Brevet FR2537303A1 — publié le 19840608

Centrale autonome d'acquisition et de stockage de données La présente invention concerne les centrales d'acquisi- tion de données du type comprenant un organe de calcul et de commande associé à un multiplexeur muni de plusieurs entrées analogiques par l'intermédiaire de moyens d'échantîI 10 nange et de conversion analogique/numérique Dans une telle óertriee, le multiplexeur analogique sélectionne une des entrées; na Lo- giques à la fois et l'aiguille vers les moyens d'6 chanti Ilon nage et de conversion Chaque échantillon numérisé par ces derniers est placé sur le bus de données de l'organe de cal- cul, qui est souvent prévu pour effectuer un filtrage des données provenant d'une même entrée du multiplexeur, notamment par calcul de la moyenne des valeurs sur une même entrée pen- dant un intervalle de mesure déterminé Les"valeurs moyennes ainsi obtenues peuvent être fournies par l'organe de calcul à divers types de sorties, par exemple être envoyées à un calculateur central par l'intermédiaire d'un support deltélé- communication. Si on souhaite stocker localement les données ainsi recueillies et traitées pour rendre la centrale autonome, on se heurte fréquemment au problème du stockage des données; même si l'on effectue un filtrage par calcul de moyenne, le volume des données à stocker oblige à prévoir une taille de mémoire incompatible avec la constitution d'une centrale por- tative. L'invention vise à fournir une centrale d'acquisition et de stockage de données qui tout à la fois est autonome,. c'est-a-dire est susceptible de fonctionner sans être reliée à un système informatique et présente un volume de mémoire réduit pour une quantité déterminée de données à mémorisera Dans ce but, l'invention propose notamment une centrale d'acquisition et de stockage du type ci-dessus défini caempr- tant une mémoire de masse non volatile et des moyens de cnm- pression des données par omission des informations redondantes, -2- awvant écriture en mémoire. L'invention trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, constituée par les cen- trales de mesure, dans lesquelles les entrées analogiques sont S reliées à des capteurs En effet, il est fréquent que les informations fournies par ces capteurs varient peu sur de longs intervalles de temps Il est alors superflu de stocker en mémoire des valeurs répétitives Dans un mode d'exécution avantageux de l'invention, la centrale permet d'effectuer la compression de telles données de mesure en conservant unique- ment les informatons significatives, sous forme d'un mot constitué d'un premier nombre indiquant la valeur présente sur une entrée et d'un second nombre représentatif du nombre d'intervalles de temps pendant lesquels la valeur de la donnée d'entrée n'est pas sortie d'un intervalle déterminé autour de la valeur mémorisée. La mémoire est avantageusement du type à bulles magné- tiques qui présente les avantages d'un temps d'accès beaucoup plus court que les disques souples et surtout que les bandes magnétiques et d'un encombrement moindre L-organe de calcul comportera en règle générale un microprocesseur muni de mémoires de travail à lecture/écriture, ou RAM, et de mémoires mortes, éventue I Iement reprogrammables, contenant le programme. Ces mémoires sont avantageusement réalisées en technologie C-MOS pour réduire la consommation et permettre d'alimenter soit normalement, soit seulement en cas de défaillance d'un réseau d'at Inmretation, les circuits a l'aide d'une batterie locale Ctte batterie permettra également de sauvegarder le contenu d 6 la mdmaire de travail par transfert dans la mémoire à bulles magnétiques en cas de coupure de l'alimentation prin- cipal et avant qu'elle ne soit épuisée. L'iirvention sera mieux comprise a la lecture de la des- crigtior qui suit d'un mode particulier d'exécution donné à &it red'exemple non limitatif La description se réfère au dessin qui l'accompagne, dans lequel: la figure 1 est un synoptique de principe d'une 253730 e -3 - centrale de mesure mettant en oeuvre l'invention la figure 2 est un schéma montrant la structure d'un mot de données destiné à être inscrit en mémoire de masse la figure 3 est un organigramme du processus de compression. La centrale de mesure montrée schématiquement en figure 1 comporte un multiplexeur analogique 10 muni de N entrées 11 (n étant un nombre entier supérieur à 1, qu'on supposera par la suite égal à È). Ces entrées peuvent être reliées chacune à un capteur non représenté Les capteurs peuvent être de nature très diverse, la seule condition requise étant que le capteur fournisse un signal de sortie électrique qui, éven- tuellement après mise en forme, a une polarité, une valeur maximale et une dynamique compatibles avec la partie analogique de la centrale de mesure. La sortie du multiplexeur 10 est reliée à des moyens d'échan- tillonnage et de numérisation qui peuvent être constitués par un échantillonneur-bloqueur 12 et un convertisseur analogique 14, commandés par l'unité de traitement d'un organe de calcul, unité qui sera généra- lement un microprocesseur 16 L'utilisation d'un seul convertisseur, qui constitue un composant coûteux, permet de réduire sensiblement le prix global de la centrale. Le microprocesseur 16 est associé à une horloge 20, qui constitue également la base de temps pour le convertisseur 14, à une mémoire de travail 18 à lecture/écriture et à une mémoire morte reprogrammâble 22, généralement du type EPROM ou REPROM L'organe de calcul comportera généralement encore un pupitre d'entrée 24, permettant notamment d'effectuer des tests de bon fonctionnement avant mise en service et de sé- lectionner divers paramètres de fonctionnement. On sait qu'avec un échantillonnage à fréquence donnée, on peut obtenir une bande passante dont la limite haute cor- respond à le moitié de cette fréquence On obtiendra donc urîe bande passante allant de O à 2 Hz si l'échantillonnage s'ef- fectue sur chaque entrée à la cadence de quatre échantillons par seconde Dans le cas ci-dessus envisagé d'un multipl exeur -4 - à huit entrées 11, les organes 12 et 14 devront échantillonner et numériser trente-deux valeurs par seconde, ce qui est fa- cile à obtenir même avec un convertisseur A/N 14 de précision élevée, par exemple du genre intégrateur à double pente Tou- jours dans le cas de huit entrées, la scrutation des capteurs peut s'effectuer par adressage du multiplexeur sur trois bits seulement à partir du microprocesseur 160 Lorsque ce dernier- est du type à mots de seize bits (c'est-à-dire deux octets), le convertisseur analogique/numérique 14 peut notamment être prévu pour coder les valeurs sur dix bits, ce qui correspond & 1023 niveaux de quantification. Un programme stocké en mémoire morte 22 du microproces- seur 16 permet d'effectuer des calculs de moyennes sur les données en provenance de chaque entrée Il Pour cela, la mémoire de travail 18 comporte des zones réservées pour cons- tituer des tampons de mémoire de capacité suffisante Le programme du microprocesseur peut prévoir le calcul de la façon suivante: cumul du total des mesures effectuées sur chaque entrée 11 pendant un intervalle de temps déterminé de prise d'informations (intervalle qui sera avantageusement sélec- tionnab Le à l'aide du pupitre 24), comptage du nombre de mesures cumulées, établissement de la moyenne des résultats de la mesure pendant un intervalle de temps de prise d'informations. La moyenne pourra être définie avec une précision supé- rieure & celle du codage des mesures individuelles, par exemple sur douze bits dans le cas mentionné plus haut. Un programme également enregistré en mémoire morte 22 E du microprocesseur 16 permet de soumettre les moyennes ainsi calculées à un processus de compression qui est essentiel pour réduire la taille de la mémoire de masse 26 nécessaire pour stocker les données Divers processus de compression, permettant de ne retenir que des valeurs significatives, peuvent être util-isés Dans tous les cas, ce processus rendra nécessaire de prévoir une mémoire tampon de compression 28 -5 - reliée, comme la mémoire de masse 26, au bus de données 30 de l'organe de calcul Les moyennes calculées sont introduites dans cette mémoire tampon 28 pour constituer des piles. Parmi les processus de compression qui peuvent être uti- lisés, on utilisera avantageusement la compression dichoto- mique dont le principe est le suivant: lorsqu'on dispose de n échantillons consécutifs de valeur Vn, séparés par un même intervalle de temps t, on compare chaque échantillon (échan- tillon 2) à la demi-somme de deux échantillons qui l'enca- drent (échantillons 1 et 3) Si la différence est inférieure à une tolérance + k que l'on se fixe au départ, généralement égale à un bit du convertisseur, c'est-à-dire si les valeurs V 1, Y 2 et V 3 remplissent la condition |I + V 3 Vr est éliminé A la reconstitution, on interpole sa valeur par Y 1 + V 3 On associe à V 3 le temps qui le sépare de V par codage de la puissance de 2 du nombre d'intervalles t. La compression dichotomique ne compare donc-gue des échan- tillons équidistants de 2 mt: en codant m, on peut réduire l'encombrement mémoire de cette information temporelle. Dans le cas contraire, V 1 et V 2 sont conservés On compare comme précédemment V 3, V 4 et V 5 et ainsi de suite éventuelle- ment. Si l'on avait éliminé V 2 et que V 4 réponde également au critère de compression, on comparerait alors V 3 à la demi- somme V 1 + V 4, distants cette fois de 4 t On cherche-ensuite à comparer éventuellement des échantillons distants de 8 t, 16 t, etc par rapport à l'échantillon central qui subsiste seul: l'organigramme correspondant est donné en figure 3. Dans le cas envisagé plus haut d'un microprocesseur utili- sant des mots de deux octets, on peut prévoir de limiter l'exposant m à une valeur de 14 (en décimal) pour tenir compte de considérations de volume en mémoire L'écart maximum est alors de 16384 fois la période de prise d'information sur une même entrée Chacune des données à ranger en mémoire de masse 26 pourra alors être constituée par un mot de seize bits, dont les quatre premiers sont représentatifs d'un in- tervalle de temps, les douze suivants de la valeur moyenne. Il faut remarquer au passage que, tant que la résolution recherchée reste comprise entre 9 et 12 bits, c'est-à-dire nécessite plus d'un octet et laisse quatre bits disponibles pour définir l'intervalle de temps, la compression n'utilise que des bits surabondants qui resteraient inutilisés sans elle La structure d'un mot est alors celle représentée en figure 2 La partie 32 identifie l'intervalle de temps, la partie 34 la valeur à mémoriser. La mémoire de masse 26 est avantageusement constituée par une cassette de mémoire à bulles, disponible à l'heure actuelle avec une capacité de 1 Megabit, permettant d'enre- gistrer 8192 mesures par voie d'entrée pour chacune de ces entrées A la cadence d'une moyenne effectuée toutes les cinq minutes pour chaque voie, l'autonomie de la-centrale est alors de vingt-huit jours Elle est nettement augmentée par la compression et, au surplus, si certaines-yoies d'entrée ne sont pas utilisées On ne décrira pas ici l'ensemble cons- titué par la cassette de mémoire à bulles et par l'ensemble associé, car il peut être constitué de façon entièrement clas- sique On peut notamment utiliser un ensemble comportant une cassette à bulles magnétiques de 1 Mbits associé à l'unité d'affichage FBM-U 001 et à la carte de commande FBC 308 CIA de FUJITSU ou le kit INTEL BPKX 2 conditionné en cassette à bulle. Le logiciel du microprocesseur 16 est de préférence prévu pour enregistrer les données en mémoire en "mode page", c'est-à-dire pour n'alimenter la carte de commande de la mé- moire que lorsque, pour une entrée analogique particulière, une page constituée par un nombre prédéterminé (par exemple soixante-quatre) d'octets de données compressées a été pré- parée. Des octets supplémentaires d'identification sont prévus pour préciser le numéro de la voie concernée, codé sur quatre bits, et le numéro d'instant de l'enregistrement modulo 4096. Douze bits sont réservés au numéro de l'instant d'enregistre- ment, les bits de poids fort de ce numéro étant perdus, tandis que les quatre autres bits donnent le numéro de la voie d'en- trée concernée par la page. La centrale de mesure comportera généralement un dispo- sitif d'affichage 36 Ce dispositif sera par exemple prévu pour visualiser six caractères, deux pour indiquer un auméra de voie d'entrée, quatre pour indiquer la valeur d'une mesutre. Le dispositif de visualisation peut être combiné au pupitre 24 et porter divers commutateurs de choix de paramètres, par exemple un commutateur de choix de la période de prise d'in- formations et un commutateur de choix du mode de visualisation des mesures. La centrale est complétée par divers dispositifs de sauvegarde, par exemple pour vider le contenu des mémoires tampons de compression 28 dans la cassette mémoire 26 avant autorisation d'enlèvement de cette dernière. La centrale comporte une alimentation locale, constituée par une batterie d'accumulateur (non représeptée) qui peut être prévue soit comme source normale de fonctionnement, soit comme source de secours, en cas de panne de l'alimentation normale Dans les deux cas, un circuit de détection est prévu pour fournir une alarme lorsque la source d'énergie locale est presque épuisée Cette alarme est transmise au-micropro- cesseur 16, dont le logiciel comporte un programme de sauve- garde qui transfert en mémoire à bulles, non volatile, toutes les mesures présentes en mémoire vive et en mémoire tampaon; et coupe automatiquement le fonctionnement de l'installation. L'ensemble de la centrale peut être constitué e-n com- posants actuellement disponibles sur le marché, en faisant le plus largement possible appel aux composants C-M Oi S L'uti- lisation de tels circuits et d'une mémoire à cassette à bulles (dont la cassette et les circuits d'interface ne sent sous tension que pendant la durée d'un enregistrement ou d'une lecture) permet de réduire la consommation à un point tel 8 - qu'un fonctionnement sur source locale est possible Le microprocesseur 16 peut notamment être le modèle MCM 146 805 E 2 de MOTOROLA, équipé d'une mémoire morte EPROM 27 C 16, de réception du logiciel résident. La centrale est avantageusement munie d'un dispositif de test de haut niveau afin qu'elle présente un degré de fiabilité élevé au moment de la mise en service comme au relevé des enregistrements Ce dispositif met en oeuvre le mrcraprocesseur 16 et utilise des programmes assurant les fonctions suivantes: Test des mémoires EPROM 22, RAM 18 et 28, et écriture- lecture préalable de la cassette a bulle 26. Tests périodiques des entrées analogiques 11 par subs- titution des capteurs, en gain et dérive de zéro avec reca- libration dans des limites acceptables fixées. Test des alimentations. Tests de lecture après écriture de la mémoire A bulle 26 et, si après trois tentatives une erreur persiste, l'adresse de la page, le nombre et l'état du type de défaut décelé par le contrôleur sont visualisés au pupitre 24 et inscrits dans la mémoire à bulle. Des pages seront réservées à ces diagnostics de test intéressa:nt des fractions de mémoire. L'inv'ention ne se limite évidemment pas aux modes parti- culiers de réalisation qui ont été représentés et décrits à titre d'exenples et il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend à toute variante restant dans le cadre des équivalences. 2 537 304 AUCUNE DEMANDE N'EST PUBLIEE SOUS CE NUMERO Lc u_ REVENDICATIONS 1 Centrale d'acquisition et de stockage de données comprenant un organe de calcul et de commande associé à un multiplexeur ( 10) muni de plusieurs entrées analogiques par l'intermédiaire de moyens d'échantillonnage et de conversion analogique/numérique ( 12, 14), caractérisé en ce qu'elle com- porte une mémoire non volatile ( 26) et des moyens ( 28) de compression des données par omission des informations redon- dantes avant écriture en mémoire de masse ( 26) non volatile. 2 Centrale suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de compression ( 28) sont réalisés pour effectuer la compression par dichotomie, en éliminant comme redondantes les valeurs d'information situées à mi-distance temporelle de deux autres informations et dont la différence avec la demi-somme de ces dernières informations est infé- rieure à une tolérance prédéterminée, les informations rete- nues étant codées sous forme d'un nombre binaire ( 34) indiquant la valeur présente sur une entrée et d'-un nombre binaire ( 32) représentatif du nombre d'intervalles de temps pendant les- quels la valeur de la donnée d'entrée n'est pas sortie d'un intervalle déterminé, correspondant à la tolérance 3 Centrale suivant la revendication 2, caractérisée en ce que l'organe de calcul est prévu pour effectuer la moyenne dis valeurs prises par les données en provenance de chaque entrée pendant un intervalle de mesure déterminé, la compres- sion étant effectuée sur les moyennes. 4 Centrale suivant l'une quelconque -des revendications précédentes, caractérisée en ce que la mémoire non volatile est constituée *par une cassette de mémoire à bulles magné- tiques. Centrale suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la mémoire ( 26) est organisée par paqes affectées chacune à l'une des entrées et en ce que la centrale comporte une mémoire tampon ( 28) de compression dans laquelle les moyennes calculées sont intro- - duites pour constituer des piles, l'organe de calcul étant prévu pour transférer les données compressées correspondant à une entrée ( 11) par page complète dans la mémoire de masse. ( 26). 6 Centrale suivant la revendication 5, caractérisée en ce que l'organe de calcul est du type 16 bits,en ce qu'il est prévu pour affecter à chaque page de données un mot de 16 bits d'identification dont quatre bits identifient l'entrée correspondant à la page et les douze bits restants définissent le numéro de l'instant d'enregistrement modulo 4096. 7 Centrale suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte une source locale d'énergie électrique et en ce que le logiciel de l'or- gane de calcul est prévu pour transférer en mémoire de masse non volatile ( 26) le contenu des mémoires vives à lecture/ écriture de la centrale en réponse à une détection d'épuise- ment de la source d'énergie locale.