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2009/2010. Informatique d’instrumentation. Répartition horaire : . cours : . 4 h. TD : . 8 h. TP : . 14 h. Auteurs du document :      Myriam Chesneau. Responsable du document :      idem. Intervenants      André Betemps Myriam Chesneau Laurent Goujon.

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  1. 2009/2010 Informatique d’instrumentation Répartition horaire : cours : 4 h TD : 8 h TP : 14 h • Auteurs du document : •      Myriam Chesneau • Responsable du document : •      idem • Intervenants •      André Betemps • Myriam Chesneau • Laurent Goujon Dernière mise à jour : 16/10/2009 Informatique d'instrumentation

  2. INFORMATIQUE D’INSTRUMENTATION • Les chapitres du cours : • CH 1 : Contrôle d’instruments à distance • CH 2 : Architecture d’un ordinateur • CH 3 : Mémoires • CH 4 : Fichier & Gestion des entrées-sorties • Les compléments de cours (thèmes abordés en TD et TP) • CH 5 : Programmation par événements sous LabVIEW • CH 6 : Protocoles réseau. Informatique d'instrumentation

  3. CH 1 CONTRÔLE D’INSTRUMENTS • Un instrument de mesures peut-être piloté par ordinateur • il est configuré par programme • il renvoie les résultats de mesures à l’ordinateur • Les deux standards de communication utilisés actuellement sont • la liaison GPIB • la liaison RS 232 • Se développent également le contrôle via • l’USB et • l’Ethernet Informatique d'instrumentation

  4. Commandes et résultats sont codés sous forme de caractères Commandes des appareils Résultats de mesures • INSTRUMENT = appareil de mesure (ou source de signal) muni d’un circuit d’interface lui permettant d’être contrôlé par ordinateur. Informatique d'instrumentation

  5. 1. Aspect matériel Connecteurs GPIB 1.1 Cas de la liaison GPIB Instrument GPIB Câble GPIB • Nécessité d’ajouter une carte d’interface GPIB interne, enfichable , ou un convertisseur externe GPIB-USB. Informatique d'instrumentation

  6. GPIB : General Purpose Intrumentation Bus • Liaison conçue pour le contrôle d’instruments, initialement créée par Hewlett Packard sous le nom de HPIB. • Normalisée au niveau mécanique (câbles), électriques (signaux) et fonctionnelle (communication - programmation ) par la norme IEEE 488.1 et le driver IEEE 488.2 • Mise en œuvre facile, coût élevé. Informatique d'instrumentation

  7. Caractéristiques : • liaison parallèle : les 8 bits d’un caractère sont envoyés simultanément • plusieurs appareils communiquent avec la même interface GPIB   • chaque appareil possède une adresse, modifiable par l’utilisateur (  0 !!!) • 1 seul connecteur 24 broches mâle et femelle (8 lignes de données, 8 lignes de contrôle et 8 lignes de masse) • toutes les connexions sont possibles entre l’ordinateur et les appareils : linéaire, étoile, mixte. • utilisation de niveaux TTL en logique négative • moins de 4 m entre deux appareils et moins de 2 m en moyenne • longueur de câble totale inférieure à 20 m • au plus 15 appareils, et plus de 2/3 sous tension Informatique d'instrumentation

  8. 1.2 Cas de la liaison RS-232 (449, 422, 423) Instrument RS 232 Câble RS 232 • Port série disponible sur l’ordinateur, pas de carte ou d’adaptateur à ajouter. • Utilisation d’un port par instrument. Informatique d'instrumentation

  9. Liaison conçue pour la communication entre ordinateurs, « détournée » pour le contrôle d’instruments. • Norme moins précise que l’IEEE 488 : Nécessité de paramétrer la liaison et de choisir le « bon » câble. • Mise en œuvre parfois difficile (câblage, protocole…)mais économique. • Caractéristiques : • liaison série : les 7 ou 8 bits d’un caractère sont envoyés bit par bit • Fonctionnement par port : 1 port série par instrument Informatique d'instrumentation

  10. TD RD GND TD RD GND • Coexistence de deux prises : DB9 et DB 25, et de nombreux câblages possibles entres les broches de ces prises : nécessité de connaître le câblage adapté à l’instrument • Liaison à 2 fils + masse au minimum, nombreuses autres possibilités utilisant jusqu’à 9 fils • Logique négative 0  [ 5 V ; 25 V ] Typ : 12 V 1  [ - 25 V ; - 5 V ] Typ : - 12 V • Environ 15 m de câbles maximum (plus pour la liaisons RS-422, 423 et 449) Informatique d'instrumentation

  11. Paramétrage • Le caractère est codé sur 7 ou 8 bits et est accompagné de : • 1 bit de départ (start) • 1 ou 2 bits d’arrêt (stop) • 1 bit de parité éventuel • Dans un protocole à parité paire (impaire), le bit de parité est positionné ou non pour que le « nombre total de bits du caractère à 1 » soit pair (impaire). • La vitesse de transmission est le nombre de bits transmis par seconde, elle s’exprime en bauds. Valeurs normalisées : de 300 à 38 400 bauds. Informatique d'instrumentation

  12. Exemple : • codage du caractère « m » sur 7 bits, parité impaire , 2 stop bit. • Bit de départ : 0 • Codage du caractère « m » : 110 1101 sur 7 bits ( 6D ) • Bit de parité : 0, parité impaire • 2 stop bits :1 lsb 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 Informatique d'instrumentation

  13. Le contrôle de flux (handshake) peut-être géré • par des lignes de la liaison (RTS – CTS ou DSR – DTR) • par programmation (XON – XOFF) • ou ne pas être géré. • Les protocoles des deux appareils doivent être identiques pour une transmission efficace. Informatique d'instrumentation

  14. µo Interface GPIB n° 0 Instrument GPIB 10 Instrument GPIB 22 Instrument RS 232 µo Port série1 Port série2 Instrument RS 232 2. Caractéristiques d’un instrument 2.1 Adresse • Pour être reconnu sur un bus d’instrumentation, un instrument possède une adresse. • Le µo s’adresse par exemple à « Carte GPIB 0 : Instrument 10 » • Dans le cas d’une communication par port, il n’y a pas d’adresse, chaque instrument est sur un port. • Le µo s’adresse par exemple à « Port série 1 : Instrument  » Informatique d'instrumentation

  15. 2.2 Instructions de programmation • Les informations sont échangées entre µo et appareil sous forme de • messages codés en caractères ASCII. • Le µo peut envoyer des commandes à tout moment : opération d’écriture. • L’instrument envoie des résultats si • on lui demande ( ex : « *IDN? » = quel est ton nom) • le µP vient lire le résultat (opération de lecture) Informatique d'instrumentation

  16. Langage • Langage commun proposé en 1992 : Standard Commands for Programmable Instruments : SCPI Le SCPI permet de changer d’instrument sans modifier le programme. Ex : FREQ 5000 (9 caractères dont un blanc, codés ASCII) règle à 5000 Hz la fréquence du signal d’un GBF (SCPI) • Coexistence d’instruction spécifiques à chaque marque ou instrumentEx : MEAS : VOLT : DC ? demande une mesure de tension continue à un multimètre (non SCPI) Informatique d'instrumentation

  17. Type of Output Data Non-reading queries Single reading (IEEE-488) Multiple readings (IEEE-488) Single reading (RS-232) Multiple readings (RS-232) Output Data Format < 80 ASCII character string SD.DDDDDDDDESDD<nl> SD.DDDDDDDDESDD,...,...,<nl> SD.DDDDDDDDESDD<cr><nl> SD.DDDDDDDDESDD,...,...,<cr><nl> S Negative sign or positive sign D Numeric digits E Exponent <nl> newline character <cr> carriage return character 2.3 Format des données • Chaque instrument renvoie ses résultats sous forme d’une chaîne de caractères. • Le format des résultats numériques est propre à chaque appareil. • Exemple (multimètre Agilent 34401A ) Informatique d'instrumentation

  18. Résultat d’une mesure unique en liaison GPIB : chaîne de 15 caractères codés sur 8 bits : • SD.DDDDDDDDESDD : +1.12345678E-03 • Pour traiter ces données ( calculs, affichage…), il faut transformer la chaîne de caractères en nombre réel : voir TP. Informatique d'instrumentation

  19. 3. Programmation 3.1 Niveaux de programmation • Il existe plusieurs niveaux de programmation des instruments • VI Bas niveau, programmation spécifique pour RS 232 ou GPIB • VI VISA : Virtual Instrument Software Architecture, VI d’écriture et de lecture commun aux 2 liaisons • VI driver d’instruments : VI fourni par le constructeur de l’instrument pour un pilotage aisé sous LabVIEW, à rechercher sur le site de National Instrument ou du constructeur, ou directement sous LAbVIEW : Informatique d'instrumentation

  20. Informatique d'instrumentation

  21. Nous utiliserons • Un VI « bas niveau » pour initialiser la liaison : Série ou GPIB Initialisation d’un port série RS 232 et détermination du protocole Initialisation d’un périphérique GPIB Informatique d'instrumentation

  22. Des V.I Visa pour la communication, quelle que soit la liaison Ecriture d’une commande ( chaîne de caractères) Rq : Une chaîne de caractères se termine par deux caractères spéciaux pour la liaison RS 232. Lecture d’un résultat (chaîne de caractères) Informatique d'instrumentation

  23. 3.2 Étapes de programmation • Pour une programmation efficace (et professionnelle) d’un instrument à distance, il faut respecter certaines étapes : 1.Le placer dans un état connu, unique et identifié : l’état à la mise sous-tension, prévu par le constructeur. Rq : Par défaut, un appareil Agilent se met, à la mise sous tension, dans l’état appelé « état à la mise sous tension et à la réinitialisation » Sur certains appareils Agilent, on peut activer une option qui force l’appareil à se mettre dans les mêmes conditions que lors de la dernière mise hors-tension. Il faut alors demander explicitement, par une commande appropriée (*RST), à revenir à l’état initial, pour connaître parfaitement l’état de départ de l’instrument, et le rendre ainsi interchangeable. Informatique d'instrumentation

  24. EX : • Multimètre 34401 A est initialisé pour mesurer une continuité (circuit ouvert ou fermé), il considère un circuit fermé si la résistance entre les deux points de mesure est inférieur à 10 … L’adresse de l’instrument utilisé en GPIB est 22, langage SCPI, utilisé avec une liaison série, le débit est fixé à 9600 bauds, les caractères sont codés sur 7 bits avec un bit de parité paire…. Informatique d'instrumentation

  25. 2.Effacer tous les registres précédemment utilisés, en particulier celui qui mémorise les erreurs. (* CLS) 3.Configurer l’instrument par modification des paramètres qui diffèrent de ceux par défaut (après la réinitialisation). Dans le cas d’un appareil de mesure 4.Préciser les conditions qui déclenchent une mesure. Rq : certaines instructions effectuent en même temps la configuration et le déclenchement. 5.Lire la mesure, c’est-à-dire la transférer de la mémoire de l’instrument vers celle de l’ordinateur. 6.Traiter les données, c’est-à-dire dans un premier temps transformer la chaîne de caractères en un nombre réel. Informatique d'instrumentation

  26. 4. Évolutions en contrôle d’instrument • Il existe actuellement plus de 10 millions d’instruments GPIB… • L’Ethernet ( Local Area Network = LAN) • Les appareils de mesure possédant une interface réseau peuvent être branchés sur un réseau local. Une adresse IP est affectée à chaque appareil, et le contrôle à distance se fait par réseau. • Avantages : • ce type de réseau est déjà présent dans l’entreprise, • la passerelle vers internet existe en général • c’est une solution peu couteuse • Inconvénients • cette solution nécessite quelques connaissance en réseau ( masque, adresse IP…) • elle n’est pas spécifique au test et à la mesure Informatique d'instrumentation

  27. L’USB • Les appareils de mesure possédant une interface USB peuvent être branchés sur un port USB et être contrôlés comme un appareil interfacé GPIB ou RS-232. • Avantages : • ce type de port est présent sur les PC, et remplace le RS-232 • c’est une solution peu couteuse • Inconvénients • cette solution n’est pas spécifique au test et à la mesure Informatique d'instrumentation

  28. Présentation générale des composants principaux d’un micro-ordinateur type. Ordinateur : Computer  calculateur  (traduction littérale du mot anglais ) «ordinateur» : adjectif provenant du Littré signifiant « Dieux mettant de l'ordre dans le monde ». CH 2. ARCHITECTURE ET COMPOSANTSD’UN ORDINATEUR Informatique d'instrumentation

  29. Ordinateur et périphériques 1.1 Organisation • Les principaux éléments fonctionnels d’un ordinateur sont : • Le microprocesseur (3) • La mémoire centrale (5) • Les périphériques et leur système d’interface(1, 6, 8, 9, 10, 11) Informatique d'instrumentation

  30. Microprocesseur Horloge bus bus Chipsets Mémoire centrale Périphériques Informatique d'instrumentation

  31. Le boîtier comprend essentiellement • La carte mère (2) munie d’éventuelles cartes d’interface pour périphériques (6) • Le bloc d’alimentation (7) • Certains périphériques de stockage : périphériques internes (8, 9) Informatique d'instrumentation

  32. 1.2 La carte mère • La carte mère est un circuit imprimé qui supporte et interconnecte les composants électroniques de l’ordinateur : • Le microprocesseur (socket) : A • La mémoire centrale (et d’autres mémoires) : B • Les chipsets : C • Les bus internes (ISA, PCI, FireWire, AGP, PCI Express…) : D • Différents connecteurs : - pour les périphériques internes (lecteur de disque…): E - pour les périphériques externes (USB, FireWire, PS2…): F - pour les cartes d’extension (graphique, d’acquisition…): D - pour les alimentations : G • Certains périphériques (carte son, modem) Informatique d'instrumentation

  33. F Connecteurs de la carte mère D Source : Intel® Desktop Board D975XBX2 Technical Product Specification C B E E E E G Informatique d'instrumentation

  34. Informatique d'instrumentation

  35. 1.3 Les connecteurs • L’interconnexion des composants est donc réalisée grâce à des connecteurs présents • Sur le boîtier (face arrière et avant… côté sur les portables) • Sur la carte mère A PS/2 mouse port, B PS/2 keyboard port, C Serial port A, D Parallel port, E Digital audio out coaxial, F IEEE-1394a connector, G USB ports (four), H LAN, I Center channel and LFE (subwoofer) audio out/ Retasking Jack G, J Surround left/right channel audio out/Retasking Jack H, K Audio line in/Retasking, Jack C, L Digital audio out optical, M Mic in/Retasking Jack B, N Front left/right channel audio out/Two, channel audio line out/Retasking Jack D Source : Intel® Desktop Board D975XBX2 Technical Product Specification Informatique d'instrumentation

  36. 2. Microprocesseur et mémoire 2.1 Microprocesseur • Le µP exécute les instructions élémentaires des programmes situés en mémoire centrale : • Chargement de l’instruction lue en mémoire • Décodage grâce à un jeu d’instructions • Exécution • Les principaux éléments du µP sont : • L’unité de commande, qui lit et décode l’instruction • L’unité arithmétique et logique qui effectue les calculs (UAL) • Les registres : petites mémoires à accès très rapides qui permettent le stockage temporaire des données et instructions en cours d’exécution. Informatique d'instrumentation

  37. Le µP est caractérisé par • La cadence à laquelle il exécute les instructions : sa fréquence d’horloge (en simplifiant à l’extrême, un µP 1 GHz effectue 1 milliard d’opérations par secondes) • La puissance dissipée • Son architecture interne, avec un développement vers les architectures multi-cœurs depuis quelques années • Le µP est associé à une petite mémoire ultra-rapide et très proche de l’unité de commande qui permet d’accélérer les échanges entre µP et mémoire centrale (voir cours sur les mémoires) : la ou les mémoires caches. • La tendance actuelle est à une augmentation de la taille des caches (voir § 4.3 évolution….) Mémoire centrale Microprocesseur Mémoires caches Informatique d'instrumentation

  38. Le µP rayonne thermiquement, il ne peut fonctionner sans un ventilateur et un dissipateur thermique (radiateur). • Le µP est inséré dans un connecteur de type horizontal (socket) ou vertical (slot). • Les deux principaux fondeurs sont : Intel et AMD Informatique d'instrumentation

  39. (Données janvier 2008 : deux produits parmi de nombreuses offres…) Informatique d'instrumentation

  40. 2.2 Mémoire centrale • Elle est également appelée mémoire principale, mémoire vive, mémoire interne, RAM (Random Access Memory). • Les programmes utilisés et les données en cours de traitement sont stockés en mémoire centrale. Le µP lit et écrit dans cette mémoire • A chaque fois que l’ordinateur est éteint, les données sont perdues : mémoire volatile. • Chaque cellule mémoire comporte plusieurs bits : un mot mémoire. • Chaque mot possède une adresse codée en binaire. • Un adresse codée sur m bits permet d’adresser 2m mots mémoire. Informatique d'instrumentation

  41. Exemple : • Une mémoire comportant des mots de 32 bits adressée sur 16 bits comporte • 216 32 bits = 216 4 octets = 65 536 * 4 = 262 144 octets. • Remarque : • Le bus de communication entre le µP et la mémoire comporte donc des lignes pour les données et des lignes pour les adresses. • Les autres caractéristiques de la mémoire centrale seront étudiées dans le chapitre sur les mémoires. Informatique d'instrumentation

  42. Scanner Ecran WebCam Souris Imprimante Clavier Mémoire centrale Haut parleur Carte Réseau Microprocesseur Lecteur CD / DVD Modem ADSL Clef USB Wifi Disque dur 3. Périphériques 3.1 Périphériques et interfaces • Les périphériques utilisables avec un ordinateurs sont très nombreux, plus ou moins indispensables : écran + clavier + souris… plaque chauffante USB pour maintenir sa tasse de café au chaud… Informatique d'instrumentation

  43. Les circuits périphériques peuvent se trouver • à l’extérieur du boîtier : clavier, souris, écran… • dans le boîtier : disque dur, lecteur – graveur de CD ou DVD… • Les périphériques sont interfacés avec le µP par • un circuit spécialisé, inclus dans le périphérique ou • des circuits ou une carte externe au périphérique, située dans le boîtier, ou • des circuits d’interface situés sur la carte mère. • … un mélange … • Selon le périphérique, on parle de contrôleur, de carte, d’adaptateur, de circuit d’interface, de carte d’interface… • Au niveau du langage, on utilise parfois le terme périphérique pour nommer • le circuit d’interface ou encore • l’ensemble (périphérique + interface) … ce que je fais par la suite dans ce chapitre… Informatique d'instrumentation

  44. Instrument de mesure Carte GPIB Ecran Carte graphique Mémoire centrale Microprocesseur Haut parleur Carte son Process Carte d'acquisition Micro Périphériques avec carte d’interface Informatique d'instrumentation

  45. 3.2 Interconnexion : bus et ponts • Les composants (µP, mémoire) et les périphériques sont interconnectés par des bus : ensemble de lignes électriques (fils ou pistes). • Rappel • Toute information est codée sous forme binaire par un ensemble de 0 et 1 • Une ligne d’un bus transporte un bit d’information, matérialisé par une tension pouvant prendre uniquement deux valeurs. • Un bus est caractérisé par • Sa largeur : nombre de bits qu’il peut transmettre simultanément • Sa fréquence : nombre de données envoyés par seconde • Exemple : un bus de largeur 16 bits, de fréquence 133 MHz a un débit ou bande passante de 16 * 133 106= 2128 106 bits/secondes = 266 Mo/s. Informatique d'instrumentation

  46. Pont Microprocesseur Mémoire centrale Bus mémoire Bus local Périph 1 bus d’entrées - sorties Périph 2 • Les échanges de données sont orchestrés par des circuits appelés contrôleurs de bus, ponts, ou encore chipsets : les « super contrôleurs d’entrée-sorties » Informatique d'instrumentation

  47. 3.3 Évolution des architectures • L’architecture des PC est constamment en évolution, notamment au niveau des bus et ponts utilisés. • Voici le principaux bus qui ont été, seuls ou non, utilisés pour gérer les périphériques : • Bus ISA 1981 • Bus ISA (pont sud) + Bus PCI 1992 (pont nord) • Bus AGP 1997 (Graphique) + Bus ATA (Disque) + Bus PCI (USB, SCSI…) • …+ PCI Express 2002 • Que le PCI Express??? Informatique d'instrumentation

  48. Ecran CARTE GRAPHIQUE bus AGP Pont Mémoire + E/S Microprocesseur + Cache L1 + Cache L2 Mémoire centrale bus mémoire Bus local Connecteurs pour carte PCI bus PCI bus IDE ATA ou SATA SCSI USB Contrôleur de disque Lecteur graveur DVD Disque dur Configuration type ≈ 2000 Informatique d'instrumentation

  49. Pont + Commutateur bus mémoire bus local Microprocesseur + cache(s) Mémoire centrale Contrôleur USB Contrôleur de disque Contrôleur graphique Autre… • Evolutions en cours • Les périphériques rapides sont de plus en plus nombreux et ne peuvent être tous connectés en direct sur le pont. • Un nouveau bus PCI-Express remplace le bus AGP, et est amené à remplacer le bus PCI. • Ce bus se généralise pour connecter tous les périphériques. Le pont est alors doté d’un commutateur relié à chaque périphérique. • L’architecture ressemble à un réseau, les données sont transmises par paquets (en-tête + données) comme sur un réseau. Intel® Core™ i7-950 Processor (8M Cache, 3.06 GHz, 4.80 GT/s Intel® QPI) Informatique d'instrumentation

  50. 3.4 Caractéristiques de quelques bus Informatique d'instrumentation

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