Brevet FR2795534A1 — publié le 20001229

DISPOSITIF ET PROCEDE DE TRAITEMENT DE SIGNAL POUR CAPTEURS ANALOGIQUES DESCRIPTION Domaine technique La présente invention concerne un dispositif et un procédé de traitement de signal de mesure pour des capteurs analogiques alternatifs ou continus. On entend par capteur alternatif ou continu un capteur délivrant un signal analogique alternatif ou continu correspondant à une grandeur physique telle qu'une amplitude de rotation d'un arbre ou de déplacement d'un curseur, par exemple. L'invention concerne en particulier le traitement des signaux de mesure de capteurs tels que les capteurs à transformateur différentiel à variation linéaire ou rotative tels que les capteurs de type LVDT (Linear Variation Differential Transformer) ou RVDT (Rotary Variation Differential Transformer). L'invention trouve des applications dans tout système de commande d'asservissement et en particulier dans les systèmes de commande de gouvernes et les systèmes de freinage d'aéronefs. Etat de la technique antérieure Le déplacement des gouvernes d'un aéronef ou le fonctionnement des servovalves qui actionnent les gouvernes sont généralement contrôlés par des capteurs analogiques tels que les capteurs LVDT ou RVDT déjà mentionnés. D'autres capteurs alternatifs tels que des capteurs à induction du type synchrone ou résolveur sont également utilisés. Un capteur à induction synchrone comporte trois bobines induites disposées en étoile et une bobine inductrice libre en rotation par rapport aux bobines induites. Un capteur du type résolveur comporte seulement deux bobines angulairement espacées. Ces capteurs mesurent par exemple l'amplitude de rotation d'un arbre. Les capteurs linéaires mesurent le déplacement linéaire d'un curseur avec une course généralement comprise entre quelques millimètres et quelques centimètres. Pour exploiter les signaux délivrés par les capteurs ceux-ci sont généralement traités et numérisés avant d'être dirigés vers une unité de calcul ou de contrôle. La figure 1 annexée donne de façon très schématique un exemple d'agencement d'un dispositif de traitement de signaux analogiques alternatifs, d'un type connu. Sur la figure 1, la référence 10 désigne un capteur analogique alternatif. Celui-ci délivre sur ses bornes de sortie 12, 14 un signal alternatif V représentatif de l'amplitude de déplacement d'un curseur ou de l'amplitude de rotation d'un arbre, par exemple. Le signal alternatif V, sous la forme d'une tension alternative, est dirigé vers un dispositif de traitement repéré par la référence générale 16, par l'intermédiaire d'un amplificateur 18. Le dispositif de traitement comporte dans l'ordre des moyens redresseurs 20 prévus pour redresser le signal alternatif délivré par l'amplificateur 18, des moyens de filtre 22 pour supprimer la composante alternative dans le signal redressé et un convertisseur analogique-numérique 24 relié à la sortie du filtre 22. Le convertisseur analogique-numérique 24 délivre un signal numérique correspondant à la composante continue du signal redressé. Ce signal est proportionnel à l'amplitude de la grandeur physique mesurée par le capteur. Le convertisseur analogique- numérique est relié, par exemple, à un calculateur 26 dans lequel le résultat de mesure est exploité. Un dispositif tel que représenté à la figure 1 fonçtionne correctement lorsque les signaux fournis par les capteurs sont de grande amplitude mais manque de précision pour les signaux de petite amplitude. Ainsi un tel dispositif est notamment inadapté pour la détection de petits déplacements d'un curseur ou la détection d'une faible rotation d'un arbre. En effet, le redressement du signal par les moyens de redressement 20, provoque un bruit analogique qui vient s'ajouter au signal. De même, le filtrage du signal redressé ajoute inévitablement à celui-ci du bruit de filtrage. Ainsi, lorsque le signal est de faible amplitude, le bruit ajouté au signal rend la mesure imprécise et ne permet pas d'obtenir la résolution souhaitée. Exposé de l'invention L'invention a pour but de proposer un dispositif et un procédé de traitement du signal ne présentant pas les limitations exposées ci-dessus. L'invention a aussi pour but de proposer un dispositif et un procédé de traitement qui présentent une excellente précision même pour des signaux de très faible amplitude. De plus, l'invention a pour but d'affranchir le dispositif des bruits de filtrage ou de redressement de signaux alternatifs qui apparaissent sur les dispositifs de l'art antérieur. Pour atteindre ces buts, l'invention a plus précisément pour objet un dispositif de traitement de signal de mesure pour au moins un capteur analogique, comprenant dans l'ordre : des moyens de conversion analogique-numérique du signal, pouvant être reliés à au moins un capteur analogique, et des moyens numériques de traitement de signal, connectés à au moins une sortie numérique des moyens de conversion analogique-numérique, et aptes à délivrer une valeur efficace représentative d'un signal fourni par le capteur. Les moyens de conversion analogique-numérique peuvent comporter au moins un convertisseur analogique numérique. Et, chaque convertisseur analogique- numérique peut être associé à un ou plusieurs capteurs analogiques, éventuellement au moyen d'un multiplexeur. Dans le dispositif de l'invention, le signal appliqué à l'entrée du convertisseur analogique- numérique ne passe plus à travers des moyens de redressement et de filtrage tels que décrits précédemment. Le signal délivré par le capteur peut être appliqué soit directement à l'entrée du convertisseur analogique numérique soit par l'intermédiaire d'un filtre anti-repliement. Le filtre anti-repliement connecté à l'entrée analogique du convertisseur analogique numérique permet de limiter la bande passante au signal utile. Ainsi, la fréquence d'échantillonnage du convertisseur analogique numérique peut être choisie de préférence supérieure ou égale au double de la fréquence du signal fourni par le capteur. Les moyens numériques de traitement permettent de calculer à partir des valeurs numérique délivrées par le convertisseur analogique-numérique une valeur représentative du signal, par exemple, la valeur efficace du signal. Les moyens numériques de traitement peuvent comporter une ou plusieurs unités de traitement de type DSP (Digital Signal Processor), un microprocesseur ou un circuit à application spécifique du type ASIC, ou FPGA/PLD. A titre d'exemple, pour un capteur alternatif, l'unité de traitement peut être programmée pour successivement - effectuer un filtrage passe-haut du signal, - élever le signal au carré, - effectuer un filtrage passe-bas, et - calculer la racine carrée. Ces opérations sont effectuées à partir d'un signal numérique fourni par chaque convertisseur analogique-numérique. L'invention a également pour objet un système d'acquisition de grandeurs physiques comportant au moins un capteur analogique alternatif ou continu et au moins un dispositif tel que décrit précédemment. Enfin, l'invention a pour objet un procédé de traitement du signal. de détection d'un capteur analogique apte à délivrer un signal de détection, dans lequel on effectue dans l'ordre une conversion analogique-numérique du signal de détection en un signal numérique et un traitement numérique du signal numérique pour déterminer une valeur représentative du signal de détection. Comme indiqué ci-dessus, le fait d'effectuer un traitement numérique de données délivrées par le convertisseur analogique numérique évite les problèmes de bruits analogiques parasites et améliore la précision du traitement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, en référence aux figures des dessins annexés, donnée à titre purement illustratif et non limitatif. Brève description des figures - La figure 1, déjà décrite, est une représentation schématique d'un dispositif de traitement, d'un type connu, des signaux délivrés par un capteur analogique alternatif. - La figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif de traitement des signaux conforme à l'invention. - La figure 3 est une représentation schématique d'un dispositif de traitement des signaux conforme à l'invention appliqué à une chaîne d'acquisition de signaux d'un aéronef. Description détaillée de modes de mise en oeuvre de l'invention Tout comme le dispositif représenté à la figure 1, déjà décrite, le dispositif de traitement 116 de la figure 2, conforme â l'invention, est relié à un capteur analogique alternatif 110 par l'intermédiaire d'un étage d'adaptation 118. Pour des raisons de commodité, des éléments de la figure 2, identiques ou similaires à des éléments de la figure 1 portent les mêmes références auxquelles on a ajouté 100. On peut ainsi se référer à la description qui précède en ce qui concerne ces éléments. Le capteur analogique 110 est par exemple un capteur inductif linéaire ou rotatif susceptible de délivrer un signal alternatif ou continu dont l'amplitude est proportionnelle à l'amplitude de déplacement d'un curseur ou à l'angle de rotation d'un arbre. Par ailleurs, l'étage d'adaptation 118 permet une acquisition différentielle des signaux provenant du capteur et permet d'imposer une impédance élevée à l'entrée du dispositif. Le dispositif de traitement 116 comporte dans l'ordre de progression du signal un filtre anti- repliement 122, un convertisseur analogique numérique rapide 124 et une unité de traitement 150 de type DSP par exemple. L'unité de traitement 150 peut être remplacée par toute unité de calcul ou circuit capable d'effectuer des opérations de traitement de signal numérique telles que décrites plus loin. Enfin, l'unité de traitement est reliée à un microprocesseur de commande 126 utilisant les données du signal traité, par exemple, pour piloter une machine. A titre d'exemple, le microprocesseur 126 peut être destiné à piloter le fonctionnement d'une servovalve pour actionner une gouverne d'un aéronef. Enfin, on peut noter que le microprocesseur 126 peut être remplacé ou complété par tout type de circuit d'asservissement ou tout simplement par un afficheur d'une ou plusieurs grandeurs mesurées. La fréquence d'échantillonnage du convertisseur analogique-numérique est de préférence choisie supérieure ou égale au double de la fréquence du signal alternatif délivré par le capteur. A titre d'exemple, pour un capteur délivrant un signal de mesure à une fréquence de l'ordre de 2 KHz on peut effectuer un échantillonnage à 16 KHz, ce qui permet de disposer de 8 échantillons par période. Aussi, pour éviter des distorsions dues à des composantes de fréquences élevées du capteur, le filtre anti-repliement 122, encore désigné par "anti-aliasing" est prévu entre l'étage d'adaptation 118 et le convertisseur analogique-numérique 124. Ce filtre agit essentiellement comme un filtre passe-bas. L'unité de traitement 150, déjà mentionnée, reçoit des valeurs numériques d'échantillonnage établies par le convertisseur analogique-numérique. Les opérations effectuées par cette unité sont sommairement décrites ci-après. Une première opération est un filtrage passe haut du signal numérique. Ce filtrage permet d'éliminer d'éventuelles tensions de décalage à l'origine de type offset, susceptibles d'altérer la précision de la chaîne de traitement. Le filtrage passe-haut permet plus précisément d'éliminer dans le signal toute composante continue. Une deuxième opération consiste à élever au carré le signal numérique ainsi filtré. En considérant que le signal répond à une fonction f (t) du temps t, du type f (t)=Asin(cut) où A est une constante et c) la pulsation du signal, on observe qu'après l'élévation au carré du signal on obtient une fonction de l'amplitude continue du signal et une fonction à une fréquence double de la fréquence initiale. 2 f (t)2=(Asin(c)t) ) 2= (1-cos (2cot)) . Une troisième opération est une opération de filtrage passe bas. Cette opération permet d'éliminer la composante du signal évoluant selon le double de la fréquence du signal initial (2cot), et de conserver la composante continue. Une quatrième opération est le calcul de la racine carré du signal obtenu après le filtrage passe bas. Cette opération permet d'obtenir une valeur représentative du signal du capteur, appelée valeur efficace. On peut noter que le traitement numérique effectué par l'unité de traitement peut être complété par des calculs spécifiques dépendant du type de capteur dont provient le signal analogique. A titre d'exemple, pour des capteurs de type LVDT ou RVDT déjà mentionnés, la position d'un curseur est obtenue par l'acquisition de deux tensions sinusoïdales notées V1 et V2. Ces tensions correspondent par exemple à des tensions prélevées sur deux enroulements secondaires du capteur. Dans un tel cas, les opérations effectuées par l'unité DSP peuvent être complétées par le calcul d'une grandeur telle que Vl V2 . V1 + V2 Dans une application particulière où le ou les capteurs reliés au dispositif de traitement de signal ne sont pas des capteurs alternatifs, mais des capteurs continus, c'est-à-dire délivrant des valeurs analogiques continues, l'unité de traitement numérique 150 peut être programmée ou conçue pour effectuer uniquement une opération de filtre passe-bas. Ceci est le cas notamment lors de l'utilisation de capteurs tels que des capteurs potentiométriques, de position ou d'accélération. La figure 3 montre une application particulière de l'invention pour une chaîne d'acquisition de signaux analogiques sur un aéronef. Pour des raisons de commodité, des éléments de la figure 3 identiques ou similaires à ceux de la figure 2 sont indiqués avec les mêmes références auxquelles on a ajouté 100. La chaîne d'acquisition de la figure 3 reçoit des signaux d'une pluralité de capteurs individuels référencés 210-1, 210-n et dont deux seuls sont représentés pour des raisons de clarté. Chaque capteur 210-1, 210-n est relié à un filtre anti-repliement 222-1, 222-n par l'intermédiaire d'un amplificateur d'entrée 218-1, 218-n. On désigne dans la suite du texte par "voie" de la chaîne d'acquisition un capteur, un amplificateur et un filtre reliés entre eux. Les sorties des filtres anti-repliement sont reliées à une ou plusieurs unités de multiplexage 260. Les unités de multiplexage comportent une pluralités de bornes d'entrée 262 et une voie de la chaîne d'acquisition est reliée à chacune des entrées 262. Pour des raisons de clarté une seule voie comportant un étage d'adaptation 218 et un filtre anti- repliement 222 est seulement représentée pour chaque unité de multiplexage. Les unités de multiplexage permettent de successivement relier à un convertisseur analogique numérique 224 connecté à leur sortie, l'une des voies de la chaîne connectée à l'une de leurs entrées 262. Le ou les convertisseurs analogique-numérique 224 reliés aux unités de multiplexage sont reliés par leur borne de sortie à une unité de traitement 250 telle qu'une unité DSP par exemple. L'unité DSP, dont le fonctionnement a déjà été décrit, peut recevoir les signaux des convertisseurs analogique-numérique soit simultanément soit successivement. L'unité DSP transmet par ailleurs une valeur efficace des signaux vers un microprocesseur 226 ou analogue pour un traitement d'application des données. Grâce à la structure décrite ci-dessus, il est possible de traiter les signaux de plusieurs voies avec un seul ou avec un nombre réduit de convertisseurs analogique-numérique. Cette mesure permet de réduire les coûts du dispositif. On peut noter que tout ou partie des éléments d'un dispositif de traitement de données tel que représenté aux figures 2 ou 3 peut être intégré et conçu sous la forme d'un seul composant de type ASIC. Une partie du traitement d'application effectuée par un circuit ou un microprocesseur 226 connecté à la sortie du dispositif de traitement peut aussi être opéré directement par l'unité de traitement numérique 250. Ainsi lorsque le dispositif de l'invention est réalisé sous forme d'ASIC une partie correspondante de circuit peut être intégrée directement dans le même composant. Ces mesures permettent de réduire le coût des dispositifs de traitement et des installations qui en sont équipées. REVENDICATIONS 1. Dispositif de traitement de signal de mesure pour au moins un capteur analogique (110,210) comprenant dans l'ordre : des moyens (124, 224) de conversion analogique-numérique de signal, pouvant être reliés à au moins un capteur analogique (110, 210), et des moyens numériques (126, 226) de traitement de signal, connectés à au moins une sortie numérique des moyens de conversion analogique-numérique, et aptes à délivrer une valeur efficace représentative d'un signal fourni par le capteur. 2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel les moyens de conversion analogique-numérique comportent au moins un convertisseur analogique- numérique (124, 224). 3. Dispositif selon la revendication 2 dans lequel les moyens de conversion analogique-numérique comportent au moins un filtre (122, 222-1, 222-n) anti- repliement connecté à une entrée analogique du convertisseur analogique-numérique. 4. Dispositif de traitement selon la revendication 2, pour une pluralité de capteurs (210,1-210-n), dans lequel au moins un circuit de multiplexage (260) est connecté entre ladite pluralité de capteurs et au moins un convertisseur analogique- numérique (224). 5. Dispositif selon la revendication 4 dans lequel au moins un circuit de multiplexage (260) est connecté entre une pluralité de filtres anti-repliement (222-1, 222-n), associée respectivement à la pluralitÉ de capteurs, et au moins un convertisseur analogique- numérique (224). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel les moyens numériques (150, 250) de traitement du signal comportent au moins une unité de traitement choisie dans le groupe comportant les unités de traitement spécialisées de type DSP, les microprocesseurs et les circuits de type ASIC. 7. Dispositif selon la revendication 6 dans lequel l'unité de traitement (150, 250) est programmée pour successivement - effectuer un filtrage passe-haut du signal, - élever le signal un carré, - effectuer un filtrage passe-bas, et - prendre la racine carrée, ces opérations étant effectuées à partir d'un signal numérique fourni par les moyens de conversion analogique-numérique. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un microprocesseur (l26, 226) et/ou des moyens d'affichage connectés à une sortie des moyens numériques de traitement du signal. 9. Système d'acquisition de grandeurs physiques comportant au moins un capteur analogique et au moins un dispositif dé traitement de signal selon l'une quelconque des revendications précédentes. 10. Système selon la revendication 9 dans lequel le capteur est un capteur alternatif. 11. Système selon la revendication 10 dans lequel le capteur est choisi dans le groupe comprenant les capteurs de type transformateur différentiel à variation linéaire dits LVDT, les capteurs de type transformateur différentiel à variation rotative dits RVDT, les capteurs de type résolveur et les capteurs dits synchrones. 12. Procédé de traitement du signal de détection d'un capteur analogique apte à délivrer un signal de détection dans lequel on effectue dans l'ordre une conversion analogique-numérique du signal de détection en un signal numérique, et un traitement numérique du signal numérique pour déterminer une valeur représentative du signal de détection. 13. Procédé selon la revendication 12 dans lequel la valeur représentative du signal de détection est une valeur efficace de l'amplitude du signal. 14. Procédé selon la revendication 12 dans lequel le traitement numérique comporte au moins une opération de filtrage.