3 Metode
3.7 Dataanalyse
4.1. Definição
Um instrumento virtual é definido como
Uma camada de software, hardware ou de ambos, colocada em um
computador de uso geral de modo que o usuário possa interagir com o
computador como se fosse um instrumento eletrônico tradicional projetado pelo próprio usuário.
Do ponto de vista do usuário, é muito difícil ver rapidamente as diferenças entre os pacotes de software. O que se vê na tela do computador não dá
imediatamente um entendimento da filosofia de base. Diferente de um
hardware, em que se pode abrir a caixa e olhar dentro, a arquitetura no software é abstrata e não é imediatamente visível para um olho nu.
Para dar um exemplo, quando se tem um computador pessoal com um circuito de aquisição de dados embutido, que instrumento virtual pode ser construído? Para um eletricista, o instrumento poderia funcionar como voltímetro, osciloscópio, digitalizador ou mesmo um analisador de espectro. Para um instrumentista ou operador de processo, o instrumento pode funcionar como indicador, registrador, controlador ou chave de atuação.
A única diferença entre o instrumento convencional e o virtual é o software e por isso tem se a idéia que o software é o instrumento.
4.2. Passado e Tendências Futuras
Para apreciar como as várias partes de um instrumento virtual se juntam, é importante rever como a instrumentação evoluiu até o estado presente. Na evolução da instrumentação nos últimos 100 anos, é importante notar que os instrumento tem sempre alavancado a tecnologia usada na época. No século 19, o movimento de joalheria do relógio foi usado para construir instrumentos analógicos. Nos anos 1930, o capacitor variável, resistor variável e válvula dos
rádios foram usados para construir o primeiro instrumento eletrônico. A tecnologia do display da televisão foi usada em osciloscópios e analisadores. Hoje, os computadores pessoais
contribuem para a computação de alto desempenho, display, captura e armazenamento de dados.
Os instrumentos também evoluíram em termos de flexibilidade e grau de integração aos sistemas. A primeira geração de instrumentos era de
instrumentos analógicos, manualmente controlados de seu painel frontal. As medições deste tipo de instrumento deviam ser registradas manualmente. O usuário não tinha flexibilidade no projeto da interface ou na capacidade da
medição.
Fig. 7.16. Multímetro virtual (Fluke)
Com a invenção da interface (driver) de instrumentos, os sistemas puderam ser criados para serem controlados manualmente ou através de um computador. Cada instrumento era projetado para uma aplicação específica e um número de instrumentos era
empilhado em um painel (rack) para completar o sistema de medição. Hoje, os instrumentos são uma combinação de computadores de uso geral, software gráfico, instrumento programável e digitalizador. Estes instrumentos modernos otimizam o desempenho usando programas baseados em registro, memória compartilhada e potência de processamento avançada. Os
roteamento sofisticados de sinal e gatilhamento inteligente. As principais vantagens que estes instrumentos dão ao usuário são:
1. alta potência
2. facilidade de desenvolvimento 3. facilidade de reconfiguração para
tarefas diferentes
Fig. 7.17. Controlador virtual
Outro aspecto da tecnologia que permite o uso de computadores pessoais na instrumentação é a padronização dos componentes usados para fazer o sistema. Praticamente, todos os componentes, do barramento I/O e os barramentos de comunicação, até as mensagens que são passadas entre os subsistemas têm sido padronizados. No passado, os projetos proprietários levaram a sistemas fechados que atormentavam o integrador da aplicação e resultavam em sistemas que não se comunicavam ou interfaceavam com nenhum outro. Usando sinais
padronizados por normas, o sistema fica facilmente elaborado para as
necessidades específicas do usuário. Estas normas incluem:
SCPI (Standard Commands for Programmable Instruments)
GPIB (IEEE-488/488.2) VXI (IEEE-1155) PC bus (IEEE-996)
O SCPI é um desenvolvimento interessante na instrumentação virtual, quando ele promete, finalmente, um conjunto comum de comandos para
instrumentos relacionados, um conjunto comum de comandos para medições idênticas de instrumentos diferentes e um método para representar dados em um formato comum, o formato intercambiável de dados (DIF - Data Interchange
Format). O DIF permite o desenvolvedor concentrar na aplicação, em vez de concentrar na comunicação com os instrumentos. Na ausência de uma grande disponibilidade de instrumentos SCPI, uma parte importante da do sistema com instrumentação virtual é o driver.
4.3. Progressão de Normas
As normas de instrumentação GPIB progrediram de IEEE-488.1 e IEEE-488.2 a SCPI. As normas IEEE-488.1 (1975), simplificam e padronizam a interligação da instrumentação programável definindo as especificações mecânica, elétrica e do protocolo GPIB. Antes da IEEE-48.1, cada fabricante tinha sua própria interface proprietária.
IEEE.488-2 manteve a norma IEEE-488.1 completamente intacta mas tornou os sistemas mais compatíveis e o desenvolvimento do programa mais fácil definindo
1. códigos e formatos de dados padrão,
2. modelo de reportar status,
3. protocolo de troca de mensagens, 4. conjunto comum de comandos para
todos os instrumentos e 5. conjunto de exigências do
controlador.
Como a IEEE-488.1 não endereçou estas tarefas, os fabricantes
implementaram cada um destes itens de modo diferente, resultando em
comportamento de programação complexo e imprevisível.
Em 1990, National Instruments, Brüel & Kjaer, Hewlett-Packard, Fluke, Keithley, Racal Dana, Philips, Tektronix e Wavetek formaram o consórcio SCPI como uma base para definir um conjunto de comandos simples, compreensível e conveniente para todos os instrumentos, SCPI também define um modelo para um instrumento.
Uma tendência padrão no desenvolvimento dos sistemas de
instrumentação virtual é a aceitação geral de digitalizadores e circuitos de aquisição de dados (DAQ) plug-in. A tecnologia de uso geral de conversão analógica-digital (A/D) está evoluindo rapidamente e diminuindo os custos. Digitalizadores de uso geral, se circuitos DAQ plug-in ou instrumentos externos programáveis, são a opção de instrumentação de maior crescimento porque digitalizam um sinal inteiro e fornecem a máxima flexibilidade e funcionalidade para a necessidade da medição.
4.4. Partes do Sistema
Na definição de um sistema de instrumentos, é útil aplicar um modelo do sistema, que é referido como a
arquitetura padrão para a medição para a instrumentação (SAMI - Standard
Architecture for Measurement for
Instrumentation). O diagrama do modelo SAMI pode ser dividido em três áreas:
1. aquisição 2. análise 3. apresentação
O instrumento virtual define qual destas funções é desempenhada via cartão plug-in, instrumento isolado, software ou combinação deles. Embora a configuração geral de uma aplicação de medição e um sistema de instrumentação possam se parecer, a implementação e técnica de medição geralmente variam. O elemento de aquisição do sistema
compreende:
1. condicionamento do sinal 2. chaveamento
3. mecanismos de gatilho 4. instrumentação para tomar a
medição
A análise consiste do cálculo
(estatística, filtro, spectrum de potência) e da formatação.
A formatação é um exigência muito comum de um sistema de
instrumentação, quando instrumentos diferentes transmitem e recebem dados em uma grande variedade de formatos. Estes formatos necessitam ser
convertidos antes dos cálculos serem aplicados.
A apresentação, armazenagem e cópia dos dados são a última parte do
simples mensagem do tipo passa/falha comum nos testes de produção e uma interface gráfica de usuário sofisticada.
Embora o modelo SAMI defina todas as partes do sistema de medição, ela não endereça a tarefa de como desacoplar o sistema operacional do software usado no desenvolvimento da aplicação. Isto é necessário se o usuário deseja manter sua fonte de aplicação inalterada, mas quer tirar vantagem de um sistema operacional mais novo e com maior desempenho ou se o usuário quer se mover uma plataforma totalmente nova. O movo normal para se conseguir isto é através de um conjunto de drivers comum.
Embora as diferenças do sistema operacional resultam em diferentes estratégicas para implementar o driver [por exemplo, MS Windows com dynamic link libraries .(.DLL) e sob MS DOS com statically linked libraries (.LIB) seriam normalmente usados], o esforço global do desenvolvedor do driver deve apresentar um conjunto consistente de chamadas para o driver para a aplicação. O driver é responsável pela
inicialização do equipamento, comunicação com o equipamento, alocação de fontes e
gerenciamento de memória alocação de memória
Devido às diferenças nos sistemas operacionais, não há esquema de
gerenciamento de memória consistente e os sistemas operacionais (MS DOS e Windows) colocam muita exigência no especialista de programação para acessar a memória de modo confiável.
Fig. 7.18. Progressão de normas
Fig. 7.19. Modelo SAMI (Standard Architecture for Measurement for Instrumentation)
Rota e Condiciona- mento do sinal Instrument o DAQ IEEE 488 VXI Controle de gatilho Apresentação Aquisição Análise Interface Calcular Copiadora Arquivo I/O Comunicação Circuito Formatar
Formato de Intercâmbio de Dados (DIF) Conjunto Padrão de Comandos de Instrumentos
Comandos comuns
Elétrico Mecânico Funcional
Seqüências de controle Protocolos
Protocolo de troca de mensagens Formatos de dados Relatório de status Exigências do Exigências do SCPI IEEE-488 2 IEEE-488 1