L’acquisition de données, ou DAQ, correspond à la mesure d’un phénomène physique ou électrique tel que le courant, la tension, la pression, le son ou la température avec un ordinateur. Un système DAQ se compose de différents éléments : capteurs, matériel DAQ et ordinateur pourvu d’un logiciel programmable. Contrairement à un système de mesure traditionnel, le système DAQ basé sur PC sollicite les capacités de productivité, de traitement, de connectivité et d’affichage des ordinateurs standards afin d’offrir une solution de mesure plus économique, flexible et puissante. Selon les équipements DAQ utilisés (modules Adam ou module Wise), on peut avoir accès à différents protocoles industriels comme Profinet, Ethernet, Modbus, Profibus, etc… (modules Adam) ou à des versions sans fil équipées des protocoles REST et MQTT (modules WISE).
Les éléments du système DAQ
Les capteurs
Pour mesurer un phénomène physique (intensité d’une source de lumière, température d’une salle, …), un capteur – également appelé transducteur – est nécessaire. Ce dernier a en effet pour rôle de convertir le phénomène physique en un signal électrique pouvant être mesuré. Parmi les capteurs les plus couramment utilisés, on retrouve notamment :
- Le capteur optique (pour la lumière)
- Le thermocouple, la thermistance, la sonde RTD ou Resistance Temperature Detectors (pour la température)
- Le microphone (pour l’acoustique)
- Le potentiomètre, l’encodeur optique, le LVDT ou Linear Variable Differential Transformer (pour la position et le déplacement)
- Le transducteur piézo-électrique, la jauge de contrainte (pour la force et la pression)
- L’électrode de mesure du pH (pour le pH)
- L’accéléromètre (pour l’accélération)
En fonction du type de capteur, la sortie électrique est différente. Il peut s’agir :
- D’une tension
- D’un courant
- D’une résistance
- D’un attribut électrique différent
Le matériel DAQ
Véritable interface entre l’ordinateur et les différents signaux du monde extérieur, le matériel DAQ a pour principale fonction la numérisation des signaux analogiques entrants afin qu’un ordinateur soit apte à interpréter ces derniers. Les 3 éléments majeurs d’un matériel DAQ et qui se révèlent indispensables pour mesurer un signal sont les suivants :
- Le circuit de conditionnement du signal : susceptible d’être bruité ou même trop dangereux pour être mesuré de façon directe, le signal transmis par les capteurs doit être transformé via un circuit de conditionnement. Ce dernier modifie alors le signal en une forme compatible avec l’entrée d’un C A/N. Ce conditionnement peut impliquer une atténuation, une amplification, une isolation et un filtrage.
- Le convertisseur analogique-numérique ou C A/N : la conversion des signaux analogiques des capteurs en données numériques est indispensable pour qu’une manipulation via un équipement numérique comme un ordinateur soit possible. Un convertisseur C A/N correspond à un circuit intégré capable de fournir une représentation numérique de signaux analogiques à un instant donné.
- Le bus d’ordinateur : le matériel DAQ peut se connecter à un ordinateur par le biais d’un port ou d’un emplacement. Le bus d’ordinateur joue le rôle d’interface de communication entre l’ordinateur et le matériel DAQ pour permettre le transfert des différentes instructions et données mesurées.
L’ordinateur
Dans un système DAQ, l’ordinateur pourvu d’un logiciel programmable a pour rôle de contrôler le fonctionnement du matériel d’acquisition et de se charger du traitement, de la visualisation et du stockage des données de mesure. Selon les applications, différents types d’ordinateurs peuvent être utilisés :
- L’ordinateur de bureau : utilisation en laboratoire idéale pour bénéficier de sa puissance de traitement
- L’ordinateur portable : utilisation sur le terrain
- L’ordinateur industriel : utilisation en usine de production du fait de sa grande robustesse
Concrètement, un système DAQ comportent différentes composantes logicielles : un driver et un logiciel d’application.
Le driver
Ce dernier rend possible l’interaction entre le logiciel d’application et le matériel DAQ. Il fait abstraction de la programmation des registres et des commandes de bas niveau au matériel et simplifie de cette manière les communications avec le DAQ.
Le logiciel d’application
Le logiciel d’application a pour mission de faciliter l’interaction entre l’ordinateur et son utilisateur pour obtenir, analyser et exposer des données de mesures. Il peut s’agir d’une application préconstruite pourvue d’une fonctionnalité préétablie ou d’un environnement de programmation élaboré pour concevoir des applications pourvues de fonctionnalités sur-mesure. L’utilisation d’applications personnalisées est courante dans les cas suivants : automatisation des fonctions d’un matériel DAQ, exécution d’algorithmes de traitement du signal et affichage d’interfaces utilisateur personnalisées.
Les différents systèmes DAQ
Les systèmes DAQ de communication en série
Leur utilisation se révèle idéale quand la réalisation des mesures doit être effectuée à un endroit distant de l’ordinateur. S’il existe différents standards de communication, le RS232 demeure le plus fréquent bien qu’il supporte des distances de transmission uniquement jusqu’à 15,24 m ou 50 pi. Le RS485 prend, quant à lui, en charge de plus grandes distances de transmission, ces dernières pouvant aller jusqu’à 1524 m ou 5000 pi.
DAQ sans fil
Ces systèmes d’acquisition sont dotés d’un ou de plusieurs émetteurs sans fil aptes à envoyer des données jusqu’à un récepteur sans fil lui-même connecté à un ordinateur. Concrètement, les transmetteurs sans fil peuvent être disponibles pour :
- L’humidité relative et la température ambiante
- Les sondes RTD
- Les thermocouples
- Les capteurs avec sortie d’impulsion
- Les transducteurs de tension
- Les émetteurs 4-20 mA
Le bus universel en série
Egalement appelé Universal Serial Bus (USB), il correspond à un nouveau standard pour connecter un PC à divers périphériques comme les imprimantes, les modems, les moniteurs, … Parmi les avantages de l’USB, on peut citer la possibilité d’alimenter en énergie le périphérique et l’opportunité de profiter d’une bande passante supérieure (allant jusqu’à 12 Mbits/s).
Les cartes d’acquisition de données
Les cartes d’acquisition sont directement branchées dans le bus de l’ordinateur. Leurs atouts majeurs sont le coût (surcharge de puissance et d’emballage fournie par l’ordinateur) et la vitesse (grâce à la connexion directe au bus). Les fonctionnalités des cartes diffèrent selon la vitesse, le type et le nombre d’entrées (marche/arrêt, thermocouple, tension), de sorties, …