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Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” UNESP Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá Departamento de Engenharia Elétrica AQUISIÇÃO E CONTROLE UTILIZANDO INSTRUMENTAÇÃO VIRTUAL Autor: Daniel Satoshi Marimoto Orientador: Prof. Dr. Galdenoro Botura Junior Abril de 1999
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Universidade Estadual Paulista
“Júlio de Mesquita Filho”
UNESP
Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá
Departamento de Engenharia Elétrica
AQUISIÇÃO E CONTROLE UTILIZANDO
INSTRUMENTAÇÃO VIRTUAL
Autor: Daniel Satoshi Marimoto
Orientador: Prof. Dr. Galdenoro Botura Junior
Abril de 1999
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ÍNDICE
I) TÍTULO DO TRABALHO ..................................................................................................................................... 4
II) OBJETIVO ............................................................................................................................................................. 4
III) RESUMO DO PLANO INICIAL ........................................................................................................................ 4
IV) FASES DO PLANO DE PESQUISA ................................................................................................................... 5
IV.1- LEVANTAMENTO BIBLIOGRÁFICO DA LITERATURA EXIGIDA PARA A PESQUISA .................... 5
IV.2 - ESTUDO DE FERRAMENTAS DE “SOFTWARE” PARA USO EM INSTRUMENTAÇÃO VIRTUAL .. 5
IV.2.1-INTRODUÇÃO .......................................................................................................................................... 5
IV.2.2-VISÃO GERAL ........................................................................................................................................... 6
IV.2.3-DESENVOLVENDO UM SISTEMA COMPLETO .................................................................................... 6
IV.2.4-VANTAGENS DE SE USAR O LABVIEW ................................................................................................. 7
IV.2.5-APLICAÇÕES ............................................................................................................................................ 7
IV.2.6-USO ............................................................................................................................................................ 8
IV.2.7-CONTROLE DE INSTRUMENTO, AQUISIÇÃO E ANÁLISE DE DADOS E CONECTIVIDADE ........ 10
IV.2.8-APLICAÇÕES SOLITÁRIAS .................................................................................................................... 11
IV.2.9-FUNCIONALIDADE DISPONÍVEL ........................................................................................................ 11
IV.2.10-ANÁLISE DE DADOS EMBUTIDA ....................................................................................................... 14
IV.2.11-REQUERIMENTOS DE SISTEMA ........................................................................................................ 15
IV.2.12-FERRAMENTAS DE DISTRIBUIÇÃO .................................................................................................. 16
IV.2.13-DRIVER DE INSTRUMENTOS DO LABVIEW ..................................................................................... 16
IV.2.14-AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL ................................................................................................................ 17
IV.3-ESTUDO DE SISTEMAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS ............................................................................. 19
IV.3.1-INTRODUÇÃO ........................................................................................................................................ 19
IV.3.2-O COMPUTADOR PESSOAL ................................................................................................................. 19
IV.3.3-TRANSDUTORES .................................................................................................................................... 20
IV.3.4-CONDICIONAMENTO DO SINAL ......................................................................................................... 21
IV.3.5-HARDWARE DE AQUISIÇÃO DE DADOS ............................................................................................ 24
IV.3.6-SOFTWARE ............................................................................................................................................. 34
IV.4-ESTUDO DE INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL E LÓGICA DIFUSA ............................................................ 38
IV.4.1- INTRODUÇÃO ....................................................................................................................................... 38
IV.4.2-COMPARAÇÃO ENTRE A LÓGICA DIFUSA E A CLÁSSICA .............................................................. 38
IV.4.3–O CONTROLADOR DIFUSO ................................................................................................................. 40
V) PRÓXIMAS ETAPAS DO TRABALHO E CRONOGRAMA ........................................................................ 46
VI) CONCLUSÃO ..................................................................................................................................................... 47
VII) SITES PESQUISADOS ..................................................................................................................................... 47
VIII) BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................................................. 48
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I) TÍTULO DO TRABALHO
Aquisição e Controle Utilizando Instrumentação Virtual.
II) OBJETIVO
Fornecer e fortalecer a formação do aluno na área Instrumentação e Controle através do estudo da
instrumentação virtual e do uso da inteligência artificial para controle de um sistema em particular.
III) RESUMO DO PLANO INICIAL
A instrumentação virtual, ou o uso de ferramentas de software para o desenvolvimento de instrumentos de
aquisição e análise de sinais, tem evoluído significativamente nos últimos anos. Através do uso destas
ferramentas de software, de um microcomputador e de placas de aquisição, com disponibilidade de
terminais de entrada e saída, conectadas a este microcomputador, tem sido possível a aquisição, a análise,
o processamento e o controle de uma infinidade de sistemas, dentro das mais variadas áreas de aplicação.
A inteligência artificial, por outro lado, tem viabilizado o controle e a supervisão de uma infinidade de
sistemas. Dentre as diversas técnicas que integram o universo que envolvem os mecanismos adotados
pela inteligência artificial, pode-se destacar o uso da lógica difusa (fuzzy logic) como um mecanismo de
controle altamente eficiente.
A proposta deste trabalho é a integração da instrumentação virtual com a lógica difusa para o controle de
um sistema eletro-eletrônico ou eletro-mecânico.
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IV) FASES DO PLANO DE PESQUISA
Durante o período de trabalho, os seguintes pontos foram desenvolvidos:
IV.1- LEVANTAMENTO BIBLIOGRÁFICO DA LITERATURA EXIGIDA PARA A PESQUISA Para a realização deste trabalho, propôs-se inicialmente fazer um estudo sobre um software de
instrumentação, sistemas de aquisição de dados e ainda uma introdução sobre a lógica difusa (fuzzy
logic). Dessa forma, nesta fase dedicou-se para a obtenção de tais materiais.
Foram consultadas bibliotecas de universidades como a UNESP e o ITA, bem como fez-se uma extensa
pesquisa utilizando-se a Internet. Além disso, pôde-se assistir na própria Faculdade de Engenharia de
Guaratinguetá uma palestra da National Instruments, ministrada pelo engenheiro de aplicação Pedro
Alves em novembro de 1998, a respeito do software de instrumentação virtual LabVIEW, a partir da qual
teve-se acesso a catálogos da empresa.
A respeito do software de instrumentação, estudou-se o LabVIEW da National Instruments, pois o mesmo
é um software poderoso e muito usado pela comunidade científica e técnica pelas suas vantagens, que são
explicadas no item 2 deste relatório. Além disso, a Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá possui este
software, o que facilitou o seu acesso. Deste modo o mesmo será adotado para o desenvolvimento do
trabalho. Existem, porém, outras ferramentas que possibilitam a utilização da instrumentação virtual, mas
não se dedicou muita atenção aos mesmos, em função das facilidades de acesso ao LabVIEW.
Os processos necessários em um sistema de aquisição de dados bem como as partes envolvidas foram
estudadas, já que neste projeto ter-se-á que realizar tal operação.
Obteve-se, também, uma visão geral a respeito dos preceitos da lógica difusa.
IV.2 - ESTUDO DE FERRAMENTAS DE “SOFTWARE” PARA USO EM INSTRUMENTAÇÃO VIRTUAL IV.2.1-INTRODUÇÃO
No estudo de ferramentas de “software” para uso em instrumentação virtual escolheu-se trabalhar com o
software LabVIEW da National Instruments pois o mesmo possui uma série de características e
vantagens, que serão citadas no decorrer deste item, que atendem às necessidades requeridas por este
projeto. Soma-se ainda, como já foi dito, o fato da Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá possuir este
software o que facilitou muito o seu acesso e, desta forma, o seu aprendizado.
Deve-se salientar, porém, que apesar desta escolha, existem outros softwares de instrumentação virtual.
Como exemplo pode-se citar o LabWindows, também da National Instruments, que é baseado na
linguagem de programação C (ou C++), dessa forma seria necessário um conhecimento grande da
linguagem de programação C para se desenvolver sistemas de instrumentação virtual, o que não é
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necessário no LabVIEW, que é baseado na linguagem de programação G, uma linguagem gráfica, que
facilita o desenvolvimento de sistemas, como será melhor explicado ao longo deste item. Tem-se também
o HP VEE, da Hewlett Packard, que também usa uma linguagem de programação visual, que o torna
também um instru,ento simples de ser usado.
IV.2.2-VISÃO GERAL
LabVIEW é um ambiente de desenvolvimento de programação gráfica baseado na linguagem
programação G para aquisição de dados e controle, análise de dados, e apresentação de dados. Este
programa oferece a flexibilidade de uma linguagem de programação poderosa sem a dificuldade e
complexidade associadas, pois sua metodologia de programação gráfica é inerentemente intuitiva.
Para desenvolver um programa no LabVIEW, monta-se objetos de software chamados instrumentos
virtuais (VI’s). Usando métodos de arrastar-e-soltar, pode-se criar interfaces gráficas de usuário e
construir o código fonte em um esquemático no formato de diagrama de bloco, familiar à comunidade
científica e técnica.
Caso esteja-se procurando um modo mais rápido para programar sistemas de instrumentação sem
sacrificar o desempenho, então o LabVIEW é um software muito indicado pois realiza teste e medida,
aquisição de dados e controle, pesquisa científica, monitoramento de processo, e automatização de
fábrica.
IV.2.3-DESENVOLVENDO UM SISTEMA COMPLETO
Com LabVIEW controla-se o sistema e apresenta-se os resultados através de painéis gráficos interativos.
Tem-se numerosas opções para administração dos dados–armazenando dados em disco ou diretamente
para um banco de dados, transferência de dados entre aplicações, a Internet, ou gerando e imprimindo
relatórios técnicos.
Pode-se adquirir dados de dispositivos como o GPIB, VXI, PXI, dispositivos seriais, PLC’s, e placas de
sistema de aquisição de dados do tipo plug-in. Também pode-se conectar a outras fontes de dados através
da Internet, comunicação de inter aplicação tal como o ActiveX, DDE (troca dinâmica de dados), e links
de banco de dados SQL (structured query language-linguagem de pergunta estrururada). E, para
flexibilidade completa no ambiente de desenvolvimento aberto do LabVIEW , pode-se chamar qualquer
código externo ou existente na forma de um DLL (dynamic linked library-biblioteca dinâmica unida) do
Windows ou uma biblioteca compartilhada em qualquer outra plataforma.
Depois de adquirido os dados, pode-se converter as medidas em resultados tratados usando as técnicas de
análise de dados e capacidades de visualização do programa.
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IV.2.4-VANTAGENS DE SE USAR O LABVIEW
O LabVIEW acelera o desenvolvimento por um fator de 4 a 10 sobre programação tradicional. Com a
modularidade e estrutura hierárquica deste software, pode-se fazer o protótipo, projetar, e modificar
sistemas em pouco tempo.
Como as necessidades de aplicação mudam, os sistemas de instrumentação virtual do LabVIEW têm a
flexibilidade de serem modificadas sem que se precise de um equipamento novo. Usando um sistema
deste programa, cada usuário tem acesso a um laboratório de instrumentação completo por um custo
menor que de um único instrumento comercial. Ele também é compatível a várias plataformas, de forma
que sempre pode-se usar os sistemas com a melhor plataforma para aplicação. E, a National Instruments
assegura que os instrumentos virtuais (VI’s) desenvolvidos hoje serão compatíveis com tecnologias de
amanhã.
O LabVIEW possibilita os engenheiros, cientistas, e técnicos a projetar e implementar seus próprios
sistemas. Devido ao fato do paradigma de programação ser bem parecido com a notação padrão de
fluxograma, é intuitivo e fácil de se aprender.
LabVIEW tem aquisição, análise, e capacidades de apresentação disponíveis dentro de um único pacote,
assim pode-se criar uma solução completa na plataforma de escolhida. Além disso, o programa
caracteriza um compilador gráfico aperfeiçoado para maximizar o desempenho do sistema. Assim,
simplifica-se o desenvolvimento e produz código reutilizável que executa em velocidades de execução
compiladas. Por causa deste compilador, pode-se criar compilados executáveis que rodam em uma
máquina objetivo sem um sistema de desenvolvimento do LabVIEW.
Numerosos softwares adicionais fazem tarefas complexas tal como enviar dados à Internet, aquisição de
imagem, e programação de banco de dados, apenas integrando estas ferramentas no ambiente de
desenvolvimento.
IV.2.5-APLICAÇÕES
Sistemas do LabVIEW são implementados em teste e medida, como também em monitoramento de
processo e aplicações de controle. Estas aplicações variam de monitoramento de sistemas de transporte,
para classes de laboratório universitárias; de teste de partes automatizadas a controle de processo
industrial.
O LabVIEW se tornou uma ferramenta de desenvolvimento industrial padrão para aplicações de teste e
medida. Com o seu Teste Executivo, programas de teste gráficos, e a maior biblioteca de instrumentos da
indústria, tem-se um ambiente de execução e desenvolvimento consistente para o sistema inteiro.
Historicamente, este software vem sendo usado como ambiente de desenvolvimento de programação G
para controle de processo e automatização de fábrica. Para monitoramento básico de processo e controle
de aplicações, o programa, combinado com software adicional, como o Kit de Ferramenta de Símbolos de
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Automatização, o Kit de Ferramenta de Controle de PID, e drivers de PLC, pode prover uma solução.
Porém, para aplicações de automatização industrial mais complexas, recomenda-se o BridgeVIEW.
A biblioteca de análise existente provê tudo que se é preciso em um pacote de análise integrado no
ambiente de desenvolvimento. Os cientistas e os pesquisadores têm usado LabVIEW para analisar e
computar resultados reais de aplicações biomédicas, aeroespaciais e de pesquisa de energia, e em outros
tipos de indústrias. Para análise especializada, como análise de tempo-freqüência em comum, e projeto de
filtro digital, tem-se softwares adicionais especialmente projetados.
IV.2.6-USO
Com o LabVIEW, constrói-se VI's em vez de escrever programas. Cria-se o painel frontal de interface de
usuário (Figura 2.1) dando o controle interativo do sistema de software. Para especificar a funcionalidade,
reúne-se diagramas de blocos intuitivamente–uma notação natural de projeto para os engenheiros e
cientistas.
Figura 2.1: Exemplo de painel frontal de interface de usuário, com instrumentos virtuais (VI’s).
No painel frontal do VI, coloca-se os controles e mostradores de dados para o sistema escolhendo objetos
da janela de Controles (Figura 2.2a), incluindo mostradores numéricos, medidores, termômetros, tanques,
ED’s, quadros e gráficos. Quando o VI está completo, você pode-se usar o painel frontal para controlar o
sistema, enquanto o VI está correndo, clicando um interruptor, movendo um slide, dando zoom em um
gráfico, ou entrando em um valor do teclado.
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Figura 2.2: Janela de Controles (Figura 2.2a), janela de Funções (Figura 2.2b) e janela de Ferramentas (Figura 2.2c).
Para programar o VI, constrói-se o diagrama de blocos (Figura 2.3) sem se preocupar sobre os muitos
detalhes sintáticos da programação convencional. Seleciona-se objetos (ícones) do menu de Funções
(Figura 2.2b) e os conecta com fios para transferir dados de um bloco para o próximo. Estes blocos
variam de simples funções aritméticas, para rotinas avançadas de aquisição e de análise. Caso se necessite
de informações sobre algum bloco, há o recurso da janela de ajuda (Figura 2.4).
Figura 2.3: Exemplo, relativo a Figura 2.1, de um diagrama de blocos.
O LabVIEW usa um modelo de programação de fluxo de dados patenteado, chamado G, que livra o
usuário da arquitetura linear das linguagens baseadas em texto. Porque a ordem de execução é
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determinada pelo fluxo de dados entre blocos, e não por linhas seqüenciais de texto, pode-se criar
diagramas que têm operações simultâneas. Por conseguinte, o LabVIEW é um sistema de múltiplas
tarefas.
Os Instrumentos Virtuais (VI's) deste software são modulares no projeto, assim qualquer VI pode rodar
por si só ou ser usado como parte de outro VI. Pode-se até mesmo criar um ícone para seus próprios VI's,
podendo assim projetar uma hierarquia de VI's e subVI's que podem ser modificados, intercambiados, e
combinados com outro VI's para satisfazer as variadas necessidades de aplicação.
Em muitas aplicações, a velocidade de execução é crítica. LabVIEW é o único sistema de programação
gráfico com um compilador que gera códigos aperfeiçoados com velocidades de execução comparáveis a
programas compilados na linguagem C. Com o construtor de perfil, pode-se analisar e aperfeiçoar seções
de tempo críticas do código. Por conseguinte, pode-se aumentar a produtividade com programação gráfica
sem sacrificar velocidade de execução.
Figura 2.4-Exemplo de janela de ajuda, neste caso explicando o bloco multiplicador.
IV.2.7-CONTROLE DE INSTRUMENTO, AQUISIÇÃO E ANÁLISE DE DADOS E CONECTIVIDADE
As bibliotecas VISA, GPIB, VXI, e de VI serial do LabVIEW usam drive de software de dispositivos
padrões industriais da National Instruments para controle completo da instrumentação. Pode-se controlar
qualquer instrumento GPIB conectado a uma placa de interface IEEE 488.2 da National Instruments. Os
instrumentos de VXI são programados facilmente com o Sistema de Desenvolvimento do LabVIEW, que
inclui VISA (Arquitetura de Software de Instrumento Virtual). Pode-se comunicar com os instrumentos
dos controladores de VXI embutidos, sistemas PXI modulares, ou computadores com uma interface MXI
ou GPIB-VXI.
A biblioteca VI de driver de instrumentação, contém drivers para instrumentos do tipo GPIB, VXI,
Seriais, e de CAMAC. Muitos destes drivers são incluídos no LabVIEW distribuído em CD. Eles também
estão disponíveis no site da National Instruments na Internet (www.natinst.com/labview), ou na BBS da
mesma.
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A biblioteca de instrumentação virtual do sistema de aquisição de dados tem funções para adquirir e
produzir dados com todos os produtos de aquisição de dados da National Instruments do tipo remoto e
plug-in. As placas do tipo plug-in são ideais para controle de aplicações direto de alta velocidade. Por
causa do seu custo mais baixo, elas abaixam significativamente o preço por canal. Tem-se também drivers
para dispositivos de I/O industriais como PLC's, coletores de dados, e controladores de loop único. Todos
módulos de SCXI da National Instruments para condicionamento de sinal e de aquisição de dados
remotos trabalham bem com LabVIEW. Para se iniciar com projetos de aquisição de dados mais
facilmente, o "LabVIEW DAQ Solution Wizard" e o "DAQ Channel Wizard" ensinam passo por passo
desde a configuração dos canais para gerar soluções completas. Usando-se algumas vezes o mouse, a
solução é gerada automaticamente, pronta para rodar.
O LabVIEW apresenta bibliotecas de análise poderosas e compreensivas que rivaliza os aplicativos que
possuem pacotes de análise dedicados. Estas bibliotecas são completas com estatísticas, avaliações,
regressões, álgebra linear, algoritmos de geração de sinal, algoritmos no domínio do tempo e da
freqüência e filtros digitais.
Ele também apresenta numerosas bibliotecas de VI para comunicação com outras aplicações. Pode-se
chamar qualquer DLL ou biblioteca compartilhada do LabVIEW. Usando CodeLink, pode-se
automaticamente compartilhar bibliotecas de linguagem C desenvolvido no LabWindows/CVI, a
ferramenta de desenvolvimento de aplicação rápida da National Instruments para programadores de C.
TCP/IP e VI’s UDP para uso em rede podem ser usados para comunicar com aplicações remotas. O kit de
ferramentas de projetistas da Internet adicionam e-mail, FTP, e capacidades de rede para a aplicação.
Com VI’s de automatização remota, pode-se controlar a execução de VI’s distribuídos em outras
máquinas. Usando automatização de ActiveX ou Troca de Dados Dinâmicos (DDE), pode-se integrar a
aplicação com outras aplicações baseadas no ambiente Windows.
IV.2.8-APLICAÇÕES SOLITÁRIAS
O Construtor de Aplicação do LabVIEW proporciona a habilidade para criar e distribuir aplicações
solitárias executáveis. Estas aplicações executáveis rodam a velocidades de execução compilada e não
requerem um sistema separado. Este executáveis podem ser distribuídos em conjunto com o drive de
software de nível da National Instruments, caso não se esteja executando nenhum I/O, arquivo de I/O, I/O
serial, ou I/O via rede.
IV.2.9-FUNCIONALIDADE DISPONÍVEL
O LabVIEW pode ser usado para criar uma solução para a aplicação em um ambiente de
desenvolvimento compreensivo. A seguir, segue uma lista parcial da funcionalidade disponível em um
sistema de desenvolvimento, para dar uma idéia do que pode-se fazer:
Controles e Indicadores:
• Botões/Chavess/LED’s
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• Slides/ Mostradores Digitais
• Medidoress/Discos/Knobs
• Tanques/Termômetros
• Gráficos/Diagramas
• Tablelas/Arranjos
• Plotagem intensiva
• Menus/listas/anéis
• Caixas de texto
• Decorações
• Controles habituais
Controle de instrumento:
• GPIB
• VXI
• Serial
• CAMAC
• PLC
Arquivo de I/O:
• Planilha eletrônica
• Binário
• ASCII
• Datalog
Conectividade aberta:
• Internet *
• SQL *
• TCP/IP
• ActiveX
• DLL’s/bibliotecas compartilhadas
• DDE
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Aquisição de dados:
• DAQ wizards
• Entrada/saída de ponto único
• Aquisição/geração de forma de onda
• Aquisição de imagem *
• Condicionamento de Sinal
• Gatilhamento/temporização
• Entrada/saída de TTL/CMOS
• Geração de padrão digital
• Handshaking digital
• Geração de Pulso
• Contagem de evento
• Detecção de borda
• Medida de período e de largura de pulso
Estruturas de programa:
• Loop de “while”
• Loop de “for”
• Estruturas de “case”
• Estruturas seqüenciais
• Nós de fórmula baseados em texto
Fundamentos de programação:
• Computação numérica
• Lógica Booleana
• Manipulação de arranjos
• Funções “string”
• Funções de Tempo & Dado
• Estrutura de múltiplos tipos de dados
• Subrotinas habituais
Análise:
• Geração de sinal* *
• Processamento de sinal * *
• Processamento de imagem *
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• Ajuste de curva
• Filtragem * *
• Álgebra linear
• Estatísticas
Administração de Aplicações e Otimização:
• Perfilador para uso de memória e rastreamento de tempo execução
• Desempenho compilado em todas as plataformas
• Controle de código fonte * * *
• Janela de hierarquia
• Jogo de documentação de impressão
• Métricas de complexidade * * *
• Documentação para padrões de qualidade * * *
Depurando:
• Pontos de ruptura
• Sondas/Sondas usuais
• Modo de único-passo
• Destacamento de Execução
• Janela de ajuda
• Ajuda Online
* Software adicional * * Incluído no Sistema de Desenvolvimento Completo e no Conjunto de Projetista Profissional. * * * Incluído no Conjunto de Projetista Profissional.
IV.2.10-ANÁLISE DE DADOS EMBUTIDA
Uma vez adquiridos os dados precisos, pode-se necessitar analisá-los para criar informação significante.
Com as bibliotecas de análise embutidas no sistema de desenvolvimento do LabVIEW, pode-se usar um
único ambiente para criar um sistema completo de aquisição, análise e de apresentação.
As bibliotecas de VI de Análise Avançada oferecem um jogo de rotinas de análise poderoso e
compreensivo para processamento de dados adquiridos. Estas bibliotecas são ricas em estatísticas,
avaliações, ajuste de curva, álgebra linear, algoritmos de geração de sinais, algoritmos no domínio do
tempo e da de freqüência e filtros digitais.
Com estes VI’s, pode-se realizar análise difícil com facilidade no programa. Pode-se executar tarefas
complexas como filtragem, e cálculo de transformadas, simplesmente ligando o jogo de dados de um VI
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para o próximo. Este VI’s são completamente compatíveis com plataforma cruzada, assim pode-se aportar
e usar de novo o código na plataforma escolhida.
IV.2.11-REQUERIMENTOS DE SISTEMA
Pode-se usar o LabVIEW no sistema operacional desejado sem sacrificar nenhuma característica. O
sistema de desenvolvimento recompila os VI’s em qualquer das plataformas listadas a seguir de forma
que tem-se a flexibilidade para trabalhar com o sistema operacional que melhor se ajusta a tarefa
desejada, e ainda retem a habilidade para transferir e usar de novo VI’s pelo empreendimento.
Tabela 2.1: Requerimentos exigidos dependendo do sistema utilizado.
Sistema Operacional Requerimentos do Sistema Windows NT -12 MB de RAM, 16/32 MB recomendados
-486/DX recomendado -Windows NT 3.5.1, 4.0 recomendado -75 MB de espaço livre em disco para instalação completa
Windows 95 -8 MB de RAM, 16 MB recomendados -386/25 com coprocessador 387, Pentium recomendados -75 MB de espaço livre em disco para instalação completa
Windows 3.1 -8 MB de RAM, 16 MB recomendados -386/25 com coprocessador 387, Pentium recomendados -75 MB de espaço livre em disco para instalação completa
Sun -Solaris 1.1/2.4 ou Sistema de Software Xwindow posterior
Mac OS (Power OC) -12 MB de RAM, 16 MB recomendado -Mac OS 1.2 ou versão posterior -75 MB de espaço livre em disco para instalação completa
Mac OS (68K) -8 MB de RAM, 16 MB recomendados -CPU 68020 com coprocessador -25 MB de espaço livre em disco -Mac OS 7.1 ou versão posterior
Mac OS 7.0 -75 MB de espaço livre em disco para instalação completa
HP-UX -Workstation HP 9000, Modelo série 700 -HP-UX 9.0.3/10.0 ou posterior -HP-VUE/CDE
PowerMAX corrente -Sistemas Night Hawk -Sistemas Power Hawk -Sistemas PowerMaxion ou Power Stack
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IV.2.12-FERRAMENTAS DE DISTRIBUIÇÃO
O Construtor de Aplicação (item 2.7) é um pacote adicional para criar aplicações solitárias. Quando usado
com o Construtor de Aplicação, um sistema de LabVIEW pode criar VI’s que operam como aplicações
solitárias. Pode-se rodar o executável, mas não se pode editá-lo.
Convertendo os VI’s para aplicações, assegura-se que ninguém irá examiná-lo ou modificá-lo. Aplicações
asseguram que o operador não irá fazer mudanças inadvertidas a um VI. Aplicações também são um
modo eficiente para empacotar e distribuir VI’s próprios.
O Construtor de Aplicação constrói VI’s nos quais pode-se mudar valores de controle, copiar dados de
um controle ou indicador para outro controle, e mudar os limites da escala. Não se pode mudar o tamanho
ou mover objetos; copiar, substituir, adicionar, ou apaguar controles ou indicadores.
Aplicações minimizam as exigências de RAM e de disco salvando só aqueles recursos necessários para
execução. Aplicações construídas com o Construtor de Aplicação executam com as mesmas taxas de alto-
desempenho como os VI’s no sistema de desenvolvimento.
O Construtor de Aplicação dá a escolha entre dois modelos de tempo de rodagem. Pode-se criar uma
máquina de tempo de rodagem capaz de rodar qualquer VI, ou você pode criar um executável solitário.
Executável solitário:
O modelo de executável solitário é ideal quando se planeja desenvolver e entregar um sistema de
carcereiro.
Máquina de tempo de rodagem separada:
O modelo de máquina de tempo de rodagem separada é útil caso se precise distribuir numerosos
VI’s em poucos computadores. Com apenas uma máquina de tempo de rodagem, pode-se rodar
tantos VI’s quanto necessário. A máquina de tempo de rodagem pode dinamicamente carregar,
executar, e descarregar múltiplos VI’s do LabVIEW.
Figura 2.5: Os dois modelos de tempo de rodagem.
IV.2.13-DRIVER DE INSTRUMENTOS DO LABVIEW
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A biblioteca de Driver de Instrumentos do LabVIEW contem os drivers para mais de 600 instrumentos
seriais, GPIB e VXI de mais de 65 fabricantes. O driver de instrumento “empacota” as capacidades de
instrumento como um jogo de VI’s padrões. Cada VI corresponde a uma operação de programática, como
configurar, ler de, escrever para, e ativar o instrumento. Os drivers de instrumento reduzem o tempo de
desenvolvimento de programa teste e simplificam o controle de instrumento eliminando a necessidade de
aprender o protocolo de programação para cada instrumento, que é complexo e de baixo nível.
Os drivers são escritos usando G, uma linguagem de programação gráfica do LabVIEW, assim pode-se
examinar e modificar o código fonte do diagrama de bloco, que é incluído com todos os drivers. Os
drivers são ícones fácil de usar para combinar no nível mais alto dos programas de teste.
A Aliança de Sistemas VXIplug&play endossou drivers de instrumento do LabVIEW como uma
tecnologia de centro e a base para padronização de indústria. O programa é completamente complacente
com o VXIplug&play e pode rodar todos os drivers de instrumentos gráficos e baseados em C
complacentes com VXIplug&play. Ele também pode descobrir automaticamente e carregar qualquer
driver de VXIplug&play que é instalado no sistema.
A National Instruments criou ferramentas de desenvolvimento de driver de instrumentação especial para
completar o ambiente do LabVIEW e ajudar na criação de drivers de instrumento padrão. As ferramentas
a seguir estão disponíveis com o pacote padrão do software:
Driver de Instrumentação Modelo do LabVIEW:
São a fundação para todos os drivers de instrumentação do LabVIEW e aceleram o
desenvolvimento de drivers de instrumentos conformes com o VXIplug&play. Os modelos têm
uma estrutura simples, flexível e um jogo comum de driver de instrumento de VI’s, como
inicialização, auto teste, reset, e questão de erro, para uso no desenvolvimento do driver. Cada um
tem instruções para modificação para o instrumento particular em questão.
CodeLink:
Usuários de Windows podem rodar drivers de instrumento baseados em DLL usando o CodeLink.
O CodeLink automaticamente gera os VI’s do LabVIEW que correspondem a funções de drivers
de instrumentos em DLL assim pode-se construir programas de controle de instrumento com
metodologia de programação gráfica padrão.
IV.2.14-AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
Os Servidores de Automatização Industriais provêem uma interface de programação padrão para PLC’s,
controladores de processo, analisadores, e dispositivo industrial de rede. Um servidor de dispositivo é
composto de componentes de software que executam I/O básico, provêem o protocolo de comunicação
necessária para trocar dados e informação de estado de um dispositivo, e administram os recursos
requeridos para comunicações. Para sistemas que requerem atualização de dados contínuos de
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dispositivos externos como também o controle remoto e administração de recurso de PLC’s múltiplos, e
outros hardwares e protocolos, os Servidores de Automatização Industriais combinados com bibliotecas
de VI correspondentes provêem interface configurada de uso entre o LabVIEW e numerosos dispositivos
de automatização industrial.
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IV.3-ESTUDO DE SISTEMAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS IV.3.1-INTRODUÇÃO
Atualmente a maioria dos cientistas e engenheiros estão usando computadores pessoais (PC’s) com
barramento de expansão para pesquisa em laboratório, controle e automação industrial, além de testes e
medidas. Muitos aplicativos usam placas do tipo plug-in para adquirirem dados e transferi-los diretamente
para a memória do computador. Outros usam sistemas de aquisição de dados remotos acoplados ao PC
via porta paralela ou serial. Obter respostas apropriadas de um sistema de aquisição de dados (DAQ
system) baseado em um PC depende de cada um dos seguintes elementos (ver Figura 3.1):
• Computador pessoal
• Transdutores
• Condicionamento do sinal
• Hardware do DAQ
• Software
Figura 3.1: O sistema de aquisição de dados típico.
IV.3.2-O COMPUTADOR PESSOAL
O computador usado para o sistema de aquisição de dados pode afetar drasticamente as velocidades
máximas permitidas para a aquisição contínua de dados. A tecnologia atual possui classes de
processadores como a Pentium e PowerPC em conjunto com a melhor performace da arquitetura de
barramento PCI., bem como o tradicional barramento ISA/EISA e o NuBus da Macintosh. Com o advento
do PCMCIA, aquisição de dados portátil está rapidamente se tornando uma alternativa mais flexível para
os sistemas de aquisição de dados baseados em desktop PC. Para aplicações de aquisição de dados
remotas que usam a comunicação serial RS-232 ou RS-485, o envio de dados será usualmente limitado
pelas taxas de comunicação serial.
A capacidade de transferência de dados do computador usado pode afetar significativamente a performace
do sistema de aquisição de dados. Os PCV’s possuem I/O programadas e transferências de interrupção.
20
Transferência DMA, não disponível em alguns computadores aumenta a taxa de transmissão do sistema
usando hardware dedicado para transferir dado diretamente para a memória do sistema. Usando este
método o processador não é o responsável por mover dados e está, portanto, livre para se empenhar em
tarefas de processamento mais complexo. Para colher os benefícios da transferência DMA ou de
interrupção, a placa do sistema de aquisição de dados deve ser capaz também de fazer estes tipos de
transferências.
O fator limitante para adquirir grandes quantidades de dados é freqüentemente o drive rígido. Tempo de
acesso ao disco e fragmentação do drive rígido podem reduzir significativamente a máxima taxa na qual o
dado pode ser adquirido e passado ao disco. Para sistemas que precisam adquirir sinais de alta freqüência,
deve-se selecionar um drive rígido de alta velocidade para o PC e certificar-se de que há suficiente espaço
livre no disco (espaço não fragmentado) para guardar os dados.
Aplicações que requerem processamento em tempo real de sinais de alta freqüência, necessitam de um
processador de 32 bits de alta velocidade, acompanhado de co-processador ou um processador plug-in
dedicado como uma placa de processamento de sinais digitais (DSP). Se a aplicação apenas adquire e
efetua leitura uma ou duas vezes por segundo, entretanto, um PC mais lento é satisfatório.
Deve-se também olhar adiante para determinar qual sistema de operação e plataforma de computação
renderá o maior retorno no investimento a longo prazo e ainda ser apto a satisfazer seus objetivos a curto
prazo. Fatores que podem influir na escolha podem ser a experiência e a necessidade tanto da pessoa que
desenvolveu tanto dos usuários de usar o PC para outros fins, tanto agora quanto no futura, além do custo.
Plataformas tradicionais incluem Mac OS que é conhecida por sua simples interface gráfica de usuário, e
Windows 3.X. Windows 95, que tem uma interface de usuário bem desenvolvida se comparada com a do
Windows 3.X também oferece o opção de Ter a configuração de hardware Plug and Play. Além disso,
Windows NT 4.0 que oferece um sistema operacional de 32 bits mais robusto com as mesmas
características do Windows 95.
IV.3.3-TRANSDUTORES
Transdutores detectam fenômenos físicos e fornecem sinais elétricos que o sistema de aquisição de dados
pode medir. Por exemplo, termopares, termistores, resistores de detecção de temperatura (RTD’s) e
sensores de IC convertem temperatura em um sinal analógico que um conversor analógico-digital (ADC)
pode medir. Outros exemplos incluem medidores de força, transdutores de fluxo, e transdutores de
pressão, que medem força, taxa de fluxo e pressão respectivamente. Em cada caso, os sinais elétricos
produzidos são proporcionais ao parâmetro físico que eles estão monitorando.
O termopar, por exemplo, combina dois metais diferentes para gerar voltagem que varia com a
temperatura. Os sinais de saída do termopar possuem um nível muito baixo e mudam apenas de 7 a 40 µV
para cada um grau centígrado (°C) de mudança na temperatura. Medidas precisas de temperatura,
portanto, necessitam de um sistema de condicionamento de sinal que pode amplificar o sinal com um alto
21
ganho ou usar uma resolução muito alta com um nível muito pequeno de ruído e distorção. Medidas com
um termopar necessitam compensação de junção fria. Esta compensação corrige voltagens que são
formadas na conecção do termopar e conduzidas aos metais não similares. Sentindo a temperatura dos
pontos de conexão, o hardware ou software de compensação subtrai esta voltagem de erro da voltagem
medida pelo termopar. Muito acessórios de condicionamento de sinal incluem um sensor de temperatura
IC para esta finalidade.
Outros transdutores, como os RTD’s, termistores e medidores de força respondem à mudanças na
temperatura ou força com uma variação na resistência elétrica. Estes sensores resistivos necessitam de
uma corrente de excitação ou fonte de tensão precisas para detectarem a mudança de resistência.
Termistores têm uma resistência relativamente alta e podem tipicamente ser medidos com uma fonte de
tensão e um resistor de referência. Entretanto RTD’s e medidores de força possuem resistência baixa, e
são dispositivos de baixa sensibilidade que precisam de circuito adicional para acentuar sua sensibilidade
à resistência do fio condutor. RTD’s são usualmente usados numa configuração de 4 fios; um par de fios
conduz a corrente de excitação e o outro par detecta a voltagem do RTD. Esta configuração de 4 fios evita
erros devido a resistência condutora porque a corrente não flui nos condutores conectados ao sistema de
medida. As exigências do condicionamento de sinal para estes e outros transdutores comuns são listados
na Tabela 3.1.
Tabela 3.1: Transdutores comuns, suas características elétricas e exigências básicas para o condicionamento de sinal.
Sensor Características Elétricas Necessidades de condicionamento de sinal Termopar Baixa voltagem de saída
Baixa sensibilidade Saída não linear Linearização
Compensação de junção fria Alta resolução Alta amplificação
RTD Resistência de saída Resistência baixa (»100[W]) Baixa sensibilidade Saída não linear
Corrente de excitação Configuração de 3/4 fios Linearização
Termistor Resistência de saída Alta resistência e sensibilidade Saída drasticamente não linear
Voltagem ou corrente de excitação Resistor de referência Linearização
Sensor de temperatura IC Voltagem ou corrente de saída de alto nível Saída linear
Fonte de energia Ganho moderado
Medidores de força Resistência de saída Baixa resitência Sensibilidade muito baixa Saída não linear
Excitação Configuração em ponte Conecção de 3 fios Linearização
IV.3.4-CONDICIONAMENTO DO SINAL
22
As saídas dos transdutores devem ser condicionadas freqüentemente para prover sinais satisfatório para a
placa do sistema de aquisição de dados. Acessórios de condicionamento de sinal ampliam sinais de baixo
nível, isolam, filtram e excitam para medidas mais precisas, e servem de ponte completa para os
transdutores produzirem sinais de alto nível para a placa do sistema de aquisição de dados.
Complementando, algum transdutores exigem voltagem ou corrente de excitação gerar uma voltagem de
saída.
Amplificação
O tipo mais comum de condicionamento é amplificação. Sinais de termopar de baixo nível, por
exemplo, deveriam ser amplificados para aumentar a resolução e reduzir o ruído. Para a precisão
mais alta possível, o sinal deveria ser amplificado de forma que o máximo alcance de voltagem
do sinal condicionado se iguala ao máximo alcance de entrada do conversor A/D. Resolução
muito alta reduz a necessidade de amplificação alta e provê alcance dinâmico grande.
O sistema de condicionamento de sinal SCXI para a placa do sistema de aquisição de dados tem
vários módulos que amplificam sinais de entrada. O ganho é aplicado aos sinais de baixo nível do
chassi de SCXI localizado perto dos transdutores e envia só sinais de alto-nível para o PC, para
minimizar os efeitos de ruído nas leituras.
Isolamento
Outra aplicação comum para o condicionamento de sinal é isolar as sinais do transdutor do
computador para propósitos de segurança. O sistema sendo monitorado pode conter transientes de
alta-voltagem que poderiam danificar o computador. Uma razão adicional por precisar de
isolamento é ter certeza que as leituras do dispositivo do sistema de aquisição de dados não é
afetado através de diferenças em potenciais de terra ou voltagens de modo-comum. Quando a
entrada da placa do sistema de aquisição de dados e o sinal sendo adquirido são cada
referenciados para “terra,” problemas acontecem se há uma diferença potencial entre os dois
terras. Esta diferença pode conduzir ao que é conhecido como loop de terra, que pode causar
representação inexata do sinal adquirido, ou se muito grande, pode danificar o sistema de medida.
Usando sinais isolados o módulos de condicionamento elimina o loop de terra e assegura que os
sinais são exatamente adquiridos. Por exemplo, os módulos SCXI-1120 e SCXI-1121 provêem
isolamento que pode rejeitar até 240 Vrms de voltagem de modo-comum.
Multiplexação
Uma técnica comum por medir vários sinais com um único dispositivo de medida é
multiplexação. Dispositivos de condicionamento de sinais para sinais analógicos freqüentemente
provê multiplexação para uso com sinais de mudança lenta, como temperatura. Isto está em
complemento a qualquer multiplexação na placa do sistema de aquisição de dados. O conversor
A/D amostra um canal, chaveia para o próximo canal, amostra-o, chaveia para o próximo canal, e
assim por diante. Devido ao mesmo o conversor A/D está amostrando muitos canais em vez de
23
um, a taxa de amostragem efetiva de cada canal individual é inversamente proporcional ao
número de canais amostrados. O módulos SCXI para sinais analógicos empregam multiplexação
de forma que tantos quanto 3072 sinais pode ser medido com uma placa de sistema de aquisição
de dados. Com o multiplexador analógico AM UX - 64T, pode –se medir até 256 sinais com uma
única placa.
Filtragem
A filtragem remove ruído não desejado do sinal que se está tentando medir. Um filtro de ruído é
usado em sinais de classe DC tal como temperatura para atenuar sinais de freqüência mais altos
que podem reduzir a precisão de sua medida. Muitos dos módulos SCXI têm filtros passa-baixas
de 4 Hz e 10 kHz para eliminar ruído antes de os sinais sejam digitalizados pela placa do sistema
de aquisição de dados.
Sinais de classe AC como vibração requerem freqüentemente um diferente tipo de filtro
conhecido como um filtro de antifalsidade. Como o filtro de ruído, o filtro de antifalsidade é um
filtro passa-baixa; porém, tem uma taxa de prazo muito íngreme, de forma que isto quase
completamente remove todos os componentes de freqüência mais alto que a largura de banda de
entrada da placa. Se os sinais não são removidos, eles aparecem erroneamente como sinais dentro
da largura de banda de entrada da placa. Produtos especificamente projetados para medida de
sinal de classe AC, como as placas de aquisição de sinal dinâmico e o módulo SCXI-1141, têm
filtros de antifalsidade embutidos.
Excitação
Condicionamento de sinal também gera excitação para alguns transdutores. Medidores de força,
termistores, e por exemplo, RTD's requerem voltagem externa ou corrente de excitação. Módulos
de condicionamento de sinal para estes transdutores normalmente provêem estes sinais. Medidas
de RTD normalmente são feitas com uma fonte de corrente que converte a variação em
resistência para uma voltagem mensurável. Medidores de força são dispositivos de resistência em
configuração de ponte de Wheatstone, que freqüentemente requer circuito complementar de ponte
e fontes de excitação. Os SCXI-1121, SCXI-1122, família 4350, DAQCard-4050, SC-2042-RTD,
e SC-2043-SG têm na própria placa fontes de excitação de voltagem e corrente que podem ser
usadas para medidores de força, termistores, ou RTD's.
Linearização
Outra função de condicionamento de sinal comum é a linearização. Muitos transdutores, como
termopares, têm uma resposta não linear para mudanças no fenômeno que está medido.
É importante entender a natureza do sinal, a configuração que está sendo usada para medir o sinal e os
efeitos do ambiente que o cerca. Baseando-se nesta informação pode-se facilmente determinar se o
condicionamento do sinal será uma parte necessária do sistema de aquisição de dados.
24
IV.3.5-HARDWARE DE AQUISIÇÃO DE DADOS
Considerações básicas de Entradas Analógicas
As especificações de entrada analógica podem lhe dar informação tanto sobre as capacidades quanto a
precisão do produto do sistema de aquisição de dados. Especificações básicas, que estão disponíveis na
maioria dos produtos do sistema de aquisição de dados dizem o número de canais, taxa de amostragem,
resolução, e o alcance de entrada. O número entradas de canal analógico será especificado para ambas
entradas de fim-único e entrada diferencial nas placas que tem ambos os tipos de entradas.
Entradas de fim-único são todas o referenciadas a um ponto de terra comum. Entradas de fim-único sem
referência são todos referenciadas para AISENSE, não um terra comum. O potencial neste nó pode variar
com respeito ao terra do sistema. Estas entradas são tipicamente usadas quando os sinais de entrada são
de nível alto (31 V), as condutâncias da fonte de sinal para o hardware de entrada analógico são pequenos
(<15 ft), e todos sinais de entrada podem compartilhar um terra de referência comum.
Se os sinais não satisfazem este critério, deve-se usar entrada diferencial. Um sistema de medida
diferencial, ou sem referência, não tem nenhuma de suas entradas amarradas a uma referência fixa. Um
sistema de medida diferencial ideal só responde à diferença de potencial entre dois terminais–as entradas
(+) e (-). Qualquer medida de voltagem com respeito ao terra do amplificador de instrumentação presente
à ambas entradas do amplificador é chamada de voltagem de modo comum.
O termo alcance de voltagem de modo comum descreve a habilidade de uma placa de um sistema de
aquisição de dados em modo diferencial em rejeitar sinais de voltagem de modo-comum. Em modo
diferencial, erros de ruído estão reduzidos porque o ruído de modo-comum captado por ambas
condutâncias é cancelado.
Taxa de amostragem
Este parâmetro especifica com que freqüência conversões podem acontecer. Usando uma taxa de
amostragem mais rápida, adquire-se mais pontos em um determinado tempo, provendo uma
representação melhor do sinal original. Como mostrado na Figura 3.2, deve-se amostrar todos os
sinais de entrada a uma taxa suficientemente rápida de modo a reproduzir o sinal analógico
fielmente.
Obviamente, se o sinal está mudando mais rapidamente que a placa do sistema de aquisição de
dados está digitalizando, são introduzidos erros nos dados medidos. Na verdade, dados que são
amostrados muito lentamente podem parecer ser de uma freqüência completamente diferente.
De acordo com o teorema de Nyquist, deve-se amostrar pelo menos duas vezes a taxa do
25
componente de máxima freqüência do sinal para prevenir erros de amostragem. A freqüência
numa metade da freqüência de amostragem é chamado de freqüência de Nyquist. Teoricamente, é
possível recuperar informação sobre sinais com freqüências iguais ou debaixo da freqüência de
Nyquist. Freqüências sobre a freqüência de Nyquist aparecerá entre DC e a freqüência de
Nyquist. Por exemplo, sinais de áudio convertidos para sinais elétricos por um microfone
comumente têm componentes de freqüência de até 20 kHz. Uma placa com uma taxa de
amostragem maior que 40 kS/s é necessária para adquirir este sinal corretamente.
Figura 3.2: Efeitos de uma taxa de amostragem muito baixa.
Métodos de amostragem
Quando adquirindo dados de muitos canais de entrada, o multiplexador analógico conecta cada
sinal para o conversor A/D a uma taxa constante. Este método, conhecido como escaneamento
contínuo, é significativamente menos caro que ter um amplificador separado e conversor A/D
para cada canal de entrada.
Devido ao fato do multiplexador chavear entre canais, um tempo esconso é gerado entre cada
amostra de canal. Um multiplexador analógico conecta um dos sinais de entrada para o conversor
A/D para processamento. Este método é apropriado para aplicações onde a relação de tempo entre
pontos amostrados é sem importância. Para aquelas aplicações onde a relação de tempo entre
entradas é importante (como análise de fase de sinais AC), precisa-se amostrar simultaneamente.
Produtos de sistemas de aquisição de dados capaz de amostragem simultânea usam circuitos de
sample and hold para cada canal de entrada. Pode-se simular hardware de amostragem simultânea
sem pagar por circuito adicional de sample and hold. Escaneamento com intervalo cria o efeito de
amostragem simultânea para sinais de baixa-freqüência, como temperatura e pressão, enquanto
mantendo o custo benéfico de escaneamento contínuo. Este método escaneia os canais de entrada
a um intervalo e usa um segundo intervalo para determinar o tempo antes de repetir o
escaneamento. Os canais de entrada são escaneados em microsegundos, criando o efeito de
simultaneamente amostrar os canais de entrada.
Multiplexação
Uma técnica comum por medir vários sinais com um único conversor A/D é a multiplexação.
Uma multiplexação seleciona e dirige um canal ao conversor A/D para digitalização, então
chaveia para outro canal e repete. Porque o mesmo conversor A/D está amostrando muitos canais,
a taxa efetiva de cada canal individual é reduzida em proporção ao número de canais amostrados.
Como um exemplo, um amostrador PCI-MIO-16E-1 a 1.25 MS/s em 10 canais amostrarão
efetivamente cada canal individual a 125 kS/s por canal.
Pode-se usar freqüentemente multiplexadores analógicos externos para aumentar o números de
canais que uma placa pode medir. Por exemplo, SCXI usa módulos de multiplexação para
26
ampliar o número de canais de entrada a até 3.072 com uma única placa. Com o multiplexador
analógico AMUX-64T, pode-se medir até 256 sinais com uma única placa. A taxa de amostragem
é reduzida proporcionalmente por esta multiplexação externa adicional.
Resolução
O número de bits que o conversor A/D usa para representar o sinal analógico é a resolução.
Quanto mais alta a resolução, mais alta o número de divisões que o abrangência de voltagem está
dividido, e portanto, menor a mudança de voltagem de detectável. A Figura 3.3 mostra uma onda
de seno e sua imagem digital correspondente como obtida por um conversor A/D ideal de 3-bit.
Um conversor de 3-bit divide a variação analógico em 2 3, ou 8 divisões. Cada divisão é
representada por um código binário entre 000 e 111. Claramente, a representação digital não é
uma representação boa do sinal analógico original porque informação se perdeu na conversão.
Aumentando a resolução para 16 bits, porém, o número de códigos do conversor A/D aumenta de
8 a 65.536 e pode-se obter então uma representação digital extremamente precisa do sinal
analógico, se o resto do circuito da entrada analógica é projetado corretamente.
Figura 3.3: Onda seno digitalizada com resolução de 3 bits.
Alcance
Alcance se refere ao mínimo e máximo níveis de voltagem que o conversor A/D pode medir.
Caso a placa do sistema de aquisição de dados ofereça alcances selecionáveis de forma que a
placa é configurada para trabalhar com uma variedade de níveis de voltagem diferentes. Com esta
flexibilidade, pode-se casar o alcance do sinal de forma que o conversor A/D leve a melhor
vantagem da resolução disponível para medir o sinal com precisão.
O alcance, resolução, e ganho disponíveis em uma placa do sistema de aquisição de dados
determinam a menor mudança variável na voltagem. Isto mudança em voltagem representa 1 LSB
do valor digital, e é freqüentemente chamado de largura de código. A largura de código ideal é
achada dividindo-se o alcance de voltagem pelo ganho multiplicado por dois elevado a ordem de
bits da resolução. Por exemplo, uma placa de aquisição de dados de 16-bit, PCI-MIO-16XE-10,
tem um alcance selecionável de 0 a 10 ou -10 a 10 V e ganho selecionável de 1, 2, 5, 10, 20, 50,
27
ou 100. Com um alcance de voltagem de 0 a 10 V, e um ganho de 100, a largura de código ideal
é:
V5,12x100V1016
µ=
Então, a resolução teórica de um bit no valor digitalizado é 1,5 µV.
Considerações críticas de Entradas Analógicas
Embora as especificações básicas previamente descritas podem mostrar que uma placa de um sistema de
aquisição de dados tem um conversor A/D de resolução de 16-bit com um taxa de amostragem de 100
kS/s, isto não significa que se pode amostrar todos os 16 canais a 100 kS/s e ainda adquirir uma precisão
de 16-bit. Por exemplo, pode-se comprar produtos no mercado hoje com conversores A/D's de16-bit e
adquirir menos de 12 bits de dados úteis. Para determine se sua placa lhe dará os resultados desejados,
deve-se examinar as especificações. Enquanto avaliando podutos de sistemas de aquisição de dados,
considere a não-linearidade diferencial (DNL), precisão relativa, tempo de ajuste (settling time) do
amplificador de instrumentação, e especificações de ruído.
Figura 3.4: Pode-se determinar a precisão relativa de uma placa de aquisição de dados usando-se uma linha reta aparente (Figura 3.4a), que vem da varredura através dos alcances de entrada da placa e
plotando os códigos de saída correspondentes, e subtraindo uma verdadeira linha reta ajustada entre as extremidades. A Figura 3.4b mostra os resultados, que indica que a precisão relativa da placa é 0,5 LSB.
Não-Linearidade Diferencial (DNL)
Idealmente, conforme aumenta-se o nível de voltagem aplicado a uma placa de sistema de
aquisição de dados, os códigos digitais do conversor A/D também deveriam aumentar
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linearmente. Caso fosse plotar-se a voltagem versus o código de saída de um conversor A/D ideal,
a figura seria uma linha reta (veja Figura 3.4a). Divergências desta linha reta ideal é especificada
como a não-linearidade.
A largura de código analógico ideal define a unidade analógica chamada o bit menos significativo
(LSB). DNL é uma medida em LSB do pior caso de divergência de larguras de código do valor
ideal de 1 LSB. Uma placa de sistema de aquisição de dados perfeita tem um DNL de 0 LSB.
Praticamente, uma boa placa de sistema de aquisição de dados, terá um DNL dentro de ±0,5 LSB.
Não há nenhum limite superior em quanto largo um código pode ser. Códigos não têm larguras
menores de 0 LSB, assim o DNL nunca é pior que -1 LSB. Uma placa de sistema de aquisição de
dados, com desempenho pobre pode ter uma largura de código igual ou muito próximo de zero,
que indica um código perdido. Não importa a voltagem introduzida à placa de sistema de
aquisição de dados com um código perdido, a placa nunca vai digitalizar a voltagem para o valor
representado por este código. Às vezes DNL é “especificado” declarando-se que uma placa de
sistema de aquisição de dados não tem nenhum código perdido. Esta declaração significa só que o
DNL é limitado abaixo por -1 LSB mas nada diz sobre seu limite superior.
Pode-se pensar em DNL em termos de subir uma escada. Para uma placa com DNL perfeito, cada
passo é feito com uma altura e largura perfeitas. Mas para placas com DNL pobre, ou códigos
perdidos, os passos não são uniformes, alguns são mais longos, outros são mais altos que o passo
ideal (veja Figura 3.5). Se o sistema de aquisição de dados no exemplo anterior, que teve uma
largura de código de 1,5 µV, tivesse um código perdido ligeiramente superior a 500 µV, então
aumentando-se a voltagem para 502 µV não iria ser detectável. Só quando a voltagem é
aumentada outro LSB, ou além de 503 µV, a mudança de voltagem será detectável. DNL pobre
reduz a precisão da placa.
29
Figura 3.5: A função de transferência do conversor A/D ideal (Figura 3.5a) consiste em uma perfeita escada regular e tem um DNL de 0 e nenhum código perdido. Uma função de transferência pobre tem um código perdido em 120µV (Figura 3.5b). Não importa que voltagem de entrada o conversor A/D recebe,
ele nunca dará na saída o código 00...0101, que corresponde a 120µV.
Precisão relativa
Precisão relativa é a medida em LSB’s do pior caso de divergência da função de transferência de
uma linha reta da placa do sistema de aquisição de dados . Pode-se determinar a precisão relativa
de uma placa de sistema de aquisição de dados varrendo uma voltagem aplicada do negativo ao
positivo de uma escala de voltagem completa e digitalizando-a. Plotando os pontos digitalizados
resulta em uma linha reta aparente (veja Figura 3.4a). Porém, se for subtraído uma linha reta atual
(calculada) dos valores digitalizados e plota os pontos resultantes, como mostrado na Figura 3.4b,
uma divergência de zero é vista. A máxima divergência de zero é a precisão relativa da placa de
sistema de aquisição de dados.
Precisão relativa boa é importante para uma placa de sistema de aquisição de dados porque
assegura que a tradução do valor de voltagem atual para o código binário do conversor A/D é
preciso. Para se obter precisões relativas boas, necessita-se um projeto apropriado tanto do
conversor A/D quanto do circuito analógico em volta.
Tempo de Ajuste
Em um típica placa de sistema de aquisição de dados plug-in, um sinal analógico é selecionado
primeiro por um multiplexador, e então amplificado por um amplificador de instrumentação antes
de seja convertido a um sinal digital pelo conversor A/D. Este amplificador de instrumentação
deve poder localizar a saída do multiplexador na medida em que ele chaveia os canais, e também
ajustar rapidamente para a precisão do conversor A/D (Figura 3.6). Caso contrário, o conversor
A/D vai converter um sinal analógico que ainda está em transição do valor do canal prévio para o
valor do canal atual que se deseja medir. A duração requerida para o amplificador de
instrumentação ajustar para uma precisão especificada é chamado o tempo de ajuste. Tempo de
ajuste pobre é um problema grande porque a quantia de inexatidão normalmente varia com ganho
e taxa de amostragem. Devido a estes erros acontecerem nas fases analógicas da placa do sistema
de aquisição de dados, a placa não pode devolver uma mensagem de erro ao computador quando
o amplificador de instrumentação não ajusta.
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É muito provável que o amplificador de instrumentação não ajuste quando se está amostrando
vários canais a altos ganhos e taxas altas. Sob tais condições, o amplificador de instrumentação
tem dificuldade em localizar diferenças de voltagem grandes que podem acontecer enquanto o
multiplexador chaveia entre sinais de entrada. Quanto mais alto o ganho e quanto menor o tempo
de chaveamento do canal, o menos provável é que o amplificador de instrumentação ajustará. De
fato, nenhum amplificador de instrumentação de ganho programável pode ajustar para uma
precisão de 12-bit em menos que 2 µs quando amplificando a um ganho de 100.
Figura 3.6: A entrada para um amplificador de instrumentação que está multiplexando 40 sinais DC aparenta ser um sinal AC de alta freqüência.
Ruído
Valores que aparecem no sinal digitalizado que são diferentes do sinal atual são chamados ruído.
Porque o PC é um ambiente digital ruidoso, adquirir dados em uma placa plug-in requer um
layout muito cuidadoso em placas de sistema de aquisição de dados de múltiplas camadas, feitas
por desenhistas de alta qualidade. Simplesmente colocando um conversor A/D, amplificador de
instrumentação, e circuito de interface de barramento em uma placa de uma ou duas camadas vai,
na maioria das vezes, resultar em uma placa de sistema de aquisição de dados muito ruidosa.
Desenhistas podem usar metal protegendo uma placa de sistema de aquisição de dados para
ajudar reduzir ruídos. Proteção adequada não só deveria ser adicionada ao redor seções analógicas
sensíveis em uma placa de sistema de aquisição de dados, mas também deve ser colocado entre as
camadas da placa de sistema de aquisição de dados com planos de terra. suba a bordo com aviões
de solo.
31
A Figura 3.7 mostra a plotagem do ruído DC de dois produtos de sistema de aquisição de dados,
ambos usando o mesmo conversor A/D. Duas qualidades da placa de sistema de aquisição de
dados podem ser determinadas a partir da plotagem dos ruídos–alcance de ruído e a distribuição.
A plotagem na Figura 3.7a (de uma place de sistema de aquisição de dados de 16 bits), tem uma
distribuição alta de amostras em 0 e um número muito pequeno de pontos que acontecem em
outros códigos. A distribuição é Gaussiana que é esperado de ruído aleatório. Da plotagem, o
nível de ruído de pico está dentro de ±3 LSB. A plotagem na Figura 3.7b é um produto de sistema
de aquisição de dados muito ruidoso. Tem ruído maior que 20 LSB, com muitas amostras que
acontecem a pontos diferentes do valor esperado. Para os produtos de sistema de aquisição na
Figura 3.7, o teste foi feito com um alcance de entrada de ±10 V e um ganho de 10. Então, 1 LSB
= 31 µV, assim um nível de ruído de 20 LSB é equivalente a 620 µV de ruído.
Figura 3.7: Plotagens de ruído de dois produtos de sistema de aquisição de dados que têm desempenho de ruído significativamente diferente embora eles usem o mesmo conversor A/D de16-bit. O valor
esperado deve ter a distribuição tão perto de zero quanto possível. Figure 3.7a. é o Nacional Instrumentos AT-MIO-16XE-10 que têm códigos que variam de -3 LSB a +3 LSB. Os códigos em ±3 LSB têm menos que 10 -4 e 10 -7 probabilidade de ocorrência. Um produto de sistema de aquisição de dados
que não é da National Instruments na Figura 3.7b. tem ruído tão alto quanto ±20 LSB, com um probabilidade (10 -4) de códigos ocorrerem tanto quanto 15 LSB do valor esperado.
Saídas Analógicas
Circuito para saída analógica é exigido freqüentemente para fornecer estímulo para um sistema de
aquisição de dados. Várias especificações para conversores D/A's determinam a qualidade do
sinal de saída produzido–tempo de ajuste, slew rate, e resolução. Tempo de ajuste e slew rate
trabalham em conjunto determinando quanto rápido o conversor A/D pode mudar o nível do sinal
de saída. Tempo de ajuste é o tempo requerido para a saída alcançar a precisão especificada. O
tempo de ajuste normalmente é especificado para uma mudança de escala completa na voltagem.
A slew rate é a máxima taxa de mudança que o conversor D/A pode produzir no sinal de saída.
Então, um conversor D/A com um tempo de ajuste pequeno e uma alta slew rate pode gerar sinais
32
de alta freqüência, porque pouco tempo é preciso mudar a saída com precisão a um nível de
voltagem novo.
Um exemplo de uma aplicação que requer desempenho alto nestes parâmetros está na geração de
sinais de áudio. O conversor D/A requer uma alta slew rate e tempo de ajuste pequeno para gerar
as altas freqüências necessárias para cobrir o alcance de áudio. Em contraste, um exemplo de
uma aplicação que não requer conversão D/A rápida é uma fonte de voltagem que controla um
aquecedor.
Porque o aquecedor não pode responder a uma mudança de voltagem rapidamente, conversão
D/A rápida não é necessária. A aplicação vai determine as especificações do conversor D/A.
Resolução de saída é semelhante à resolução de entrada. É o número de bits no código digital que
gera a saída analógica. Um número maior de bits reduz a magnitude de cada aumento de
voltagem de saída, tornando possível gerar assim sinais variáveis suavemente . Aplicações que
requerem um grande alcance dinâmico com mudança de pequenos aumentos de voltagem no sinal
de saída analógico pode precisar de saídas de voltagem de alto-resolução.
I/O Digital
Interfaces de I/O digitais são freqüentemente usadas em sistemas de aquisição de dados do PC
para controlar processos, gerar padrões para testes, e para comunicação com equipamento
periférico. Em cada caso, os parâmetros importantes incluem o número de linhas digitais
disponíveis, a taxa a qual pode-se aceitar e gerar dados digitais, e a capacidade de drive das
linhas. Se as linhas digitais são usadas para controlar eventos como ligar e desligar aquecedores,
motores, ou luzes, uma taxa de dados alta é normalmente não exigida porque o equipamento não
pode responder muito depressa. O número de linhas digitais, claro, precisa casar com o número
de itens que são controlados. Em cada um destes exemplos, a quantidade de corrente exigida para
ligar e desligar os dispositivos tem que ser menor que o drive disponível atual da placa.
Com os acessórios para condicionamento de sinal adequados, porém, pode-se usar os sinais TTL
de baixa corrente do hardware do sistema de aquisição de dados para monitorar e controlar
voltagem alta e sinais corrente de hardware industrial. Por exemplo, a voltagem e corrente
necessária para abrir e fechar uma válvula grande pode ser na ordem de 100 VAC à 2 A. Porque a
saída de uma placa de I/O digital é de 0 a 5 VDC a vários milliampères, uma Série SSR, ER-8/16,
SC-206X , ou módulo de SCXI é precisado para comutar o sinal de potência para controlar a
válvula.
Uma aplicação comum é transferir dados entre um computador e um equipamento como
processadores de dados e impressoras. Devido ao fato deste equipamento normalmente transferir
dados em incrementos de um byte (8-bit), as linhas digitais em uma placa de I/O digital do tipo
plug-in são organizadas em grupos de oito. Além disso, algumas placas com capacidades digitais
33
terão circuitos de handshaking com a finalidade de sincronização de comunicação. O número de
canais, taxa de dados, e capacidades de handshaking são todas especificações importantes que
deveriam ser entendidas e compatíveis à aplicação.
Temporização de I/O
Circuito de contador/temporizador é útil para muitas aplicações, incluindo contagem das
ocorrências de um evento digital, temporização de pulso digital, e geração de ondas quadradas e
pulsantes. Pode-se implementar todas estas aplicações usando três sinais de
contador/temporizador – gate, fonte, e saída. O gate é uma entrada digital usada para habilitar ou
desabilitar a função do contador. A fonte é uma entrada digital que faz com que o contador
incremente a cada vez que ele dá um pulso, e então provê a base de tempo para a operação do
contador. Finalmente, a saída gera ondas quadradas digitais e pulsos na linha de saída.
As especificações mais significantes para operação de um contador/temporizador são a resolução
e freqüência de relógio. A resolução é o número de bits que o contador usa. Uma resolução mais
alta simplesmente significa que o contador pode contar mais alto. A freqüência de relógio
determina quanto rápido pode-se pulsar a fonte digital de entrada. Com freqüência mais alta, o
contador incrementa mais rapidamente e portanto pode detectar sinais de freqüência mais alta na
entrada e gerar pulsos de freqüência mais alta e ondas quadradas na saída.
Masterização de Barramento e Acesso de Memória Direto (DMA) para Sistema de Alto Desempenho
Um aspecto importante ao se criar sistemas de aquisição de dados baseados é alta velocidade de
processamento de dados em conjunto com um simultâneos processamento de dados. Para levar a
cabo tarefas de nível de sistema, é importante não amarrar o processador com a tarefa de
transferir dados para a RAM. O barramento ISA usa circuito especial na placa mãe do
computador para executar acesso de memória direto (DMA) em dados para ou da RAM. Os
componentes de DMA no PC e placa se encarregam da transferência de dados entre a placa e a
RAM eficazmente sem requerer o microprocessador.
O barramento de PCI estende grandemente as taxas de processamento de dados até 132 MBytes/s
e também tem providências para acesso de memória direta com o processador livre. O PCI difere
do ISA no fato de não ter circuito de DMA na placa mãe, mas ao invés permite a “masterização
de barramento” pela placa do sistema de aquisição de dados. Durante a masterização de
barramento, a placa de PCI do sitema de aquisição de dados assume o controle do barramento de
PCI, transfere dados a altas taxas de velocidade, então lança o barramento para outro uso
periférico. A Figura 3.8 mostra dados sendo transferidos para RAM por um barramento de PCI
mestre. Enquanto o dado está entrando, o processador lê os dados executa tarefas de nível de
sistema com isto. É importante notar que não todas as placas de PCI do sitema de aquisição de
dados provêem circuitos de masterização de barramento. PCI sem masterização de barramento
depende das interrupções nas transferências e então requer envolvimento do processador nas
34
transferências, que degrada desempenho de sistema. De fato, sistemas que usam placas de ISA
com DMA superam sistemas que usam placas de PCI escravas.
Figura 3.8: Placas de PCI escravas encarregam o microprocessador com o monitoramento e controle da transferência de dados entre o placa e a RAM. Este método reduz o desempenho global do sistema.
Placas de PCI de masterização de barramento são capazes de transferir dados continuamente a taxas acima de 100 Mbytes/sec sem carregar o microprocessador. Isto resulta em aumento do desempenho de
sistema.
IV.3.6-SOFTWARE
Hardware de sistema de aquisição de dados sem software é de pequeno uso–e hardware de sistema de
aquisição de dados com software pobre pode ser pior. A maioria das aplicações do sistema de aquisição
de dados usa software de driver. Software de driver é o software que diretamente programa os registros
do hardware do sistema de aquisição de dados, administrando sua operação e sua integração com os
recursos de computador, como interrupções de processamento, DMA, e memória. Software de driver
esconde os complicados detalhes de baixo nível de programação de hardware enquanto preservando
desempenho alto, provendo o usuário com uma interface de fácil entendimento.
Quais Funções Estão Disponíveis?
Funções de drive para controlar hardware de sistema de aquisição de dados podem ser agrupadas
em I/O analógico, I/O digital, e temporização de I/O. Embora a maioria dos drivers terem esta
funcionalidade básica, deve-se quererá ter certeza que o driver pode fazer mais que simplesmente
adquirir dados da placa. Certifique-se que o driver tenha a funcionalidade para:
• Adquirir dados a taxas de amostragens específicas
35
• Adquirir dados no segundo plano enquanto processando no primeiro plano (aquisição de
dados contínua)
• Usar I/O programáveis, interrupções, e DMA para transferir dados
• Fluxo de dados para e do disco
• Executar várias funções simultaneamente
• Integrar mais de uma placa de sistema de aquisição de dados
• Integrar com equipamento de condicionamento de sinal
• Estas e outras funções do drive do sistema de aquisição de dados faz com que o usuário
economize tempo de desenvolvimento considerável.
Aquisição de Dados Contínua (Circular)
Ajustando o buffer de dados para agir como buffer circular, pode-se continuamente usar e reusar
o buffer. Como interrupções e operações de DMA colocam dados da placa do sistema de
aquisição de dados no buffer, o programa de aplicação adquire dados do buffer para
processamento, como salvar no disco ou atualizar gráficos de tela. Quando o buffer está cheio, a
interrupção ou operação do DMA reinicializa para o começando do buffer, como mostrado na
Figura 3.9. Desta maneira, coleta de dados contínua e processamento podem ser sustentados
indefinidamente, assumindo que a aplicação pode recuperar e processar dados mais rápido que o
buffer está estando cheio.
Métodos de programação semelhantes existem para saída analógica, I/O digital, e operações de
contador/temporizador. Por exemplo, aquisição de dados contínua é útil em conjunto com saída
analógica para realisar monitoramento em tempo real e controle na aplicação. Enquanto a placa
adquire dados continuamente no segundo plano, pode-se estar computando dados e gerar valores
de saída analógicos usados para controlar um processo. A sofisticação crescente de hardware do
sistema de aquisição de dados, computadores, e software aumenta a importância e valor de um
bom driver de software. Driver de software corretamente desenvolvido entrega uma ótima
combinação de flexibilidade e desempenho, enquanto também reduz significativamente o tempo
exigido para desenvolver a aplicação do sistema de aquisição de dados. Deve-se pesquisar o
driver de software cuidadosamente, bem como o hardware do sistema de aquisição de dados,
fazendo-se várias perguntas.
36
Figura 3.9: Um buffer circular faz aquisição de dados contínua possível. Enquanto o buffer está estando cheio pela placa, o computador pode ler valores previamente adquiridos sem romper o processo de
aquisição.
Quais sistemas operacionais pode-se usar com o drive?
Tenha certeza que o software de drive é compatível com os sistemas operacionais previstos para
serem usados agora e no futuro. O drive também deveria ser projetado para funcionar em
diferentes características e capacidades do sistema operacional. Por exemplo, enquanto os drivers
para Windows 3.x podem ser executados no Windows NT ou 95/98, só drivers escritos em código
de 32-bit completo para Windows NT ou 95/98 podem tirar proveito do desempenho aumentado e
robustez disponível no Windows NT ou 95/98. Os drivers para Windows 95 também deveriam
poder trabalhar junto com Windows 95 Plug-and Play para assegurar que o sistema é fácil para
ajustar e configurar. Pode-se também precisar da flexibilidade para aportar o código facilmente
entre plataformas, isto é, do Windows NT para o sistema operacional do Mac. Software de drive
de NI-DAQ está disponível para Windows NT, Windows 95, Windows 3.1, Mac OS, e DOS.
Quais Linguagens de Programação Pode-se Usar com o Driver?
Tenha certeza que o driver pode ser chamado da linguagem de programação mais usada, e é
projetado para trabalhar bem dentro aquele ambiente de desenvolvimento.
As Funções de Hardware Necessárias São Acessíveis em Software?
Um problema acontece quando um projetista compra hardware de sistema de aquisição de dados,
então combina o hardware com software, só para achar que uma característica crítica de hardware
não é suportada pelo software. O problema acontece mais freqüentemente quando o hardware e o
software é desenvolvido através de companhias diferentes. Fazendo esta questão, pode-se salvar
tempo pesquisando nos manuais de software procurando uma função que não existe.
O Driver Limita Desempenho?
Porque o driver é uma camada adicional, pode causar algumas limitações de desempenho. Além
disso, sistemas operacionais como Windows 3.1 podem ter significantes latências de interrupção.
Se não negociadas corretamente, estas latências podem reduzir grandemente o desempenho do
sistema de aquisição de dados.
37
As respostas para estas perguntas darão uma indicação do esforço que foi em desenvolver o
software de drive. Idealmente, deseja-se obter o software de drive de uma companhia que tem
tanto muitas perícia no desenvolvimento do software do sistema de aquisição de dados quanto no
desenvolvimento do hardware do sistema de aquisição de dados.
Software de aplicação:
Um modo comum e eficiente para programar hardware do sistema de aquisição de dados é usar
software de aplicação. Até mesmo se software de aplicação é usado, é importante saber as
respostas para as perguntas prévias, porque o software de aplicação usará software de driver para
controlar o hardware do sistema de aquisição de dados. Software de aplicação soma análise e
capacidades de apresentação para o software de driver. O software de aplicação também integra
controle de instrumentação (GPIB, RS-232, PXI, e VXI) com aquisição de dados.
A National Instruments oferece, entre outros, o LabVIEW, software de aplicação com uma
metodologia de programação gráfica alternativa, por desenvolver instrumentação completa,
aquisição, e controle de aplicações.
38
IV.4-ESTUDO DE INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL E LÓGICA DIFUSA IV.4.1- INTRODUÇÃO
A lógica difusa desenvolvida e proposta por Lotfi Zadeh em 1965 consiste em expressar as leis
operacionais de um sistema de controle através de termos lingüísticos, ao invés de equações matemáticas,
como ocorre na metodologia clássica, sendo esta, talvez, a sua principal vantagem. Esta lógica é,
principalmente, aplicada em sistemas em que o grau de complexidade é tal que a sua modelagem, através
de equações matemáticas, torna demasiadamente impreciso o seu controle. Estas imprecisões podem estar
relacionadas as não linearidades, variação natural do tempo do processo a ser controlado, ruídos
ambientais, degradação dos sensores ou outras dificuldades em obter medidas precisas e de confiança que
retratem o real comportamento do sistema. O uso da lógica difusa nesses sistemas complicados utilizam
das vantagens inerentes ao uso dos termos lingüisticos, para representá-los corretamente. Esses termos
são muitas vezes expressos na forma de implicações lógicas tal como regras contendo: “SE-ENTÃO”.
O termo “lógica difusa” (fuzzy logic) fornece a sensação de ser uma metodologia imprecisa onde a
exatidão não é necessária ou importante, pois em um mundo grandemente manipulado por computadores,
com seus conceitos absolutos de “1” e “0” e “on” e “off”, um termo como lógica difusa sugere inexatidão
ou imprecisão. Porém, na prática, esta imprecisão não acontece [4]. A lógica difusa, ao contrário da lógica
tradicional, utiliza conhecimentos recebidos a partir de especialistas, profundos conhecedores dos
sistemas a serem controlados, para descreverem o funcionamento desses sistemas e orientarem o controle
a ser implementado. Porém, o conhecimento a ser recebido dos especialistas também pode não ser
transmitido de modo suficientemente claro. Assim, uma descrição lingüistica imprecisa da maneira de se
controlar o sistema pode ser usualmente articulada pelo especialista com relativa tranqüilidade. Uma
descrição lingüistica fácil de se usar, e que deve ser utilizada como norma pelos especialistas, consiste de
um conjunto de regras do tipo:
• SE A acontecer e B ocorrer, ENTÃO faça-se C
IV.4.2-COMPARAÇÃO ENTRE A LÓGICA DIFUSA E A CLÁSSICA
Para ilustrar a diferença existente entre a lógica difusa e a aproximação tradicional pode-se considerar um
rápido exemplo retirado de [4]. Nesse exemplo, um ventilador deve ser controlado baseando-se nas
seguintes condições:
• SE a temperatura do ar é ³ 70 º Fahrenheit, ENTÃO ajuste a velocidade do ventilador para
1000 rpm
• SE a temperatura do ar é < 70 º Fahrenheit, ENTÃO ajuste a velocidade do ventilador para
100 rpm
Um controle tradicional confia em um ponto de decisão discreto. Neste caso a entrada precisa alcançar
um determinado valor (70 ºF) antes de tomar uma decisão. A Figura 4.1 mostra o diagrama do
39
controlador tradicional exemplificado acima. Pequenas variações na entrada poderiam causar saídas
drasticamente diferentes. É o que aconteceria caso a temperatura variasse em torno de 69,5 º F até 70,5 º
F. Estes pontos de transição são críticos para sistemas tradicionais sendo onde a lógica difusa se supera.
Figura 4.1: Controle tradicional.
Na lógica difusa os termos usados são os que se aproximam das condições diárias, como no caso do
exemplo, para variáveis de entrada FRIO, MORNO e QUENTE ou para variáveis de saída LENTO,
MÉDIO e RÁPIDO. Deste modo, os termos citados acima são parâmetros que definem faixas de valores
conhecidos como funções de pertinência, normalmente variando entre 0 e 1. As Figuras 4.2 e 4.3 mostram
as funções de pertinência para variáveis de entrada e saída respectivamente.
Figura 4.2: Funções de pertinência para variável de entrada.
40
Figura 4.3: Função de pertinência para variável de saída
Escolhendo uma faixa de valores ao invés de um simples valor discreto para definir a variável de entrada
da temperatura do ar, é possível controlar a variável de saída da velocidade do ventilador mais
precisamente.
Para descrição desse problema, são utilizadas.regras do tipo:
• SE a temperatura do ar é MORNO, ENTÃO ajuste a velocidade do ventilador para MÉDIO
IV.4.3–O CONTROLADOR DIFUSO
Introdução
Um controlador difuso é basicamente constituído por 3 blocos, cada bloco correspondendo as seguintes
fases:
• Fuzzificação.
• Inferência
• Defuzzificação
Figura 4.4: Fases de implementação da lógica difusa.
A Figura 4.4 apresenta um diagrama em blocos da seqüência de implementação de um controlador
baseado na lógica difusa (fuzzy). Um controlador difuso opera repetindo um ciclo das três fases
anteriores. Primeiro as medidas são feitas de todas as variáveis que representam condições relevantes do
processo a ser controlado. Depois, essas medidas são convertidas em apropriados conjuntos difusos. Esse
41
passo é chamado de fuzzificação. As medidas fuzzificadas serão então usadas pela fase de inferência para
em conjunto com as regras de controle estabelecidas, definirem conjuntos difusos para a fase de
defuzzificação. O resultado é um conjunto difuso (ou vários conjuntos difusos) definidos no universo de
ações possíveis. O conjunto difuso é então convertido no passo final do ciclo, na fase de defuzzificação,
em um simples valor ou vetor de valores. Estes valores defuzzificados representam ações a serem
tomadas pelo controlador fuzzy em ciclos de controle individual. Aplicando-se os conceitos aqui
colocados no exemplo apresentado e analisando cada uma das fases tem-se:
Fuzzificação
Aplicando-se o exemplo do ventilador, tem-se que as funções de pertinência serão: FRIO,
QUENTE e MORNO com suas faixas definidas na Figura 4.5. Nesta fase são determinados os
graus de pertinência, que variam entre 0 e 1, da variável de entrada da “temperatura do ar”, para
cada função de pertinência (FRIO, MORNO ou QUENTE). Mais de uma função de pertinência
pode estar ativa para uma determinada entrada. Para o exemplo, quando a variável de entrada da
temperatura do ar estiver em 70º Fahrenheit implicará na ativação das funções de pertinência
QUENTE e MORNO. Nesse caso, tem-se uma pertinência de 0,17 para a função QUENTE e 0,37
para a função MORNO.
Figura 4.5: Processo de fuzificação
Inferência
Uma vez que funções de pertinência tendo sido definidas para variáveis de entrada e saída, uma
base de regras de controle deve ser desenvolvida para relatar as ações da saída do controlador
para as entradas observadas. Esta fase é conhecida como inferência ou definição das regras para a
lógica difusa. Existem dois principais caminhos na qual as regras de inferência relevantes podem
ser determinadas. Um modo é deduzir as regras através de operadores humanos experientes [5], e
o outro é obter dados empíricos através de métodos de aprendizado adequado, geralmente com o
uso de redes neurais [5]. Para o exemplo citado, algumas regras podem ser mostradas abaixo:
42
• SE a temperatura do ar é FRIO, ENTÃO ajuste a velocidade do ventilador para LENTO
• SE a temperatura do ar é QUENTE, ENTÃO ajuste a velocidade do ventilador para RÁPIDO
• SE a temperatura do ar é MORNO, ENTÃO ajuste a velocidade do ventilador para MÉDIO
Da fase de fuzzificação obtém-se as funções que foram ativadas devido ao valor da variável de
entrada da temperatura do ar estar em 70 º Fahrenheit. Para esse valor de entrada foram ativadas
as funções de pertinência QUENTE e MORNO. Das regras acima tem-se que as funções de
pertinência de saída ativadas para esse valor, da variável de entrada da temperatura do ar, são as
funções RÁPIDO e MÉDIO respectivamente.
Essas regras “SE-ENTÃO” podem relatar múltiplas variáveis de entrada e saída. As regras são
baseadas em descrições de palavras ao invés de definições matemáticas. Qualquer relação que
possa ser descrita com termos lingüisticos pode tipicamente ser definida por um controlador
lógico difuso. Isso significa que sistemas não lineares podem ser descritos e facilmente
controlados com um controlador lógico difuso. Diferentes regras tem diferentes impactos no
controlador, de acordo com a medida da variável de entrada.
Defuzzificação
Após o controlador lógico difuso avaliar as entradas e aplicar as regras para estas entradas, é
necessário gerar uma saída para o sistema que está sendo controlado. Isso pode significar ajustar
uma tensão ou uma corrente para um valor particular, de forma a controlar a velocidade de um
ventilador, ou a velocidade ótima de um braço robótico quando ele está próximo do alvo. O
controlador lógico difuso necessita converter suas variáveis internas de saída em valores discretos
que podem ser usados pelo sistema controlado. Como determinado na fase de inferência, para o
valor da variável de entrada da temperatura do ar de 70 º Fahrenheit, as funções de pertinência de
saída ativadas foram RÁPIDO e MÉDIO, com pertinências respectivas de 0,37 e 0,17. Dessa
forma obtém-se os valores da variável de saída da velocidade do ventilador. Para a função de
pertinência RÁPIDO os valores encontrados para a variável de saída foram 680 rpm e 1200 rpm.
Para a função de pertinência MÉDIO os valores encontrados para a variável de saída da
velocidade do ventilador foram 375rpm e 710 rpm. A Figura 4.6 ilustra o que foi explicado
acima.
43
Figura 4.6: Processo de defuzificação.
Da Figura 4.6 percebe-se que se obteve diversos valores da variável de saída para a velocidade do
ventilador. É necessário extrair um valor que seja útil para o sistema. A essa conversão dá-se o
nome de defuzzificação. Existem vários métodos de defuzzificação apresentados na literatura [5].
Um dos métodos de defuzzificação utilizado é o método dos máximos. Neste método, o máximo
valor de pertinência relativa é usado para determinar o valor numérico para a saída do
controlador. Dessa forma, no exemplo aqui utilizado, são encontrados dois valores para essa
variável de saída: 375rpm e 710 rpm. Um dos inconvenientes do método de defuzzificação que
utiliza os máximos são as soluções múltiplas.
Um outro método de defuzificação utilizado é o método do centróide (ou método do centro de
gravidade, ou método do centro de área), sendo esse o mais bem conhecido método de
defuzificação [6]. Esse método é computacionalmente mais complexo e por esta razão implica em
ciclos de inferência mais lentos. Nele todos os valores de pertinência relativas a um valor da
variável de entrada são utilizados, formando uma figura geométrica (Figura 4.7). Dessa forma é
calculado o valor do centróide dessa figura geométrica, sendo que, o valor encontrado para o
exemplo citado é de 635 rpm. A vantagem do método de defuzzificação do centróide é a
eliminação de saídas múltiplas, como no método dos máximos.
44
Figura 4.7: Método de defuzzificação do Centróide.
O método do menor dos máximos também é usado para se fazer a defuzzificação. Esse método
toma o menor valor defuzzificado da máxima pertinência relativa do processo de defuzzificação.
Para o caso do exemplo, a máxima pertinência relativa tem o valor de 0,37 e dessa forma os
valores defuzzificados obtidos foram 375rpm e 710 rpm, resultando no valor defuzzificado de
375 rpm. Isso é mostrado na Figura 4.8.
Figura 4.8: Método de defuzzificação do Menor dos máximos.
Por sua vez, o método do maior dos máximos toma o maior valor defuzzificado da máxima
pertinência relativa do processo de defuzzificação. Para o caso do exemplo, a máxima pertinência
relativa tem o valor de 0,37 e dessa forma os valores defuzzificados obtidos foram 375rpm e 710
rpm, resultando no valor defuzzificado de 710 rpm, que é mostrado na Figura 4.9.
45
Figura 4.9: Método de defuzzificação do Maior dos máximos.
O método da média dos máximos, é muito similar ao método do menor e maior dos máximos. Ao
invés de determinar o menor ou o maior valor defuzzificado da máxima pertinência relativa ao
processo de defuzzificação, esse método toma média desses dois valores. Dessa forma, o valor
defuzzificado obtido, para o exemplo citado, é 542,5 rpm, representado na Figura 4.10.
Figura 4.10: Método de defuzzificação da Média dos máximos.
46
V) PRÓXIMAS ETAPAS DO TRABALHO E CRONOGRAMA
O estudo da lógica difusa seguirá sendo feito, pois a mesma é de fundamental importância para as etapas
seguintes.
Especificar-se-á um sistema para ser aplicado a instrumentação virtual e o controle usando a lógica
difusa. Serão definidas as especificações do projeto, com os parâmetros e características.
Definido o sistema, o mesmo será simulado, usando o programa “Matlab”, juntamente com o “Toolbox
Fuzzy Logic”, definindo, dessa forma, as regras de inferência do sistema. Assim será possível o
desenvolvimento de um programa para ser aplicado na montagem do sistema, de modo a interagir com a
placa de aquisição de dados.
Com relação à placa de aquisição de dados, tem-se a opção do uso de duas: a AT-DSP2200 e a AT-MIO-
16E, ambas da National Instruments. A primeira tem a vantagem de ser mais rápida para o uso em
controle em tempo real pois possui 2 entradas analógicas que são amostradas simultaneamente com 16-bit
de resolução e a saída analógica também possui 2 canais de conversão simultânea. Já a segunda tem a
vantagem de possuir um maior número de entradas analógicas, pois possui 8 canais diferenciais e 16
canais de fim simples (single ended), todas com 12-bit de resolução. Depois de definido o sistema de
aplicação, será feita a escolha da placa que melhor atende às necessidades deste sistema.
O cronograma para as próximas fases obedecerá o proposto no plano de pesquisa inicial.
47
VI) CONCLUSÃO
Até o presente momento, foram desenvolvidas todas as etapas propostas inicialmente.
As literaturas básicas foram conseguidas, dessa forma fez-se a opção e definiu-se pelo uso do software de
instrumentação virtual da National Instruments chamado LabVIEW, o estudo dos princípios de um
sistema de aquisição de dados bem como os conceitos sobre a lógica difusa.
Um contato pôde ser feito contato com o software LabVIEW e aprendeu-se a estrutura do mesmo,
concluindo que tal aplicativo possui ferramentas poderosas o que possibilita que sejam feitos controles e
simulações de processos se forma rápida e intuitiva, já que se trabalha com diagramas de blocos, não
necessitando de programação. Além disso, pode-se facilmente interagir no processo.
Observou-se as partes principais de um sistema de aquisição de dados, tendo-se dessa forma o
conhecimento dos processos necessários para se adquirir eficientemente um dados, bem como o
tratamento que se deve dar a este dado.
A respeito da lógica difusa, pôde-se ter um primeiro contato com a mesma. Verificou-se que ela é muito
útil principalmente em sistemas mais complexos já que está lógica não utiliza conceitos matemáticos e
sim conceitos lingüísticos.
Com o trabalho até aqui realizado, conseguiu-se uma grande quantidade de novos conhecimentos a
respeito da instrumentação virtual, uma área que é muito largamente usada atualmente no mercado de
trabalho. Aprendeu-se um software de instrumentação virtual que oferece muitos recursos. Dessa forma
houve um enriquecimento muito grande no processo de aprendizagem que futuramente será de grande
importância.
Devido ao andamento dado ao projeto, andamento este devido ao recursos obtidos bem como a motivação
adquirida, todos os objetivos propostos serão atingidos e o projeto será finalizado dentro do prazo.
VII) SITES PESQUISADOS
1) http://www.natinst.com
2) http://austinlinks.com/fuzzy
3) http://www.hp.com/
48
VIII) BIBLIOGRAFIA
[1] National Instruments-Instrumentation Catalogue, Measurement and Automation 1998
[2] Botura, César Augusto, “Estudo e projeto de um controlador usando lógica difusa
aplicado ao controle ativo de um combustor do tipo tubo de Rijke”, Dissertação de
mestrado, 1998, UNESP Campus de Guaratinguetá
[3] “The Fundamental of Data Acquisition”; Hewlett Packard, USA
[4] Adcock, Timothy A., Digital Signal Processing”, Semiconductor Group, Texas
Instruments Incorporated, Janeiro 1993
[5] Klir, G. J., Yuan, B., “Fuzzy Sets and Fuzzy Logic – Theory and Aplications”,
Springer, Prentice Hall, pp 333-334, 1995
[6] D. Driankov, H. Hellendoorn, M. Reinfrank, “Na Introduction to Fuzzy Control”,
Springer, 2a edição, pp134, 1996
__________________________ __________________________
Daniel Satoshi Marimoto Galdenoro Botura Junior
Bolsista Orientador
Universidade Estadual Paulista
“Júlio de Mesquita Filho”
UNESP
Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá
Departamento de Engenharia Elétrica
AQUISIÇÃO E CONTROLE UTILIZANDO
INSTRUMENTAÇÃO VIRTUAL
Autor: Daniel Satoshi Marimoto
Orientador: Prof. Dr. Galdenoro Botura Junior
Novembro de 1999
2
ÍNDICE
I) TÍTULO DO TRABALHO ..................................................................................................................................... 4
II) OBJETIVO ............................................................................................................................................................. 4
III) RESUMO DO PLANO INICIAL ........................................................................................................................ 4
IV) FASES DO PLANO DE PESQUISA ................................................................................................................... 5
IV.1- LEVANTAMENTO BIBLIOGRÁFICO DA LITERATURA EXIGIDA PARA A PESQUISA .................... 5
IV.2 - ESTUDO DE FERRAMENTAS DE “SOFTWARE” PARA USO EM INSTRUMENTAÇÃO VIRTUAL .. 5
IV.2.1-INTRODUÇÃO .......................................................................................................................................... 5
IV.2.2-VISÃO GERAL ........................................................................................................................................... 6
IV.2.3-DESENVOLVENDO UM SISTEMA COMPLETO .................................................................................... 6
IV.2.4-VANTAGENS DE SE USAR O LABVIEW ................................................................................................. 7
IV.2.5-APLICAÇÕES ............................................................................................................................................ 7
IV.2.6-USO ............................................................................................................................................................ 8
IV.2.7-CONTROLE DE INSTRUMENTO, AQUISIÇÃO E ANÁLISE DE DADOS E CONECTIVIDADE ........ 10
IV.2.8-APLICAÇÕES SOLITÁRIAS .................................................................................................................... 11
IV.2.9-FUNCIONALIDADE DISPONÍVEL ........................................................................................................ 11
IV.2.10-ANÁLISE DE DADOS EMBUTIDA ....................................................................................................... 14
IV.2.11-REQUERIMENTOS DE SISTEMA ........................................................................................................ 15
IV.2.12-FERRAMENTAS DE DISTRIBUIÇÃO .................................................................................................. 16
IV.2.13-DRIVER DE INSTRUMENTOS DO LABVIEW ..................................................................................... 16
IV.2.14-AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL ................................................................................................................ 17
IV.3-ESTUDO DE SISTEMAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS ............................................................................. 19
IV.3.1-INTRODUÇÃO ........................................................................................................................................ 19
IV.3.2-O COMPUTADOR PESSOAL ................................................................................................................. 19
IV.3.3-TRANSDUTORES .................................................................................................................................... 20
IV.3.4-CONDICIONAMENTO DO SINAL ......................................................................................................... 21
IV.3.5-HARDWARE DE AQUISIÇÃO DE DADOS ............................................................................................ 24
IV.3.6-SOFTWARE ............................................................................................................................................. 34
IV.4-ESTUDO DE INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL E LÓGICA DIFUSA ............................................................ 38
IV.4.1- INTRODUÇÃO ....................................................................................................................................... 38
IV.4.2-COMPARAÇÃO ENTRE A LÓGICA DIFUSA E A CLÁSSICA .............................................................. 38
IV.4.3–O CONTROLADOR DIFUSO ................................................................................................................. 40
V) PROJETO DE UM SISTEMA DE SUSPENSÃO ELETROMAGNÉTICO .................................................. 46
V.1 - ÍNDICE DE SÍMBOLOS ................................................................................................................................ 46
V.2 - INTRODUÇÃO .............................................................................................................................................. 47
V.3 - SISTEMA ELETROMAGNÉTICO ............................................................................................................... 47
3
V.4 - PROJETO OTIMIZADO DO ELETROÍMÃ ................................................................................................. 49
V.5 - PROJETO DO ELETROÍMÃ ......................................................................................................................... 51
V.5.1 - SELECIONANDO O NÚMERO DE VOLTAS ........................................................................................ 54
V.6 - O SISTEMA DINÂMICO .............................................................................................................................. 55
V.7 - CONTROLE ................................................................................................................................................... 57
V.8 - SISTEMA EXPERIMENTAL ........................................................................................................................ 59
V.8.1 - O ELETROÍMÃ ....................................................................................................................................... 59
V.8.2 - SISTEMA DE CONTROLE ..................................................................................................................... 60
V.8.3 - O AMPLIFICADOR DE POTÊNCIA ...................................................................................................... 61
VI) CONCLUSÃO ..................................................................................................................................................... 62
VII) SITES PESQUISADOS ..................................................................................................................................... 62
VIII) BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................................................. 63
4
I) TÍTULO DO TRABALHO
Aquisição e Controle Utilizando Instrumentação Virtual.
II) OBJETIVO
Fornecer e fortalecer a formação do aluno na área Instrumentação e Controle através do estudo da
instrumentação virtual e do uso da inteligência artificial para controle de um sistema em particular, no
caso o sistema de suspensão magnética de uma bola de aço.
III) RESUMO DO PLANO INICIAL
A instrumentação virtual, ou o uso de ferramentas de software para o desenvolvimento de instrumentos de
aquisição e análise de sinais, tem evoluído significativamente nos últimos anos. Através do uso destas
ferramentas de software, de um microcomputador e de placas de aquisição, com disponibilidade de
terminais de entrada e saída, conectadas a este microcomputador, tem sido possível a aquisição, a análise,
o processamento e o controle de uma infinidade de sistemas, dentro das mais variadas áreas de aplicação.
A inteligência artificial, por outro lado, tem viabilizado o controle e a supervisão de uma infinidade de
sistemas. Dentre as diversas técnicas que integram o universo que envolvem os mecanismos adotados
pela inteligência artificial, pode-se destacar o uso da lógica difusa (fuzzy logic) como um mecanismo de
controle altamente eficiente.
A proposta deste trabalho é a integração da instrumentação virtual com a lógica difusa para o controle de
um sistema eletro-eletrônico ou eletro-mecânico.
5
IV) FASES DO PLANO DE PESQUISA
Durante o período de trabalho, os seguintes pontos foram desenvolvidos:
IV.1- LEVANTAMENTO BIBLIOGRÁFICO DA LITERATURA EXIGIDA PARA A PESQUISA Para a realização deste trabalho, propôs-se inicialmente fazer um estudo sobre um software de
instrumentação, sistemas de aquisição de dados e ainda uma introdução sobre a lógica difusa (fuzzy
logic). Dessa forma, nesta fase dedicou-se para a obtenção de tais materiais.
Foram consultadas bibliotecas de universidades como a UNESP e o ITA, bem como fez-se uma extensa
pesquisa utilizando-se a Internet. Além disso, pôde-se assistir na própria Faculdade de Engenharia de
Guaratinguetá uma palestra da National Instruments, ministrada pelo engenheiro de aplicação Pedro
Alves em novembro de 1998, a respeito do software de instrumentação virtual LabVIEW, a partir da qual
teve-se acesso a catálogos da empresa.
A respeito do software de instrumentação, estudou-se o LabVIEW da National Instruments, pois o mesmo
é um software poderoso e muito usado pela comunidade científica e técnica pelas suas vantagens, que são
explicadas no item 2 deste relatório. Além disso, a Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá possui este
software, o que facilitou o seu acesso. Deste modo o mesmo será adotado para o desenvolvimento do
trabalho. Existem, porém, outras ferramentas que possibilitam a utilização da instrumentação virtual, mas
não se dedicou muita atenção aos mesmos, em função das facilidades de acesso ao LabVIEW.
Os processos necessários em um sistema de aquisição de dados bem como as partes envolvidas foram
estudadas, já que neste projeto ter-se-á que realizar tal operação.
Obteve-se, também, uma visão geral a respeito dos preceitos da lógica difusa.
IV.2 - ESTUDO DE FERRAMENTAS DE “SOFTWARE” PARA USO EM INSTRUMENTAÇÃO VIRTUAL IV.2.1-INTRODUÇÃO
No estudo de ferramentas de “software” para uso em instrumentação virtual escolheu-se trabalhar com o
software LabVIEW da National Instruments pois o mesmo possui uma série de características e
vantagens, que serão citadas no decorrer deste item, que atendem às necessidades requeridas por este
projeto. Soma-se ainda, como já foi dito, o fato da Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá possuir este
software o que facilitou muito o seu acesso e, desta forma, o seu aprendizado.
Deve-se salientar, porém, que apesar desta escolha, existem outros softwares de instrumentação virtual.
Como exemplo pode-se citar o LabWindows, também da National Instruments, que é baseado na
linguagem de programação C (ou C++), dessa forma seria necessário um conhecimento grande da
linguagem de programação C para se desenvolver sistemas de instrumentação virtual, o que não é
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necessário no LabVIEW, que é baseado na linguagem de programação G, uma linguagem gráfica, que
facilita o desenvolvimento de sistemas, como será melhor explicado ao longo deste item. Tem-se também
o HP VEE, da Hewlett Packard, que também usa uma linguagem de programação visual, que o torna
também um instru,ento simples de ser usado.
IV.2.2-VISÃO GERAL
LabVIEW é um ambiente de desenvolvimento de programação gráfica baseado na linguagem
programação G para aquisição de dados e controle, análise de dados, e apresentação de dados. Este
programa oferece a flexibilidade de uma linguagem de programação poderosa sem a dificuldade e
complexidade associadas, pois sua metodologia de programação gráfica é inerentemente intuitiva.
Para desenvolver um programa no LabVIEW, monta-se objetos de software chamados instrumentos
virtuais (VI’s). Usando métodos de arrastar-e-soltar, pode-se criar interfaces gráficas de usuário e
construir o código fonte em um esquemático no formato de diagrama de bloco, familiar à comunidade
científica e técnica.
Caso esteja-se procurando um modo mais rápido para programar sistemas de instrumentação sem
sacrificar o desempenho, então o LabVIEW é um software muito indicado pois realiza teste e medida,
aquisição de dados e controle, pesquisa científica, monitoramento de processo, e automatização de
fábrica.
IV.2.3-DESENVOLVENDO UM SISTEMA COMPLETO
Com LabVIEW controla-se o sistema e apresenta-se os resultados através de painéis gráficos interativos.
Tem-se numerosas opções para administração dos dados–armazenando dados em disco ou diretamente
para um banco de dados, transferência de dados entre aplicações, a Internet, ou gerando e imprimindo
relatórios técnicos.
Pode-se adquirir dados de dispositivos como o GPIB, VXI, PXI, dispositivos seriais, PLC’s, e placas de
sistema de aquisição de dados do tipo plug-in. Também pode-se conectar a outras fontes de dados através
da Internet, comunicação de inter aplicação tal como o ActiveX, DDE (troca dinâmica de dados), e links
de banco de dados SQL (structured query language-linguagem de pergunta estrururada). E, para
flexibilidade completa no ambiente de desenvolvimento aberto do LabVIEW , pode-se chamar qualquer
código externo ou existente na forma de um DLL (dynamic linked library-biblioteca dinâmica unida) do
Windows ou uma biblioteca compartilhada em qualquer outra plataforma.
Depois de adquirido os dados, pode-se converter as medidas em resultados tratados usando as técnicas de
análise de dados e capacidades de visualização do programa.
7
IV.2.4-VANTAGENS DE SE USAR O LABVIEW
O LabVIEW acelera o desenvolvimento por um fator de 4 a 10 sobre programação tradicional. Com a
modularidade e estrutura hierárquica deste software, pode-se fazer o protótipo, projetar, e modificar
sistemas em pouco tempo.
Como as necessidades de aplicação mudam, os sistemas de instrumentação virtual do LabVIEW têm a
flexibilidade de serem modificadas sem que se precise de um equipamento novo. Usando um sistema
deste programa, cada usuário tem acesso a um laboratório de instrumentação completo por um custo
menor que de um único instrumento comercial. Ele também é compatível a várias plataformas, de forma
que sempre pode-se usar os sistemas com a melhor plataforma para aplicação. E, a National Instruments
assegura que os instrumentos virtuais (VI’s) desenvolvidos hoje serão compatíveis com tecnologias de
amanhã.
O LabVIEW possibilita os engenheiros, cientistas, e técnicos a projetar e implementar seus próprios
sistemas. Devido ao fato do paradigma de programação ser bem parecido com a notação padrão de
fluxograma, é intuitivo e fácil de se aprender.
LabVIEW tem aquisição, análise, e capacidades de apresentação disponíveis dentro de um único pacote,
assim pode-se criar uma solução completa na plataforma de escolhida. Além disso, o programa
caracteriza um compilador gráfico aperfeiçoado para maximizar o desempenho do sistema. Assim,
simplifica-se o desenvolvimento e produz código reutilizável que executa em velocidades de execução
compiladas. Por causa deste compilador, pode-se criar compilados executáveis que rodam em uma
máquina objetivo sem um sistema de desenvolvimento do LabVIEW.
Numerosos softwares adicionais fazem tarefas complexas tal como enviar dados à Internet, aquisição de
imagem, e programação de banco de dados, apenas integrando estas ferramentas no ambiente de
desenvolvimento.
IV.2.5-APLICAÇÕES
Sistemas do LabVIEW são implementados em teste e medida, como também em monitoramento de
processo e aplicações de controle. Estas aplicações variam de monitoramento de sistemas de transporte,
para classes de laboratório universitárias; de teste de partes automatizadas a controle de processo
industrial.
O LabVIEW se tornou uma ferramenta de desenvolvimento industrial padrão para aplicações de teste e
medida. Com o seu Teste Executivo, programas de teste gráficos, e a maior biblioteca de instrumentos da
indústria, tem-se um ambiente de execução e desenvolvimento consistente para o sistema inteiro.
Historicamente, este software vem sendo usado como ambiente de desenvolvimento de programação G
para controle de processo e automatização de fábrica. Para monitoramento básico de processo e controle
de aplicações, o programa, combinado com software adicional, como o Kit de Ferramenta de Símbolos de
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Automatização, o Kit de Ferramenta de Controle de PID, e drivers de PLC, pode prover uma solução.
Porém, para aplicações de automatização industrial mais complexas, recomenda-se o BridgeVIEW.
A biblioteca de análise existente provê tudo que se é preciso em um pacote de análise integrado no
ambiente de desenvolvimento. Os cientistas e os pesquisadores têm usado LabVIEW para analisar e
computar resultados reais de aplicações biomédicas, aeroespaciais e de pesquisa de energia, e em outros
tipos de indústrias. Para análise especializada, como análise de tempo-freqüência em comum, e projeto de
filtro digital, tem-se softwares adicionais especialmente projetados.
IV.2.6-USO
Com o LabVIEW, constrói-se VI's em vez de escrever programas. Cria-se o painel frontal de interface de
usuário (Figura 2.1) dando o controle interativo do sistema de software. Para especificar a funcionalidade,
reúne-se diagramas de blocos intuitivamente–uma notação natural de projeto para os engenheiros e
cientistas.
Figura 2.1: Exemplo de painel frontal de interface de usuário, com instrumentos virtuais (VI’s).
No painel frontal do VI, coloca-se os controles e mostradores de dados para o sistema escolhendo objetos
da janela de Controles (Figura 2.2a), incluindo mostradores numéricos, medidores, termômetros, tanques,
ED’s, quadros e gráficos. Quando o VI está completo, você pode-se usar o painel frontal para controlar o
sistema, enquanto o VI está correndo, clicando um interruptor, movendo um slide, dando zoom em um
gráfico, ou entrando em um valor do teclado.
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Figura 2.2: Janela de Controles (Figura 2.2a), janela de Funções (Figura 2.2b) e janela de Ferramentas (Figura 2.2c).
Para programar o VI, constrói-se o diagrama de blocos (Figura 2.3) sem se preocupar sobre os muitos
detalhes sintáticos da programação convencional. Seleciona-se objetos (ícones) do menu de Funções
(Figura 2.2b) e os conecta com fios para transferir dados de um bloco para o próximo. Estes blocos
variam de simples funções aritméticas, para rotinas avançadas de aquisição e de análise. Caso se necessite
de informações sobre algum bloco, há o recurso da janela de ajuda (Figura 2.4).
Figura 2.3: Exemplo, relativo a Figura 2.1, de um diagrama de blocos.
O LabVIEW usa um modelo de programação de fluxo de dados patenteado, chamado G, que livra o
usuário da arquitetura linear das linguagens baseadas em texto. Porque a ordem de execução é
10
determinada pelo fluxo de dados entre blocos, e não por linhas seqüenciais de texto, pode-se criar
diagramas que têm operações simultâneas. Por conseguinte, o LabVIEW é um sistema de múltiplas
tarefas.
Os Instrumentos Virtuais (VI's) deste software são modulares no projeto, assim qualquer VI pode rodar
por si só ou ser usado como parte de outro VI. Pode-se até mesmo criar um ícone para seus próprios VI's,
podendo assim projetar uma hierarquia de VI's e subVI's que podem ser modificados, intercambiados, e
combinados com outro VI's para satisfazer as variadas necessidades de aplicação.
Em muitas aplicações, a velocidade de execução é crítica. LabVIEW é o único sistema de programação
gráfico com um compilador que gera códigos aperfeiçoados com velocidades de execução comparáveis a
programas compilados na linguagem C. Com o construtor de perfil, pode-se analisar e aperfeiçoar seções
de tempo críticas do código. Por conseguinte, pode-se aumentar a produtividade com programação gráfica
sem sacrificar velocidade de execução.
Figura 2.4-Exemplo de janela de ajuda, neste caso explicando o bloco multiplicador.
IV.2.7-CONTROLE DE INSTRUMENTO, AQUISIÇÃO E ANÁLISE DE DADOS E CONECTIVIDADE
As bibliotecas VISA, GPIB, VXI, e de VI serial do LabVIEW usam drive de software de dispositivos
padrões industriais da National Instruments para controle completo da instrumentação. Pode-se controlar
qualquer instrumento GPIB conectado a uma placa de interface IEEE 488.2 da National Instruments. Os
instrumentos de VXI são programados facilmente com o Sistema de Desenvolvimento do LabVIEW, que
inclui VISA (Arquitetura de Software de Instrumento Virtual). Pode-se comunicar com os instrumentos
dos controladores de VXI embutidos, sistemas PXI modulares, ou computadores com uma interface MXI
ou GPIB-VXI.
A biblioteca VI de driver de instrumentação, contém drivers para instrumentos do tipo GPIB, VXI,
Seriais, e de CAMAC. Muitos destes drivers são incluídos no LabVIEW distribuído em CD. Eles também
estão disponíveis no site da National Instruments na Internet (www.natinst.com/labview), ou na BBS da
mesma.
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A biblioteca de instrumentação virtual do sistema de aquisição de dados tem funções para adquirir e
produzir dados com todos os produtos de aquisição de dados da National Instruments do tipo remoto e
plug-in. As placas do tipo plug-in são ideais para controle de aplicações direto de alta velocidade. Por
causa do seu custo mais baixo, elas abaixam significativamente o preço por canal. Tem-se também drivers
para dispositivos de I/O industriais como PLC's, coletores de dados, e controladores de loop único. Todos
módulos de SCXI da National Instruments para condicionamento de sinal e de aquisição de dados
remotos trabalham bem com LabVIEW. Para se iniciar com projetos de aquisição de dados mais
facilmente, o "LabVIEW DAQ Solution Wizard" e o "DAQ Channel Wizard" ensinam passo por passo
desde a configuração dos canais para gerar soluções completas. Usando-se algumas vezes o mouse, a
solução é gerada automaticamente, pronta para rodar.
O LabVIEW apresenta bibliotecas de análise poderosas e compreensivas que rivaliza os aplicativos que
possuem pacotes de análise dedicados. Estas bibliotecas são completas com estatísticas, avaliações,
regressões, álgebra linear, algoritmos de geração de sinal, algoritmos no domínio do tempo e da
freqüência e filtros digitais.
Ele também apresenta numerosas bibliotecas de VI para comunicação com outras aplicações. Pode-se
chamar qualquer DLL ou biblioteca compartilhada do LabVIEW. Usando CodeLink, pode-se
automaticamente compartilhar bibliotecas de linguagem C desenvolvido no LabWindows/CVI, a
ferramenta de desenvolvimento de aplicação rápida da National Instruments para programadores de C.
TCP/IP e VI’s UDP para uso em rede podem ser usados para comunicar com aplicações remotas. O kit de
ferramentas de projetistas da Internet adicionam e-mail, FTP, e capacidades de rede para a aplicação.
Com VI’s de automatização remota, pode-se controlar a execução de VI’s distribuídos em outras
máquinas. Usando automatização de ActiveX ou Troca de Dados Dinâmicos (DDE), pode-se integrar a
aplicação com outras aplicações baseadas no ambiente Windows.
IV.2.8-APLICAÇÕES SOLITÁRIAS
O Construtor de Aplicação do LabVIEW proporciona a habilidade para criar e distribuir aplicações
solitárias executáveis. Estas aplicações executáveis rodam a velocidades de execução compilada e não
requerem um sistema separado. Este executáveis podem ser distribuídos em conjunto com o drive de
software de nível da National Instruments, caso não se esteja executando nenhum I/O, arquivo de I/O, I/O
serial, ou I/O via rede.
IV.2.9-FUNCIONALIDADE DISPONÍVEL
O LabVIEW pode ser usado para criar uma solução para a aplicação em um ambiente de
desenvolvimento compreensivo. A seguir, segue uma lista parcial da funcionalidade disponível em um
sistema de desenvolvimento, para dar uma idéia do que pode-se fazer:
Controles e Indicadores:
• Botões/Chavess/LED’s
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• Slides/ Mostradores Digitais
• Medidoress/Discos/Knobs
• Tanques/Termômetros
• Gráficos/Diagramas
• Tablelas/Arranjos
• Plotagem intensiva
• Menus/listas/anéis
• Caixas de texto
• Decorações
• Controles habituais
Controle de instrumento:
• GPIB
• VXI
• Serial
• CAMAC
• PLC
Arquivo de I/O:
• Planilha eletrônica
• Binário
• ASCII
• Datalog
Conectividade aberta:
• Internet *
• SQL *
• TCP/IP
• ActiveX
• DLL’s/bibliotecas compartilhadas
• DDE
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Aquisição de dados:
• DAQ wizards
• Entrada/saída de ponto único
• Aquisição/geração de forma de onda
• Aquisição de imagem *
• Condicionamento de Sinal
• Gatilhamento/temporização
• Entrada/saída de TTL/CMOS
• Geração de padrão digital
• Handshaking digital
• Geração de Pulso
• Contagem de evento
• Detecção de borda
• Medida de período e de largura de pulso
Estruturas de programa:
• Loop de “while”
• Loop de “for”
• Estruturas de “case”
• Estruturas seqüenciais
• Nós de fórmula baseados em texto
Fundamentos de programação:
• Computação numérica
• Lógica Booleana
• Manipulação de arranjos
• Funções “string”
• Funções de Tempo & Dado
• Estrutura de múltiplos tipos de dados
• Subrotinas habituais
Análise:
• Geração de sinal* *
• Processamento de sinal * *
• Processamento de imagem *
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• Ajuste de curva
• Filtragem * *
• Álgebra linear
• Estatísticas
Administração de Aplicações e Otimização:
• Perfilador para uso de memória e rastreamento de tempo execução
• Desempenho compilado em todas as plataformas
• Controle de código fonte * * *
• Janela de hierarquia
• Jogo de documentação de impressão
• Métricas de complexidade * * *
• Documentação para padrões de qualidade * * *
Depurando:
• Pontos de ruptura
• Sondas/Sondas usuais
• Modo de único-passo
• Destacamento de Execução
• Janela de ajuda
• Ajuda Online
* Software adicional * * Incluído no Sistema de Desenvolvimento Completo e no Conjunto de Projetista Profissional. * * * Incluído no Conjunto de Projetista Profissional.
IV.2.10-ANÁLISE DE DADOS EMBUTIDA
Uma vez adquiridos os dados precisos, pode-se necessitar analisá-los para criar informação significante.
Com as bibliotecas de análise embutidas no sistema de desenvolvimento do LabVIEW, pode-se usar um
único ambiente para criar um sistema completo de aquisição, análise e de apresentação.
As bibliotecas de VI de Análise Avançada oferecem um jogo de rotinas de análise poderoso e
compreensivo para processamento de dados adquiridos. Estas bibliotecas são ricas em estatísticas,
avaliações, ajuste de curva, álgebra linear, algoritmos de geração de sinais, algoritmos no domínio do
tempo e da de freqüência e filtros digitais.
Com estes VI’s, pode-se realizar análise difícil com facilidade no programa. Pode-se executar tarefas
complexas como filtragem, e cálculo de transformadas, simplesmente ligando o jogo de dados de um VI
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para o próximo. Este VI’s são completamente compatíveis com plataforma cruzada, assim pode-se aportar
e usar de novo o código na plataforma escolhida.
IV.2.11-REQUERIMENTOS DE SISTEMA
Pode-se usar o LabVIEW no sistema operacional desejado sem sacrificar nenhuma característica. O
sistema de desenvolvimento recompila os VI’s em qualquer das plataformas listadas a seguir de forma
que tem-se a flexibilidade para trabalhar com o sistema operacional que melhor se ajusta a tarefa
desejada, e ainda retem a habilidade para transferir e usar de novo VI’s pelo empreendimento.
Tabela 2.1: Requerimentos exigidos dependendo do sistema utilizado.
Sistema Operacional Requerimentos do Sistema Windows NT -12 MB de RAM, 16/32 MB recomendados
-486/DX recomendado -Windows NT 3.5.1, 4.0 recomendado -75 MB de espaço livre em disco para instalação completa
Windows 95 -8 MB de RAM, 16 MB recomendados -386/25 com coprocessador 387, Pentium recomendados -75 MB de espaço livre em disco para instalação completa
Windows 3.1 -8 MB de RAM, 16 MB recomendados -386/25 com coprocessador 387, Pentium recomendados -75 MB de espaço livre em disco para instalação completa
Sun -Solaris 1.1/2.4 ou Sistema de Software Xwindow posterior
Mac OS (Power OC) -12 MB de RAM, 16 MB recomendado -Mac OS 1.2 ou versão posterior -75 MB de espaço livre em disco para instalação completa
Mac OS (68K) -8 MB de RAM, 16 MB recomendados -CPU 68020 com coprocessador -25 MB de espaço livre em disco -Mac OS 7.1 ou versão posterior
Mac OS 7.0 -75 MB de espaço livre em disco para instalação completa
HP-UX -Workstation HP 9000, Modelo série 700 -HP-UX 9.0.3/10.0 ou posterior -HP-VUE/CDE
PowerMAX corrente -Sistemas Night Hawk -Sistemas Power Hawk -Sistemas PowerMaxion ou Power Stack
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IV.2.12-FERRAMENTAS DE DISTRIBUIÇÃO
O Construtor de Aplicação (item 2.7) é um pacote adicional para criar aplicações solitárias. Quando usado
com o Construtor de Aplicação, um sistema de LabVIEW pode criar VI’s que operam como aplicações
solitárias. Pode-se rodar o executável, mas não se pode editá-lo.
Convertendo os VI’s para aplicações, assegura-se que ninguém irá examiná-lo ou modificá-lo. Aplicações
asseguram que o operador não irá fazer mudanças inadvertidas a um VI. Aplicações também são um
modo eficiente para empacotar e distribuir VI’s próprios.
O Construtor de Aplicação constrói VI’s nos quais pode-se mudar valores de controle, copiar dados de
um controle ou indicador para outro controle, e mudar os limites da escala. Não se pode mudar o tamanho
ou mover objetos; copiar, substituir, adicionar, ou apaguar controles ou indicadores.
Aplicações minimizam as exigências de RAM e de disco salvando só aqueles recursos necessários para
execução. Aplicações construídas com o Construtor de Aplicação executam com as mesmas taxas de alto-
desempenho como os VI’s no sistema de desenvolvimento.
O Construtor de Aplicação dá a escolha entre dois modelos de tempo de rodagem. Pode-se criar uma
máquina de tempo de rodagem capaz de rodar qualquer VI, ou você pode criar um executável solitário.
Executável solitário:
O modelo de executável solitário é ideal quando se planeja desenvolver e entregar um sistema de
carcereiro.
Máquina de tempo de rodagem separada:
O modelo de máquina de tempo de rodagem separada é útil caso se precise distribuir numerosos
VI’s em poucos computadores. Com apenas uma máquina de tempo de rodagem, pode-se rodar
tantos VI’s quanto necessário. A máquina de tempo de rodagem pode dinamicamente carregar,
executar, e descarregar múltiplos VI’s do LabVIEW.
Figura 2.5: Os dois modelos de tempo de rodagem.
IV.2.13-DRIVER DE INSTRUMENTOS DO LABVIEW
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A biblioteca de Driver de Instrumentos do LabVIEW contem os drivers para mais de 600 instrumentos
seriais, GPIB e VXI de mais de 65 fabricantes. O driver de instrumento “empacota” as capacidades de
instrumento como um jogo de VI’s padrões. Cada VI corresponde a uma operação de programática, como
configurar, ler de, escrever para, e ativar o instrumento. Os drivers de instrumento reduzem o tempo de
desenvolvimento de programa teste e simplificam o controle de instrumento eliminando a necessidade de
aprender o protocolo de programação para cada instrumento, que é complexo e de baixo nível.
Os drivers são escritos usando G, uma linguagem de programação gráfica do LabVIEW, assim pode-se
examinar e modificar o código fonte do diagrama de bloco, que é incluído com todos os drivers. Os
drivers são ícones fácil de usar para combinar no nível mais alto dos programas de teste.
A Aliança de Sistemas VXIplug&play endossou drivers de instrumento do LabVIEW como uma
tecnologia de centro e a base para padronização de indústria. O programa é completamente complacente
com o VXIplug&play e pode rodar todos os drivers de instrumentos gráficos e baseados em C
complacentes com VXIplug&play. Ele também pode descobrir automaticamente e carregar qualquer
driver de VXIplug&play que é instalado no sistema.
A National Instruments criou ferramentas de desenvolvimento de driver de instrumentação especial para
completar o ambiente do LabVIEW e ajudar na criação de drivers de instrumento padrão. As ferramentas
a seguir estão disponíveis com o pacote padrão do software:
Driver de Instrumentação Modelo do LabVIEW:
São a fundação para todos os drivers de instrumentação do LabVIEW e aceleram o
desenvolvimento de drivers de instrumentos conformes com o VXIplug&play. Os modelos têm
uma estrutura simples, flexível e um jogo comum de driver de instrumento de VI’s, como
inicialização, auto teste, reset, e questão de erro, para uso no desenvolvimento do driver. Cada um
tem instruções para modificação para o instrumento particular em questão.
CodeLink:
Usuários de Windows podem rodar drivers de instrumento baseados em DLL usando o CodeLink.
O CodeLink automaticamente gera os VI’s do LabVIEW que correspondem a funções de drivers
de instrumentos em DLL assim pode-se construir programas de controle de instrumento com
metodologia de programação gráfica padrão.
IV.2.14-AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
Os Servidores de Automatização Industriais provêem uma interface de programação padrão para PLC’s,
controladores de processo, analisadores, e dispositivo industrial de rede. Um servidor de dispositivo é
composto de componentes de software que executam I/O básico, provêem o protocolo de comunicação
necessária para trocar dados e informação de estado de um dispositivo, e administram os recursos
requeridos para comunicações. Para sistemas que requerem atualização de dados contínuos de
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dispositivos externos como também o controle remoto e administração de recurso de PLC’s múltiplos, e
outros hardwares e protocolos, os Servidores de Automatização Industriais combinados com bibliotecas
de VI correspondentes provêem interface configurada de uso entre o LabVIEW e numerosos dispositivos
de automatização industrial.
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IV.3-ESTUDO DE SISTEMAS DE AQUISIÇÃO DE DADOS IV.3.1-INTRODUÇÃO
Atualmente a maioria dos cientistas e engenheiros estão usando computadores pessoais (PC’s) com
barramento de expansão para pesquisa em laboratório, controle e automação industrial, além de testes e
medidas. Muitos aplicativos usam placas do tipo plug-in para adquirirem dados e transferi-los diretamente
para a memória do computador. Outros usam sistemas de aquisição de dados remotos acoplados ao PC
via porta paralela ou serial. Obter respostas apropriadas de um sistema de aquisição de dados (DAQ
system) baseado em um PC depende de cada um dos seguintes elementos (ver Figura 3.1):
• Computador pessoal
• Transdutores
• Condicionamento do sinal
• Hardware do DAQ
• Software
Figura 3.1: O sistema de aquisição de dados típico.
IV.3.2-O COMPUTADOR PESSOAL
O computador usado para o sistema de aquisição de dados pode afetar drasticamente as velocidades
máximas permitidas para a aquisição contínua de dados. A tecnologia atual possui classes de
processadores como a Pentium e PowerPC em conjunto com a melhor performace da arquitetura de
barramento PCI., bem como o tradicional barramento ISA/EISA e o NuBus da Macintosh. Com o advento
do PCMCIA, aquisição de dados portátil está rapidamente se tornando uma alternativa mais flexível para
os sistemas de aquisição de dados baseados em desktop PC. Para aplicações de aquisição de dados
remotas que usam a comunicação serial RS-232 ou RS-485, o envio de dados será usualmente limitado
pelas taxas de comunicação serial.
A capacidade de transferência de dados do computador usado pode afetar significativamente a performace
do sistema de aquisição de dados. Os PCV’s possuem I/O programadas e transferências de interrupção.
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Transferência DMA, não disponível em alguns computadores aumenta a taxa de transmissão do sistema
usando hardware dedicado para transferir dado diretamente para a memória do sistema. Usando este
método o processador não é o responsável por mover dados e está, portanto, livre para se empenhar em
tarefas de processamento mais complexo. Para colher os benefícios da transferência DMA ou de
interrupção, a placa do sistema de aquisição de dados deve ser capaz também de fazer estes tipos de
transferências.
O fator limitante para adquirir grandes quantidades de dados é freqüentemente o drive rígido. Tempo de
acesso ao disco e fragmentação do drive rígido podem reduzir significativamente a máxima taxa na qual o
dado pode ser adquirido e passado ao disco. Para sistemas que precisam adquirir sinais de alta freqüência,
deve-se selecionar um drive rígido de alta velocidade para o PC e certificar-se de que há suficiente espaço
livre no disco (espaço não fragmentado) para guardar os dados.
Aplicações que requerem processamento em tempo real de sinais de alta freqüência, necessitam de um
processador de 32 bits de alta velocidade, acompanhado de co-processador ou um processador plug-in
dedicado como uma placa de processamento de sinais digitais (DSP). Se a aplicação apenas adquire e
efetua leitura uma ou duas vezes por segundo, entretanto, um PC mais lento é satisfatório.
Deve-se também olhar adiante para determinar qual sistema de operação e plataforma de computação
renderá o maior retorno no investimento a longo prazo e ainda ser apto a satisfazer seus objetivos a curto
prazo. Fatores que podem influir na escolha podem ser a experiência e a necessidade tanto da pessoa que
desenvolveu tanto dos usuários de usar o PC para outros fins, tanto agora quanto no futura, além do custo.
Plataformas tradicionais incluem Mac OS que é conhecida por sua simples interface gráfica de usuário, e
Windows 3.X. Windows 95, que tem uma interface de usuário bem desenvolvida se comparada com a do
Windows 3.X também oferece o opção de Ter a configuração de hardware Plug and Play. Além disso,
Windows NT 4.0 que oferece um sistema operacional de 32 bits mais robusto com as mesmas
características do Windows 95.
IV.3.3-TRANSDUTORES
Transdutores detectam fenômenos físicos e fornecem sinais elétricos que o sistema de aquisição de dados
pode medir. Por exemplo, termopares, termistores, resistores de detecção de temperatura (RTD’s) e
sensores de IC convertem temperatura em um sinal analógico que um conversor analógico-digital (ADC)
pode medir. Outros exemplos incluem medidores de força, transdutores de fluxo, e transdutores de
pressão, que medem força, taxa de fluxo e pressão respectivamente. Em cada caso, os sinais elétricos
produzidos são proporcionais ao parâmetro físico que eles estão monitorando.
O termopar, por exemplo, combina dois metais diferentes para gerar voltagem que varia com a
temperatura. Os sinais de saída do termopar possuem um nível muito baixo e mudam apenas de 7 a 40 µV
para cada um grau centígrado (°C) de mudança na temperatura. Medidas precisas de temperatura,
portanto, necessitam de um sistema de condicionamento de sinal que pode amplificar o sinal com um alto
21
ganho ou usar uma resolução muito alta com um nível muito pequeno de ruído e distorção. Medidas com
um termopar necessitam compensação de junção fria. Esta compensação corrige voltagens que são
formadas na conecção do termopar e conduzidas aos metais não similares. Sentindo a temperatura dos
pontos de conexão, o hardware ou software de compensação subtrai esta voltagem de erro da voltagem
medida pelo termopar. Muito acessórios de condicionamento de sinal incluem um sensor de temperatura
IC para esta finalidade.
Outros transdutores, como os RTD’s, termistores e medidores de força respondem à mudanças na
temperatura ou força com uma variação na resistência elétrica. Estes sensores resistivos necessitam de
uma corrente de excitação ou fonte de tensão precisas para detectarem a mudança de resistência.
Termistores têm uma resistência relativamente alta e podem tipicamente ser medidos com uma fonte de
tensão e um resistor de referência. Entretanto RTD’s e medidores de força possuem resistência baixa, e
são dispositivos de baixa sensibilidade que precisam de circuito adicional para acentuar sua sensibilidade
à resistência do fio condutor. RTD’s são usualmente usados numa configuração de 4 fios; um par de fios
conduz a corrente de excitação e o outro par detecta a voltagem do RTD. Esta configuração de 4 fios evita
erros devido a resistência condutora porque a corrente não flui nos condutores conectados ao sistema de
medida. As exigências do condicionamento de sinal para estes e outros transdutores comuns são listados
na Tabela 3.1.
Tabela 3.1: Transdutores comuns, suas características elétricas e exigências básicas para o condicionamento de sinal.
Sensor Características Elétricas Necessidades de condicionamento de sinal Termopar Baixa voltagem de saída
Baixa sensibilidade Saída não linear Linearização
Compensação de junção fria Alta resolução Alta amplificação
RTD Resistência de saída Resistência baixa (»100[W]) Baixa sensibilidade Saída não linear
Corrente de excitação Configuração de 3/4 fios Linearização
Termistor Resistência de saída Alta resistência e sensibilidade Saída drasticamente não linear
Voltagem ou corrente de excitação Resistor de referência Linearização
Sensor de temperatura IC Voltagem ou corrente de saída de alto nível Saída linear
Fonte de energia Ganho moderado
Medidores de força Resistência de saída Baixa resitência Sensibilidade muito baixa Saída não linear
Excitação Configuração em ponte Conecção de 3 fios Linearização
IV.3.4-CONDICIONAMENTO DO SINAL
22
As saídas dos transdutores devem ser condicionadas freqüentemente para prover sinais satisfatório para a
placa do sistema de aquisição de dados. Acessórios de condicionamento de sinal ampliam sinais de baixo
nível, isolam, filtram e excitam para medidas mais precisas, e servem de ponte completa para os
transdutores produzirem sinais de alto nível para a placa do sistema de aquisição de dados.
Complementando, algum transdutores exigem voltagem ou corrente de excitação gerar uma voltagem de
saída.
Amplificação
O tipo mais comum de condicionamento é amplificação. Sinais de termopar de baixo nível, por
exemplo, deveriam ser amplificados para aumentar a resolução e reduzir o ruído. Para a precisão
mais alta possível, o sinal deveria ser amplificado de forma que o máximo alcance de voltagem
do sinal condicionado se iguala ao máximo alcance de entrada do conversor A/D. Resolução
muito alta reduz a necessidade de amplificação alta e provê alcance dinâmico grande.
O sistema de condicionamento de sinal SCXI para a placa do sistema de aquisição de dados tem
vários módulos que amplificam sinais de entrada. O ganho é aplicado aos sinais de baixo nível do
chassi de SCXI localizado perto dos transdutores e envia só sinais de alto-nível para o PC, para
minimizar os efeitos de ruído nas leituras.
Isolamento
Outra aplicação comum para o condicionamento de sinal é isolar as sinais do transdutor do
computador para propósitos de segurança. O sistema sendo monitorado pode conter transientes de
alta-voltagem que poderiam danificar o computador. Uma razão adicional por precisar de
isolamento é ter certeza que as leituras do dispositivo do sistema de aquisição de dados não é
afetado através de diferenças em potenciais de terra ou voltagens de modo-comum. Quando a
entrada da placa do sistema de aquisição de dados e o sinal sendo adquirido são cada
referenciados para “terra,” problemas acontecem se há uma diferença potencial entre os dois
terras. Esta diferença pode conduzir ao que é conhecido como loop de terra, que pode causar
representação inexata do sinal adquirido, ou se muito grande, pode danificar o sistema de medida.
Usando sinais isolados o módulos de condicionamento elimina o loop de terra e assegura que os
sinais são exatamente adquiridos. Por exemplo, os módulos SCXI-1120 e SCXI-1121 provêem
isolamento que pode rejeitar até 240 Vrms de voltagem de modo-comum.
Multiplexação
Uma técnica comum por medir vários sinais com um único dispositivo de medida é
multiplexação. Dispositivos de condicionamento de sinais para sinais analógicos freqüentemente
provê multiplexação para uso com sinais de mudança lenta, como temperatura. Isto está em
complemento a qualquer multiplexação na placa do sistema de aquisição de dados. O conversor
A/D amostra um canal, chaveia para o próximo canal, amostra-o, chaveia para o próximo canal, e
assim por diante. Devido ao mesmo o conversor A/D está amostrando muitos canais em vez de
23
um, a taxa de amostragem efetiva de cada canal individual é inversamente proporcional ao
número de canais amostrados. O módulos SCXI para sinais analógicos empregam multiplexação
de forma que tantos quanto 3072 sinais pode ser medido com uma placa de sistema de aquisição
de dados. Com o multiplexador analógico AM UX - 64T, pode –se medir até 256 sinais com uma
única placa.
Filtragem
A filtragem remove ruído não desejado do sinal que se está tentando medir. Um filtro de ruído é
usado em sinais de classe DC tal como temperatura para atenuar sinais de freqüência mais altos
que podem reduzir a precisão de sua medida. Muitos dos módulos SCXI têm filtros passa-baixas
de 4 Hz e 10 kHz para eliminar ruído antes de os sinais sejam digitalizados pela placa do sistema
de aquisição de dados.
Sinais de classe AC como vibração requerem freqüentemente um diferente tipo de filtro
conhecido como um filtro de antifalsidade. Como o filtro de ruído, o filtro de antifalsidade é um
filtro passa-baixa; porém, tem uma taxa de prazo muito íngreme, de forma que isto quase
completamente remove todos os componentes de freqüência mais alto que a largura de banda de
entrada da placa. Se os sinais não são removidos, eles aparecem erroneamente como sinais dentro
da largura de banda de entrada da placa. Produtos especificamente projetados para medida de
sinal de classe AC, como as placas de aquisição de sinal dinâmico e o módulo SCXI-1141, têm
filtros de antifalsidade embutidos.
Excitação
Condicionamento de sinal também gera excitação para alguns transdutores. Medidores de força,
termistores, e por exemplo, RTD's requerem voltagem externa ou corrente de excitação. Módulos
de condicionamento de sinal para estes transdutores normalmente provêem estes sinais. Medidas
de RTD normalmente são feitas com uma fonte de corrente que converte a variação em
resistência para uma voltagem mensurável. Medidores de força são dispositivos de resistência em
configuração de ponte de Wheatstone, que freqüentemente requer circuito complementar de ponte
e fontes de excitação. Os SCXI-1121, SCXI-1122, família 4350, DAQCard-4050, SC-2042-RTD,
e SC-2043-SG têm na própria placa fontes de excitação de voltagem e corrente que podem ser
usadas para medidores de força, termistores, ou RTD's.
Linearização
Outra função de condicionamento de sinal comum é a linearização. Muitos transdutores, como
termopares, têm uma resposta não linear para mudanças no fenômeno que está medido.
É importante entender a natureza do sinal, a configuração que está sendo usada para medir o sinal e os
efeitos do ambiente que o cerca. Baseando-se nesta informação pode-se facilmente determinar se o
condicionamento do sinal será uma parte necessária do sistema de aquisição de dados.
24
IV.3.5-HARDWARE DE AQUISIÇÃO DE DADOS
Considerações básicas de Entradas Analógicas
As especificações de entrada analógica podem lhe dar informação tanto sobre as capacidades quanto a
precisão do produto do sistema de aquisição de dados. Especificações básicas, que estão disponíveis na
maioria dos produtos do sistema de aquisição de dados dizem o número de canais, taxa de amostragem,
resolução, e o alcance de entrada. O número entradas de canal analógico será especificado para ambas
entradas de fim-único e entrada diferencial nas placas que tem ambos os tipos de entradas.
Entradas de fim-único são todas o referenciadas a um ponto de terra comum. Entradas de fim-único sem
referência são todos referenciadas para AISENSE, não um terra comum. O potencial neste nó pode variar
com respeito ao terra do sistema. Estas entradas são tipicamente usadas quando os sinais de entrada são
de nível alto (31 V), as condutâncias da fonte de sinal para o hardware de entrada analógico são pequenos
(<15 ft), e todos sinais de entrada podem compartilhar um terra de referência comum.
Se os sinais não satisfazem este critério, deve-se usar entrada diferencial. Um sistema de medida
diferencial, ou sem referência, não tem nenhuma de suas entradas amarradas a uma referência fixa. Um
sistema de medida diferencial ideal só responde à diferença de potencial entre dois terminais–as entradas
(+) e (-). Qualquer medida de voltagem com respeito ao terra do amplificador de instrumentação presente
à ambas entradas do amplificador é chamada de voltagem de modo comum.
O termo alcance de voltagem de modo comum descreve a habilidade de uma placa de um sistema de
aquisição de dados em modo diferencial em rejeitar sinais de voltagem de modo-comum. Em modo
diferencial, erros de ruído estão reduzidos porque o ruído de modo-comum captado por ambas
condutâncias é cancelado.
Taxa de amostragem
Este parâmetro especifica com que freqüência conversões podem acontecer. Usando uma taxa de
amostragem mais rápida, adquire-se mais pontos em um determinado tempo, provendo uma
representação melhor do sinal original. Como mostrado na Figura 3.2, deve-se amostrar todos os
sinais de entrada a uma taxa suficientemente rápida de modo a reproduzir o sinal analógico
fielmente.
Obviamente, se o sinal está mudando mais rapidamente que a placa do sistema de aquisição de
dados está digitalizando, são introduzidos erros nos dados medidos. Na verdade, dados que são
amostrados muito lentamente podem parecer ser de uma freqüência completamente diferente.
De acordo com o teorema de Nyquist, deve-se amostrar pelo menos duas vezes a taxa do
25
componente de máxima freqüência do sinal para prevenir erros de amostragem. A freqüência
numa metade da freqüência de amostragem é chamado de freqüência de Nyquist. Teoricamente, é
possível recuperar informação sobre sinais com freqüências iguais ou debaixo da freqüência de
Nyquist. Freqüências sobre a freqüência de Nyquist aparecerá entre DC e a freqüência de
Nyquist. Por exemplo, sinais de áudio convertidos para sinais elétricos por um microfone
comumente têm componentes de freqüência de até 20 kHz. Uma placa com uma taxa de
amostragem maior que 40 kS/s é necessária para adquirir este sinal corretamente.
Figura 3.2: Efeitos de uma taxa de amostragem muito baixa.
Métodos de amostragem
Quando adquirindo dados de muitos canais de entrada, o multiplexador analógico conecta cada
sinal para o conversor A/D a uma taxa constante. Este método, conhecido como escaneamento
contínuo, é significativamente menos caro que ter um amplificador separado e conversor A/D
para cada canal de entrada.
Devido ao fato do multiplexador chavear entre canais, um tempo esconso é gerado entre cada
amostra de canal. Um multiplexador analógico conecta um dos sinais de entrada para o conversor
A/D para processamento. Este método é apropriado para aplicações onde a relação de tempo entre
pontos amostrados é sem importância. Para aquelas aplicações onde a relação de tempo entre
entradas é importante (como análise de fase de sinais AC), precisa-se amostrar simultaneamente.
Produtos de sistemas de aquisição de dados capaz de amostragem simultânea usam circuitos de
sample and hold para cada canal de entrada. Pode-se simular hardware de amostragem simultânea
sem pagar por circuito adicional de sample and hold. Escaneamento com intervalo cria o efeito de
amostragem simultânea para sinais de baixa-freqüência, como temperatura e pressão, enquanto
mantendo o custo benéfico de escaneamento contínuo. Este método escaneia os canais de entrada
a um intervalo e usa um segundo intervalo para determinar o tempo antes de repetir o
escaneamento. Os canais de entrada são escaneados em microsegundos, criando o efeito de
simultaneamente amostrar os canais de entrada.
Multiplexação
Uma técnica comum por medir vários sinais com um único conversor A/D é a multiplexação.
Uma multiplexação seleciona e dirige um canal ao conversor A/D para digitalização, então
chaveia para outro canal e repete. Porque o mesmo conversor A/D está amostrando muitos canais,
a taxa efetiva de cada canal individual é reduzida em proporção ao número de canais amostrados.
Como um exemplo, um amostrador PCI-MIO-16E-1 a 1.25 MS/s em 10 canais amostrarão
efetivamente cada canal individual a 125 kS/s por canal.
Pode-se usar freqüentemente multiplexadores analógicos externos para aumentar o números de
canais que uma placa pode medir. Por exemplo, SCXI usa módulos de multiplexação para
26
ampliar o número de canais de entrada a até 3.072 com uma única placa. Com o multiplexador
analógico AMUX-64T, pode-se medir até 256 sinais com uma única placa. A taxa de amostragem
é reduzida proporcionalmente por esta multiplexação externa adicional.
Resolução
O número de bits que o conversor A/D usa para representar o sinal analógico é a resolução.
Quanto mais alta a resolução, mais alta o número de divisões que o abrangência de voltagem está
dividido, e portanto, menor a mudança de voltagem de detectável. A Figura 3.3 mostra uma onda
de seno e sua imagem digital correspondente como obtida por um conversor A/D ideal de 3-bit.
Um conversor de 3-bit divide a variação analógico em 2 3, ou 8 divisões. Cada divisão é
representada por um código binário entre 000 e 111. Claramente, a representação digital não é
uma representação boa do sinal analógico original porque informação se perdeu na conversão.
Aumentando a resolução para 16 bits, porém, o número de códigos do conversor A/D aumenta de
8 a 65.536 e pode-se obter então uma representação digital extremamente precisa do sinal
analógico, se o resto do circuito da entrada analógica é projetado corretamente.
Figura 3.3: Onda seno digitalizada com resolução de 3 bits.
Alcance
Alcance se refere ao mínimo e máximo níveis de voltagem que o conversor A/D pode medir.
Caso a placa do sistema de aquisição de dados ofereça alcances selecionáveis de forma que a
placa é configurada para trabalhar com uma variedade de níveis de voltagem diferentes. Com esta
flexibilidade, pode-se casar o alcance do sinal de forma que o conversor A/D leve a melhor
vantagem da resolução disponível para medir o sinal com precisão.
O alcance, resolução, e ganho disponíveis em uma placa do sistema de aquisição de dados
determinam a menor mudança variável na voltagem. Isto mudança em voltagem representa 1 LSB
do valor digital, e é freqüentemente chamado de largura de código. A largura de código ideal é
achada dividindo-se o alcance de voltagem pelo ganho multiplicado por dois elevado a ordem de
bits da resolução. Por exemplo, uma placa de aquisição de dados de 16-bit, PCI-MIO-16XE-10,
tem um alcance selecionável de 0 a 10 ou -10 a 10 V e ganho selecionável de 1, 2, 5, 10, 20, 50,
27
ou 100. Com um alcance de voltagem de 0 a 10 V, e um ganho de 100, a largura de código ideal
é:
V5,12x100V1016
µ=
Então, a resolução teórica de um bit no valor digitalizado é 1,5 µV.
Considerações críticas de Entradas Analógicas
Embora as especificações básicas previamente descritas podem mostrar que uma placa de um sistema de
aquisição de dados tem um conversor A/D de resolução de 16-bit com um taxa de amostragem de 100
kS/s, isto não significa que se pode amostrar todos os 16 canais a 100 kS/s e ainda adquirir uma precisão
de 16-bit. Por exemplo, pode-se comprar produtos no mercado hoje com conversores A/D's de16-bit e
adquirir menos de 12 bits de dados úteis. Para determine se sua placa lhe dará os resultados desejados,
deve-se examinar as especificações. Enquanto avaliando podutos de sistemas de aquisição de dados,
considere a não-linearidade diferencial (DNL), precisão relativa, tempo de ajuste (settling time) do
amplificador de instrumentação, e especificações de ruído.
Figura 3.4: Pode-se determinar a precisão relativa de uma placa de aquisição de dados usando-se uma linha reta aparente (Figura 3.4a), que vem da varredura através dos alcances de entrada da placa e
plotando os códigos de saída correspondentes, e subtraindo uma verdadeira linha reta ajustada entre as extremidades. A Figura 3.4b mostra os resultados, que indica que a precisão relativa da placa é 0,5 LSB.
Não-Linearidade Diferencial (DNL)
Idealmente, conforme aumenta-se o nível de voltagem aplicado a uma placa de sistema de
aquisição de dados, os códigos digitais do conversor A/D também deveriam aumentar
28
linearmente. Caso fosse plotar-se a voltagem versus o código de saída de um conversor A/D ideal,
a figura seria uma linha reta (veja Figura 3.4a). Divergências desta linha reta ideal é especificada
como a não-linearidade.
A largura de código analógico ideal define a unidade analógica chamada o bit menos significativo
(LSB). DNL é uma medida em LSB do pior caso de divergência de larguras de código do valor
ideal de 1 LSB. Uma placa de sistema de aquisição de dados perfeita tem um DNL de 0 LSB.
Praticamente, uma boa placa de sistema de aquisição de dados, terá um DNL dentro de ±0,5 LSB.
Não há nenhum limite superior em quanto largo um código pode ser. Códigos não têm larguras
menores de 0 LSB, assim o DNL nunca é pior que -1 LSB. Uma placa de sistema de aquisição de
dados, com desempenho pobre pode ter uma largura de código igual ou muito próximo de zero,
que indica um código perdido. Não importa a voltagem introduzida à placa de sistema de
aquisição de dados com um código perdido, a placa nunca vai digitalizar a voltagem para o valor
representado por este código. Às vezes DNL é “especificado” declarando-se que uma placa de
sistema de aquisição de dados não tem nenhum código perdido. Esta declaração significa só que o
DNL é limitado abaixo por -1 LSB mas nada diz sobre seu limite superior.
Pode-se pensar em DNL em termos de subir uma escada. Para uma placa com DNL perfeito, cada
passo é feito com uma altura e largura perfeitas. Mas para placas com DNL pobre, ou códigos
perdidos, os passos não são uniformes, alguns são mais longos, outros são mais altos que o passo
ideal (veja Figura 3.5). Se o sistema de aquisição de dados no exemplo anterior, que teve uma
largura de código de 1,5 µV, tivesse um código perdido ligeiramente superior a 500 µV, então
aumentando-se a voltagem para 502 µV não iria ser detectável. Só quando a voltagem é
aumentada outro LSB, ou além de 503 µV, a mudança de voltagem será detectável. DNL pobre
reduz a precisão da placa.
29
Figura 3.5: A função de transferência do conversor A/D ideal (Figura 3.5a) consiste em uma perfeita escada regular e tem um DNL de 0 e nenhum código perdido. Uma função de transferência pobre tem um código perdido em 120µV (Figura 3.5b). Não importa que voltagem de entrada o conversor A/D recebe,
ele nunca dará na saída o código 00...0101, que corresponde a 120µV.
Precisão relativa
Precisão relativa é a medida em LSB’s do pior caso de divergência da função de transferência de
uma linha reta da placa do sistema de aquisição de dados . Pode-se determinar a precisão relativa
de uma placa de sistema de aquisição de dados varrendo uma voltagem aplicada do negativo ao
positivo de uma escala de voltagem completa e digitalizando-a. Plotando os pontos digitalizados
resulta em uma linha reta aparente (veja Figura 3.4a). Porém, se for subtraído uma linha reta atual
(calculada) dos valores digitalizados e plota os pontos resultantes, como mostrado na Figura 3.4b,
uma divergência de zero é vista. A máxima divergência de zero é a precisão relativa da placa de
sistema de aquisição de dados.
Precisão relativa boa é importante para uma placa de sistema de aquisição de dados porque
assegura que a tradução do valor de voltagem atual para o código binário do conversor A/D é
preciso. Para se obter precisões relativas boas, necessita-se um projeto apropriado tanto do
conversor A/D quanto do circuito analógico em volta.
Tempo de Ajuste
Em um típica placa de sistema de aquisição de dados plug-in, um sinal analógico é selecionado
primeiro por um multiplexador, e então amplificado por um amplificador de instrumentação antes
de seja convertido a um sinal digital pelo conversor A/D. Este amplificador de instrumentação
deve poder localizar a saída do multiplexador na medida em que ele chaveia os canais, e também
ajustar rapidamente para a precisão do conversor A/D (Figura 3.6). Caso contrário, o conversor
A/D vai converter um sinal analógico que ainda está em transição do valor do canal prévio para o
valor do canal atual que se deseja medir. A duração requerida para o amplificador de
instrumentação ajustar para uma precisão especificada é chamado o tempo de ajuste. Tempo de
ajuste pobre é um problema grande porque a quantia de inexatidão normalmente varia com ganho
e taxa de amostragem. Devido a estes erros acontecerem nas fases analógicas da placa do sistema
de aquisição de dados, a placa não pode devolver uma mensagem de erro ao computador quando
o amplificador de instrumentação não ajusta.
30
É muito provável que o amplificador de instrumentação não ajuste quando se está amostrando
vários canais a altos ganhos e taxas altas. Sob tais condições, o amplificador de instrumentação
tem dificuldade em localizar diferenças de voltagem grandes que podem acontecer enquanto o
multiplexador chaveia entre sinais de entrada. Quanto mais alto o ganho e quanto menor o tempo
de chaveamento do canal, o menos provável é que o amplificador de instrumentação ajustará. De
fato, nenhum amplificador de instrumentação de ganho programável pode ajustar para uma
precisão de 12-bit em menos que 2 µs quando amplificando a um ganho de 100.
Figura 3.6: A entrada para um amplificador de instrumentação que está multiplexando 40 sinais DC aparenta ser um sinal AC de alta freqüência.
Ruído
Valores que aparecem no sinal digitalizado que são diferentes do sinal atual são chamados ruído.
Porque o PC é um ambiente digital ruidoso, adquirir dados em uma placa plug-in requer um
layout muito cuidadoso em placas de sistema de aquisição de dados de múltiplas camadas, feitas
por desenhistas de alta qualidade. Simplesmente colocando um conversor A/D, amplificador de
instrumentação, e circuito de interface de barramento em uma placa de uma ou duas camadas vai,
na maioria das vezes, resultar em uma placa de sistema de aquisição de dados muito ruidosa.
Desenhistas podem usar metal protegendo uma placa de sistema de aquisição de dados para
ajudar reduzir ruídos. Proteção adequada não só deveria ser adicionada ao redor seções analógicas
sensíveis em uma placa de sistema de aquisição de dados, mas também deve ser colocado entre as
camadas da placa de sistema de aquisição de dados com planos de terra. suba a bordo com aviões
de solo.
31
A Figura 3.7 mostra a plotagem do ruído DC de dois produtos de sistema de aquisição de dados,
ambos usando o mesmo conversor A/D. Duas qualidades da placa de sistema de aquisição de
dados podem ser determinadas a partir da plotagem dos ruídos–alcance de ruído e a distribuição.
A plotagem na Figura 3.7a (de uma place de sistema de aquisição de dados de 16 bits), tem uma
distribuição alta de amostras em 0 e um número muito pequeno de pontos que acontecem em
outros códigos. A distribuição é Gaussiana que é esperado de ruído aleatório. Da plotagem, o
nível de ruído de pico está dentro de ±3 LSB. A plotagem na Figura 3.7b é um produto de sistema
de aquisição de dados muito ruidoso. Tem ruído maior que 20 LSB, com muitas amostras que
acontecem a pontos diferentes do valor esperado. Para os produtos de sistema de aquisição na
Figura 3.7, o teste foi feito com um alcance de entrada de ±10 V e um ganho de 10. Então, 1 LSB
= 31 µV, assim um nível de ruído de 20 LSB é equivalente a 620 µV de ruído.
Figura 3.7: Plotagens de ruído de dois produtos de sistema de aquisição de dados que têm desempenho de ruído significativamente diferente embora eles usem o mesmo conversor A/D de16-bit. O valor
esperado deve ter a distribuição tão perto de zero quanto possível. Figure 3.7a. é o Nacional Instrumentos AT-MIO-16XE-10 que têm códigos que variam de -3 LSB a +3 LSB. Os códigos em ±3 LSB têm menos que 10 -4 e 10 -7 probabilidade de ocorrência. Um produto de sistema de aquisição de dados
que não é da National Instruments na Figura 3.7b. tem ruído tão alto quanto ±20 LSB, com um probabilidade (10 -4) de códigos ocorrerem tanto quanto 15 LSB do valor esperado.
Saídas Analógicas
Circuito para saída analógica é exigido freqüentemente para fornecer estímulo para um sistema de
aquisição de dados. Várias especificações para conversores D/A's determinam a qualidade do
sinal de saída produzido–tempo de ajuste, slew rate, e resolução. Tempo de ajuste e slew rate
trabalham em conjunto determinando quanto rápido o conversor A/D pode mudar o nível do sinal
de saída. Tempo de ajuste é o tempo requerido para a saída alcançar a precisão especificada. O
tempo de ajuste normalmente é especificado para uma mudança de escala completa na voltagem.
A slew rate é a máxima taxa de mudança que o conversor D/A pode produzir no sinal de saída.
Então, um conversor D/A com um tempo de ajuste pequeno e uma alta slew rate pode gerar sinais
32
de alta freqüência, porque pouco tempo é preciso mudar a saída com precisão a um nível de
voltagem novo.
Um exemplo de uma aplicação que requer desempenho alto nestes parâmetros está na geração de
sinais de áudio. O conversor D/A requer uma alta slew rate e tempo de ajuste pequeno para gerar
as altas freqüências necessárias para cobrir o alcance de áudio. Em contraste, um exemplo de
uma aplicação que não requer conversão D/A rápida é uma fonte de voltagem que controla um
aquecedor.
Porque o aquecedor não pode responder a uma mudança de voltagem rapidamente, conversão
D/A rápida não é necessária. A aplicação vai determine as especificações do conversor D/A.
Resolução de saída é semelhante à resolução de entrada. É o número de bits no código digital que
gera a saída analógica. Um número maior de bits reduz a magnitude de cada aumento de
voltagem de saída, tornando possível gerar assim sinais variáveis suavemente . Aplicações que
requerem um grande alcance dinâmico com mudança de pequenos aumentos de voltagem no sinal
de saída analógico pode precisar de saídas de voltagem de alto-resolução.
I/O Digital
Interfaces de I/O digitais são freqüentemente usadas em sistemas de aquisição de dados do PC
para controlar processos, gerar padrões para testes, e para comunicação com equipamento
periférico. Em cada caso, os parâmetros importantes incluem o número de linhas digitais
disponíveis, a taxa a qual pode-se aceitar e gerar dados digitais, e a capacidade de drive das
linhas. Se as linhas digitais são usadas para controlar eventos como ligar e desligar aquecedores,
motores, ou luzes, uma taxa de dados alta é normalmente não exigida porque o equipamento não
pode responder muito depressa. O número de linhas digitais, claro, precisa casar com o número
de itens que são controlados. Em cada um destes exemplos, a quantidade de corrente exigida para
ligar e desligar os dispositivos tem que ser menor que o drive disponível atual da placa.
Com os acessórios para condicionamento de sinal adequados, porém, pode-se usar os sinais TTL
de baixa corrente do hardware do sistema de aquisição de dados para monitorar e controlar
voltagem alta e sinais corrente de hardware industrial. Por exemplo, a voltagem e corrente
necessária para abrir e fechar uma válvula grande pode ser na ordem de 100 VAC à 2 A. Porque a
saída de uma placa de I/O digital é de 0 a 5 VDC a vários milliampères, uma Série SSR, ER-8/16,
SC-206X , ou módulo de SCXI é precisado para comutar o sinal de potência para controlar a
válvula.
Uma aplicação comum é transferir dados entre um computador e um equipamento como
processadores de dados e impressoras. Devido ao fato deste equipamento normalmente transferir
dados em incrementos de um byte (8-bit), as linhas digitais em uma placa de I/O digital do tipo
plug-in são organizadas em grupos de oito. Além disso, algumas placas com capacidades digitais
33
terão circuitos de handshaking com a finalidade de sincronização de comunicação. O número de
canais, taxa de dados, e capacidades de handshaking são todas especificações importantes que
deveriam ser entendidas e compatíveis à aplicação.
Temporização de I/O
Circuito de contador/temporizador é útil para muitas aplicações, incluindo contagem das
ocorrências de um evento digital, temporização de pulso digital, e geração de ondas quadradas e
pulsantes. Pode-se implementar todas estas aplicações usando três sinais de
contador/temporizador – gate, fonte, e saída. O gate é uma entrada digital usada para habilitar ou
desabilitar a função do contador. A fonte é uma entrada digital que faz com que o contador
incremente a cada vez que ele dá um pulso, e então provê a base de tempo para a operação do
contador. Finalmente, a saída gera ondas quadradas digitais e pulsos na linha de saída.
As especificações mais significantes para operação de um contador/temporizador são a resolução
e freqüência de relógio. A resolução é o número de bits que o contador usa. Uma resolução mais
alta simplesmente significa que o contador pode contar mais alto. A freqüência de relógio
determina quanto rápido pode-se pulsar a fonte digital de entrada. Com freqüência mais alta, o
contador incrementa mais rapidamente e portanto pode detectar sinais de freqüência mais alta na
entrada e gerar pulsos de freqüência mais alta e ondas quadradas na saída.
Masterização de Barramento e Acesso de Memória Direto (DMA) para Sistema de Alto Desempenho
Um aspecto importante ao se criar sistemas de aquisição de dados baseados é alta velocidade de
processamento de dados em conjunto com um simultâneos processamento de dados. Para levar a
cabo tarefas de nível de sistema, é importante não amarrar o processador com a tarefa de
transferir dados para a RAM. O barramento ISA usa circuito especial na placa mãe do
computador para executar acesso de memória direto (DMA) em dados para ou da RAM. Os
componentes de DMA no PC e placa se encarregam da transferência de dados entre a placa e a
RAM eficazmente sem requerer o microprocessador.
O barramento de PCI estende grandemente as taxas de processamento de dados até 132 MBytes/s
e também tem providências para acesso de memória direta com o processador livre. O PCI difere
do ISA no fato de não ter circuito de DMA na placa mãe, mas ao invés permite a “masterização
de barramento” pela placa do sistema de aquisição de dados. Durante a masterização de
barramento, a placa de PCI do sitema de aquisição de dados assume o controle do barramento de
PCI, transfere dados a altas taxas de velocidade, então lança o barramento para outro uso
periférico. A Figura 3.8 mostra dados sendo transferidos para RAM por um barramento de PCI
mestre. Enquanto o dado está entrando, o processador lê os dados executa tarefas de nível de
sistema com isto. É importante notar que não todas as placas de PCI do sitema de aquisição de
dados provêem circuitos de masterização de barramento. PCI sem masterização de barramento
depende das interrupções nas transferências e então requer envolvimento do processador nas
34
transferências, que degrada desempenho de sistema. De fato, sistemas que usam placas de ISA
com DMA superam sistemas que usam placas de PCI escravas.
Figura 3.8: Placas de PCI escravas encarregam o microprocessador com o monitoramento e controle da transferência de dados entre o placa e a RAM. Este método reduz o desempenho global do sistema.
Placas de PCI de masterização de barramento são capazes de transferir dados continuamente a taxas acima de 100 Mbytes/sec sem carregar o microprocessador. Isto resulta em aumento do desempenho de
sistema.
IV.3.6-SOFTWARE
Hardware de sistema de aquisição de dados sem software é de pequeno uso–e hardware de sistema de
aquisição de dados com software pobre pode ser pior. A maioria das aplicações do sistema de aquisição
de dados usa software de driver. Software de driver é o software que diretamente programa os registros
do hardware do sistema de aquisição de dados, administrando sua operação e sua integração com os
recursos de computador, como interrupções de processamento, DMA, e memória. Software de driver
esconde os complicados detalhes de baixo nível de programação de hardware enquanto preservando
desempenho alto, provendo o usuário com uma interface de fácil entendimento.
Quais Funções Estão Disponíveis?
Funções de drive para controlar hardware de sistema de aquisição de dados podem ser agrupadas
em I/O analógico, I/O digital, e temporização de I/O. Embora a maioria dos drivers terem esta
funcionalidade básica, deve-se quererá ter certeza que o driver pode fazer mais que simplesmente
adquirir dados da placa. Certifique-se que o driver tenha a funcionalidade para:
• Adquirir dados a taxas de amostragens específicas
35
• Adquirir dados no segundo plano enquanto processando no primeiro plano (aquisição de
dados contínua)
• Usar I/O programáveis, interrupções, e DMA para transferir dados
• Fluxo de dados para e do disco
• Executar várias funções simultaneamente
• Integrar mais de uma placa de sistema de aquisição de dados
• Integrar com equipamento de condicionamento de sinal
• Estas e outras funções do drive do sistema de aquisição de dados faz com que o usuário
economize tempo de desenvolvimento considerável.
Aquisição de Dados Contínua (Circular)
Ajustando o buffer de dados para agir como buffer circular, pode-se continuamente usar e reusar
o buffer. Como interrupções e operações de DMA colocam dados da placa do sistema de
aquisição de dados no buffer, o programa de aplicação adquire dados do buffer para
processamento, como salvar no disco ou atualizar gráficos de tela. Quando o buffer está cheio, a
interrupção ou operação do DMA reinicializa para o começando do buffer, como mostrado na
Figura 3.9. Desta maneira, coleta de dados contínua e processamento podem ser sustentados
indefinidamente, assumindo que a aplicação pode recuperar e processar dados mais rápido que o
buffer está estando cheio.
Métodos de programação semelhantes existem para saída analógica, I/O digital, e operações de
contador/temporizador. Por exemplo, aquisição de dados contínua é útil em conjunto com saída
analógica para realisar monitoramento em tempo real e controle na aplicação. Enquanto a placa
adquire dados continuamente no segundo plano, pode-se estar computando dados e gerar valores
de saída analógicos usados para controlar um processo. A sofisticação crescente de hardware do
sistema de aquisição de dados, computadores, e software aumenta a importância e valor de um
bom driver de software. Driver de software corretamente desenvolvido entrega uma ótima
combinação de flexibilidade e desempenho, enquanto também reduz significativamente o tempo
exigido para desenvolver a aplicação do sistema de aquisição de dados. Deve-se pesquisar o
driver de software cuidadosamente, bem como o hardware do sistema de aquisição de dados,
fazendo-se várias perguntas.
36
Figura 3.9: Um buffer circular faz aquisição de dados contínua possível. Enquanto o buffer está estando cheio pela placa, o computador pode ler valores previamente adquiridos sem romper o processo de
aquisição.
Quais sistemas operacionais pode-se usar com o drive?
Tenha certeza que o software de drive é compatível com os sistemas operacionais previstos para
serem usados agora e no futuro. O drive também deveria ser projetado para funcionar em
diferentes características e capacidades do sistema operacional. Por exemplo, enquanto os drivers
para Windows 3.x podem ser executados no Windows NT ou 95/98, só drivers escritos em código
de 32-bit completo para Windows NT ou 95/98 podem tirar proveito do desempenho aumentado e
robustez disponível no Windows NT ou 95/98. Os drivers para Windows 95 também deveriam
poder trabalhar junto com Windows 95 Plug-and Play para assegurar que o sistema é fácil para
ajustar e configurar. Pode-se também precisar da flexibilidade para aportar o código facilmente
entre plataformas, isto é, do Windows NT para o sistema operacional do Mac. Software de drive
de NI-DAQ está disponível para Windows NT, Windows 95, Windows 3.1, Mac OS, e DOS.
Quais Linguagens de Programação Pode-se Usar com o Driver?
Tenha certeza que o driver pode ser chamado da linguagem de programação mais usada, e é
projetado para trabalhar bem dentro aquele ambiente de desenvolvimento.
As Funções de Hardware Necessárias São Acessíveis em Software?
Um problema acontece quando um projetista compra hardware de sistema de aquisição de dados,
então combina o hardware com software, só para achar que uma característica crítica de hardware
não é suportada pelo software. O problema acontece mais freqüentemente quando o hardware e o
software é desenvolvido através de companhias diferentes. Fazendo esta questão, pode-se salvar
tempo pesquisando nos manuais de software procurando uma função que não existe.
O Driver Limita Desempenho?
Porque o driver é uma camada adicional, pode causar algumas limitações de desempenho. Além
disso, sistemas operacionais como Windows 3.1 podem ter significantes latências de interrupção.
Se não negociadas corretamente, estas latências podem reduzir grandemente o desempenho do
sistema de aquisição de dados.
37
As respostas para estas perguntas darão uma indicação do esforço que foi em desenvolver o
software de drive. Idealmente, deseja-se obter o software de drive de uma companhia que tem
tanto muitas perícia no desenvolvimento do software do sistema de aquisição de dados quanto no
desenvolvimento do hardware do sistema de aquisição de dados.
Software de aplicação:
Um modo comum e eficiente para programar hardware do sistema de aquisição de dados é usar
software de aplicação. Até mesmo se software de aplicação é usado, é importante saber as
respostas para as perguntas prévias, porque o software de aplicação usará software de driver para
controlar o hardware do sistema de aquisição de dados. Software de aplicação soma análise e
capacidades de apresentação para o software de driver. O software de aplicação também integra
controle de instrumentação (GPIB, RS-232, PXI, e VXI) com aquisição de dados.
A National Instruments oferece, entre outros, o LabVIEW, software de aplicação com uma
metodologia de programação gráfica alternativa, por desenvolver instrumentação completa,
aquisição, e controle de aplicações.
38
IV.4-ESTUDO DE INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL E LÓGICA DIFUSA IV.4.1- INTRODUÇÃO
A lógica difusa desenvolvida e proposta por Lotfi Zadeh em 1965 consiste em expressar as leis
operacionais de um sistema de controle através de termos lingüísticos, ao invés de equações matemáticas,
como ocorre na metodologia clássica, sendo esta, talvez, a sua principal vantagem. Esta lógica é,
principalmente, aplicada em sistemas em que o grau de complexidade é tal que a sua modelagem, através
de equações matemáticas, torna demasiadamente impreciso o seu controle. Estas imprecisões podem estar
relacionadas as não linearidades, variação natural do tempo do processo a ser controlado, ruídos
ambientais, degradação dos sensores ou outras dificuldades em obter medidas precisas e de confiança que
retratem o real comportamento do sistema. O uso da lógica difusa nesses sistemas complicados utilizam
das vantagens inerentes ao uso dos termos lingüisticos, para representá-los corretamente. Esses termos
são muitas vezes expressos na forma de implicações lógicas tal como regras contendo: “SE-ENTÃO”.
O termo “lógica difusa” (fuzzy logic) fornece a sensação de ser uma metodologia imprecisa onde a
exatidão não é necessária ou importante, pois em um mundo grandemente manipulado por computadores,
com seus conceitos absolutos de “1” e “0” e “on” e “off”, um termo como lógica difusa sugere inexatidão
ou imprecisão. Porém, na prática, esta imprecisão não acontece [4]. A lógica difusa, ao contrário da lógica
tradicional, utiliza conhecimentos recebidos a partir de especialistas, profundos conhecedores dos
sistemas a serem controlados, para descreverem o funcionamento desses sistemas e orientarem o controle
a ser implementado. Porém, o conhecimento a ser recebido dos especialistas também pode não ser
transmitido de modo suficientemente claro. Assim, uma descrição lingüistica imprecisa da maneira de se
controlar o sistema pode ser usualmente articulada pelo especialista com relativa tranqüilidade. Uma
descrição lingüistica fácil de se usar, e que deve ser utilizada como norma pelos especialistas, consiste de
um conjunto de regras do tipo:
• SE A acontecer e B ocorrer, ENTÃO faça-se C
IV.4.2-COMPARAÇÃO ENTRE A LÓGICA DIFUSA E A CLÁSSICA
Para ilustrar a diferença existente entre a lógica difusa e a aproximação tradicional pode-se considerar um
rápido exemplo retirado de [4]. Nesse exemplo, um ventilador deve ser controlado baseando-se nas
seguintes condições:
• SE a temperatura do ar é ³ 70 º Fahrenheit, ENTÃO ajuste a velocidade do ventilador para
1000 rpm
• SE a temperatura do ar é < 70 º Fahrenheit, ENTÃO ajuste a velocidade do ventilador para
100 rpm
Um controle tradicional confia em um ponto de decisão discreto. Neste caso a entrada precisa alcançar
um determinado valor (70 ºF) antes de tomar uma decisão. A Figura 4.1 mostra o diagrama do
39
controlador tradicional exemplificado acima. Pequenas variações na entrada poderiam causar saídas
drasticamente diferentes. É o que aconteceria caso a temperatura variasse em torno de 69,5 º F até 70,5 º
F. Estes pontos de transição são críticos para sistemas tradicionais sendo onde a lógica difusa se supera.
Figura 4.1: Controle tradicional.
Na lógica difusa os termos usados são os que se aproximam das condições diárias, como no caso do
exemplo, para variáveis de entrada FRIO, MORNO e QUENTE ou para variáveis de saída LENTO,
MÉDIO e RÁPIDO. Deste modo, os termos citados acima são parâmetros que definem faixas de valores
conhecidos como funções de pertinência, normalmente variando entre 0 e 1. As Figuras 4.2 e 4.3 mostram
as funções de pertinência para variáveis de entrada e saída respectivamente.
Figura 4.2: Funções de pertinência para variável de entrada.
40
Figura 4.3: Função de pertinência para variável de saída
Escolhendo uma faixa de valores ao invés de um simples valor discreto para definir a variável de entrada
da temperatura do ar, é possível controlar a variável de saída da velocidade do ventilador mais
precisamente.
Para descrição desse problema, são utilizadas.regras do tipo:
• SE a temperatura do ar é MORNO, ENTÃO ajuste a velocidade do ventilador para MÉDIO
IV.4.3–O CONTROLADOR DIFUSO
Introdução
Um controlador difuso é basicamente constituído por 3 blocos, cada bloco correspondendo as seguintes
fases:
• Fuzzificação.
• Inferência
• Defuzzificação
Figura 4.4: Fases de implementação da lógica difusa.
A Figura 4.4 apresenta um diagrama em blocos da seqüência de implementação de um controlador
baseado na lógica difusa (fuzzy). Um controlador difuso opera repetindo um ciclo das três fases
anteriores. Primeiro as medidas são feitas de todas as variáveis que representam condições relevantes do
processo a ser controlado. Depois, essas medidas são convertidas em apropriados conjuntos difusos. Esse
41
passo é chamado de fuzzificação. As medidas fuzzificadas serão então usadas pela fase de inferência para
em conjunto com as regras de controle estabelecidas, definirem conjuntos difusos para a fase de
defuzzificação. O resultado é um conjunto difuso (ou vários conjuntos difusos) definidos no universo de
ações possíveis. O conjunto difuso é então convertido no passo final do ciclo, na fase de defuzzificação,
em um simples valor ou vetor de valores. Estes valores defuzzificados representam ações a serem
tomadas pelo controlador fuzzy em ciclos de controle individual. Aplicando-se os conceitos aqui
colocados no exemplo apresentado e analisando cada uma das fases tem-se:
Fuzzificação
Aplicando-se o exemplo do ventilador, tem-se que as funções de pertinência serão: FRIO,
QUENTE e MORNO com suas faixas definidas na Figura 4.5. Nesta fase são determinados os
graus de pertinência, que variam entre 0 e 1, da variável de entrada da “temperatura do ar”, para
cada função de pertinência (FRIO, MORNO ou QUENTE). Mais de uma função de pertinência
pode estar ativa para uma determinada entrada. Para o exemplo, quando a variável de entrada da
temperatura do ar estiver em 70º Fahrenheit implicará na ativação das funções de pertinência
QUENTE e MORNO. Nesse caso, tem-se uma pertinência de 0,17 para a função QUENTE e 0,37
para a função MORNO.
Figura 4.5: Processo de fuzificação
Inferência
Uma vez que funções de pertinência tendo sido definidas para variáveis de entrada e saída, uma
base de regras de controle deve ser desenvolvida para relatar as ações da saída do controlador
para as entradas observadas. Esta fase é conhecida como inferência ou definição das regras para a
lógica difusa. Existem dois principais caminhos na qual as regras de inferência relevantes podem
ser determinadas. Um modo é deduzir as regras através de operadores humanos experientes [5], e
o outro é obter dados empíricos através de métodos de aprendizado adequado, geralmente com o
uso de redes neurais [5]. Para o exemplo citado, algumas regras podem ser mostradas abaixo:
42
• SE a temperatura do ar é FRIO, ENTÃO ajuste a velocidade do ventilador para LENTO
• SE a temperatura do ar é QUENTE, ENTÃO ajuste a velocidade do ventilador para RÁPIDO
• SE a temperatura do ar é MORNO, ENTÃO ajuste a velocidade do ventilador para MÉDIO
Da fase de fuzzificação obtém-se as funções que foram ativadas devido ao valor da variável de
entrada da temperatura do ar estar em 70 º Fahrenheit. Para esse valor de entrada foram ativadas
as funções de pertinência QUENTE e MORNO. Das regras acima tem-se que as funções de
pertinência de saída ativadas para esse valor, da variável de entrada da temperatura do ar, são as
funções RÁPIDO e MÉDIO respectivamente.
Essas regras “SE-ENTÃO” podem relatar múltiplas variáveis de entrada e saída. As regras são
baseadas em descrições de palavras ao invés de definições matemáticas. Qualquer relação que
possa ser descrita com termos lingüisticos pode tipicamente ser definida por um controlador
lógico difuso. Isso significa que sistemas não lineares podem ser descritos e facilmente
controlados com um controlador lógico difuso. Diferentes regras tem diferentes impactos no
controlador, de acordo com a medida da variável de entrada.
Defuzzificação
Após o controlador lógico difuso avaliar as entradas e aplicar as regras para estas entradas, é
necessário gerar uma saída para o sistema que está sendo controlado. Isso pode significar ajustar
uma tensão ou uma corrente para um valor particular, de forma a controlar a velocidade de um
ventilador, ou a velocidade ótima de um braço robótico quando ele está próximo do alvo. O
controlador lógico difuso necessita converter suas variáveis internas de saída em valores discretos
que podem ser usados pelo sistema controlado. Como determinado na fase de inferência, para o
valor da variável de entrada da temperatura do ar de 70 º Fahrenheit, as funções de pertinência de
saída ativadas foram RÁPIDO e MÉDIO, com pertinências respectivas de 0,37 e 0,17. Dessa
forma obtém-se os valores da variável de saída da velocidade do ventilador. Para a função de
pertinência RÁPIDO os valores encontrados para a variável de saída foram 680 rpm e 1200 rpm.
Para a função de pertinência MÉDIO os valores encontrados para a variável de saída da
velocidade do ventilador foram 375rpm e 710 rpm. A Figura 4.6 ilustra o que foi explicado
acima.
43
Figura 4.6: Processo de defuzificação.
Da Figura 4.6 percebe-se que se obteve diversos valores da variável de saída para a velocidade do
ventilador. É necessário extrair um valor que seja útil para o sistema. A essa conversão dá-se o
nome de defuzzificação. Existem vários métodos de defuzzificação apresentados na literatura [5].
Um dos métodos de defuzzificação utilizado é o método dos máximos. Neste método, o máximo
valor de pertinência relativa é usado para determinar o valor numérico para a saída do
controlador. Dessa forma, no exemplo aqui utilizado, são encontrados dois valores para essa
variável de saída: 375rpm e 710 rpm. Um dos inconvenientes do método de defuzzificação que
utiliza os máximos são as soluções múltiplas.
Um outro método de defuzificação utilizado é o método do centróide (ou método do centro de
gravidade, ou método do centro de área), sendo esse o mais bem conhecido método de
defuzificação [6]. Esse método é computacionalmente mais complexo e por esta razão implica em
ciclos de inferência mais lentos. Nele todos os valores de pertinência relativas a um valor da
variável de entrada são utilizados, formando uma figura geométrica (Figura 4.7). Dessa forma é
calculado o valor do centróide dessa figura geométrica, sendo que, o valor encontrado para o
exemplo citado é de 635 rpm. A vantagem do método de defuzzificação do centróide é a
eliminação de saídas múltiplas, como no método dos máximos.
44
Figura 4.7: Método de defuzzificação do Centróide.
O método do menor dos máximos também é usado para se fazer a defuzzificação. Esse método
toma o menor valor defuzzificado da máxima pertinência relativa do processo de defuzzificação.
Para o caso do exemplo, a máxima pertinência relativa tem o valor de 0,37 e dessa forma os
valores defuzzificados obtidos foram 375rpm e 710 rpm, resultando no valor defuzzificado de
375 rpm. Isso é mostrado na Figura 4.8.
Figura 4.8: Método de defuzzificação do Menor dos máximos.
Por sua vez, o método do maior dos máximos toma o maior valor defuzzificado da máxima
pertinência relativa do processo de defuzzificação. Para o caso do exemplo, a máxima pertinência
relativa tem o valor de 0,37 e dessa forma os valores defuzzificados obtidos foram 375rpm e 710
rpm, resultando no valor defuzzificado de 710 rpm, que é mostrado na Figura 4.9.
45
Figura 4.9: Método de defuzzificação do Maior dos máximos.
O método da média dos máximos, é muito similar ao método do menor e maior dos máximos. Ao
invés de determinar o menor ou o maior valor defuzzificado da máxima pertinência relativa ao
processo de defuzzificação, esse método toma média desses dois valores. Dessa forma, o valor
defuzzificado obtido, para o exemplo citado, é 542,5 rpm, representado na Figura 4.10.
Figura 4.10: Método de defuzzificação da Média dos máximos.
46
V) PROJETO DE UM SISTEMA DE SUSPENSÃO ELETROMAGNÉTICO
V.1 - ÍNDICE DE SÍMBOLOS Ac Área da seção do núcleo.
Ap Produto da área de janela (WA) e área do núcleo (Ac).
At Área da superfície do ímã.
Aw Área de cobre descoberto.
a Ver (1) e Fig. 2.
D Diâmetro da esfera suspensa.
d Distância do gap de ar na posição de equilíbrio.
G Corrente de saída/ganho de posição [A/m], (32).
GF Transcondutância de amplificador de potência [A/V], (32) e (40).
Gs Sensor de ganho [V/m], (31).
g Aceleração devido à gravidade, 9,81[m/s2].
gfs Transcondutância do FET.
h Altura da janela da bobina.
hc Coeficiente de transferência de calor.
I Corrente de equilíbrio na bobina.
J Densidade de corrente.
Kp Ganho proporcional.
Kt Veja (17).
Ku Fator de utilização de janela.
L(x) Indutância na posição x.
L1 Indutância em x=¥.
L0 Indutância incremental devido à esfera em x=0.
Ld Indutância incremental por volta na posição de equilíbrio.
lt Comprimento médio de uma volta.
M Massa da esfera.
47
N Número de voltas.
t densidade da capa.
Td Tempo derivativo.
WA Área da janela.
Wm Energia armazenada no eletroímã.
w Espessura da janela da bobina.
x Distância do gap de ar.
D Diâmetro do núcleo.
DT Aumento de temperatura no eletroímã.
r Resistividade elétrica do condutor da bobina.
µ0 Permeabilidade de espaço livre 4p x 10-7[H/m].
ag
n =w Freqüência natural [r/s].
V.2 - INTRODUÇÃO A suspensão estável de uma esfera metálica em um campo magnético tem sido um assunto de interesse
considerável desde os anos 30. Aparte de seu impacto visual, serve ilustrar muitos princípios
fundamentais de engenharia elétrica e eletrônica: eletromagnetismo e eletrodinâmica, teoria de controle, e
analógico e digital, projeto de circuito. Em particular a aplicação de controle para controladores
analógicos e digitais. O sistema é projetado para levitar uma bola de aço de 6[cm] de diâmetro, com uma
massa de 0,8[kg]. Um jogo de regras de projeto é apresentado, que permite projetar um imã ótimo para
uma bola de tamanho determinado. Dimensões de bobina e bitola dos fios para um determinado aumento
de temperatura são tratados em detalhes. Para complementação, é descrito o circuito completo de um
modelo de funcionamento. Todas as equações são derivadas de princípios primários para enfatizar o valor
do sistema como uma ferramenta educacional.
V.3 - SISTEMA ELETROMAGNÉTICO São mostrados os componentes principais do sistema de suspensão magnético na Fig. 1. A posição da
bola é monitorada pelo sistema óptico e o sinal de realimentação é usado para controlar a posição da bola
de aço.
48
Fig. 1-O sistema de suspensão eletromagnético.
Fig. 2-Indutância da bobina em função da separação.
A indutância da bobina varia com posição de bola como ilustrado na Fig. 2. As características essenciais
são: L1 é a indutância quando a bola é removida (x=¥). L0+ L1 é a indutância quando a bola está em
contato com a bobina (x = 0). A variação da indutância entre este dois extremos pode ser descrito de
muitas maneiras diferentes; para simplicidade magnética, é suficientemente preciso usar uma função
exponencial
axeLLxL /01)( -+= (1)
onde “a” é a constante de comprimento. A energia co-magnética do sistema é uma função da corrente da
bobina i e da separação x
2)(21),(' ixLxiW = (2)
A força de origem magnética atuando na bola é dada por
49
axeiaL
xW
f /20
2' --=
¶¶
= (3)
Em equilíbrio estático, está força é balanceada exatamente pela força gravitacional atuando na bola. Em
x=d, i=I
22
2/0
22I
aLN
IeaL
Mg dad == - (4)
onde N é o número de voltas na bobina, Ld é a indutância incremental em x=d devido a uma volta única da
bobina, e g=9,81[m/s2] é a aceleração devido à gravidade.
Rearanjando (4), obtem-se
dLNaMgI2
2= (5)
Evidentemente, a taxa dLa
é exigida para predizer a corrente da bonina de estado estável. Além disso,
esta quantidade pode ser otimizada para minimizar a corrente da bonina. Este é o assunto da próxima
seção.
Fig. 3- Otimização do diâmetro do núcleo, d=0,2D.
V.4 - PROJETO OTIMIZADO DO ELETROÍMÃ Equação (5) mostra que é a indutância incremental devido à presença da bola que determina a corrente da
bonina de estado estável. O sistema magnético de Fig. 1 foi simulado usando Análise de Elemento Finito.
50
O primeiro passo na otimização do projeto é investigar o diâmetro do núcleo. O parâmetro adimensional
dLa
0µ é plotado na Fig. 3 para a taxa D/D, onde D é o diâmetro da bobina e D é o diâmetro de bola para
três valores de D: 5[cm], 2,5[cm] e 1[cm], respectivamente. Nesta figura, a separação de equilíbrio é d =
0,2D, a largura de janela é w = D/2, a altura de janela é h = 2w, e a densidades de capa é t = 0,2D. O
gráfico estabelece claramente que D/D = 0,8 é a dimensão de núcleo otimizada. A área sinuosa é
escolhida para 1000 voltas de fio que é selecionado para a corrente apropriada dada por (5). A densidade
de corrente e, por conseguinte, a bitola do fio é determinado pelo projeto térmico.
A razão wh
foi investigada para uma área de janela constante e descobriu-se que o parâmetro de projeto
dLa
0µ permaneceu constante para wh
no alcance 1,5-5,0. Por razões estéticas. o valor wh
= 2.0 é
escolhido e a altura global é aproximadamente igual a metade do diâmetro global. A espessura da capa
exterior foi investigada e foi achado que deveria ser pelo menos 10% de D, assegurando-se assim que a
relutância do caminho de retorno é pelo menos tão baixa quanto a relutância do núcleo cilíndrico. Para a
bola de 5[cm] dLa
0µ = 0,228. uma das notáveis características da Fig. 3 é que este parâmetro está quase
constante para todos os valores de D no ponto otimizado. Se a capa exterior na Fig. 1 sé removida este
valor se torna 0,882, que aumentaria a corrente da bobina por um fator de 2,0 para o mesmo número de
voltas como mostrado por (5).
Fig. 4 mostra o valor otimizado do diâmetro de núcleo versus a posição de bola. A medida que a
separação aumenta, o diâmetro de núcleo otimizado também aumenta. A medida que o gap aumenta mais
fluxo retorna do núcleo para a capa externa no gap de ar. O acoplamento para a bola é reduzido e a
constante de comprimento "a" é aumentada. A análise de elemento - finito mostrou que a constante de
comprimento "a" é aproximadamente determinado por a=D/9. Por analogia com o conceito clássico de
"constante de tempo" em um circuito RC, esperar-se-ia que o alcance operacional efetivo para separação
da bola estaria até 4a ou 45% do diâmetro de bola. Isto é confirmado na Fig. 4 onde o diâmetro do núcleo
aumenta exponencialmente para d/D> 0,45 e o tamanho físico do eletroímã seria impraticável para
construir.
Tabela I é um resumo dos parâmetros principais na Fig. 3.
51
Tabela I - Parâmetros otimizados do núcleo (N=1000, d=0,2D)
D[cm] L0[H] L1[H] a[mm]
dLa
0µ
5,0 0,191 0,291 5,35 0,228
2,5 0,093 0,143 2,68 0,234
1,0 0,036 0,056 1,08 0,238
Fig. 4-Diâmetro da bobina otimizado versus separação, D=5[cm].
V.5 - PROJETO DO ELETROÍMÃ A energia armazenada na bobina no equilíbrio é
NIABIdLW cmm 21)(2
1 2 == (6)
onde Bm, é a densidade de fluxo no núcleo e Ac é a área de seção do núcleo. Isto assume que na ausência
do fluxo de vazamento o mesmo fluxo une as N-voltas N vezes e também que a densidade de fluxo é
constante na seção transversal.
O fator de utilização de janela Ku na quantia de cobre na área de janela WA
Au W
NAK w= (7)
onde Aw. é a área de cobre descoberto do fio. A densidade de corrente é
52
wAIJ = (8)
Fig. 5-Dimensões otimizadas da bobina.
As perdas de cobre são determinadas por
22 )( wJARRIPCU == (9)
A resistência de dc da indutância é
w
rANl
R t= (10)
onde r é resistividade do cobre (1,72 x 10-8[Wm]) e lt, é o comprimento médio de uma volta da bobina.
A perda de calor por transmissão natural da superfície da bobina é
TAhP tc D= (11)
onde h é o coeficiente de transferência de calor (10 [W/m2°C]), At é a área de superfície da bobina, e DT é
o aumento de temperatura da bobina. É assumido que condução de calor pelo cobre e aço não faz uma
contribuição significante para o aumento de temperatura.
Substituindo (10) em (9) e equacionando com (11) dá
wr NAlTAh
Jt
tc D= (12)
Uma medida útil do tamanho da bobina é o produto da área de janela e a área transversal do núcleo
cAp AWA = (13)
No projeto da bobina otimizada:
53
• Diâmetro do núcleo D=0,8D
• Espessura da janela w=0,5D
• Altura da janela h=2w
• Densidade da capa t=0,1D
Estas dimensões são ilustradas na Fig. 5.
As quantidades físicas WA, At, At. e lt podem ser relacionadas ao parâmetro de núcleo Ap através de análise
dimensional
)16(6
)15(26
)14(
4pt
pt
pA
Al
AA
AW
=
=
=
Substituindo (7), (14), (15). e (16) em (1 2) com Ku = 0.6 resulta
8p
t ATKJ D
= (17)
onde K1 = 64,8 x 103 [A/m3/2.°C1/2] para .J em [A/m2] com DT em [°C] e Ap em [m4]. Combinando (6)-(8)
Aucmm WJKABW 2/1= (18)
Substituindo (13) e (17) em (18) depois de rearranjar
78
2
úúû
ù
êêë
é
D=
TKKBW
Atum
mp (19)
Reescrevendo (6) com I dado por (5) e substituindo em (19). dá Ap em termos de
78
2
úúúúú
û
ù
êêêêê
ë
é
D=
TKK
LaMgA
Atu
dc
p (20)
Equação (20) dimensiona o núcleo para uma esfera particular e aumento de temperatura.
Equação (20) pode ser simplificada mais adiante notando as condições de otimização da Fig. 3:
228,00 =dLaµ e D = 0.8D. Além disso, g = 9,81 [m/s2] e para Ku = 0.6, Kt = 64,8 x l03 [A/m3/2.°C1/2] e
DT = 30[°C]
54
716
74
002,0 DMAp = (21)
Por exemplo, M = 0,8 [kg], D = 0,06m, Ap = 284 x 10-8 [m4]. Levando a densidade do aço como 7100
[kg/m3] para uma esfera de aço (21) mais adiante simplifica-se para
Ap = 0,22D4 (22)
V.5.1 - SELECIONANDO O NÚMERO DE VOLTAS
O número de voltas no eletroímã influencia os seguintes três itens de projeto:
• Perdas do ·cobre
• Densidade de fluxo no núcleo
• Ponto de operação dc do amplificador de potência.
1) Perdas do Cobre: O cobre ou perdas de enrolamento são determinadas por (9) e combinando com (5),
(7), e (10)
dAu
tcu LWK
MgalP
2r= (23)
Evidentemente, as perdas de cobre são independentes do número de voltas. A corrente de bobina pode ser
reduzida aumentando o número de voltas mas isto é compensado pela resistência aumentada de um fio
menor. A área de janela permanece essencialmente constante em (23) devido ao aumento no número de
voltas compensado pela área transversal menor do fio. Fio maior pode ser usado para reduzir as perdas às
custas de um eletroímã maior.
2) Densidade de Fluxo: A densidade de fluxo no núcleo do eletroímã é determinada pelo NI da bobina.
Examinando (5) mostra que o produto NI é fixo pela massa da esfera e o parâmetro otimizado dLa
0µ .
3) Ponto de Operação do Amplificador: A linha de alimentação do amplificador de potência é
determinada pela voltagem de alimentação e pela resistência de bobina. A queda de voltagem na bobina é
RI e (5), (7). e (10) mostram que este produto é aumentado se a corrente é reduzida através da
incorporação de um maior número de voltas no eletroímã. . A queda de voltagem na bobina pode ser
reduzida usando um fio de bitola maior às custas de um eletroímã maior.
55
Fig. 6-Resposta dinâmica para G>1/(2a).
V.6 - O SISTEMA DINÂMICO A força de origem magnética. agindo na bola é determinado por (3)
202
1),( ieLa
xif ax-
-= (24)
Considere uma perturbação sobre o equilíbrio em x = d. i = I
'
'
'
fff
iIi
xdx
+=
+=
+=
Pela expansão da série de Taylor
',
', ||),(),( i
if
xxf
dIfxif dIdI ¶¶
+¶¶
+= (25)
De (24)
'0
'202
'
21
IieLaI
xIeLa
f ad
ad --
-= (26)
A força mecânica é
2
'2
dtxd
MMgf m +=
No equilíbrio, Mg = f (I,d) dado por (4), e a equação incremental de movimento se torna
56
02
'2
'2
22
2
'2
=+- iaILN
xaILN
dtxd
M dd (27)
Com a transformada de Laplace
2
222
2
2)()(
aILN
Ms
aILN
sIsX
d
d
--= (28)
Usando (5)
22
2
)()(
nsIg
sIsX
w-
-= (29)
agn /=w (30)
Esta é a função de transferência que relaciona a corrente de bobina e posição da bola. A posição da bola é
sentida oticamente, e uma voltagem é produzida que é proporcional à posição de bola
'88
' xGv = (31)
onde G8 é o ganho do sensor [V/m].
Esta voltagem é aplicada ao gate de um transistor de efeito de campo (FET) de um amplificador que tem a
bobina no circuito de dreno.
''88
'' GxxGGvGi FF === (32)
onde GF é a transcondutância do amplificador de potência.
Substituindo i' dado por (32) em (27) tem-se
02
'2
2
'2
=úûù
êëé -+ x
aI
GaILN
dtxd
M d (33)
Esta é uma equação de diferencial de segunda-ordem. A equação característica em (33) é
02'2 =+ nwl (34)
úûù
êëé -=
aIG
MaILN d
n2
2'w (35)
57
w’n é ou é real ou complexo dependendo da quantidade úûù
êëé -
aIG2
. Para naIG ',2
w> é real e a solução
de (33) é da forma
tBtAtx nn''' sencos)( ww += (36)
onde A e B são determinados através de condições iniciais. x’(t) é uma senoide pura.
Para x’(0)= X0 e 0'=
dtdx
em t = 0 a solução é na Fig. 6. Para naIG ',2
w< é complexo e a solução de
(33) é uma exponencial crescente que não é adequada para o sistema de suspensão.
V.7 - CONTROLE A oscilação contínua descrita na Fig. 6 só pode ser alcançada por uma fonte de corrente perfeita. Um
diagrama de bloco do sistema de controle é mostrado na Fig. 7 junto com a plotagem do root locus
associado.
Os polos no eixo imaginário são dados por aIG2
> ; como mostrado na seção anterior.
Um termo poderia ser introduzido em (33) por meio de um função de transferência da forma [7]
111
1
2
++
=ss
VV
tat
a (37)
Para a >> 1 a função de transferência o zero e o polo é aproximadamente
( )11
1
2 += sVV
ata
(38)
Esta é a forma clássica de controle de PD, que pode ser escrito
)1(1
2 sTKVV
dp += (39)
58
Fig. 7-(a)Diagrama de blocos e (b) Root locus do sistema não equilibrado.
Fig. 8-(a) Diagrama de blocos e (b) Root locus do sistema equilibrado.
Se vl(t) é a saída do sensor de posição, então v2(t) tem um componente que é proporcional à velocidade da
bola.
O diagrama de bloco com controle PD e seu root locus associado é mostrado na Fig 8. O valor de Kp,
pode ser escolhido para um valor adequado de freqüência natural.
59
V.8 - SISTEMA EXPERIMENTAL V.8.1 - O ELETROÍMÃ
A análise das seções prévias foi aplicada para o projeto de um sistema eletromagnético com
• massa de esfera M = 0,8 [kg]
• diâmetro da esfera D = 6,0 [cm]
• gap de equilíbrio d = 1 [cm]
Fig. 9-Root locus do sistema experimental.
Cálculos:
Tabela I
][66,69
228,00
mmDaLad
=@
=µ
Equação (5), N = 1000 voltas, I = 1,69 [A]
]./[108,64,6,0,8,0],[30 21233 CmAxKKDCT tu!! ===D=D
• Equação (20) Ap = 291 [cm4]
• Equação (17) J = 175 [A/cm2]
60
• Equação (8) Aw = 0,971 [mm2]
Este é um fio de 1,12 [mm] de diâmetro e resulta em uma resistência de bobina de 4,3 [W]. Extrapolando
da Tabela I, L0 = 0,229 [H] e L1 = 0.349 [H] que dão L(d) = 0.4 [H] em d = 1 [cm] e a constante de tempo
da bobina é 93 [ms].
Dimensões do núcleo, veja Fig. 5
• Diâmetro do núcleo D = 0,8D = 48 [mm]
• Largura de janela w = 0.5D = 30 [mm]
• Altura da janela h = 2w = 60 [mm]
• Espessura da parede t = 0.1D = 6 [mm]
• Diâmetro Externo = 120 [mm]
• Altura global = 66 [mm].
V.8.2 - SISTEMA DE CONTROLE
• Ganho do sensor Gs = 46 [V/m]
• Amplificador FET GF = 3,2 [A/V]
• Freqüência natural wn = 38,38 [r/s]
• Tempo derivativo Td = 20 [ms]
• Ganho proporcional Kp = 3,6
Fig. 10-O Amplificador de potência.
61
O ganho (GsKpGF) é 529 que é mostrado no diagrama de root locus da Fig. 9 e representa um margem de
fase de 67°. O ganho global é escolhido para um gap de máximo de 2,0 [cm] que corresponde a uma
corrente de 4,3 [A] e G> 323.
V.8.3 - O AMPLIFICADOR DE POTÊNCIA
O amplificador de potência é mostrado na Fig. 10. A bobina é colocadao no circuito de dreno. Rs é
incluído para estabilidade de bias. A transcondutância do amplificador é determinado por
1+=
¶¶
=ss
s
G
DF Rgf
gfviG (40)
onde gfs., é a transcondutância do transistor MOSFET. Para ID = 1,7 [A], gfs, = 4,0 [W-1] para BUZ350, de
acordo com a folha de dados do fabricante. Assim GF = 0,8 [A/V]. Quatro dispositivos são conectados em
paralelo para esparramar a corrnte dando um ganho global de 3,2 [A/V].
62
VI) CONCLUSÃO
Um jogo novo de fórmulas foi estabelecido para o projeto de um sistema de levitação
eletromagnética com uma esfera metálica. As fórmulas de projeto foram derìvadas de
princípio primários e são então adequadas para outras aplicações. Como tal eles são um
veículo útil para ensinar o desígnio de componentes de magnéticos.
Uma função de transferência de segunda-ordem instável é obtida das fórmulas de
projeto. Um pré conhecimento da função de transferência obvia a necessidade para medir
os parâmetros de planta depois que for construído. Isto também significa que o sistema de
controle pode ser projetado em papel que elimina método da tentativa e erro que eram
necessários no passado. O estudante pode projetar um sistema de compensação em papel e
" pode ver " os resultados.
Em condições educacionais, vários itens foram enumerados: projeto magnético, controle
usando root locus e técnicas de colocação de polo, projeto de amplificador de potência. e
implementação de sensor. Expcrimentos futuro incluirão controle digital, controle de
lógica fuzzy.
VII) SITES PESQUISADOS
1) http://www.natinst.com
2) http://austinlinks.com/fuzzy
3) http://www.hp.com/
63
VIII) BIBLIOGRAFIA
[1] National Instruments-Instrumentation Catalogue, Measurement and Automation 1998
[2] Botura, César Augusto, “Estudo e projeto de um controlador usando lógica difusa
aplicado ao controle ativo de um combustor do tipo tubo de Rijke”, Dissertação de
mestrado, 1998, UNESP Campus de Guaratinguetá
[3] “The Fundamental of Data Acquisition”; Hewlett Packard, USA
[4] Adcock, Timothy A., Digital Signal Processing”, Semiconductor Group, Texas
Instruments Incorporated, Janeiro 1993
[5] Klir, G. J., Yuan, B., “Fuzzy Sets and Fuzzy Logic – Theory and Aplications”,
Springer, Prentice Hall, pp 333-334, 1995
[6] D. Driankov, H. Hellendoorn, M. Reinfrank, “Na Introduction to Fuzzy Control”,
Springer, 2a edição, pp134, 1996
[7] Hurley and Wolf, “Electromagnetic Design of a Magnetic Suspension System”
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Daniel Satoshi Marimoto Galdenoro Botura Junior
Bolsista Orientador
