Cours Informatique Industrielleclasses2010-2011.e-monsite.com/medias/files/cours-in... · 2018. 9. 18. · Plan du cours (1) Partie I: 1. Présentation de l’informatique industrielle

1

Cours Informatique Industrielle

Niveau: BIO2

Par: Nesrine Belhaj Youssef © Année universitaire: 2018/2019

2

Organisation des enseignements

� Cours intégré: 22.5 hrs

� Travaux pratiques: 15 hrs (5 x 3 hrs)

� Module: Sciences Techniques

� Coefficient: 2.5

� Pré-requis: systèmes logiques, programmation.

Disponible à la librairie de l’INSAT ou au site: www.classes2010-2011.e-monsite.com

2

3

Plan du cours (1)

� Partie I:

1. Présentation de l’informatique industrielle et des différents systèmes programmables

2. Architecture d’un système à microprocesseur

3. Interfaçage série/parallèle

4. Périphériques d’entrée/sortie

5. Acquisition et commande: chaîne d’acquisition, capteur, conditionneur, échantillonnage/blocage, quantification/codage, Conversion analogique-numérique.

Séance 1

Séance 2

4

Plan du cours (2)

� Partie II:

1. Rappels sur les différents systèmes de codage

2. Rappels sur la logique combinatoire et séquentielle

3. Modèle de programmation en langage assembleur: jeu

d’instructions et code source

4. Présentation des interruptions et procédures de

traitement

5. Aperçu sur les langages de programmation haut niveau

Séances

3 + 4Séances

5 + 6Séances

7 + 8

Séances

9 + 10

3

5

Plan du cours (3)

� Partie III:

1. Automates Programmables Industriels

2. Langages de programmation des automates

3. Applications en bio-industries

Séances

11 + 12

6

Présentation de l’informatique industrielle

� « L’informatique industrielle est une branche

technologique de l'informatique appliquée qui couvre

l'ensemble des techniques de conception, d'analyse et

de programmation de systèmes informatisés à vocation

industrielle, qui ne sont pas uniquement à base

d'ordinateurs (robots, automates, systèmes embarqués,

etc).»

(Source: Wikipédia)

4

7

Applications

Automatismes industriels Robotique

Instrumentation

Applications internet Télématique

8

Différents systèmes programmables (1)

� Circuits spécialisés ou ASIC (Application SpecificIntegrated Circuit)

Les circuits spécialisés sont des circuits qui ont été spécialement

conçus pour une application donnée. Exemple: DSP (Digital Signal

Processing).

DSP Texas Instrument TMS 320

5

9

Applications des DSP

� Applications nécessitant un traitement numérique des signaux: extraction, filtrage, etc.

MODEM TELEPHONES

PORTABLES

LECTEUR

MP3

10


� Systèmes en logique programmable ou PLD (Programmable Logic Device)« Un circuit logique programmable, ou réseau logique programmable, est un circuit intégré logique qui peut être reprogrammé après sa fabrication.

Il est composé de nombreuses cellules logiques élémentaires, pouvant être librement assemblées.» (Wikipédia). Exemples: FPGA (Field Programmable Gate Array), PAL (Programmable Array Logic).

FPGA XILINX

XC36SA

PAL TI

16R8A

Technologie RAM:

Programmable à volonté

Technologie fusible:

Programmable 1 fois

6

11


� Systèmes micro-programmés

� « Un circuit micro-programmé est un circuit intégré qui

rassemble les éléments essentiels d'un ordinateur:

processeur, mémoires, unités périphériques et interfaces

d'entrées-sorties.» (Wikipédia)

� Exemple: microcontrôleur.

12

Applications des microcontrôleurs

GLUCOMETRE

AUTOMOBILE

SMART

PHONES

Airbags, ordinateur de bord, freins ABS

DAB

7

13

Architecture d’un système à micro-processeur

MICROPROCESSEUR ROM RAM EEPROMCHIEN

DE

GARDE

TIMERS C.A.N INTERFACE

PARALLÈLE

INTERFACE

SÉRIE

BUS DONNÉES - CONTRÔLE - ADRESSES

OSCILLATEUR MÉMOIRE

PROGRAMME

MÉMOIRE

DE DONNÉE

RESETOSCIN OSCOUT

INTT

IME

R1

TIM

ER2

PO

RT A

PO

RT B

PO

RT C

SO

UT

SC

LK

SIN

14

Processeur

� Le processeur ou CPU (Central Processing Unit) est le

composant essentiel d'un système micro-programmé. Il

exécute les programmes, où sont effectuées les

principales opérations logiques et arithmétiques. Sa

cadence (le nombre de micro-instructions effectuées par

seconde) est exprimée en Hertz (Hz).


8

15

Architecture interne d’un processeur


16

�Unité Arithmétique et Logique (UAL): prend en charge les calculs

arithmétiques et logiques.

�Registres: généraux, d’instructions, d’état.

�Compteur d’instructions: Ce registre contient l’adresse mémoire de

l’instruction en cours d’exécution.

�Accumulateur: registre utilisé pour stocker les données en cours de

traitement par l’UAL.

�Horloge: synchronise toutes les actions de l’unité centrale. Elle est

présente dans les processeurs synchrones, et absente des

processeurs asynchrones.


9

17

Critères de choix d’un processeur (1)


� Architecture :

– UAL (8, 16, 32, 64 bits).

– Taille des mémoires programme et donnée.

– Nombre de ports d’entrée/sortie.

18



� Fonctionnalités:

– Fonctions analogiques: conversion numérique/analogique…

– Fonctions de timing: timer, chien de garde…

– Fonctions de communication: USART, USB,...

– Facilité de programmation.

10

19



� Mise-en-œuvre et maintenance:

– Coût des outils de développement.– Disponibilité, obsolescence des composants.

� Caractéristiques électriques:

– Fréquence d’horloge.– Tension d’alimentation.– Consommation d’énergie.

20

Evolution chronologique des processeurs (exemple: Intel)


Intel 8086 (1978)

Architecture interne: 16 bits,

Fréquence d'horloge: 4.77-10 Mhz

29 000 transistors

Intel Pentium 4 Northwood C (2002)

Architecture interne: 32 bits

Fréquence d’horloge: 3.4 Ghz

55 millions de transistors

Intel Core i9 (2018)

Architecture interne: 64 bits

Fréquence d'horloge: 4.3 Ghz

Plus de 3 milliards de transistors

11

21



DE

GARDE


PARALLÈLE

INTERFACE

SÉRIE



PROGRAMME

MÉMOIRE

DE DONNÉE

RESETOSCIN OSCOUT

INTT

IME

R1

TIM

ER2

PO

RT A

PO

RT B

PO

RT C

SO

UT

SC

LK

SIN

22

� Un bus permet de faire transiter des informations codées en binaire entre deux composants. Typiquement les informations sont regroupées en mots: octet (8 bits), word (16 bits) ou double word (32 bits).

� Il est caractérisé par:� La largeur (nombre de lignes).

� La fréquence de transfert des données.

� La bande passante.


Bus

12

23


Bande passante d’un bus

Bande passante (Mo/s) = largeur du bus (octet) x fréquence (Hz)

Exemple: soit à calculer la bande passante d’un bus de fréquence 66 MHz

et de largeur 32 bits.

Solution: bande passante = 66 MHz*32 bits = 2112 Mb/s = 264 Mo/s

/8

24

� Bus de données: Permet de transférer des données entre composants, ex: résultat d'une opération, valeur d'une variable, etc.

� Bus d'adresses: Permet de transférer des adresses entre composants, ex: adresse d'une case mémoire, etc.

� Bus de contrôle: Permet l'échange d’informations de contrôle entre les composants, ex: horloge, périphérique prêt / occupé, erreur d’exécution, etc.

Types de Bus


13

25

Exemple


26



DE

GARDE


PARALLÈLE

INTERFACE

SÉRIE



PROGRAMME

MÉMOIRE

DE DONNÉE

RESETOSCIN OSCOUT

INT

TIM

ER1

TIM

ER2

PO

RT A

PO

RT B

PO

RT C

SO

UT

SC

LK

SIN

14

27

� RAM (Random Access Memory) ou mémoire vive, est

un type de mémoire informatique à accès aléatoire en

lecture-écriture. On l'appelle aussi mémoire volatile:

toutes les données sont perdues à l'extinction de

l'alimentation électrique. Il s'agit de la mémoire

électronique qui contient les données en cours de

traitement dans un système programmé.


Mémoires

28

� ROM (Read Only Memory) ou mémoire morte, est un

type de mémoire informatique impossible à modifier.

Contrairement à la RAM, ce n’est pas une mémoire

volatile: les données ne sont pas perdues à l'extinction

de l'alimentation électrique. Il s'agit de la mémoire

électronique qui contient les informations vitales d’un

ordinateur (BIOS, instructions de démarrage, etc).


Mémoires

15

29

� EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read

Only Memory) est un type de mémoire informatique

programmable par l’utilisateur, pouvant être effacée

électriquement. Elle peut être effacée et programmée de

100 000 à 1 000 000 de fois.

� Il existe également les PROM (programmables 1 seule

fois) et les EPROM (effaçables sous rayon U.V).


Mémoires

30


Capacité d’une mémoire

Capacité = 2k mots = 2k.n bits

Nombre total de mots d’adresse k Nombre de bits/mot

16

31

Exemple: une mémoire dont l’adresse est codée sur 3 bits, contenant

des données de 8 bits a une capacité de:


23x8 = 64 bits = 8 octets3

8

32


DE

GARDE


PARALLÈLE

INTERFACE

SÉRIE



PROGRAMME

MÉMOIRE

DE DONNÉE

RESETOSCIN OSCOUT

INT

TIM

ER1

TIM

ER2

PO

RT A

PO

RT B

PO

RT C

SO

UT

SC

LK

SIN

Interfaçage série/parallèle

17

33

� La transmission de données en parallèle consiste à

envoyer des données simultanément sur plusieurs

canaux (fils). Les ports parallèles présents sur les PC

permettent d'envoyer simultanément 8 bits (un octet) par

l'intermédiaire de 8 fils.


Interfaçage parallèle

34

Interfaçage parallèle


011

Données

Connecteur DB25

18

35

Interfaçage parallèle: débit

8-16EPP/ECP

2.4Ancienne génération

Débit (Mbits/s)Type


Interface Firewire Interface USB

36

� Les ports séries (également appelés RS 232) représentent les premières interfaces ayant permis aux ordinateurs d'échanger des informations avec le "monde extérieur". Le terme « série » désigne un envoi de données via un fil unique: les bits sont envoyés les uns à la suite des autres.

Interfaçage série


19

37

Interfaçage série


0

10

Connecteur DB9

Connecteur DB25

DonnéesDonnées

38

� Connexion locale (sans modem)

� Connexion distante (avec modem)

Interfaçage série: modes de connexion


Interfaçage série: modes de connexion


20

39

Ligne téléphonique

Signal analogiqueSignal numérique

Interfaçage série: principe d’un modem


40

Interfaçage série: trame de donnéesInterfaçage série: trame de données


21

41

Interfaçage série: bit de parité

Parité paire Parité impaireParité impaireParité paire Parité impaireParité paire Parité impaire

Interfaçage série: bit de parité


1 1 1 1 1 1 1 1

42

Interfaçage série: débit

2400900

4800300

9600150

1920015

Débit (bits/s)

Longueur de la liaison (m)


-+

22

43

� Dispositifs matériels permettant d’assurer les échanges d’informations en entrée et en sortie entre le système à microprocesseur et l’environnement extérieur, ou de stocker des informations de manière permanente.

Périphériques d’entrée/sortie

44

Une entrée est un flux de données provenant soit :

� D’un clavier, d’une souris, d’un crayon optique,

� D’un numériseur,

� D’un convertisseur analogique/numérique,

� De tout autre périphérique prévu pour interagir avec un système informatique.

Périphériques d’entrée


23

45

� Ces signaux d'entrée génèrent des Interruptions matérielles qui sont traitées en priorité par le gestionnaire d'interruptions du noyau du système d'exploitation.

Périphériques d’entrée


46

Périphériques de sortie

� Écran,

� Imprimante,

� Haut-parleurs,

� Convertisseur numérique/analogique.


24

47

Périphériques d’entrée-sortie

� Modem,

� Carte réseau,

� Mémoires de masse: disque dur, carte mémoire, lecteur de CD/DVD, clé USB,…

� Écran tactile.

Périphériques d’entrée-sortie

48


25

49

Port


� Port:

C’est un connecteur à l’extrémité d’un bus, dans lequel

est connecté un périphérique.

50

Pilote (driver)


C’est le logiciel qui contrôle les périphériques d’entrée/sortie. Ils sont soit déjà installés dans le système d’exploitation, soit doivent être installés par l’opérateur.

26

51

Acquisition et commandeChaîne d’acquisition de données (exemple)

52

Acquisition et commandeEmplacement de la chaîne d’acquisition de

données

Domaine analogique Domaine numérique

27

53

Acquisition et commande

Procédé de régulation de PH

Exemple

Mesurande: PH

Ordres

Transmission

binaire

Conversion analogique

numérique

Traitement

PH-mètres

54


28

55


CapteursCapteurs

56


29

57

� Le conditionneur intervient entre le capteur et l'interface

d’acquisition. Il met en forme le signal mesuré, pour le

traduire en une grandeur permettant le traitement (par

exemple : tension, courant, fréquence).


Conditionneurs

58


30

59

� L’échantillonnage d’un

signal à une fréquence fixe

permet de « prélever », à

des instants réguliers, sa

valeur analogique et de la

maintenir constante pendant

le temps de blocage.

Acquisition et commandeEchantillonnage/blocage

fe >= 2.fmax: condition de Shannon

60


31

61

� La quantification, affecte à chacun des échantillons du signal analogique une valeur approchée, codée sur un nombre fini de bits. Le choix du nombre de bits dépend de la précision requise.

� L’opération de quantification est assurée par un convertisseur analogique-numérique (C.A.N).


Quantification/codage (définition)

62

Acquisition et commandeQuantification/codage

32

63

• Le convertisseur analogique-numérique va transformer une certaine plage d’entrée en une valeur numérique.

• La résolution correspond à la plus petite variation possible entre 2 valeurs successives.

C.A.N. (définition)


64

� Si le signal est monopolaire, il va convertir une tension d’entrée variant de 0 à VM en une valeur numérique:

– La valeur 0 correspond à 0;– La valeur maximum VM correspond à 2n.

– La résolution est donnée par:

C.A.N. (résolution)


2

M

n

Vr =

Quantification/codage

33

65

� Si le signal est bipolaire, il va convertir une tension d’entrée variant de -VM à VM en une valeur numérique:

– La valeur -VM correspond à 0;– La valeur maximum VM correspond à 2n.

– La résolution est donnée par:

C.A.N. (résolution)

2

2

M

n

Vr =


66

� Signal monopolaire: VM = 10 V

3 bitsr = 1.25

4 bits r = 0.625

2

M

n

Vr =

Acquisition et commandeQuantification/codage (exemple)

34

67

Tension (V)

code

8.757.56.2553.752.51.250

111110101100011010001000

Tension (V)

code

Tension (V)

code

9.3758.758.1257.56.8756.255.6255

11111110110111001011101010011000

4.3753.753.1252.51.8751.250.6250

01110110010101000011001000010000

Codage à 3 bits

Codage à 4 bits

Quantification/codage (exemple)

Niveau de tension VS code binaire

68

Acquisition et commandeQuantification/codage (exemple)

8.75

9.375

35

69

EXEMPLE CORRIGE DE QUANTIFICATION ET DE

CODAGE D’UN SIGNAL

T = 2.25 msf = 444.44 Hz

36

71

Te = 0.1 msfe = 10 kHz

72

Condition de Shannon

25.22f

f e>>=

� Condition vérifiée

37

73

)kTT

2sin(9.0)kT(S)t

T

2sin(9.0)t(S ee

π=⇒

π=

)k088.0sin(9.0)kT(S044.0T

Te

eπ=⇒=

Équation du signal

74-

0.18

-

0.414S(k)

2221k

-0.616

-0.772

-0.869

-0.9

-0.863

-0.76

-0.599S(k)

20191817161514k

-0.393

-0.1580.090.3310.5470.7210.841S(k)

13121110987k

0.8970.8840.8050.6640.4730.2480S(k)

6543210k

Valeurs des échantillons

38

75

Calcul de la résolution

8 niveaux⇒CAN à n = 3 bits

225.02

9.02

2

V2R

3n

M=

×==

Signal bipolaire

76

0.675S(V)

111Code

0.450.2250-0.225-0.45-0.675-0.9S(V)

110101100011010001000Code

Codage des niveaux du signal

39

77

-0.18

-0.414S(k)

2221k

-

0.616

-

0.772

-

0.869

-

0.9

-

0.863

-

0.76

-

0.599S(k)

20191817161514k

-

0.393

-

0.1580.090.3310.5470.7210.841S(k)

13121110987k

0.8970.8840.8050.6640.4730.2480S(k)

6543210k

Codage d’un échantillon

0.45 V<= 0.664 V <= 0.675 V

78

0.675S(V)

111Code

0.450.2250-0.225-0.45-0.675-0.9S(V)

110101100011010001000Code

Codage d’un échantillon

0.664 V �� code 110

40

79011010Code

2221k

001000000000000000001Code

20191817161514k

010011100101110111111Code

13121110987k

111111111110110101100Code

6543210k

Codage de tous les échantillons du signal

80

Allure du signal quantifié

000

001

010

011

100

101

110

111

Documents

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