Escola Politécnica Universidade de São Paulo PSI -2222 – Práticas de Eletricidade e Eletrônica 2 Agosto / 2008

Escola PolitécnicaUniversidade de São Paulo

PSI -2222 – Práticas de Eletricidade e Eletrônica 2 Agosto / 2008

Instrumentação Virtual

• João Kogler ………..PSI / EPUSP

Agenda

• O que é a Instrumentação Virtual • Como surgiu a Instrumentação Virtual• O LabVIEW e a Instrumentação Virtual• Como se usa o LabVIEW

Instrumentação Instrumento de medição

Grandeza Física Medida(valor numérico)

Instrumentode

Medição


Calor, Aquecimento,Energia Térmica

Temperatura

Termômetro

Exemplo


Calor, Aquecimento,Energia Térmica

TemperaturaTermômetro

Exemplo

Transdução

Converteaquecimentoem dilatação

Instrumentos de Medição Eletrônicos

• Baseiam-se na medida e transformação de grandezas grandezas elétricaselétricas Tensões, Correntes

• Valem-se de sensoressensores Transformam uma grandeza não-elétrica em elétrica

exemplo

termopar

Condicionamento /amplificador

display

Instrumentos de Medição Analógicos x Digitais

analógico

termopar


display

digital

termopar


display

Conversor A/D

display numérico

Instrumentos de Medição• Fornecem medidas de variáveis e parâmetros físicos• Sensores:

– Termopares– Extensômetros (strain gages), sensores de pressão– Acelerômetros, Velocímetros, Sensores de Deslocamento– Sensores fluidodinâmicos– Células de carga, Torquímetros– Sensores químicos e biológicos– Sensores ópticos– Sensores eletrodinâmicos

Instrumentação Instrumento de atuação

Grandeza Física

Dado de controle(valor numérico)

Instrumentode

Atuação

Instrumentação Instrumento de atuação

Energia Elétrica

Movimento

Motor+

Driver

Exemplo

Instrumentos de Atuação

• Exercem controle sobre variáveis e parâmetros físicos• Efetores ou atuadores:

– Aquecedores, resfriadores– Motores– Dosadores– Robôs, posicionadores– Cápsulas eletrodinâmicas, atuadores eletrodinâmicos– Atuadores pneumáticos e hidráulicos– Micro-atuadores

Instrumentação via computador digitalinstrumentos

experimento

Instrumentação via computador digitalinstrumentos

computador

experimento

Barramento de comunicação

Comunicação entre computador e instrumento

Instrumentos

Osciloscópio

Frequencímetro

Multímetro

Computador

Barramento GPIB

General General PurposePurposeInterfaceInterface

BusBus

Interface gráfica de controle dos instrumentos

Instrumentos

Osciloscópio

Frequencímetro

Multímetro

Computador

Barramento GPIB

Instrumento Virtual – Tipo 1

• Eletrônica de instrumentação

• Interface gráfica de controle

• Programa implementando os algoritmos de comunicação e análise

Instrumentação Virtual

•Tipo 1 - Computador comunicando com instrumentos remotos e acrescentando novas funcionalidades ao sistema de instrumentação

•Tipo 2 - Computador com hardware de aquisição de sinais realizando o papel de um instrumento

Instrumentos Equipamentos de Medição

Exemplo: Osciloscópio



Amplificador / Atenuador

Vertical



Vertical

Oscilador / Base de

Tempo Horiz.



Vertical

Oscilador / Base de

Tempo Horiz.

Varredura / Excitação do

TRC



Vertical

Oscilador / Base de

Tempo Horiz.


TRC

Painel Frontal

Interface de Operação

sinal



Vertical

Oscilador / Base de

Tempo Horiz.


TRC

Painel Frontal


sinal



Vertical

Oscilador / Base de

Tempo Horiz.


TRC

Painel Frontal


sinal



Vertical

Oscilador / Base de

Tempo Horiz.


TRC

Painel Frontal


sinal



Vertical

Oscilador / Base de

Tempo Horiz.


TRC

Painel Frontal


sinal



TRC

Painel Frontal


sinal


Vertical Oscilador / Base de

Tempo Horiz.



TRC

Painel Frontal


sinal

Oscilador / Base de

Tempo Horiz.


Vertical



TRC

Painel Frontal


sinal

Oscilador / Base de

Tempo Horiz.


Vertical



TRC

Painel Frontal


sinal

Oscilador / Base de

Tempo Horiz.


Vertical

Painel Frontal



TRC


sinal

Oscilador / Base de

Tempo Horiz.


Vertical

Painel Frontal


= Interface Gráfica de

Usuário( GUI )

Instrumentação Virtual – Tipo 2

• O computador implementa o instrumento



Condicionamento do Sinal


Sensores

Aquisição do Sinal

•amostragem•digitalização

Processamento do Sinal

•filtragem digital

•interpolação

•estimação

Amostras

Valores numéricos

na memória

sinal

Exemplo – Medição e Análise

Exemplo – Medição e Análise

extensömetros(strain gages)

Exemplo: Teste

Exemplo – Teste

Exemplo – Teste

Instrumentação e Controle

• Instrumento de medição Sensor• Monitora uma variável

• Instrumento de atuação Efetor• Controla uma variável

g

T

v

e

atuação

f

mediçãoTd

Exemplo - Simulação e Prototipação

Exemplo – Simulação e Prototipação

LLababoratoryoratory VVirtualirtual IInstrumentnstrument EEngineeringngineering WWorkbenchorkbench

Painel Frontal

controles

indicadores

Diagrama de Blocos

conectores

Estruturas de

controle

Ambiente de Desenvolvimento

• Linguagem gráfica de programação– Maior eficiência

• Mais rápido de se desenvolver• Melhor retenção da estrutura• Melhor visão de conjunto

– Visão clara das dependências entre processos e dados• Orientação ao fluxo de dados fica explícita• Independência entre threads fica explícita

• Separação da GUI (Interface Gráfica de Usuário) e dos algoritmos

Separação entre a GUI e o algoritmo

Interfaces Gráficas de Usuário - Automação

Linguagem de Programação GráficaLinguagem de Programação Gráfica – GG

Exemplo:

•Construir um programa que–Crie um vetor com 100 elementos

• Preenchido com dados aleatórios–Acha o maior valor contido nesse vetor

O programa escrito em G ( LabVIEW )

#include <stdio.h>#include <math.h>main( ){ double num[100], max; int i; // Preenche vetor com números aleatórios printf("O vetor de numeros aleatorios:\n\n"); for(i=0; i<100, i++){

num[i]=(double) rand( ) ;printf("%f\n", num[i]);}

// Acha o valor máximo contido no vetor max=0; for(i=0; i<100, i++){

if(num[i] > max) max = num[i];}

printf("\nValor Maximo: %f\n", max); }

O mesmo programaem linguagem CC

#include <stdio.h>#include <math.h>main( ){ double num[100], max; int i; // Preenche vetor com números aleatórios printf("O vetor de numeros aleatorios:\n\n"); for(i=0; i<100, i++){

num[i]=(double) rand( ) ;printf("%f\n", num[i]);}

// Acha o valor máximo contido no vetor max=0; for(i=0; i<100, i++){

if(num[i] > max) max = num[i];}

printf("\nValor Maximo: %f\n", max);

}

Evolução da Abstração de SoftwareA

bstr

ação

Complexidade do Sistema

Código de Máquina

Linguagem Assembly

C

C++

C#

Plataforma para Projeto de Sistemas

As Linguagens de Programação são usadas há mais de 50 anos

• FORTRAN (1954)• BASIC (1963)• Pascal (1968)• Smalltalk (1970)• C (1971)

• E o LabVIEW?

Criador do LabVIEWCriador do LabVIEW

Jeff Kodosky

LabVIEWLabVIEW

Parte prática – Exercícios com LabVIEW

João Kogler2008

Exemplo simples:•Criar as variáveis de entrada A e B e a de saída C posiocionando• controles e indicador numéricos no painel frontal•No diagrama de blocos aparecem os respectivos conectores•Realizar a adição A + B produzindo saída em C

Continuação:•Substituir a variável B no diagrama de blocos por uma função de biblioteca que gera números aleatórios uniformemente distribuídos no intervalo [0,1]

Continuação:•Para repetir o cálculo constantemente, colocar o laço de while no diagrama de blocos.•Note que o botão de execução mudou para uma flecha quebrada, indicando erros. Clicando-se nele, abre um pop-up com a indicação dos erros•No caso o erro é a falta da condição de parada do while

Continuação:•Erro resolvido, colocando-se o botão de stop•Acrescentada a função Wait que permite a diminuição da velocidade do laço, introduzindo um tempo de espera (no caso especificado como 500 ms)

Continuação:•Acrescentada saída gráfica em tempo de execução

Continuação:•Como ilustração, a condição de parada do loop que era stop if true foi trocada para continue if true•Neste caso o laço while executa apenas uma iteração

Continuação:•Filtragem de média móvel:

•Supondo que o resultado da adição seja um sinal ruidoso, realizar sua filtragem fazendo-se a média aritmética dos valores de saída, em tempo de execução

Continuação:•Exibição dos valores não filtrados (pontos vermelhos) e filtrados (curva verde) em um único gráfico

Continuação:•Idem, porém substituindo os blocos por texto, a título de ilustração de outra opção de programação

Continuação

Continuação:•Criação de sub-vi todo o trecho do programa foi substituído por um sub-vi criado a partir desse trecho (selecionado com o mouse)

Continuação:•Cálculo do histograma usando um sub-vi da biblioteca de funções matemáticas do LabVIEW – no caso um Express VI•O display do histograma é feito através de outro tipo de gráfico (waveform graph)

ArrayArray

Continuação:•Cálculo do valor médio do array de saída através de um laço For

While

For

Novo exemplo:•Etapa 1 da criação de um jogo tipo Mine Sweeper modificado•Exemplos de arrays booleanos (array de controles –chaves - e array de indicadores – LEDs )

Continuação:•Regras do Jogo 2 arrays de LEDs – um deles é implementado como controle (apostas) e o outro como indicador (resultados)•As jogadas são feitas no array Apostas •O diagrama mostra a inicialização desses arrays•O array resultados é inicializado com as posições das minas (não é mostrado para o jogador)

Continuação:•No caso anterior o valor 0.5 indicava o ponto médio do intervalo de valores aleatórios•Neste caso o valor 0.5 foi substotuido por um controle que permite escolher o grau de dificuldade do jogo (de 0 a 10)

Máquina de estados do jogo

• Corresponde ao mecanismo de transição de estados que segue as seguintes regras do jogo:

– O jogo começa no estado de novo jogo (NOVO)– Em NOVO o jogador pode escolher o nivel de dificuldade– Escolhido o nivel de dificuldade, ele aperta o botão NOVO– Ao apertar o botão JOGA, entra no estado em que se faz as jogadas. O jogador

entra com uma jogada clicando em um nos LEDs do array APOSTAS. O computador testa se o LED escolhido corresponde a um LED contendo mina, no array RESULTADOS:

• Se não, continua em JOGA, permitindo nova jogada• Se sim, encerra o jogo, mostrando o conteúdo do array resultados e vai para um

novo estado, chamado PERDEU• Se o jogador escolher NOVO, retorna ao estado NOVO, do início;• A outra opção é o jogador escolher PARA, que vai para o estado PARA e termina a

sessão de jogos.

Diagrama de estados

1 2

43

JOGA

PERDEU

PARA

NOVO

Exemplo de máquina de estados:•Cada estado corresponde a um botão•Pressionando-se o botão, ela vai para aquele estado•Neste exemplo, a máquina muda de estado ao pressionar o botão, mas volta ao estado inicial (default)

Continuação:•Neste exemplo, foi inserido o mecanismo para fazer a transição de estados somente se ocorrer mudança

Continuação:•Voltando ao jogo – como fica com a máquina de estados

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