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CAPITULO VII: INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL

7.1. INTRODUCCIÓN.Un dispositivo virtual es un objeto que posee la capacidad de producir un efecto sin estar presente físicamente. Es por esto que la denominada instrumentación virtual ha revolucionado el mercado de la instrumentación principalmente porque no es necesario disponer físicamente de los instrumentos para realizar aplicaciones. Desde principios de la década de los ochenta y siguiendo la tendencia de la tecnología actual y del mercado, varias compañías empezaron a desarrollar sistemas para implementar aplicaciones que se basan en instrumentación virtual, esto debido principalmente a la eficiencia y beneficios, permitiendo de esta forma que los usuarios configuren y generen sus propios sistemas logrando un alto desempeño, flexibilización, reutilización y reconfiguración; logrando una notoria disminución de costos de desarrollo, costos de mantenimiento, etc.

7.2.- INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL.La rápida adopción de la PC en los últimos 20 años generó una revolución en la instrumentación de ensayos, mediciones y automatización. Un importante desarrollo resultante de las aplicaciones de la PC es el concepto de instrumentación virtual, el cual ofrece variados beneficios a ingenieros y científicos que requieran mayor productividad, precisión y rendimiento.

Un instrumento virtual consiste de una computadora del tipo industrial, o una estación de trabajo, equipada con poderosos programas (software), hardware económico, tales como placas para insertar, y manejadores (drivers) que cumplen, en conjunto, las funciones de instrumentos tradicionales. Los instrumentos virtuales representan un apartamiento fundamental de los sistemas de instrumentación basados en el hardware a sistemas centrados en el software que aprovechan la potencia de cálculo, productividad, exhibición y capacidad de conexión de las populares computadoras de escritorio y estaciones de trabajo. Aunque la PC y la tecnología de circuitos integrados han experimentado avances significativos en las últimas dos décadas, es el software el que realmente provee la ventaja para construir sobre esta potente base de hardware para crear los instrumentos virtuales, proveyendo mejores maneras de innovar y de reducir los costos significativamente. Con los instrumentos virtuales, los ingenieros y científicos construyen sistemas de medición y automatización que se ajustan exactamente a sus necesidades (definidos por el usuario) en lugar de estar limitados por los instrumentos tradicionales de funciones fijas (definidos por el fabricante).

7.3. INSTRUMENTACIÓN TRADICIONAL VS.INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL Los instrumentos autónomos tradicionales, tales como osciloscopios y generadores de ondas, son muy caros y diseñados para llevar a cabo una o más tareas específicas definidos por el fabricante. Sin embargo, el usuario por lo general no puede extender o personalizar esas tareas. Las perillas y botones del instrumento, sus circuitos electrónicos y las funciones disponibles para el usuario son todas específicas a la naturaleza del instrumento. Además, deben desarrollarse una tecnología especial y costosos componentes para construirlos, lo cual los hace muy caros y lentos para adaptarlos. Debido a que están basados en la PC, los instrumentos virtuales aprovechan inherentemente los beneficios de la última tecnología de las computadoras personales corrientes. Estos

avances en tecnología y rendimiento, que están cerrando rápidamente la brecha entre los instrumentos autónomos y las PCs, incluyen poderosos procesadores, tales como el Pentium 4 y sistemas operativos y tecnologías tales como el Microsoft Windows XP, .NET y el Apple Mac OS X. Además de incorporar características poderosas, esas plataformas también ofrecen un acceso sencillo a herramientas tales como la Internet. Los instrumentos tradicionales también adolecen frecuentemente de falta de portabilidad, en tanto que los instrumentos virtuales que corren en las computadoras portátiles automáticamente incorporan esta naturaleza portátil. Los ingenieros y científicos cuyas necesidades, aplicaciones y requerimientos varían muy rápidamente, necesitan flexibilidad para crear sus propias soluciones. El usuario puede adaptar un instrumento virtual a sus necesidades particulares sin necesidad de reemplazar todo el instrumento dado que posee el software de aplicación instalado en la computadora y al amplio rango disponible de hardware para instalar en ella. Los instrumentos virtuales son definidos por el usuario mientras que instrumentos tradicionales tienen funcionalidad fija, definida por el usuario.

La figura muestra a los Instrumentos tradicionales (izquierda) e instrumentos virtuales basados en software (derecha) comparten a gran escala la misma arquitectura en componentes, pero con filosofías radicalmente diferentes.

Desde una perspectiva funcional, en general un instrumento virtual consta de dos partes software y hardware. Al no utilizar software y hardware preestablecido se obtiene la máxima flexibilidad definida por el usuario. Un instrumento tradicional proporciona tanto software como circuitos de medición embebidos en un producto con lista finita o funcionalidad fija utilizando el instrumento del panel frontal. Un instrumento virtual proporciona todo el software y hardware necesario para lograr la medición o tarea de control, es más en un instrumento virtual se pueden integrar la adquisición, análisis, almacenamiento, y funcionalidad de presentación.

7.4. COMPONENTES VIRTUAL.-

DE UN SISTEMA BASADO EN INSTRUMENTACIÓN

Los sistemas que se basan en PC en los que se pueden desarrollar aplicaciones con Instrumentación Virtual, tiene una estructura que se puede dividir en tres componentes fundamentales: -

Hardware de adquisición de datos y Acondicionamiento de señal. Computador personal. Software

Estos componentes tienen otros subcomponentes que se pueden apreciar en el siguiente diagrama:

La función de cada uno de estos elementos es fundamental para el desarrollo de aplicaciones en instrumentación virtual, es por esto que se definirán brevemente las características de cada uno de ellos.

7.4.1. TRANSDUCTORES Son elementos que tienen la capacidad de transformar una señal en una de naturaleza distinta. Se tienen transductores que pueden sensar un fenómeno físico, convirtiéndola en una señal eléctrica con la información necesaria para interpretarla y otros que pueden actuar sobre un fenómeno determinado mediante la generación de señales. Las señales provenientes de los transductores se ingresan al sistema de adquisición de datos en forma de voltaje (0 a 10V.c.c) o corriente ( 4 a 20 mA.c.c.)

Si se tienen transductores que se relacionan directamente con los actuadores, las señales provenientes del sistema de adquisición, ya sea de voltajes o corriente debe conectarse en forma adecuada a estos transductores de acuerdo a su principio de funcionamiento.

SENSORES

TRANSDUCTORES

ACTUADORES

7.4.2. BLOQUES TERMINALES Estos elementos constituyen la interfaz de conexión entre los transductores y los sistemas de adquisición de datos y acondicionamiento de señal. Son simplemente bloques similares a las borneras, pero presentan características adicionales que los hacen muy útiles. Como ejemplo algunos incluyen un RTD conectado a un canal de adquisición para realizar la compensación de cero cuando se mide la temperatura con termocupla. Otros bloques tienen conjunto de resistencias de precisión para realizar la lectura de señales de corriente. 7.4.3. HARDWARE DE ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL. Las señales eléctricas generadas por los transductores deben ser acondicionadas para poder se adquiridas por el hardware. Los accesorios de acondicionamiento permiten amplificar, aislar y filtrar para realizar mediciones mas exactas y además multiplexar y excitar transductores como strain gauges y RTD. También permiten incrementar el número de canales para aplicaciones que así lo requieran.

7.4.4. HARDWARE DE ADQUISICIÓN DE DATOS. Estos dispositivos son fundamentales para implementar cualquier aplicación en instrumentación virtual, ya que permiten relacionar en forma directa el concepto virtual desarrollado en el computador y el concepto instrumentación que se desarrolla en campo, donde se encuentran instalados los sensores y actuadores, transformándose así en una interfaz absolutamente necesaria. Se tienen varios fabricantes de tarjetas de adquisición de datos.

o o o o o o

32 analog inputs (16-bit, 250 kS/s) 2 analog outputs (16-bit, 250 kS/s); 8 digital inputs; 8 digital outputs; two 32-bit counters 60 V CAT I isolation for improved accuracy and safety; built-in signal connectivity NI signal streaming for sustained high-speed data streams over USB; OEM version available Compatible with LabVIEW, LabWindows™/CVI, and Measurement Studio for Visual Studio .NET NI-DAQmx driver software and NI LabVIEW SignalExpress LE interactive data-logging software

7.4.5. CABLES DE CONEXIÓN. La necesidad de conectar equipos entre si es evidente, mas aún cuando se trata de dispositivos de naturaleza distinta, por ejemplo PC y hardware de adquisición. Cada etapa de la aplicación debe ser cablead con un tipo de cable conector apropiado y que cumpla las condiciones mínimas de compatibilidad para asegurar un correcto funcionamiento. Los cables conectores típicos son los que presentan aislación permitiendo tener mayor inmunidad al ruido y una conexión robusta.

7.3.6. COMPUTADOR

El computador ya sea PC de escritorio o portátil puede afectar drásticamente el desempeño de un sistema, principalmente porque puede potenciar o limitar las aplicaciones de software y de adquisición de datos. Actualmente la tecnología basada en procesadores Pentium, Core i7 y agregando el alto desempeño de la arquitectura de los buses PCI, USB y el tradicional bus ISA/EISA y Machintosh NuBus, entregan una herramienta poderosa, sobre todo, en velocidad. Además con la posibilidad de utilizar PCMCIA para PC portátiles, permiten desarrollar aplicaciones que entregan una mayor flexibilidad y movilidad. El desarrollo que ha tenido la transferencia de datos DMA en algunas arquitecturas de computador, permite incrementar la tasa de transferencia y así la velocidad del sistema. De acuerdo con la arquitectura del computador y las características del hardware se debe elegir el sistema operativo y el software de aplicación que entreguen mayores beneficios a la hora de establecer aplicaciones. 7.3.7. SOFTWARE. El software transforma al PC, hardware de adquisición y acondicionamiento de señales en un sistema completo de adquisición y generación de señales, análisis, procesamiento y visualización de datos, es decir, es el último y tal vez uno de los mas importantes ingredientes para realizar una aplicación de instrumentación virtual. En la elección de un software adecuado se debe considerar: - Compatibilidad con el hardware de adquisición y acondicionamiento. - Funcionalidad expresada en drivers para manejar un determinado hardware. - Sistema operativo bajo el cual opera.

El software es el componente más importante de un instrumento virtual. Con la herramienta de software apropiada los ingenieros y científicos pueden crear eficientemente sus propias aplicaciones, diseñando e integrando las rutinas que requiere un proceso en particular. También pueden crear las interfaces de usuario que mejor satisfagan el objetivo de la aplicación y de aquéllos que van a interactuar con ellas. Pueden definir cómo y cuándo la aplicación adquiere datos desde el dispositivo, cómo los procesa, manipula y almacena los datos y cómo se presentan los resultados al usuario. 7.5. LABVIEW. En el año de 1983, Truchard y Kodosky, de National Instruments, decidieron enfrentar el problema de crear un software que permitiera utilizar la computadora personal (PC) como un instrumento para realizar mediciones. Tres años fueron necesarios para crear la primera versión del software que permitió, de una manera gráfica y sencilla, diseñar un instrumento en la PC. De esta manera surge el concepto de instrumento virtual (IV), definido como, "un instrumento que no es real, se ejecuta en una computadora y tiene sus funciones definidas por software." A este software le dieron el nombre de Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench, más comúnmente conocido por las siglas LabVIEW. A partir del concepto de instrumento virtual, se define la instrumentación virtual como un sistema de medición, análisis y control de señales físicas con un PC por medio de instrumentos virtuales. LabVIEW, el primer software empleado para diseñar instrumentos en la PC, es un software que emplea una metodología de programación gráfica, a diferencia de los lenguajes de programación tradicionales. Su código no se realiza mediante secuencias de texto, sino en forma gráfica, similar a un diagrama de flujo. LabVIEW es una parte integral de la instrumentación virtual dado que provee un medio ambiente de desarrollo de aplicaciones que es fácil de utilizar y está diseñado específicamente teniendo en mente las necesidades de ingenieros y científicos. LabVIEW ofrece poderosas características que facilitan la conexión a una gran variedad de hardware y otros softwares.

LabVIEW es un extenso entorno de desarrollo que brinda a científicos e ingenieros integración con hardware sin precedentes y amplia compatibilidad. LabVIEW lo inspira a resolver problemas, acelera su productividad y le da la seguridad para innovar continuamente para crear y desplegar sistemas de medidas y control. 7.5.1. CREACIÓN DE VI. Cuando se diseña programas con Labview se trabaja siempre bajo algo denominado VI, Virtual Instrument, es decir, un instrumento virtual, se pueden crear VI a partir de especificaciones funcionales que usted diseñe. Este VI puede utilizarse en cualquier otra aplicación como una subfunción dentro de un programa general. Los VI's se caracterizan por: ser un cuadrado con su respectivo símbolo relacionado con su funcionalidad, tener una interfaz con el usuario, tener entradas con su color de identificación de dato, tener una o varias salidas y por su puesto ser reutilizables.

En el ambiente de trabajo de Labview existen dos paneles, el panel frontal y el panel de programación ó diagrama de bloques; en el panel frontal se diseña la interfaz con el usuario y en el panel de programación se relacionan los elementos utilizados en la interfaz mediante operaciones que determinan en sí como funciona el programa o el sistema, exactamente es la parte donde se realizan las especificaciones funcionales. Los Programas en LabVIEW son llamados instrumentos virtuales (VIs). Se debe hacer énfasis en que controles es igual a entradas, e indicadores es igual a salidas. Cada VI contiene tres partes principales: - Panel frontal Cómo el usuario interacciona con el VI. - Diagrama de bloque El código que controla el programa. - Icono/Conector Medios para conectar un VI con otros VIs.

El panel frontal es utilizado para interaccionar con el usuario cuando el programa esta corriendo. Usuarios pueden controlar el programa, cambiar entradas, y ver datos actualizados en tiempo real. Haga énfasis en que los controles son usados como entradas, ajustando controles de deslizamiento para colocar un valor de alarma, encendiendo o apagando un switch, o parando un programa. Los indicadores son usados como salidas. Termómetros, luces, y otros indicadores indican valores del programa. Esto puede incluir datos, estados de programa y otra información. Cada control o indicador del panel frontal tiene una terminal correspondiente en el diagrama de bloques. Cuando un VI se ejecuta, los valores de los controles fluyen a través del diagrama de bloques, en donde estos son usados en las funciones del diagrama, y los resultados son pasados a otras funciones o indicadores.

El panel frontal es la interfase del usuario con el VI. Usted construye el panel frontal con controles e indicadores, que son las entradas y salidas que interactúan con las terminales del VI, respectivamente. Los controles son botones, botones de empuje, marcadores y otros componentes de entradas. Los indicadores son las graficas, luces y otros dispositivos. Los controles simulan instrumentos de entradas de equipos y suministra datos al diagrama de bloques del VI. Los indicadores simulan salidas de instrumentos y suministra datos que el diagrama de bloques adquiere o genera. En esta imagen, el switch de poder (encendido o apagado) es un control booleano. Un valor booleano contiene ambos un valor verdadero o falso. El valor es falso hasta que el switch se presione. Cuando el switch se presiona, el valor se convierte en verdadero. El indicador del historial de temperatura es una grafica de forma de onda. Esta muestra valores múltiples. En este caso, la grafica señalara grados F versus tiempo (seg.). El panel frontal también contiene una barra de herramientas, y sus funciones serán discutidas después.

El diagrama de bloque contiene el código fuente grafico. Los objetos del panel frontal aparecen como terminales en el diagrama de bloque. Adicionalmente, el diagrama de bloque contiene funciones y estructuras incorporadas en las bibliotecas de LabVIEW VI. Los cables conectan cada uno de los nodos en el diagrama de bloques, incluyendo controles e indicadores de terminal, funciones y estructuras. En este diagrama de bloque, el subVI Temp llama a la subrutina la cual obtiene una temperatura desde una tarjeta de adquisición de datos (DAQ). Esta temperatura es graficada junto con el valor average de la temperatura en la grafica de forma de onda Temperature History. El switch de poder (Power) es un control booleano en el panel frontal el cual va a detener la ejecución de la estructura mientras( While Loop). La estructura mientras (While Loop) también contiene una función de tiempo para controlar que tan frecuentemente la estructura se repite. 7.5.2. ENTORNO DE LAB VIEW.La programación G (gráfica) de Labview consta de un panel frontal y un panel de código como se menciono antes. En el panel frontal es donde se diseña la interface de usuario y se ubican los controles e indicadores. En el panel de código se encuentran las funciones. Cada control que se utiliza en la interfaz tiene una representación en el panel de código, igualmente los indicadores necesarios para entregar la información procesada al usuario tienen un icono que los identifica en el panel de código o de programación. Los controles pueden ser booleanos, numéricos, strings, un arreglo matricial de estos o una combinación de los anteriores; y los indicadores pueden ser como para el caso de controles pero pudiéndolos visualizar como tablas, gráficos en 2D o 3D, browser, entre otros. Las funciones pueden ser VIs prediseñados y que pueden ser reutilizados en cualquier aplicación, estos bloques funcionales constan de entradas y salidas, igual que en un lenguaje de programación estándar las funciones procesan las entradas y entregan una o varias salidas, estos VI pueden también estar conformados de otros subVIs y así

sucesivamente, de esta forma se pueden representar como un árbol genealógico donde un VI se relaciona o depende de varios SubVIs. Labview tiene VIs de adquisición de datos e imágenes, de comunicaciones, de procesamiento digital de señales, de funciones matemáticas simples, hasta funciones que utilizan otros programas como Matlab o HiQ para resolver problemas, otras mas complejas como "nodos de formula" que se utilizan para la resolución de ecuaciones editando directamente estas como en lenguajes de programación tradicionales y definiendo las entradas y las salidas. Labview también se puede utilizar para graficar en tres dimensiones, en coordenadas polares y cartesianas, tiene disponibles herramientas para análisis de circuitos RF como la Carta de Smith, tiene aplicaciones en manejo de audio y se puede comunicar con la tarjeta de sonido del computador para trabajar conjuntamente. Entre sus muchas funciones especiales se encuentran las de procesamiento de imágenes, como capturar una imagen a través de una tarjeta de adquisición como la PCI-1408 (monocromática), analizarla y entregar respuestas que difícilmente otros sistemas realizarían.