TUTORIAL: AQUISIÇÃO DE SINAIS USANDO LABVIEW E MATLAB Autor: Breno Ebinuma Takiuti Revisão: Gabriela Alexandra A. Ferreira Ilha Solteira, Janeiro de 2013.
1. Introdução Um dos instrumentos amplamente utilizados no laboratório de controle e sistemas inteligentes é a placa de aquisição de dados da National Instruments. Este tutorial tem como objetivo fornecer instruções básicas acerca da utilização deste instrumento, abrangendo o processo de instalação até a transferência de dados para o Matlab. Salienta-se de antemão que este tutorial não apresenta instruções para a criação de VIs (Virtual Instruments) no Labview, sendo assim necessária a utilização de VIs prontos ou a utilização de outro tutorial relacionado ao assunto. Este tutorial não apresenta instruções para a instalação dos softwares necessários para a realização dos experimentos, portanto para que se possa iniciar o estudo deste tutorial recomenda-se a instalação dos softwares Labview e Matlab. Uma recomendação para a melhor compreensão deste tutorial é que o usuário possua um conhecimento básico a cerca da utilização do Matlab, no entanto este não é um pré-requisito. AVISO: Somente a leitura deste tutorial não habilita o aluno a realizar os experimentos por conta própria. Sempre que for realizar um experimento pela primeira vez, deve-se estar acompanhado de um tutor apto. Lembrando que esta é uma das regras para a utilização dos laboratórios no departamento, portanto, é essencial que o aluno já tenha recebido ou lido todas as instruções e regras dos laboratórios do departamento. 2
2. Guia Prático Esta seção contém um passo-a-passo de todo o processo de aquisição de sinais, iniciandose pela instalação do equipamento até a transferência dos dados para o Matlab, onde será possível avaliar graficamente o sinal adquirido. Para este tutorial foram utilizados as placas da National presentes no Laboratório de Controle e Sistemas Inteligentes, são eles os modelos USB-6211 e USB-6251. 2.1. Instalação Antes de iniciar a instalação da placa de aquisição, deve-se sempre checar se a voltagem em que o computador ou qualquer equipamento a ser utilizado está ligado à fonte de tensão adequada. Hoje em dia, a maioria dos equipamentos eletro/eletrônicos são bivolt, no entanto, grande parte dos equipamentos utilizados nos laboratórios da engenharia mecânica da FEIS NÃO SÃO bivolt, portanto, exigem uma maior atenção quando for ligá-los pela primeira vez. Figura 1 Ligação da fonte de alimentação. Para a utilização da placa modelo NI USB-6211 não é necessária a utilização de uma fonte externa, sendo ela suprida pelo próprio USB. Já no caso do USB-6251 existe essa necessidade. Assim, ressalta-se novamente o aviso de verificar a tensão da fonte. Depois de ligada a fonte, conecta-se o cabo USB da placa ao computador que será utilizado para a realização dos experimentos e que deve detectar automaticamente a placa. O passo seguinte é verificar se a placa foi efetivamente reconhecida e está devidamente ligada. Para isso deve-se verificar o acionamento do LED, que encontra-se ao lado da entrada para o cabo USB (figura 2) 3
Figura 2 LED de acionamento da placa. Caso o LED esteja aceso, deve-se verificar o funcionamento da placa utilizando o aplicativo Measurement & Automation que é instalado junto com o Labview e aparece no desktop após a instalação. A janela aberta deve parecer como mostra a figura 3. Siga os seguintes passos para a verificação: 1. Em Measurement & Automation expanda a seção Devices and Interfaces presente no lado esquerdo da janela; 2. Procure pelo dispositivo utilizado, que no exemplo é o modelo USB-6211. Caso o ícone ao lado do dispositivo estiver verde, significa que o dispositivo foi reconhecido e que está pronto para ser testado; 3. Clique no botão Self-Test. O programa irá testar a placa; 4. Uma janela indicando success aparecerá caso ela esteja funcionando corretamente. Caso contrário será necessário resetar a placa. 4
Figura 3 Measurement & Automation 1 1 2 3 4 O procedimento para resetar a placa é a mesma para o caso em que o LED não acendeu e para o caso em que ocorreu erro no self-test. O procedimento é o seguinte: em Measurement & Automation selecione a opção tools e em seguida reset configuration data (figura 4). 5
Figura 4 Resetar a placa. Verifica-se novamente o acionamento do LED. Caso ele não acenda, deve-se consultar o responsável para a verificação do funcionamento do equipamento. 2.2. Montagem do experimento real Para a montagem do experimento recomenda-se a utilização de um protoboard, para que não seja necessária a constante troca dos fios ligados à placa. O circuito para adquirir e emitir sinais através de um piezelétrico (PZT) é mostrado na figura 5. AVISO: Recomenda-se sempre tirar fotos e tomar nota de todos os dados envolvidos na realização dos experimentos. 6
Figura 5 Circuito para a aquisição de dados de um PZT. Como pode ser observado na figura 5, existem três possíveis configurações para a aquisição de sinais em PZTs: A primeira é utilizada para a calibração do sistema. Em geral, os VIs possuem a opção de realizar a calibração, medir utilizando a calibração e medir sem calibrar. Já segunda é a configuração Para medir o qual é utilizado para emitir e ler usando um único PZT. Por fim a terceira configuração é para emitir um sinal através de um PZT e ler o sinal através de outro. Uma prática comum é unir todos os terras em um ponto só. Isso facilita a ligação, mas não é obrigatório. 7
2.3. Exemplo de aquisição de dados Como exemplo para este tutorial utilizaremos o VI Impedance Analyzer 2.0 presente no computador utilizado para a detecção de danos estruturais na janela do laboratório de materiais e sistemas inteligentes. O VI tem a aparência como mostrada na figura 6. Figura 6 Impedance Analyzer 2.0 O primeiro passo é a calibração do sistema. Para isso sega os seguintes passos: 1. Monte o circuito Para calibrar mostrado na figura 5; 2. Selecione ajustar DAQ em Operação ; 3. Ajuste todas as outras opções (frequência inicial, frequência final, amplitude, etc) de acordo com as necessidades do seu experimento; 4. Clique no botão run ; 8
Figura 7 Calibração. Com isso um arquivo denominado Calibration.lvm será criado conforme indicado em Calibration File. Note que em dependendo do VI, não aparecerá nenhum aviso indicando que o ajuste foi completado com sucesso. Isso ocorre no VI usado como exemplo, portanto, a única forma de identificar que o processo foi terminado é observando o botão run que estará branco enquanto estiver ocioso e passará para preto quando estiver rodando os testes. Após a calibração do sistema, basta alterar a opção Calibration para Measuring with Calibrating Signal. Quanto às outras opções o usuário deve configurar conforme o seu experimento, tomando cuidado para não ajustar o valor da tensão para maior que 10V, de preferência entre 1 e 5V, para que não ocorra a despolarização do PZT. Os valores de AO e AI correspondem aos terminais por onde o sinal será emitido (AO) e recebido (AI) e devem ser ajustados de acordo com a montagem do circuito. No exemplo presente os terminais utilizados foram o Dev1/ao1 e Dev1/ai1. Caso seja utilizado mais de um sensor e emissor, deve-se configurar também os valores de AO2, AO3, etc. Lembre-se sempre de anotar ou tirar PrintScreen dos valores configurados para consultas futuras. Por fim, clique em run novamente para iniciar o processo de aquisição. Os dados adquiridos são salvos como referenciados nas opções Salvar Dados.... 9
2.4. Exportar para Matlab Para exportar para o Matlab utilizaremos novamente o exemplo anterior. Como pode ser visto na figura 9, os dados foram salvos na pasta C:\SHM\Imp e C:\SHM\Time. Procure por estas pastas no Windows explorer. Nessas pastas poderão ser encontrados os arquivos no formato.lvm ou.dat, dependendo do VI que for utilizado. Verifique o nome dos arquivos gerados. Neste exemplo as medidas em frequência foram nomeadas como F_1.lvm. O nome do arquivo pode ser alterado no próprio VI. Procure utilizar nomes curtos e simples, para facilitar a programação no MatLab. Figura 9 Local salvo 7. Em seguida inicie o Matlab. A janela do Matlab será semelhante à mostrada na figura 10
Figura 10 Matlab. No topo da janela existe a opção Current Directory. Clique no botão com... no lado direito do endereço. Procure pela pasta onde foram salvos os dados e a selecione. Na janela chamada Command Window digite o comando load com o nome do arquivo de dados entre. O exemplo atual fica da seguinte forma: load 'F_1.lvm' O comando load transforma o arquivo de dados no formato.lvm em uma variável, que ficará salva no workspace enquanto o Matlab não for fechado ou até que seja dado o comando para apagar todas as variáveis ( clear ). O nome desta variável será a mesma do arquivo, neste caso F_1. Ao se clicar duas vezes sobre a variável uma nova janela será aberta, chamada de Variable Editor <Nome da variável>. Nesta janela será possível a visualização de todos os dados contidos nesta variável (figura 8). O resultado obtido deverá ser semelhante ao mostrado na figura 11. 11
Figura 11 Variable Editor. AVISO: Alguns VIs utilizados no laboratório utilizam vírgula como separador decimal, o que gera conflito com o Matlab, que dependendo da versão utiliza pontos como separador. Como pode ser observado na figura 11, a variável F_1 é uma matriz que possui 4 colunas e um número enorme de linhas. Para cada VI as colunas representam um conjunto de dados diferente. No caso estudado a primeira coluna corresponde as frequências, a segunda coluna a impedância, a terceira coluna a parte real e a quarta coluna a parte imaginária. O objetivo neste caso é interpretar somente os dados das frequências e das impedâncias, portanto iremos utilizar as colunas 1 e 2. Para facilitar a criação dos gráficos, iremos passar os valores de frequência para um vetor chamado f e os valores das impedâncias para um vetora o. Caso queira utilizar os valores reais e imaginários também consulte o código em Matlab presente no apêndice A. Para fazer a transferência para vetores utilizaremos o seguinte comando: f = F_1(:,1); o = F_1(:,2); 12
O dois pontos neste caso neste caso são utilizados para indicar que queremos pegar a coluna inteira. Caso o dois pontos fossem colocados após a vírgula e não antes, indicaria que queremos pegar a linha inteira. Caso exista alguma dúvida sobre conceitos de vetores e matrizes em Matlab consulte alguma apostila de matlab básico. Feito isto, basta gerar o gráfico. Para isto utilizaremos o comando plot. Neste caso iremos gerar um gráfico de impedância em função da frequência, que ficaria da seguinte forma: plot (f,o); Note que o primeiro valor dentro dos parênteses equivale ao eixo x e o valor depois da vírgula é o eixo y. O resultado obtido para este caso é mostrado na figura 12. Figura 12 Impedância em função da frequência. 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 x 10 4 AVISO: Lembre-se sempre de editar o gráfico antes de colocá-lo em um relatório ou artigo, colocando o nome dos eixos, unidades e legendas caso haja vários gráficos juntos. Para melhorar a estética do gráfico recomenda-se aumentar a espessura da linha do gráfico e o tamanho das letras. Tudo isso pode ser alterado em Figure Propeties. Para melhor compreenção da programação em matlab consulte o apêndice A, no qual é possível verificar o programa em matlab utilizado para este exemplo. 13
3. Referências Página da National Instruments: www.ni.com Apêndice A %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%% UNESP - Universidade Estatudal Paulista %%% %%% "Júlio de Mesquita Filho" %%% %%% Autor: Breno Ebinuma Takiuti %%% %%% Data: 13/01/2013 %%% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %% Limpar tela e variáveis clear; clc; %% Pré processamento: %% Aquisição de dados do labview load 'F_1.lvm'; VI %coloque no lugar de "F_1" o nome do arquivo salvo pelo %% Tranferência dos dados para vetores f = F_1(:,1); o = F_1(:,2); r = F_1(:,3); i = F_1(:,4); %% Gerando os gráficos figure(1), plot (f,o); figure(2), plot (f,r); figure(3), plot (f,i); 14