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

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

2 Instrumentação Virtual João Kogler ………..PSI / EPUSP

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

4 Instrumentação Instrumento de medição Grandeza Física Medida (valor numérico) Instrumento de Medição

5 Instrumentação Instrumento de medição Calor, Aquecimento, Energia Térmica Temperatura Termômetro Exemplo

6 Instrumentação Instrumento de medição Calor, Aquecimento, Energia Térmica Temperatura Termômetro Exemplo Transdução Converte aquecimento em dilatação

7 Instrumentos de Medição Eletrônicos grandezas elétricasBaseiam-se na medida e transformação de grandezas elétricas Tensões, Correntes sensoresValem-se de sensores Transformam uma grandeza não-elétrica em elétrica exemplo termopar Condicionamento /amplificador display

8 Instrumentos de Medição Analógicos x Digitais analógico termopar Condicionamento /amplificador display digital termopar Condicionamento /amplificador display Conversor A/D display numérico

9 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

10 Instrumentação Instrumento de atuação Grandeza Física Dado de controle (valor numérico) Instrumento de Atuação

11 Instrumentação Instrumento de atuação Energia Elétrica Movimento Motor + Driver Exemplo

12 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

13 Instrumentação via computador digital instrumentos experimento

14 Instrumentação via computador digital instrumentos computador experimento Barramento de comunicação

15 Comunicação entre computador e instrumento Instrumentos Osciloscópio Frequencímetro Multímetro Computador Barramento GPIB GeneralPurposeInterfaceBus

16 Interface gráfica de controle dos instrumentos Instrumentos Osciloscópio Frequencímetro Multímetro Computador Barramento GPIB

17 Instrumento Virtual – Tipo 1 Eletrônica de instrumentação Interface gráfica de controle Programa implementando os algoritmos de comunicação e análise

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19 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

20 Instrumentos Equipamentos de Medição Exemplo: Osciloscópio

21 Instrumentos Equipamentos de Medição

22 Amplificador / Atenuador Vertical

23 Instrumentos Equipamentos de Medição Amplificador / Atenuador Vertical Oscilador / Base de Tempo Horiz.

24 Instrumentos Equipamentos de Medição Amplificador / Atenuador Vertical Oscilador / Base de Tempo Horiz. Varredura / Excitação do TRC

25 Instrumentos Equipamentos de Medição Amplificador / Atenuador Vertical Oscilador / Base de Tempo Horiz. Varredura / Excitação do TRC Painel Frontal Interface de Operação sinal

26 Instrumentos Equipamentos de Medição Amplificador / Atenuador Vertical Oscilador / Base de Tempo Horiz. Varredura / Excitação do TRC Painel Frontal Interface de Operação sinal

27 Instrumentos Equipamentos de Medição Amplificador / Atenuador Vertical Oscilador / Base de Tempo Horiz. Varredura / Excitação do TRC Painel Frontal Interface de Operação sinal

28 Instrumentos Equipamentos de Medição Amplificador / Atenuador Vertical Oscilador / Base de Tempo Horiz. Varredura / Excitação do TRC Painel Frontal Interface de Operação sinal

29 Instrumentos Equipamentos de Medição Amplificador / Atenuador Vertical Oscilador / Base de Tempo Horiz. Varredura / Excitação do TRC Painel Frontal Interface de Operação sinal

30 Instrumentos Equipamentos de Medição Varredura / Excitação do TRC Painel Frontal Interface de Operação sinal Amplificador / Atenuador Vertical Oscilador / Base de Tempo Horiz.

31 Instrumentos Equipamentos de Medição Varredura / Excitação do TRC Painel Frontal Interface de Operação sinal Oscilador / Base de Tempo Horiz. Amplificador / Atenuador Vertical

32 Instrumentos Equipamentos de Medição Varredura / Excitação do TRC Painel Frontal Interface de Operação sinal Oscilador / Base de Tempo Horiz. Amplificador / Atenuador Vertical

33 Instrumentos Equipamentos de Medição Varredura / Excitação do TRC Painel Frontal Interface de Operação sinal Oscilador / Base de Tempo Horiz. Amplificador / Atenuador Vertical Painel Frontal

34 Instrumentos Equipamentos de Medição Varredura / Excitação do TRC Interface de Operação sinal Oscilador / Base de Tempo Horiz. Amplificador / Atenuador Vertical Painel Frontal Interface de Operação = Interface Gráfica de Usuário ( GUI )

35 Instrumentação Virtual – Tipo 2 O computador implementa o instrumento

36 Instrumentação Virtual – Tipo 2

37 Condicionamento do Sinal

38 Instrumentação Virtual – Tipo 2 Sensores

39 Aquisição do Sinal amostragem digitalização Processamento do Sinal filtragem digital interpolação estimação Amostras Valores numéricos na memória sinal

40 Exemplo – Medição e Análise

41 extensömetros ( strain gages )

42 Exemplo: Teste

43 Exemplo – Teste

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45 Instrumentação e Controle Instrumento de medição Sensor Monitora uma variável Instrumento de atuação Efetor Controla uma variável g T v e atuação f medição TdTd

46 Exemplo - Simulação e Prototipação

47 Exemplo – Simulação e Prototipação

48 L ab oratory V irtual I nstrument E ngineering W orkbench

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50 Painel Frontal controles indicadores

51 Diagrama de Blocos conectores Estruturas de controle

52 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

53 Separação entre a GUI e o algoritmo

54 Interfaces Gráficas de Usuário - Automação

55 Linguagem de Programação Gráfica G Linguagem de Programação Gráfica – G Exemplo: Construir um programa que –Crie um vetor com 100 elementos Preenchido com dados aleatórios –Acha o maior valor contido nesse vetor

56 O programa escrito em G ( LabVIEW )

57 #include 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 programa C em linguagem C

58 #include 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); }

59 Evolução da Abstração de Software Abstração Complexidade do Sistema Código de Máquina Linguagem Assembly C C++ C# Plataforma para Projeto de Sistemas

60 As Linguagens de Programação são usadas há mais de 50 anos FORTRAN (1954) BASIC (1963) Pascal (1968) Smalltalk (1970) C (1971) E o LabVIEW ?

61 Criador do LabVIEW Jeff Kodosky

62 LabVIEW

63 Parte prática – Exercícios com LabVIEW João Kogler 2008

64 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

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

66 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

67 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)

68 Continuação: Acrescentada saída gráfica em tempo de execução

69 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

70 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

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

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

73 Continuação

74 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)

75 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) Array

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

77 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 )

78 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)

79 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)

80 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.

81 Diagrama de estados JOGA PERDEU PARA NOVO

82 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)

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

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

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