Comunicação de dados entre um Amplificador Lock-in e um Monocromador Cornerstone utilizando o DataSocket do LabVIEW Julyanne Silva Cunha 1 ; Francisco Aurilo Azevedo Pinho 2 1 Aluna do Curso de Física; Campus de Araguaína; e-mail: julyanne@uft.edu.br; PIBIC/UFT 2 Orientador do Curso de Matemática; Campus de Araguaína; e-mail: aurilopinho@mail.uft.edu.br RESUMO O Laboratório de Pesquisa LABMADE da UFT trabalha entre outras áreas com a Espectroscopia de Fotoluminescência, que é uma técnica para a investigação da estrutura eletrônica de materiais fotoluminescentes. Essa técnica é realizada a partir de um sistema experimental que se comunica ao computador a partir das portas USB e RS232. Os equipamentos conectados ao computador possuem programas de aquisição e controle desenvolvidos no LabVIEW. Para realizar o tratamento dos dados adquiridos buscou-se desenvolver um Instrumento Virtual neste software que utilizasse o DataSocket para transferir dados em tempo real. Neste VI foram inseridas tarefas de tratamento de dados e um gráfico para a análise do sinal. Para que isso fosse possível foi feito um levantamento bibliográfico de artigos que tratassem do uso do DS e do funcionamento das portas utilizadas pelos equipamentos para se conectar ao computador, além do desenvolvimento de VIs de teste. O programa desenvolvido foi implementado ao sistema citado, executando cinco experimentos distintos, nos quais se buscou conhecer o comprimento de onda visível de um LED monocromático azul. Os resultados se mostraram de acordo com o esperado pelas literaturas, foi possível observar um pico de comprimento de onda de 470nm, assim pode-se concluir que o VI está executando corretamente, mostrando a importância da sua aplicação em processos de filtragem de sinais. Palavras-chave: Espectroscopia de Fotoluminescência, LabVIEW, DataSocket, Instrumentos Virtuais. INTRODUÇÃO No Laboratório de Pesquisa em Materiais para Aplicações em Dispositivos Eletrônicos LABMADE foi montado um sistema experimental para Espectroscopia de fotoluminescência, que é uma técnica que consiste na incidência de luz em uma amostra de material fotoluminescente a fim de conhecer a estrutura eletrônica através dos decaimentos eletrônicos nas bandas de energia (SOTOMAYOR, 2011).
O sistema conta com um dispositivo laser de semicondutor que passa por um chopper mecânico com frequência de rotação precisa que pulsa a luz do laser, em seguida incide sobre a amostra em estudo fazendo com que seus elétrons transitem entre estados de baixa e alta energia. A radiação emitida pela amostra vai para o Monocromador, que separa os comprimentos de onda que a compõem. Esta radiação é enviada a fotomultiplicadora que o converte em um sinal elétrico que é ampliado por um Amplificador Lock-in (SOTOMAYOR, 2011). Os sinais do comprimento de onda e tensão são enviados ao computador que faz a aquisição dos dados utilizando o software LabVIEW. O LabVIEW (Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench) é um software que trabalha com uma linguagem de programação com ícones gráficos. Os aplicativos desenvolvidos no LabVIEW são chamados de Instrumentos Virtuais (Virtual Instrument VI) (LARSEN, 2010), os quais são executados de acordo com o fluxo de dados. Quando tratamos de pesquisa experimental é comum ter situações em que se deseja controlar e monitorar remotamente atividades desempenhadas por dispositivos eletrônicos. O DataSocket (DS), uma ferramenta do LabVIEW de gerenciamento de dados permite isso, já que grava dados em tempo real (NI, 2002), possibilitando comunicar aplicações de maneira independente para o tratamento de dados. Como os dois equipamentos que se comunicam ao computador possuem Instrumentos Virtuais de controle disponibilizados por seus respectivos fabricantes, procurou-se desenvolver um VI que utilizasse o DS para comunicá-los, fazer o tratamento de dados e os apresentar em um gráfico. MATERIAL E MÉTODOS Inicialmente realizamos um levantamento bibliográfico de artigos que tratassem das funções do DataSocket, dos protocolos a serem utilizados e dos possíveis métodos de comunicação de dados, o que foi acompanhado do desenvolvimento de Instrumentos Virtuais de teste desenvolvidos no Software NI-LabVIEW. Esses VIs foram programados para comunicar dados, entre dois e três VIs, simulando a transferência de dados gerados pelos equipamentos. Já para a compreensão do funcionamento dos equipamentos, fizemos um estudo de algumas informações contidas em seus respectivos manuais, atividade necessária para permitir uma melhor compreensão do funcionamento dos Instrumentos Virtuais que realizam o controle. Também realizamos um breve estudo sobre o funcionamento das portas de comunicação USB e RS232,
através das quais o Monocromador e o Amplificador, respectivamente, se conectam ao microcomputador. Os VIs de aquisição e comunicação de dados desenvolvidos por nós foram implementados ao sistema de espectroscopia de fotoluminescência, que é composto por: 01 Monocromador modelo Cornerstone 260, 0,25m Oriel- Newport; 01 Light Chopper modelo 651 da Signal Recovery; 01 Light Chopper Controller modelo 650 da Signal Recovery; 01 Fonte Laser de Semicondutor 375 nm, 15 mw da Spectra Physics; 01 Amplificador Lock-in modelo 7265 da Signal Recovery; 01 Tubo Fotomultiplicador modelo Side-on 70680 Oriel-Newport. Com base nos testes, desenvolvemos ferramentas para o tratamento de dados que se mostraram necessárias. A saber: média do sinal de tensão para um comprimento de onda, eliminação dos dados de tensão após a variação do comprimento de onda, apresentação dos dados, armazenagem destes em arquivos, entre outros. Para os testes iniciais utilizou-se um LED monocromático azul, tendo como esperado um comprimento visível entre 455 e 492nm (Site 1). Foram realizados cinco experimentos com varreduras entre 420 e 530nm. Nos dois primeiros apenas uma leitura de tensão foi realizada para cada comprimento de onda, sendo o primeiro com tempo de resposta do Amplificador de 100ms e no segundo de 50ms. No terceiro e quarto experimento utilizou-se uma média das leituras das tensões para cada comprimento de onda, seguindo os mesmos parâmetros do Amplificador dos dois primeiros. Estes quatro experimentos utilizaram um passo de comprimento de onda de 2nm. Um quinto experimento foi realizado utilizando a média, um tempo de resposta de 50ms e um passo de 0,5nm. RESULTADOS E DISCUSSÃO Foi desenvolvido um Instrumento Virtual (VI) que acessa os dados dos equipamentos, faz o tratamento destes e os apresenta um gráfico de comprimento de onda versus tensão. Para acessar os dados de tensão e comprimento de onda dos VIs que controlam as funções dos equipamentos o programa utiliza comunicação do DataSocket através do painel frontal, esta tarefa é disponibilizada no menu propriedades dos indicadores e controles do LabVIEW. Esta opção foi escolhida para minimizar alterações no código original dos VIs fornecidos pelos fabricantes dos equipamentos. Os dados obtidos são armazenados em arrays, ferramentas que agrupam dados do mesmo tipo (LARSEN, 2010), criando vetores crescentes. O gráfico utilizado foi um XY Graph, no qual os valores de tensão foram dispostos no eixo Y e no eixo X os de comprimentos de onda. Inicialmente
foi programado um VI que utilizava apenas um dos valores de tensão para cada comprimento de onda, desconsiderando as demais leituras. No entanto, o valor da tensão sofre fortes flutuações, assim, incluímos o cálculo de uma média das tensões obtidas para um mesmo comprimento de onda com o objetivo de obter um valor mais representativo. Observamos que com a mudança do comprimento de onda havia uma inércia na resposta do Amplificador que dependia da constante de tempo utilizada por este, portanto os primeiros valores de tensão lidos para cada comprimento de onda sofrem influência do comprimento anterior, sendo assim, pouco significativos. Caso seja de interesse do usuário, o Instrumento Virtual permite desconsiderar uma porcentagem de dados do início e do fim de cada leitura. Para sincronizar os dados obtidos do Amplificador com os obtidos do Monocromador o VI utiliza o sinal de atualização de dados (ms timeout) vindo da função DataSocket associada ao VI que controla o Monocromador. Uma vez enviado o sinal o tratamento dos dados de tensão é feito para aquele valor de comprimento de onda. Após terem sido realizadas as tarefas de tratamento de dados, os valores de tensão são armazenados em um array crescente. Assim como estes, todos os dados de comprimento de onda também são armazenados em um array crescente. Desta maneira, cada comprimento de onda está associado a apenas um valor de tensão média no gráfico gerado. Os testes foram realizados utilizando um LED monocromático azul para determinar o comprimento de onda da luz visível emitida, tendo como o esperado um pico de tensão entre 455 e 492nm, região em que são transmitidas sensações de azul e ciano ao sistema visual (Site 1). Em vista disso, as varreduras para os cinco experimentos realizados, foram feitos entre 420 e 530nm. Para os dois primeiros experimentos utilizou-se o Instrumento Virtual que realiza apenas uma leitura de tensão para cada comprimento de onda associado, sendo o primeiro com o tempo de resposta do Amplificador de 100ms e no segundo de 50ms. Já no Monocromador, foi determinado um passo de 1nm entre os comprimentos de onda. No terceiro e no quarto experimento foram mantidos os mesmos parâmetros nos equipamentos envolvidos no processo, mas desta vez utilizando para a aquisição o Instrumento Virtual que faz o tratamento de dados através do cálculo da média das leituras de tensão para cada comprimento de onda. Com as medidas realizadas pôde-se observar que o aumento do tempo de resposta do Amplificador como já esperado, leva a aquisição de um sinal menos ruidoso. O mesmo ocorre tanto
nos experimentos feitos com o Instrumento Virtual de Leitura única, quanto no que realiza o tratamento de dados. É possível notar que o uso do programa que realiza a média de dados fornece um sinal significativamente menos ruidoso, e ainda que quando essas operações não são realizadas há um deslocamento do pico do comprimento de onda quando é feita apenas uma leitura de tensão. Um quinto experimento também foi realizado utilizando o VI que realiza o tratamento de dados. Neste experimento utilizou-se o tempo de resposta do Amplificador Lock-in igual 50ms e o passo de comprimentos de onda no Monocromador igual a 0.5nm. A alteração destes parâmetros não modificou significativamente os resultados obtidos com o quarto experimento, apresentando um nível de ruído um pouco maior. Com os resultados obtidos tem-se que no comprimento de onda de 470nm o espectro do LED monocromático apresenta um pico, assim como o esperado, com isso nota-se que o Instrumento Virtual desenvolvido está executando da maneira correta, mostrando a importância da aplicação de operações de filtragem de sinais, tal como o uso da média aritmética, em processos que envolvam análise de dados. LITERATURA CITADA LARSEN, R. W. LabVIEW for Engineers. New Jersey: Editora Prentice Hall, 2010. NI. DataSocket Simplifies Live Data Transfer for LabVIEW. National Instruments, 2002. SOTOMAYOR N. M., A Espectroscopia de Fotoluminescência. In: Zanolla, J. J., Dávila, L. Y. A. Os desafios da Interdisciplinaridade. Palmas: Nagô Editora, 2011. p. 115-124. Site 1: Fundamentos de Sensoriamento Remoto. Disponível em < http://www.leb.esalq.usp.br/disciplinas/topo/leb5838/peterson/fundamentos_energia_pos.pdf> Acesso em Agosto de 2012. AGRADECIMENTOS O presente trabalho foi realizado com o apoio da Universidade Federal do Tocantins - UFT, do Laboratório de Materiais para Aplicações em Dispositivos Eletrônicos - LABMADE, do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico CNPq e do Instituto Nacional de Eletrônica Orgânica INEO.