instrument.
LabVIEW en est un exemple. LabVIEW, en utilisant un langage graphique à flux de données, présente
une interface bien connue des ingénieurs et des scientifiques : le diagramme. LabVIEW a eu le même
effet que les tableurs sur l’analyse financière qui ont permis à chaque ordinateur de créer des modèles
financiers puissants. Il offre un environnement dans lequel tous les ingénieurs et les scientifiques
peuvent eux-mêmes concevoir des systèmes de mesure.
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L’avenir de la conception de systèmes avec l’instrumentation virtuelle
L’instrumentation virtuelle continue d’étendre ses capacités et est utilisée dans un nombre croissant
d’applications. LabVIEW peut non seulement être utilisé pour créer des programmes de test sur PC,
mais aussi pour concevoir des matériels en ciblant des processeurs embarqués et des FPGA (réseaux
de portes programmables). À terme, l’objectif de cette technologie est de fournir un unique
environnement, utilisable de la conception des systèmes de test jusqu’à la définition des fonctionnalités
du matériel, comme le montre la Figure n°3. Les ingénieurs de test devraient être en mesure de
travailler au niveau du système en utilisant les fonctions appropriées. Lorsqu’ils ont besoin de définir
des fonctionnalités de mesure personnalisées, ils devraient pouvoir atteindre le niveau adéquat et
définir la fonctionnalité de l’instrument en utilisant le même logiciel. Par exemple, un ingénieur peut
créer des programmes LabVIEW pour effectuer des mesures (par exemple de tension DC et de temps
de montée) sur des instruments virtuels modulaires. Lorsqu’il est nécessaire de mettre au point une
mesure personnalisée, les ingénieurs peuvent également utiliser LabVIEW pour effectuer une analyse
sur les données de mesures brutes, par exemple une mesure de détection de crête personnalisée. S’il
devient nécessaire d’effectuer une mesure qui requiert de nouvelles capacités matérielles, telles qu'un
déclenchement personnalisé, les ingénieurs peuvent encore utiliser LabVIEW pour définir à la fois un
déclenchement et un algorithme de filtrage embarqués dans un FPGA sur la carte même de
l’instrument.
Figure n°3. Un outil unique de conception de systèmes suffit de la conception
du système jusqu’à la conception du matériel.
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L’instrumentation virtuelle désormais largement adoptée
Les possibilités et les performances de l’instrumentation virtuelle se sont accrues. Elle est dorénavant
largement adoptée, remplaçant ainsi les instruments traditionnels dans de nombreuses applications. En
outre, étant donnés les progrès constants réalisés dans les domaines du PC, des semi-conducteurs,
des possibilités des logiciels, les futures avancées en matière d’instrumentation virtuelle constitueront
un cadre passionnant pour la conception de systèmes de test et offriront aux ingénieurs une
souplesse et des fonctionnalités inégalées dans la mesure et le contrôle.
Eric Starkloff, Responsable marketing PXI et instrumentation modulaire,
National Instruments
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