Exemples d'applications concrètes de test, de mesure et de contrôle

08/02/2013
Auteurs : Patrick Renard
Publication 3EI 3EI 2013-71
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2013-71:3419
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Résumé

Exemples d'applications concrètes de test, de mesure et de contrôle

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Exemples d'applications concrètes de test, de mesure et de contrôle Patrick RENARD National Instruments France 2, rue Hennape 92735 Nanterre Cedex, France 1. L’énergie S’il est un domaine qui a le vent en poupe actuellement, c’est bien celui de l’énergie. Nous savons tous que l’énergie représente l’un des défis majeurs du XXIème siècle pour l’humanité. C’est un secteur en plein développement, gros demandeur de compétences techniques, et dans lequel l’innovation est cruciale. Il s’agit bien sûr d’étudier et d’optimiser les énergies renouvelables mais il est tout aussi important de maitriser l’énergie, son stockage, son transport et sa consommation. 1.1.Régulation de la production d’énergie d’un système houlo-moteur On trouve beaucoup d’applications destinées à évaluer le rendement de certaines techniques de génération d’énergie : photovoltaïque et éolienne bien sûr, mais également géothermique ou encore houlo-motrice, comme avec l’application qui suit, développée par une start-up innovante GEPS TECHNO. Issue des mouvements d’un système flottant soumis à l’action de la houle, l’énergie est transmise à une turbine qui produit de l’électricité via une génératrice accouplée en direct, qui alimente des batteries qui, elles-mêmes, alimentent en continu le système de commande et de gestion de puissance. La source d’énergie n’étant pas régulière et continue (0-2200 W), l’application requiert un automate de gestion de puissance qui intègre les données d’entrée fournies par les capteurs et délivre les commandes de sortie qui permettent la régulation du système complet. Figure 1 : Système houlo moteur Le concept a d’abord été testé avec les plates-formes d’E/S modulaires NI CompactDAQ (sur des maquettes en laboratoire) et NI CompactRIO sur une première installation pilote testée en conditions réelles. Les logiciels embarqués sont LabVIEW Real-Time pour la partie « capteurs et données d’entrée » et LabVIEW Résumé : Dans tous les domaines de la recherche et de l’industrie, il est indispensable de mettre en œuvre des systèmes de mesure et souvent aussi de contrôle/commande, qui emploient les talents des ingénieurs formés dans nos écoles aux matières scientifiques et techniques. Il peut s’agir de mettre en place des expérimentations pour valider des théories scientifiques, de réaliser le prototypage de nouveaux produits, d’optimiser des processus de fabrication, de réduire la consommation énergétique, de tester des appareils en fin de chaine de fabrication, et bien d’autres choses encore, parfois surprenantes. Cet article répertorie des applications diverses et variées, effectivement mises en œuvre dans la recherche et dans l’industrie, dans le but d’inspirer les professeurs qui souhaitent mettre en place des TPs ou des projets pédagogiques pertinents. Il a été rédigé à partir d’articles d’utilisateurs décrivant des applications de conception de systèmes de mesure, de test, de contrôle ou embarqués. Vous pourrez vous reporter à ces articles complets pour en savoir plus sur telle ou telle application. Récentes et souvent innovantes, ces applications sont développées avec les matériels et logiciels de National Instruments ; lesquels sont d’ailleurs souvent utilisés aussi dans les lycées, les universités et les écoles d’ingénieurs, comme vous pourrez le voir dans les articles qui suivent celui-ci et qui rentrent davantage dans le détail. FPGA pour la gestion de l’électronique de puissance. Avec le CompactRIO, le dispositif intègre un système embarqué compact et programmable à distance. La commande électronique de puissance a pu être prise en charge par le FPGA, l’ensemble fonctionnant en temps réel, avec une consommation inférieure à 10 W. 1.2.Détection de zones à gradient thermique optimal pour la récupération d'énergie Autre source d’énergie potentielle : la route ! En France, la densité de flux d’énergie solaire est de l’ordre de 1400 kWh/m2 /an. Le seul réseau des routes nationales, avec ses 10 000 km, représente une surface d’environ 140 km2 , correspondant à une énergie solaire potentielle d'environ 2.1011 kWh/an, soit la consommation électrique annuelle de 28 millions d’appartements. Pour apprécier les effets thermiques de cette énergie solaire, le LRPC Nancy-ERA 31 a instrumenté un véhicule dénommé Thermoroute®, avec des sondes atmosphériques embarquées et des caméras thermiques. Une interface unique a été développée sous LabVIEW, couplée à un châssis NI CompactDAQ équipé de modules d’E/S dédiés, et utilisant un toolkit pour caméra thermique. La fiabilité de la solution matérielle et logicielle a permis de conduire des auscultations sur plusieurs mois. Un compteur permet d'accéder au nombre de prises de vue infrarouges réalisées, et de calculer la distance auscultée. Une géolocalisation des mesures est également possible par récupération des données d'un GPS via le port série RS-232. Cette auscultation peut aisément être appliquée à du suivi périodique pour analyser le comportement thermique de bâtiments en zone urbaine, ou pour mieux apprécier les îlots de chaleur urbains. Figure 2 : Véhicule Thermoroute 1.3. Contrôle/commande d’un système de chauffage par géothermie Une autre source d’énergie renouvelable nettement plus mature, la géothermie, nécessite la mise en place de systèmes de contrôle/commande. En l’occurrence, l’objectif de l’application qui suit était de rénover une installation géothermique permettant le chauffage d’une piscine et de bâtiments en continu et tout au long de l’année. La société d’ingénierie NÉRYS a été mandatée pour prendre en charge le système d’acquisition de données, de régulation et de supervision. Celui-ci, basé sur du matériel NI CompatcDAQ, comprend 36 entrées analogiques (à 10 Hz), 75 entrées logiques et 1 entrée de comptage. Côté génération, 16 sorties analogiques, 40 sorties logiques, 100 voies opérateurs et 20 voies de calcul sont utilisées. Côté logiciel, l’application est basée sur une suite logicielle nommée VASCO, développée par NÉRYS sous NI LabVIEW. L’application, pilotée par le PC de supervision, sous Windows, peut être contrôlée à distance par internet et peut envoyer automatiquement un SMS en cas de problème. 1.4. Caractérisation de la performance énergétique de constructions en bois Le défi de l’énergie repose aussi sur l’optimisation de la consommation. Dans cette application, il s’agit de déterminer un modèle mathématique sur les échanges thermiques et hygrométriques dans les bâtiments en bois. Pour ce faire, le CRITT Bois a développé un système de mesure autonome et communiquant, destiné à être dupliqué sur plusieurs sites. Il utilise des capteurs numériques peu coûteux (environ 15€/capteur) pour acquérir, en plusieurs centaines de points, des températures au 1/10ème de °C et des humidités relatives au 1/10ème de %. La difficulté a été de communiquer avec un protocole de type I2C imposé par le constructeur du capteur. C’est pourquoi le choix du matériel s’est porté sur un système CompactRIO. Le circuit FPGA qu’il intègre permet en effet d’implémenter tout type de protocole de communication en association avec un module d’E/S numériques. Un seul châssis CompactRIO (équipé de 8 modules) permet de gérer 248 capteurs, c’est-à-dire dans le cas de cette application 248 températures et 248 humidités relatives. Des fonctions d’asservissement par PID ont été également intégrées, afin de réguler les enceintes climatiques pour des essais précis en laboratoire sur les échanges thermiques et hygrométriques. Les châssis CompactRIO, au nombre total de 14, sont implantés sur 7 sites dans tout l'Est de la France et communiquent à distance avec un serveur de données. Les conditions climatiques de chaque site sont également envoyées, pour mieux pondérer les valeurs physiques reçues. Figure 3 : Caractérisation d’une construction bois 1.5. Mesure et maîtrise de la consommation électrique par types d’usages L’objectif était d’industrialiser un système innovant de mesure et d’analyse de la consommation électrique par type d'usage, à la fois simple, économique et sans qu’il soit nécessaire de disposer d’un capteur pour chaque appareil à qualifier. La solution a consisté à s’appuyer sur les systèmes CompactDAQ et CompactRIO pour concevoir et déployer des systèmes de mesure à base de capteurs non intrusifs positionnés au niveau du tableau électrique de l’installation. Ce système a valu de nombreux prix à son concepteur, la start-up Qualisteo. Figure 4 : Maîtrise de la consommation énergétique Dans le même domaine, on peut citer la réalisation d’un démonstrateur de superviseur de consommation d'énergie pour le particulier développé par la société Assystem. Cette application permet en particulier l’envoi de conseils à l’utilisateur du système pour optimiser son bilan carbone. La solution a été d’utiliser la gamme de réseau de capteurs sans fil NI WSN et LabVIEW pour un développement et une mise en œuvre rapides, avec un fonctionnement au plus proche de ce que pourrait être celui d’un produit commercialisable. Figure 5 : Optimisation de la consommation d’un foyer 1.6. Analyse des performances des panneaux photovoltaïques en conditions réelles d’exploitation L’objectif de la société Synervia était de déterminer avec précision la puissance délivrée par un panneau photovoltaïque en conditions réelles d'éclairement et de température. Dans un deuxième temps, il était de comparer simultanément les caractéristiques de plusieurs panneaux photovoltaïques. La solution a consisté à interfacer un boîtier d’E/S USB avec une carte électronique de puissance, et à développer une application LabVIEW pour automatiser le processus de comparaison et fournir une synthèse des performances de chaque panneau. 1.7. Simulateur hardware-in-the-loop pour le test d’un logiciel de contrôle d’éolienne L’objectif de Siemens Wind Power était d’améliorer le test automatisé des versions successives du logiciel de ses systèmes de contrôle d'éoliennes. Pour ce faire, il a fallu créer un nouveau système temps réel destiné au test hardware-in-the-loop (HIL) des versions du logiciel de contrôle embarqué en utilisant les logiciels TestStand et LabVIEW, ainsi que la plate-forme d’instrumentation PXI de NI. Figure 6 : Contrôle d’une éolienne 1.8. Faire des déchets ménagers une source d’énergie renouvelable Les chercheurs de l’IRSTEA ont conçu, sous LabVIEW, 6 pilotes de mesures instrumentés afin de suivre en continu les différents paramètres physico- chimiques caractéristiques de la production du biogaz. Ceci afin de déterminer les conditions optimales permettant de produire un maximum de gaz riche en méthane (biogaz) à partir des déchets ménagers dans les centres de stockage de déchets. Figure 7 : Optimisation de la production de biogaz 1.9. Autres exemples d’application dans le secteur de l’énergie Il existe bien d’autres applications encore dans le domaine de l’énergie, comme le développement de centrales d’acquisition pour effectuer des campagnes de mesures dans le cadre de diagnostics énergétiques d'installations industrielles (CRIGEN de GDF SUEZ), la réalisation d’un banc d’endurance (figure 8) pour boite de vitesse de véhicule électrique (Renault STA), la caractérisation et la mise au point de pompes à chaleur (Saphir pour EDF), la simulateur énergétique de réseaux de capteurs appliqués à la surveillance de sites sensibles par les sapeurs-pompiers (Lab-STICC du CNRS), la mesure à distance de l’efficacité énergétique de panneaux solaires (Whitfield Solar), l’optimisation des procédés de culture des micro- algues, qui étant des pièges à CO2 seront peut-être nos carburants du futur (RcosPi pour S3D), etc… Figure 8 : Banc d’endurance pour boite de vitesse de véhicule électrique 2. Le médical Le médical et plus largement les sciences de la vie constituent un autre secteur dynamique en cette période de crise. Il nécessite lui aussi une utilisation étendue de mesure et de contrôle. Dans le médical, on peut parler de prospérité en ce qui concerne les dispositifs médicaux, qui sont principalement des équipements destinés au diagnostic, voire à l’atténuation d’une maladie ou d’une blessure. Ces appareils, qui intègrent des entrées/sorties et de l’électronique embarquée, ont besoin d’être conçus et testés de façon rigoureuse. 2.1. Réalisation d’un banc de test générique multi- fonctionnel pour un équipement médical Le développement d’un appareil médical nécessite que plusieurs équipes travaillent en parallèle. Cela inclut des équipes d’ingénierie, qui doivent réaliser les différentes fonctions mécaniques, électroniques et logicielles, mais aussi les équipes de la production. Toutes ont différents besoins de tests, mais dans tous les cas il faut s’interfacer avec les entrées/sorties du système. C’est pourquoi la société VIVERIS a développé un banc de test générique composé d’un PC Windows, d’un écran tactile, d’un système de mesure de vibration, de deux cartes d’E/S au format PCI, d’une douchette Laser et d’un dosimètre, le tout intégré dans une baie 19 pouces. Côté logiciel, le banc s’appuie sur le séquenceur de tests NI testStand, qui permet d’utiliser des briques métiers existantes, comme des scripts Python ou des programmes LabVIEW. De part la structure steps (pas)/séquence de NI TestStand, l’applicatif est naturellement découpé en steps systèmes réalisant la fonction métier du client (par exemple, réaliser un examen médical), lesquels agrègent des steps unitaires indépendants du métier et réalisant des fonctions techniques (par exemple, écrire sur un bus CAN, réaliser une mesure de vibration…), et des séquences réalisant les tests globaux (par exemple, réaliser des examens pendant 24 heures, s’assurer que les vibrations ne dépassent pas un certain seuil, réaliser les étalonnages automatiquement…). Le banc est ainsi utilisable par différents profils d’utilisateurs. Figure 9 : Banc de test générique pour applications médicales 2.2. Suivi de la pression dans les anévrismes de l’aorte abdominale traités par Stent Plusieurs méthodes sont actuellement disponibles pour traiter les anévrismes de l’aorte abdominale (AAA), une maladie qui représente la troisième cause de mortalité chez l’homme de plus de 60 ans. La chirurgie dite endovasculaire consiste à introduire par une artère périphérique (fémorale) un Stent couvert qui va être déployé dans la poche anévrismale afin d’exclure l’anévrisme de la circulation. Avantageuse car peu invasive, cette technique nécessite de détecter l’existence de fuites éventuelles. Pour surveiller la pression dans la poche anévrismale le projet ENDOCOM (ETIS UMR8051 & LIP6-UMR7606) a pour objectif de concevoir et de valider un système de mesure implanté et télé-alimenté. Un banc in vitro a été développé à cet effet et instrumenté pour étudier la répartition de la pression au sein d’un AAA traité par Stent. La chaîne d’acquisition des signaux de mesure et leur traitement comportent une carte de mise en forme des signaux (amplification et filtrage), l’échantillonnage par une carte PCI d’acquisition de données, qui permet l’acquisition simultanée sur plusieurs voies, et un traitement sous l’environnement LabVIEW. Une nouvelle solution est en cours de développement à base d’une carte intégrant un circuit FPGA PCI pour augmenter le nombre d’acquisitions en parallèle. Figure 10 : Suivi de la pression dans les anévrismes 2.3. Dépistage de la défaillance auditive chez le nouveau-né La détection de la déficience auditive chez le nouveau- né est un enjeu de santé publique important et la France envisage de rendre l’examen systématique à la naissance. C’est pourquoi la société MicroVitae Technologies a développé un appareil (le µV-PEA) basé sur ce qu’on appelle les PEAA (potentiels évoqués auditifs acoustiques), correspondant à mesurer la réponse électrique nerveuse de l’appareil auditif suite à une stimulation acoustique. Il regroupe les fonctions de génération de signaux acoustiques et de captation des réponses électriques et assure une synchronisation parfaite des deux fonctions qui autorisera le moyennage des signaux recueillis. L’appareil est composé de deux boîtiers dits « Front-End » et « Back- End ». Les électrodes sont branchées sur le Front-End, qui contient toute l’électronique d’amplification et de filtrage ainsi que la chaîne de conversion A/N et qui permet aussi de réaliser un test d’impédance entre électrodes. Relié au Front-End par un câble de 3 à 10 m et situé, le Back-End assure l’interface de dialogue et le transfert des données en temps réel vers l’ordinateur via sa connexion USB. Il contient aussi le stimulateur acoustique programmable et une sortie audio pour le casque ou l’insert auditif. Figure 11 : Dépistage de la défaillance auditive Grâce à une interface très ergonomique réalisée dans l’environnement LabVIEW, le praticien suit en temps réel la construction du PEAA au cours des stimulations acoustiques délivrées au rythme de 20 à 60 stimuli par secondes. Le recueil d’un PEAA dure typiquement 20 à 30 secondes. 2.4. Développement et gestion d'un environnement de stimulation en IRM Fonctionnelle (IRMf) La technique de l'IRM Cérébrale Fonctionnelle est un des piliers de la recherche fondamentale et clinique dans le domaine des neurosciences. Cette technique consiste à étudier les corrélations existant entre des « activations » cérébrales (mesurées par l'IRM) et le « comportement » d’un sujet. Les systèmes de stimulation et de recueil de données comportementales étant un vaste domaine d'études, de nombreux périphériques sont commercialisés par des sociétés spécialisées, mais il s'agit le plus souvent de matériels onéreux. Le Centre IRMf de Marseille a donc décidé de développer un système intégrant de façon naturelle les éléments logiciels et matériels, tout en garantissant une maintenance aisée, la possibilité de faire évoluer tout ou partie du système et/ou de le compléter en ajoutant de nouvelles fonctionnalités. La configuration choisie s’articule autour d’un châssis PXI équipé de cartes d’acquisition de données analogiques (pour l’enregistrement des signaux acoustiques) et numériques (pour la synchronisation avec la machine IRM), et d’une carte d’acquisition vidéo (pour le suivi de la pupille oculaire), complété par un système de conditionnement de signaux et un châssis CompactDAQ (pour l’acquisition de signaux physiologiques). L’application a été développée avec LabVIEW et des modules de traitements acoustiques et de vision. L'environnement de stimulation développé apparaît parfaitement modulaire, facile à dupliquer, maintenir et faire évoluer. Figure 12 : Environnement de stimulation en IRM Fonctionnelle 2.5. Environnement multimodal pour la télévigilance médicale à domicile Développée par le LRIT (ESIGETEL), la plate-forme EMUTEL détecte la situation de détresse d’une personne âgée vivant seule à domicile en utilisant trois modalités : capteur sur la personne, capteurs infrarouges et analyse de l’environnement sonore. La solution choisie consiste à utiliser le logiciel NI LabWindows/CVI pour communiquer avec différentes interfaces : RS-232, RS-485 et carte son USB pour fusionner différentes informations, à l’aide de la logique floue. Figure 13 : Environnement de télévigilance médicale 2.6. Banc de mesures de signaux biomécaniques pour l’analyse de la marche En collaboration avec le Centre Hospitalier Universitaire de Rouen, une équipe de l'ESIGELEC- IRSEEM a développé un logiciel de traitement des données issues d’une plate-forme d’analyse de la marche. Figure 14 : Banc de mesures de signaux biomécaniques L'objectif médical consiste à mettre en évidence des pathologies comme des problèmes de genoux, de cheville ou de dos, et des troubles de l’équilibre. L’application a été développée avec LabVIEW et les signaux, issus d’une plate-forme de force, sont numérisés à l’aide d’une carte d’acquisition de données. 2.7. Simulateur cardiovasculaire à double activation pour la modélisation in vitro des écoulements intracardiaques La société Protomed et l’ESIL ont développé un système de simulation hydrodynamique du cœur gauche et des vaisseaux sanguins systémiques et pulmonaires pour le test et la caractérisation des prothèses valvulaires cardiaques. La solution choisie consiste à utiliser LabVIEW et un système CompactRIO avec un banc d’essai de valves cardiaques pour un contrôle temps réel de la contraction et de la relaxation de modèle de l’oreillette et du ventricule gauche. Figure 15 : modélisation des écoulements intracardiaques 2.8. Logiciel d’acquisition pour un système d’imagerie médicale tomographique La start-up Lltech a mis au point un logiciel complet et ergonomique pilotant un microscope de nouvelle génération pour l’imagerie OCT (Optical Coherence Tomography). Figure 16 : Logiciel d’acquisition pour tomographie LabVIEW a été utilisé pour effectuer le prototypage rapide d’un premier logiciel de laboratoire, puis la construction d’une application finale évoluée. 2.9. Autres exemples d’application dans le secteur de la santé Il existe bien d’autres applications encore dans le domaine de la santé, comme l’analyse d’activité neuronale (Médiane Système pour le CNC du CNRS), un système temps réel utilisé en impesanteur et piloté par l’activité cardiaque (Université de Caen), la régulation de la cavitation ultrasonore dans un milieu de culture cellulaire (INSERM U1032 LabTAU), le pilotage d'instruments scientifiques destinés aux laboratoires de microfluidique (ELVESYS), la simulation de l’environnement mécanique d’une cellule ciliée observée sous le microscope (Institut Curie), etc. Figure 17 : système temps réel utilisé en impesanteur 3. Les transports Quelque peu sinistré en ce qui concerne l’automobile, les transports restent un secteur industriel très important en France, et qui nécessite beaucoup de moyens de test et mesure, notamment à cause d’une intégration croissante de l’électronique dans tous les véhicules, quels qu’ils soient. Mais les transports c’est aussi des routes, des rails, des canaux, des ponts… à construire et à entretenir. 3.1. Système de mesure d'impédance des essieux en mouvement pour la SNCF Pour diminuer les bruits de roulement des trains, de nouvelles normes européennes imposent depuis quelques années de remplacer des mâchoires de frein en fonte par des mâchoires en matériaux composite. Mais, depuis, un phénomène a été observé : l’impédance de l’essieu et des contacts roues-rails, plus élevée, entraîne des tensions résiduelles au niveau du récepteur de CdV (circuits de voie), voire l’absence de détection de certains véhicules par ces mêmes CdV. L'objectif de l’application est de concevoir un système permettant de mesurer l'impédance de chaque essieu d'un convoi ferroviaire lors de son passage sur la voie tout en tenant compte de plusieurs contraintes. Le principe de mesure imaginé par la SNCF consiste à injecter dans un circuit électrique superposable aux installations de signalisation existantes, un courant à une fréquence de 93,2 kHz et à mesurer le courant induit dans chaque essieu au moment du passage du train afin de déterminer l’impédance de chaque essieu. Développée par la société Assystem, le système de mesure fait appel à un châssis d’instrumentation PXI doté d’un contrôleur double cœur avec l’originalité d’assigner à chaque cœur un système d’exploitation différent (Windows XP et un OS temps réel) grâce à ce qu’on appelle un hyperviseur. Développé avec LabVIEW, l’application gère l’acquisition de l’ensemble des voies à 2 MHz, mais également le traitement des données et la sauvegarde des résultats sur disque en vue d’une exportation vers un poste d’exploitation. Figure 18 : Mesure d'impédance des essieux pour la SNCF 3.2. Validation des systèmes hydrauliques des futures écluses du canal de Panama Dans le cadre de l’élargissement et de la modernisation du canal de Panama, la Compagnie National du Rhône a dû réaliser un modèle physique à l’échelle 1/30ème, de 65 m de long et 13 m de large, pour valider le système de remplissage et vidange de nouvelles écluses, proposé au terme de 6 ans d’études sur modèle numérique. Equipé de près d’une centaine de capteurs et d’actionneurs, le modèle a subi près d’un millier de tests en 7 mois, grâce à une baie intégrant des conditionneurs et un châssis PXI doté d’un contrôleur temps réel et de cartes d’acquisition de données, le tout piloté avec LabVIEW. La solution choisie présentait un avantage financier sur les autres. Mais l’argument décisif fut de pouvoir isoler facilement les signaux afin d’éviter les phénomènes de boucle de masse. Les résultats des essais ont permis de définir les performances hydrauliques du système d’alimentation des écluses et de valider ainsi les bases du cahier des charges pour la construction des ouvrages. Figure 19 : Modèle au 1/30e des futures écluses du canal de Panama 3.3. Industrialisation des acquisitions d’un simulateur de conduite chez Renault Ultimate est un simulateur composé d’un écran de visualisation et d’un cockpit de conduite générique (type Laguna 3) entièrement instrumenté, fixé sur un hexapode et sur une plate-forme mobile à rails X et Y. Renault a fait appel à la société Arcale afin d’amélioration ce simulateur, destiné à réaliser des essais virtuels dans les domaines du confort de conduite, de la tenue de route, ainsi que de la mise au point des systèmes d’aide à la conduite. La partie « acquisitions » combine une application Windows pour le contrôle de la cible à distance, et une application temps réel tournant sur un système PXI doté de cartes d’acquisition de données, d’un circuit FPGA et de cartes d’interface au bus CAN. Cette partie déterministe gère l’acquisition/analyse des capteurs du cockpit, et l’envoi des données acquises vers le modèle véhicule via une mémoire réflective. Cette mémoire assure l’échange des données type freins, volant, clignotant, rapports de vitesses…avec le modèle de simulation véhicule. Une soixantaine d’informations sont transférées entre la cible et l’hôte à des cadences inférieures à quelques millisecondes. Figure 20 : simulateur de conduite chez Renault La partie Windows sert au lancement à distance de la gestion des capteurs/actionneurs du cockpit véhicule, à l’affichage des capteurs en cours de conduite, au dialogue avec le module de surveillance pour signaler des défauts logiciels, et à l’enregistrement des erreurs. 3.4. Gestion d'obsolescence d'un bus avionique Dans le domaine de l’aéronautique, la durée de vie des équipements avioniques est très grande (plusieurs décennies). Durant toute cette période, leurs moyens de tests associés doivent être maintenus en condition opérationnelle et rester toujours aussi performants. C’est pourquoi Thales Avionics a choisi la technologie PXI garantissant la robustesse, la modularité et l’évolutivité nécessaire à ce type d’application. Le système de test est basé sur un contrôleur PXI doté d’un hyperviseur pour exécuter en parallèle des applications basées sur Linux et des applications LabVIEW Real-Time. L’ensemble des OS est piloté par un PC distant sous environnement Windows avec le séquenceur de tests NI TestStand. Pour répondre à un besoin spécifique en validation d’un bus avionique, dont les ressources de test étaient devenues obsolètes, la société DT2E a développé une solution basée un module FPGA (FlexRIO) directement intégrable à l’environnement PXI des moyens de test de Thales Avionics, et programmable sous LabVIEW. La gestion bas niveau des éléments matériels spécifique connectés en face-avant des modules (C N/A, C A/N,…) est codée directement en VHDL. Le code LabVIEW FPGA est dévolu à la gestion des échanges de données avec le programme temps réel, à la gestion DMA des mémoires et au séquencement global de l’applicatif de test. 3.5. Système de mesure de l’usure ondulatoire des rails de chemin de fer L’objectif était de réaliser un outillage capable de mesurer en continu, à la vitesse d’un homme au pas, la non-planéité des rails, afin de déterminer la nécessité d’une cam- pagne de meulage. Figure 21 : Mesure d’usure des rails de chemin de fer Pour ce faire, la société Teamfer a développé un chariot équipé d’une carte USB-6210, qui acquiert en continu les données issues de codeurs incrémentaux reliés à des roulettes odométriques, et de deux capteurs à Courants de Foucault qui mesurent la géométrie des rails. 3.6. Système PXI d’acquisition embarquable pour qualifier des véhicules dans des conditions extrêmes Dans le but de de réaliser les validations et les qualifications de véhicules industriels tous terrains dans des conditions extrêmes de tests, la société AOIP a conçu un système d’acquisition robuste et transportable à base de matériel PXI et du logiciel LabVIEW. Figure 22 : Système d’acquisition embarquable pour conditions extrêmes 3.7. Contrôle acoustique de démarreurs en fin de ligne de production Afin de tester des démarreurs électriques, la société Saphir a réalisé un système de contrôle de bruyance permettant d’associer une mesure acoustique objective au jugement subjectif d’un opérateur. Ce système est sur un module d’acquisition de données NI USB-9234 piloté par une programme LabVIEW capable d’effectuer une analyse en temps réel de la mesure acoustique en champ proche. Figure 23 : Contrôle acoustique de démarreurs 3.8. Intégration d’un système de commande sur un véhicule électrique autonome Dans le cadre projet européen InTraDE de développement d’un véhicule porte-container autonome, l’université de Lille 1 et le LAGIS de POLYTECH’LILLE ont dû doter l’un de leur prototype sur-actionné en traction et en direction d’une technologie centralisée d'acquisition, de traitement et de contrôle. Le choix s’est porté sur du matériel de contrôle/commande NI CompactRIO pour équiper les trains avant et arrière, et ainsi acquérir et piloter tous les capteurs et les actionneurs embarqués. Figure 24 : Système de commande sur un véhicule électrique autonome 3.9. Rénovation de systèmes de contrôle/commande de souffleries Destinées à effectuer des essais aérodynamiques en tous genres, les souffleries nécessitent d’acquérir des données et de commander des actionneurs. Dans le cadre des nombreuses rénovations des installations d’Eurocopter, du CEAT, de l’ONERA, et de la Soufflerie Climatique d’Ile-de-France, les nouveaux systèmes de contrôle/commande choisis pour répondre aux contraintes de précision et d’évolutivité propres à ce type de moyen d’essai sont pilotés par LabVIEW et basés sur du matériel CompactDAQ, PXI ou CompactRIO. Figure 25 : Système de contrôle/commande de souffleries 3.10. Autres exemples d’application dans le secteur des transports Dans les transports, et plus particulièrement de l’automobile, on trouve aussi de nombreuses applications de mesure et de contrôle liées aux bancs d’essais des éléments constitutifs des véhicules : banc d’essais d’alternateurs et d’alterno-démarreurs (Nérys pour VALEO), système de conduite d’un banc de freinage (Saphir pour Messier-Bugatti-Dowty), banc de contrôle faisceau et composants moteur (ACTEMIUM), caractérisation des frottements dans les paliers de turbocompresseurs automobiles (Honeywell Garrett), pilotage d’un parc de bancs de mesures photométriques (Pleiades Technologies pour VALEO), contrôle des appareils de climatisation (Alliance Vision pour VALEO), validation automatique de tableaux de bord (All4Tech pour Magneti Marelli), supervision des bancs d'essai fin de ligne de boîtes de vitesses (Styrel Technologies pour PSA), caractérisation d’un dispositif d’anti-pincement (Styrel Technologies pour SEALYNX Automotive). Enfin, on peut citer d’autres applications relatives aux transports, comme la surveillance de la position des rails du RER (New Vision Technologies pour la RATP), la réalisation d’une centrale d’acquisition de données embarquée dans une rame de métro (Arcale pour ALSTOM), la validation d’un système de sécurité quai-voie d'un métro automatique (Viveris Technologies pour KEOLIS), le contrôle de câbles automobiles (Alliance Vision pour CRAFELEC), l’automatisation des tests d’intégration de systèmes avioniques (Safran Engineering Services), la conception d’un banc de test système « léger » pour les calculateurs aéronautiques (Viveris Technologies), la vérification fonctionnelle de modules électroniques pour l’aéronautique (Barco Silex), le test de calculateurs habitacle (Altran pour CONTINENTAL)… Figure 26 : Surveillance de la position des rails 4. L’électronique et les télécommunications Secteur typiquement gourmand en systèmes de tests et mesures, l’électronique n’est plus ce qu’elle était en France mais elle représente encore une activité relativement dynamique, surtout dans le domaine des télécommunications. 4.1. Asservissement de lentille optique en surface d’un disque La fabrication de matrices de disques optiques préenregistrés (17 milliards de disques en 2011) était jusqu’à présent réalisée sur des équipements complexes, coûteux et polluants. Kochka Technology propose une alternative avec un équipement basé sur un dispositif optomécanique BD de qualité industrielle, dont le fonctionnement nécessite l’asservissement précis et rapide d’une lentille optique à proximité du disque en cours d’enregistrement (environ 20 nm de précision à la vitesse de 7,7 m/s). Pour assurer cet asservissement de façon déterministe, la société a évalué deux approches basées sur un circuit FPGA (après avoir rejeté la solution d’utiliser un DSP), l’une avec un logiciel de calcul et de simulation permettant la génération automatique de code VHDL sur carte FPGA, l’autre avec l’approche RIO consistant à utiliser du matériel NI « sur étagère » intégrant des E/S et un FPGA programmable avec LabVIEW. C’est cette approche qui a été retenue sous la forme d’une carte PCI portant l’ensemble de la chaine mesure/calcul/commande. La solution adoptée a permis d’adapter un dispositif optique d’écriture de type BluRay à plusieurs types de media, CD, DVD, BD, pour réaliser une machine d’écriture de matrices de disques versatile et simple d’utilisation. Figure 27 :Asservissement de lentille optique 4.2. Mesure en temps réel des interférences électromagnétiques dans un circuit intégré Dans un contexte d’évolution rapide des performances et des technologies d’intégration, les fabricants de circuits intégrés sont de plus en plus demandeurs de nouvelles méthodes d’investigation et d’outils de simulation des problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM). Afin de caractériser et modéliser précisément les mécanismes de couplage des perturbations électromagnétiques sur les circuits intégrés et la création de défaillances, une équipe du LAAS a développé un capteur sur puce capable de mesurer les fluctuations de tension produites en tout nœud interne. Pour évaluer ce capteur, l’équipe a mis au point un banc permettant d’injecter des perturbations harmoniques sur une ou plusieurs broches d’un circuit témoin associé à une matrice de 32 capteurs. Le banc est constitué de divers instruments de mesure pilotés sous LabVIEW à partir d’un PC équipé d’une interface NI GPIB-USB. La nouveauté consistait à coupler la commande du capteur et l’acquisition des données fournies par celui-ci avec le programme de pilotage du banc DPI. Le choix s’est porté sur une carte d’acquisition NI USB-6353 pour gérer les signaux de sélection du capteur, synchroniser l’échantillonnage du capteur, et contrôler l’instant d’échantillonnage. Figure 28 : Banc de mesure CEM 4.3. Préparation du déploiement de WiMAX en zone côtière En matière de communication sans fil de nouvelle génération, comme WimAX et LTE, les zones portuaires ou côtières se distinguent par un canal de propagation qui peut s’écarter des modèles classiques et nécessiter des études plus précises. Pour ce faire, l’équipe CAST de Télécom Bretagne a pour mission de caractériser des canaux pour valider des hypothèses de modèle. Pour ce faire, elle a développé un système consistant à générer un signal test, à l’aide d’un dispositif calibré, à bord d’une plate- forme mobile, et à enregistrer le niveau de champ reçu à distance sur une ou deux voies également calibrées. Afin de pouvoir rapprocher le niveau du signal reçu de la distance séparant l’émetteur du récepteur, un dispositif de position- nement et de datation doit être disponible de part et d’autre. Piloté sous LabVIEW, le système est basé sur une instru- mentation PXI et des disques RAID de 3 To permettant d’effectuer des campagnes de mesures de plusieurs jours suivant la bande analysée et la récurrence des enregistre- ments. Figure 29 :Déploiement de Wimax en zone cotière 4.4. Multi-caractérisation d’objets communicants sécurisés Le laboratoire de caractérisation sécuritaire de la plate- forme technologique Micro-PackS (ENSME.SE-CMP) a été créé dans le but de réaliser des bancs mutualisés pour caractériser la sécurité des systèmes (tels que les cartes à puce, téléphones portables…) selon différentes méthodologies. Il permet aux industriels de caractériser rapidement leurs composants sécurisés ; aux petites et moyennes entreprises d’avoir un accès à des équipements performants déjà automatisés à un faible coût et aux chercheurs la possibilité d’accroître leurs expertises dans le domaine de la sécurité. Pour ce faire, il s’est équipé d’un banc laser, d’un banc de tests paramétriques, d’un banc électromagnétique, d’un banc consommation, et d’un banc dédié à l’étude des systèmes sans contact. Celui-ci se compose d’une partie dédiée à la modulation RF (plate-forme PXI) et d’une autre dédiée au traitement des signaux en temps réel, assuré par une carte FPGA au format PXI. Pour pouvoir intégrer très facilement les appareils spécifiques (lecteurs), et assurer une grande modularité tant matérielle que logicielle, l’architecture logicielle, basée sur LabVIEW, est commune à tous les bancs, et évolutive. Figure 30 :Multicaractérisation d’objets communicants 4.5. Cartographie de défauts en temps réel sur circuits intégrés ST-Ericsson souhaitait développer un outil facilitant la localisation de défauts physiques sur des circuits intégrés, à partir de l’analyse de grandeurs électriques complexes. La société a en fait amélioré, grâce à l’utilisation d’une carte FPGA au sein d’un châssis PXI, une méthode classique d’isolation de défauts par balayage laser, pour permettre des investigations relatives à des paramètres complexes. Figure 31 : Cartographie de défauts en temps réel Dans le même domaine, la société ARDPI a développé un système de détection embarqué appelé MicroBox permettant de mesurer des microcoupures sur un grand nombre de voies de façon simultanée. Pour obtenir un appareil compact et performant, elle a fait appel à une carte NI Single-Board RIO, intégrant des E/S et un FPGA programmable sous LabVIEW. 4.6. Banc de test automatisé pour CODEC audio haute résolution Dolphin Integration fabrique des CODEC audio de haute résolution, intégrant des convertisseurs analogiques/numériques et des convertisseurs numériques/analogiques multi-canaux. Figure 32 : Banc de test automatisé pour CODEC audio Pour tester ces circuits, la société a mis au point une solution modulaire basée sur le PXI, qui permet le multiplexage de signaux analogiques, la génération et l’acquisition de signaux analogiques et numériques, ainsi que le contrôle des composants par un bus I2C. 4.7. Solution HIL pour la validation d'unités électroniques embarquées La société EMC a développé un banc HIL (Hardware-in-the-Loop) destiné à réduire les coûts et les délais de développement de prototype liés à la validation des unités de contrôle électronique et de calculateur électronique. Ce banc est basé sur un châssis PXI piloté avec LabVIEW Real-Time. Figure 33 : Banc HIL 4.8. Autres exemples d’application dans l’électronique Dans le secteur de l’électronique, on peut noter aussi, parmi les exemples d’application, le développement d’un logiciel à architecture modulable pour la caractérisation de composants IR (Arcale pour le LETI), la supervision des équipements en salle blanche et leur intégration dans une architecture CIM (Freescale), le développement d’une plate-forme logicielle pour le test automatisé sur tranche Silicium (Arcale pour le LETI), le test de circuits de communication RF (Mesulog pour ST-Ericsson), la validation des systèmes embarqués dirigés par les modèles (All4tech), etc… 5. Et encore d’autres domaines… Il existe beaucoup d’autres domaines, où l’on peut trouver des applications de mesure, de test et de contrôle/commande, susceptibles d’inspirer la conception de TP ou de projets pédagogiques : la robotique, l’agro-alimentaire (figure 34), la sécurité, la surveillance de l’environnement, la maintenance préventive, la recherche fondamentale… Figure 34 : Application de vision pour l’optimisation du tranchage de saumon (réalisée parNVT) Pour en savoir plus sur ces applications, vous pouvez visiter la page www.ni.com/case-studies/f/ qui regroupe près de 2000 articles d’utilisateurs de produits National Instruments, dont 380 rédigés en français, et classés par type d’application, par industrie et par produit.