UNIVERSIDAD DE CASTILLA - LA MANCHA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES CONTROL REMOTO DE UN GENERADOR DE ONDAS

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1 UNIVERSIDAD DE CASTILLA - LA MANCHA ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS INDUSTRIALES CIUDAD REAL PROYECTO FIN DE CARRERA Nº CONTROL REMOTO DE UN GENERADOR DE ONDAS MEDIANTE INTERFAZ GRÁFICO EN LABVIEW Autor: ANTONIO JUÁREZ HUERTAS Director del proyecto: GONZALO RODRÍGUEZ PRIETO Febrero 2012

2 AGRADECIMIENTOS A mis padres Antonio y Rosi, y a mi hermano Alberto, por su apoyo incondicional. a todos los que alguna vez creyeron en mí Antonio Juárez Huertas 2

3 ÍNDICE GENERAL Índice general 1. INTRODUCCIÓN DESCRIPCIÓN DEL GENERADOR DS El generador de ondas DS Los protocolos de comunicación del DS RS GPIB PROGRAMACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL Entorno de programación del lenguaje Labview Diseño y desarrollo del software Descripción de la aplicación Interfaz gráfica y programación de los bloques Antonio Juárez Huertas 3

4 ÍNDICE GENERAL Señal Estándar Señal arbitraria Osciloscopio Funcionamiento de la aplicación VERIFICACIÓN Y APLICACIÓN EN UN ENSAYO Descripción de las pruebas realizadas Resultados obtenidos CONCLUSIONES 63 ANEXO A: REFERENCIAS 65 ANEXO B: MANUAL DE USUARIO 67 ANEXO C: ESPECIFICACIONES DEL GENERADOR 74 Antonio Juárez Huertas 4

5 ÍNDICE DE FIGURAS Índice de figuras 2.1. Conector RS-232 de 25 y de 9 pines Conexión entre ordenador y generador DS Conector GPIB-USB Agilent Panel Frontal en Labview representando un sumador simple Diagrama de Bloques en Labview del sumador simple anterior VI Principal o módulo Señal Estándar Parámetros de la Señal Estándar Órdenes a la Señal Estándar Dirección GPIB Pantalla de visualización de la onda estándar Señal Estándar definida por el usuario Módulo Señal Arbitraria Selección de la frecuencia de muestreo y del número de puntos Vector de puntos de la onda arbitraria Pantalla de visualización de la onda arbitraria Señal Arbitraria definida por el usuario Módulo Osciloscopio Selector de escala horizontal Antonio Juárez Huertas 5

6 ÍNDICE DE FIGURAS Selector de canales Selector de escala vertical Selector de onda del canal Ejemplo de visualización mediante osciloscopio virtual Bloque Enviar desde Estándar Bloque VI del DS Bloque de escritura Bloque Opción Gráfica de la onda arbitraria (parte izquierda) Bloque Opción Gráfica de la onda arbitraria (parte derecha) Bloque Número de Puntos Bloque Frecuencia de Muestreo Bloque Guardar Arbitraria Bloque Guardar Archivo Bloque Cargar Estándar Bloque Osciloscopio VI Osciloscopio Señal de prueba senoidal Señal de prueba cuadrada Señal de prueba triangular Señal de prueba arbitraria Señal de prueba arbitraria Antonio Juárez Huertas 6

7 ÍNDICE DE FIGURAS B.1. Barra de Inicio de la aplicación B.2. Botón de Stop Antonio Juárez Huertas 7

8 ÍNDICE DE TABLAS Índice de tablas T1. Funciones más habituales en un generador de ondas arbitraria T2. Características principales del interfaz GPIB T3. Valores de prueba obtenidos para la señal senoidal T4. Valores de prueba obtenidos para la señal cuadrada T5. Valores de prueba obtenidos para la señal triangular T6. Valores de prueba obtenidos para la señal arbitraria T7. Valores de prueba obtenidos para la señal arbitraria Antonio Juárez Huertas 8

9 ÍNDICE DE GRÁFICAS Índice de gráficas de error G1. Error relativo de la onda senoidal G2. Error relativo de la onda cuadrada G3. Error relativo de la onda triangular G4. Error relativo de la onda arbitraria G5. Error relativo de la onda arbitraria G6. Error relativo de las señales estándar G7. Error relativo de las señales arbitrarias Antonio Juárez Huertas 9

10 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Capítulo 1 INTRODUCCIÓN En la actualidad, uno de los principales problemas a los que se enfrenta la humanidad es la escasez de recursos energéticos para abastecer a la población mundial. Esta falta de recursos energéticos viene dada por el agotamiento de los combustibles fósiles, así como por el escaso rendimiento energético de las actuales fuentes renovables de energía (solar, eólica, geotérmica ). El futuro energético, nos guste o no, viene determinado por la utilización de la energía nuclear que tanto rechazo social causa en nuestra sociedad. Los sistemas actuales de generación de energía nuclear están basados en la fisión del átomo [1], que producen energía con la generación de unos residuos de gran actividad radioactiva que pueden causar catástrofes medioambientales. Otro proceso de obtención de energía atómica viene dado por la fusión de núcleos. Esta forma de energía está aún por desarrollar, ya que presenta varios problemas que no están resueltos. Uno de estos problemas es la gran cantidad de energía que hay que suministrar al átomo. Una energía que podría reducirse de forma considerable si el sistema no contara con inestabilidades, las cuales al perturbar el sistema provocan un gasto energético. Dentro de las perturbaciones e inestabilidades, una de las más importantes es la inestabilidad de Rayleigh- Taylor, que básicamente describe la tendencia de un fluido más denso a mezclarse con uno menos denso bajo la acción de una fuerza paralela a la superficie de contacto de ambos fluidos cuando la fuerza es ejercida desde el fluido más denso hacia el más ligero [2]. Antonio Juárez Huertas 10

11 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN Actualmente, en el Instituto de Investigaciones Energéticas y Aplicaciones Industriales (INEI), se llevan a cabo experimentos científicos que intentan controlar o minimizar de alguna forma la inestabilidad de Rayleigh-Taylor mediante la aplicación de vibraciones ondulatorias a probetas con varios fluidos en su interfaz. Este experimento cuenta con la ayuda de estudiantes de Ingeniería Industrial de la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de Ciudad Real, que con sus proyectos fin de carrera como el presente, ayudan a los docentes a poder ejercer su labor investigadora. En este proyecto se plantea la realización de un interfaz gráfico intuitivo con el que poder generar dichas vibraciones con un generador de ondas arbitrario, para las que la interfaz gráfica será el sistema de control. En el desarrollo de esta aplicación se ha empleado el entorno de programación Labview, lo que ha obligado a dedicar una parte de tiempo importante al aprendizaje del mismo. Labview es un entorno gráfico de programación orientado al control de instrumentos y adquisición de datos mediante un PC que permite crear de una manera sencilla instrumentos virtuales [3]. En este proyecto se ha creado un instrumento virtual que permite tanto controlar desde el ordenador el generador DS340, como acceder a las principales funciones de este. La comunicación entre ordenador e instrumento ha sido posible gracias a la utilización del bus GPIB. El bus GPIB es una interfaz que fue diseñada en la década de los 60 por Hewlett-Packard, de ahí la procedencia de su nombre inicial (HP-IB) [4]. Esta memoria se estructura de la siguiente manera: En este primer capítulo, se realiza una pequeña introducción al proyecto. A continuación, en el segundo capítulo, hay una descripción del generador de ondas arbitrario, así como un análisis de las necesidades. El objetivo del capítulo es concretar cada una de las funciones que necesitaremos para el desarrollo de la interfaz. En el tercer capítulo, se describe la programación de las funciones descritas anteriormente y su fusión en la interfaz gráfica. El cuarto capítulo presenta las pruebas realizadas para verificar que el funcionamiento de la aplicación es el adecuado. Antonio Juárez Huertas 11

12 CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN En el quinto y último capítulo, se elaboran unas conclusiones sobre el proyecto así como un bosquejo del trabajo futuro a realizar. Antonio Juárez Huertas 12

13 CAPÍTULO 2. DESCRIPCIÓN DEL GENERADOR DS340 Capítulo 2 DESCRIPCIÓN DEL GENERADOR DS340 Uno de los principales objetivos del proyecto es que la aplicación nos permita generar una señal arbitraria completamente definida por el usuario con la finalidad de usarla como señal de entrada en la mesa vibratoria empleada en el estudio de la estabilización dinámica de la inestabilidad de Rayleigh-Taylor. Para poder cumplir con los objetivos descritos, se ha desarrollado una interfaz gráfica de control del generador de ondas en Labview, que permite controlar el generador de ondas DS340 de la compañía Stanford Research Systems mediante el uso de un ordenador. Necesitaremos una aplicación que permita acceder a las funciones básicas del generador DS340, es decir, a los parámetros modificables manualmente del mismo, de manera que lo podamos hacer gráfica e intuitivamente. De esta forma, se pueden crear señales totalmente definidas por el usuario. Asimismo, la aplicación deberá leer señales desde un archivo previamente creado y guardado en la memoria del ordenador. Por último, debe disponer de un osciloscopio virtual en el que se mostrarán las ondas creadas y enviadas al generador DS340. Antonio Juárez Huertas 13

14 2.1. EL GENERADOR DE ONDAS DS El generador de ondas DS340 El dispositivo que hemos de controlar es un generador de funciones de ondas arbitrarias. Normalmente, este tipo de aparatos disponen de un amplio abanico de funcionalidades, entre las cuales las más destacables se reseñan en la Tabla T1. Funciones habituales de un generador de ondas Producir señales oscilatorias habituales (senoidal, cuadrada, triangular, etc.) Ajustar la frecuencia de trabajo de la señal de salida Ajustar la amplitud de trabajo de la señal de salida Ajustar el offset de la señal seleccionada Realizar barridos de frecuencia o amplitud Crear nuestra propia señal arbitraria Tabla T1. Funciones más habituales en un generador de ondas arbitrario. En nuestro sistema, el generador de funciones a utilizar ha sido el DS340 de Stanford Research, un generador estándar para todo tipo de aplicaciones. En este proyecto también se ha empleado un osciloscopio digital, del cual por ser un instrumento estándar no se harán más comentarios a lo largo de este proyecto. La elección de este generador ha sido por dos motivos principales: es uno de los generadores más completos de los que se dispone en el laboratorio, y los programas de control que permiten la comunicación mediante el sistema GPIB ente el generador y el ordenador están ya programados para el lenguaje Labview 1. 1 Se puede obtener de la página web: Antonio Juárez Huertas 14

15 2.2. LOS PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN DEL DS340 Entre las principales prestaciones de las que dispone el generador DS340, se encuentran la posibilidad de generar cinco tipos de onda estándar (senoidal, cuadrada, rampa, triangular y ruido), así como un rango de frecuencias posibles de trabajo desde 1 µhz hasta 15 MHz y una amplitud máxima de señal de 20 V en valor pico-pico. En cuanto a la precisión y resolución del mismo, el DS340 permite una precisión de hasta un 2% tanto en frecuencia como en amplitud y una resolución de hasta 3 dígitos en las magnitudes que se le suministren. Es importante reseñar también que una onda arbitraria se puede definir con un valor mínimo de 8 puntos y un máximo de puntos. Los protocolos de comunicación soportados por el generador de ondas DS340 son la interfaz RS-232 y el protocolo GPIB Los protocolos de comunicación del DS340 Para poder controlar el generador DS340 mediante nuestro ordenador, es necesario que exista una comunicación entre ambos. Esta comunicación se puede conseguir en el generador DS340 mediante dos interfaces, la RS-232 y la GPIB. Ambas se explicarán en esta sección, con especial énfasis en el protocolo o interfaz GPIB por ser el escogido para la realización de este proyecto RS-232 La interfaz RS-232 designa una norma para el intercambio de datos digitales entre dos equipos [5], en nuestro caso el generador de ondas y un PC con el sistema operativo Windows XP o equivalente. Dentro de las características del sistema de comunicaciones RS-232 pueden destacarse: Trabaja en distancias cortas de no más de 15 metros. Está diseñado para velocidades de comunicación bajas, de no más de 20 kb/s. El protocolo RS-232 admite conectores de nueve y veinticinco pines, cada uno con una función específica asignada, fig Antonio Juárez Huertas 15

16 2.2. LOS PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN DEL DS340 Figura 2.1. Conectores RS-232 de 25 y de 9 pines. [De la web No se ha empleado en la realización de este proyecto por la falta de elementos estándar disponibles y también por la antigüedad del mismo, que aconseja el uso de estándares más extendidos en la industria, como el GPIB. Hay además otras razones que aconsejan el uso del protocolo GPIB que serán reseñadas posteriormente GPIB. La interfaz GPIB es un estándar de transmisión digital de datos que nos permite conectar dispositivos de test y medida con otros dispositivos que los controlen, como la conexión entre el DS340 y el ordenador. El esquema de conexión es simple (Figura 2.2). El generador de ondas se conecta por su parte trasera a un cable GPIB. Este se conecta al ordenador mediante un transformador de señal GPIB a USB, ver fig Figura 2.2. Conexión entre ordenador y generador DS340. Antonio Juárez Huertas 16

17 2.2. LOS PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN DEL DS34O El proyecto emplea la interfaz GPIB debido principalmente a su elevada velocidad de transmisión con respecto al RS-232 y su empleo más habitual en la industria y la facilidad de programación que posee. La historia del protocolo GPIB comienza en la década de los 60. La compañía Hewlett-Packard que fabricaba instrumentos de medición y control, desarrolló el HP-Interface Bus (HP-IB), una interfaz que permitía una fácil conexión entre instrumentos y controladores. Utilizaba un simple bus paralelo y varias líneas de control individual [4]. Unos años más tarde, la generalización del mismo causó que se transformara en el General Purpose Interface Bus (GPIB o bus de interfaz de propósito general en inglés). Actualmente existe un estándar llamado IEEE-488 que cubre este bus [6]. Las principales características de esta interfaz vienen reflejadas en la Tabla T2. Características Interfaz GPIB Máxima velocidad de transmisión de 8 Mbps Bus de datos de 8 bits transmitidos en paralelo Sincronización de hasta 15 dispositivos bajo la misma red de control Conector de 24 pines, cada uno con una función específica asignada Tabla T2. Características principales del interfaz GPIB. Como ya se comentó previamente, el cable GPIB está conectado a un interfaz USB para su conexión con el ordenador. El sistema comercial empleado en el proyecto es el Agilent 82357, mostrado en la fig. 2.3 ya citada. Antonio Juárez Huertas 17

18 2.2. LOS PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN DEL DS34O Figura 2.3. Conector GPIB-USB Agilent [De la web Para poder acceder a cada dispositivo, el protocolo GPIB establece una dirección que va desde los valores 00 a 30. El generador DS340 viene preinstalado con la número 12, pero esta dirección puede ser cambiada por el usuario mediante una opción del panel frontal de la aplicación de control remoto del DS340 desarrollada en este proyecto. Antonio Juárez Huertas 18

19 CAPÍTULO 3. PROGRAMACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL Capítulo 3 PROGRAMACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL En este capítulo se presenta el programa creado para poder ejercer el control del generador DS340. Tras una breve introducción al Labview y sus características, el capítulo desarrolla tanto la parte gráfica como la programación realizada para este proyecto. La interfaz gráfica se ha desarrollado en inglés para favorecer su uso por parte de personal temporalmente adscrito al laboratorio Entorno de programación del lenguaje Labview La aplicación gráfica de control objeto de este proyecto ha sido realizada en el lenguaje de programación de Labview, debido a la facilidad que proporciona para la programación de aplicaciones simples en un corto intervalo de tiempo. Esto se logra mediante el uso de bloques pre-programados que se enlazan unos con otros en un entorno gráfico, fácil de aprender. En esta sección se explican brevemente los elementos básicos del entorno de programación Labview. Este entorno fue creado en 1976 por National Instruments para funcionar únicamente sobre máquinas MAC. Posteriormente, se incorporó su uso a las plataformas Windows, Unix y Linux [7]. Antonio Juárez Huertas 19

20 3.1. ENTORNO DE PROGRAMACIÓN DEL LENGUAJE LABVIEW Una definición más completa precisa que se trata de una herramienta gráfica para el test, control y diseño de diversos instrumentos digitales mediante la programación de varias funciones en un lenguaje propio. Al lenguaje que Labview utiliza para programar se denomina Lenguaje G, debido a que es una programación gráfica. A los programas que se crean con este entorno se les denomina VI (Virtual Instrument), lo que nos hace intuir que su principal aplicación es el control de instrumentos de manera virtual, como ya se comentó en las líneas anteriores. La característica que lo distingue del resto de entornos de programación es que un usuario es capaz de realizar programas con un cierto grado de complejidad con una rapidez que le sería imposible de obtener en otros entornos de programación similares, debido a que la programación gráfica hace que la creación de programas sea más intuitiva. Un VI o un programa de Labview se divide en dos partes: 1) Panel Frontal o Front Panel: En esta parte, el usuario crea la interfaz o interfaces gráficas del programa según el diseño requerido, es decir, esta parte será la que se visualice cuando se ejecute el programa. Por lo tanto contiene todos los botones, gráficos, tablas, indicadores, etc., necesarios para el control requerido. Un ejemplo de panel frontal simple se presenta en la figura 3.1, donde dos valores llamados Valor 1 y Valor 2 se pueden cambiar y su valor se suma, presentándose en la etiqueta Resultado. Figura 3.1. Panel Frontal en Labview representando un sumador simple. Antonio Juárez Huertas 20

21 3.2. DISEÑO Y DESARROLLO DEL SOFTWARE 2) Diagrama de Bloques o Block Diagram: En esta parte, el usuario desarrolla toda la programación, es decir, los elementos del Panel Frontal aparecen ahora como parte de los bloques que pueden ser usados directamente junto con los elementos no visibles para realizar las operaciones necesarias. El diagrama de bloques del sumador anterior es la figura 3.2, donde se aprecia el bloque sumador y cómo envía el resultado a la etiqueta llamada Resultado. Figura 3.2. Diagrama de Bloques en Labview del sumador simple anterior Diseño y desarrollo del software En esta sección, se detallará el proceso de diseño así como los pasos seguidos para desarrollar un software que cumpla con los objetivos propuestos inicialmente. Se prestará especial atención a las funciones desarrolladas, explicando con claridad su funcionamiento interno. Finalmente, es importante señalar la creación de un archivo ejecutable de la aplicación, para cumplir con el requisito secundario de usar la aplicación en cualquier ordenador sin necesidad de tener instalado previamente el entorno de programación Labview. Esto ahorra tiempo, espacio en disco duro y dinero, ya que únicamente mediante la instalación de un ejecutable de pequeño tamaño, podemos disponer de la aplicación en cualquier ordenador sin necesidad de extender la licencia del Labview. Antonio Juárez Huertas 21

22 DESCRIPCIÓN DE LA APLICACIÓN Descripción de la aplicación El programa no sólo permite elegir la señal estándar que desee el usuario de entre todas las que soporta el generador, sino que también permite definir completamente esa señal introduciéndola con el ratón del ordenador o mediante el teclado, punto a punto. Así mismo, podemos visualizar en todo momento las señales que se han generado o enviado en un osciloscopio virtual en la misma aplicación. El programa de control se puede dividir en tres partes cada una con una pestaña asignada en la interfaz gráfica. Las funciones que tiene cada pestaña y que se explicarán en las páginas posteriores son: Señal estándar Introducir el puerto donde está conectado el instrumento, posee como puerto predefinido por defecto el número 12. Selección del tipo de onda predefinida a generar. Selección de frecuencia, amplitud y offset deseados. Guardar una onda predefinida. Cargar una onda predefinida. Señal arbitraria Selección de la frecuencia de muestreo de la onda arbitraria. Número de puntos a introducir para definir la onda arbitraria. Selección de la frecuencia, que depende del número de puntos. Guardar una onda arbitraria en un archivo. Leer una onda arbitraria desde un archivo Osciloscopio Control simultáneo de dos ondas mediante canales de visualización independientes. Ajuste de frecuencia y amplitud de la pantalla de visualización. Antonio Juárez Huertas 22

23 INTERFAZ GRÁFICA Y PROGRAMACIÓN Interfaz gráfica y programación de los bloques A continuación, se describen detalladamente cada una de las funciones que la aplicación puede realizar siguiendo la interfaz gráfica previamente bosquejada. Además cada función se ilustra con una captura de pantalla del programa tomada del programa en funcionamiento, por lo que a partir de ahora y a menos que se diga lo contrario, todas las ilustraciones son propias de la aplicación. En la Figura 3.3 se observa el aspecto que presenta el interfaz gráfico o VI principal de la aplicación, detallando posteriormente las opciones integradas en ella. Figura 3.3. VI Principal o módulo Señal Estándar. Antonio Juárez Huertas 23

24 INTERFAZ GRÁFICA Y PROGRAMACIÓN Señal Estándar Cuando el programa se inicia, la pestaña que se muestra es la Señal Estándar, figura 3.3. En ella se encuentran los controles que nos permitirán ajustar los parámetros de esta señal en el generador de ondas DS340 y que se explican por separado en los párrafos siguientes. Selección del tipo de onda y sus parámetros principales: Figura 3.4. Parámetros de la Señal Estándar. [Noise], una señal de ruido blanco para todas las frecuencias. [Ramp], una rampa de caída vertical. [Triangle], la señal seleccionada es ahora un triángulo. [Square], se transforma la señal de salida en una sucesión de cuadrados. [Sine], en este caso la salida es una señal seno. Estas ondas son las que el generador DS340 puede generar sólo seleccionando sus parámetros generales, esto es, la amplitud y la frecuencia. La selección de la amplitud se hace en la caja Amplitude y además de seleccionar un valor numérico se ha de escoger el tipo de valor: o bien pico-pico (V pp ), o bien valor cuadrático medio (V rms ). Antonio Juárez Huertas 24

25 INTERFAZ GRÁFICA Y PROGRAMACIÓN Del mismo modo, la selección de la frecuencia se hace con la caja Frequency, seleccionando un valor numérico y su correspondiente orden de magnitud de ese valor: hertzios, kilohertzios o megahertzios. También se podrá escoger el valor de offset deseado, pudiendo tomar éste valores positivos y negativos, dependiendo de las características que necesite la onda. Enviar, guardar o cargar la onda definida por el usuario: Figura 3.5. Órdenes a la Señal Estándar. [Send], la aplicación manda la orden al DS340 de generar la onda estándar con los parámetros definidos por el usuario. [Save], mediante esta opción, la onda definida será guardada en el disco duro del ordenador mediante un archivo con un tamaño mínimo aproximado de 4 kilobytes. [Load], del mismo modo, se permite cargar ondas guardadas anteriormente para así poder continuar el trabajo en el futuro. Dirección GPIB: Figura 3.6 Dirección GPIB. Antonio Juárez Huertas 25

26 INTERFAZ GRÁFICA Y PROGRAMACIÓN Aquí se establece la dirección en la que se encuentra el dispositivo a controlar (el generador DS340). Por defecto viene preinstalada la dirección 12, pero existe la posibilidad de cambiarla dependiendo de la cantidad de dispositivos que se tengan conectados en la red de control. Pantalla de visualización: Figura 3.7. Pantalla de visualización de la onda estándar. La pantalla mostrada en la figura 3.7 muestra la onda que genera el generador DS340 para poder hacer un chequeo de errores rápido. Un ejemplo de una señal estándar sería la señal triangular con una amplitud de 2 V pp y frecuencia de 250 hertzios mostrada en la figura 3.8. Se aprecia con claridad como la pestaña de selección de forma de onda está situada en la forma triangular. Antonio Juárez Huertas 26

27 INTERFAZ GRÁFICA Y PROGRAMACIÓN Figura 3.8. Señal Estándar definida por el usuario. Antonio Juárez Huertas 27

28 INTERFAZ GRÁFICA Y PROGRAMACIÓN Señal Arbitraria Figura 3.9. Módulo Señal Arbitraria. Cuando pulsamos la pestaña Arbitrary Signal, el programa abre la pantalla tal y como se muestra en la figura 3.9. En ella podemos definir la onda arbitraria de dos formas, o bien punto a punto, o bien dibujándola con el ratón en la misma pantalla. La forma de definirlas se explicarán en los párrafos siguientes, mostrándolo mediante capturas de pantalla y explicando convenientemente la manera de hacerlo. Antonio Juárez Huertas 28

29 INTERFAZ GRÁFICA Y PROGRAMACIÓN Selección de la frecuencia de muestreo y número de puntos de la señal: Figura Selección de la frecuencia de muestreo y del número de puntos. Debido a la programación por defecto de los controladores del DS340 en los que nos hemos apoyado a la hora de hacer el programa, al seleccionar el número de puntos [Number of samples] y la frecuencia de muestreo [Sampling frequency], debemos hacer un pequeño cálculo para elegir la frecuencia de nuestra señal de salida. Para ello, únicamente debemos de basarnos en la siguiente operación: El resultado de esta operación proporciona la frecuencia de salida en hertzios. Por ejemplo, si queremos una señal de salida con una frecuencia de 100 hertzios mediante el uso de 100 puntos, necesitaremos una frecuencia de muestreo de hertzios: De otra manera, si queremos una señal de 250 hertzios usando 150 puntos para definir la señal tendríamos que resolver la ecuación como se muestra a continuación para hallar la frecuencia de muestreo: Antonio Juárez Huertas 29

30 INTERFAZ GRÁFICA Y PROGRAMACIÓN Una vez seleccionado tanto la frecuencia de muestreo como el número de puntos a utilizar, tenemos dos opciones para dibujar la onda deseada. Para ello primero nos detendremos en otro ítem de la aplicación, el cual vemos en la figura Figura Vector de puntos de la onda arbitraria. Este vector consta de tres partes: Una primera casilla que llamaremos a partir de ahora casilla de posicionamiento, la situada más a la izquierda y cuyos componentes son números enteros y positivos, que hacen referencia a la posición en la que estamos dentro del vector de puntos. Una casilla de visualización del valor de la tensión en la posición definida en la primera casilla. Su posición es la segunda a la izquierda. Un vector de tantas posiciones como puntos hallamos seleccionado previamente, el vector de puntos, que nos muestra el valor de tensión de la onda en los puntos de definición con una precisión de 6 decimales y la posibilidad de introducir los datos manualmente con el teclado del ordenador. Leyendo la figura 3.11 se observa que en la casilla de posicionamiento situada más a la izquierda tenemos el número 7, con lo que el valor que aparece en la primera casilla del vector de puntos (en este caso ), hace referencia al valor que tiene la séptima casilla del vector de puntos. A la hora de seleccionar y definir el valor de cada punto, es posible hacerlo de dos maneras que explicaremos en los apartados siguientes: gráfica y analíticamente. El primer paso en ambos métodos de definición de la onda arbitraria, será elegir tanto el número de puntos que la componen como la frecuencia deseada de la misma. La forma de hacerlo se ha detallado anteriormente. El rango de puntos admisibles para esta opción será un Antonio Juárez Huertas 30

31 INTERFAZ GRÁFICA Y PROGRAMACIÓN mínimo de 8 puntos y un máximo de 1630 puntos. La frecuencia por su parte, tiene un mínimo de hertzios y un máximo de hertzios. Método gráfico. El usuario únicamente tiene que dibujar con el ratón del ordenador y sobre la pantalla gráfica de la función una vez elegidos los puntos deseados. Es importante señalar que para un gran número de puntos, se hace cada vez más difícil dibujar con precisión la onda debido a la proximidad de los mismos. Método analítico. En este método, utilizaremos el vector de la figura 3.11 de la siguiente forma: primero seleccionamos la casilla del vector que queremos ajustar mediante la casilla de posicionamiento y una vez seleccionada, ponemos el valor deseado manualmente en la primera casilla del vector de puntos. Esta forma de proceder es más lenta para definir la onda que el uso del ratón, pero tiene una mayor exactitud al definirla. Una característica importante del programa es que en cualquier momento, podemos intercalar el uso del método gráfico y del método analítico para definir la onda arbitraria, es decir, podemos ajustar en la casilla del vector de puntos un valor definido mediante el ratón y viceversa. Esto es necesario entre otras cosas por la escala vertical (tensión), ya que por defecto viene dada entre los valores 5 voltios y -5 voltios y con el uso del ratón no se puede aumentar dicha escala. Por lo tanto, si se desea aumentar el valor de la escala, habrá que ajustarlo manualmente en el vector de puntos. La principal limitación de la onda arbitraria es la obligatoriedad de tener al menos un punto de la onda con el valor nulo o negativo. Esto es debido a la forma que tiene la opción gráfica de transformar los datos en el Labview. Aunque es una limitación importante, no es fundamental, ya que bastaría con poner el primer o el último punto con el valor cero, algo que como norma general no supone un gran problema en los experimentos que se llevan a cabo en el laboratorio. Antonio Juárez Huertas 31

32 INTERFAZ GRÁFICA Y PROGRAMACIÓN Las funciones referidas a enviar, guardar y cargar la onda definida por el usuario, son las mismas que en el apartado Standard Signal, por lo que se evita explicar de nuevo dichas funciones en estas líneas. Ocurre lo mismo con el ítem de la dirección GPIB. Pantalla de visualización: Figura Pantalla de visualización de la onda arbitraria. La pantalla mostrada en la figura 3.12 muestra la onda que genera el generador DS340 para poder hacer un chequeo de errores rápido. Un ejemplo de una señal arbitraria definida mediante 40 puntos y con una frecuencia de 500 hertzios se muestra en la figura 3.13 de la página siguiente. Antonio Juárez Huertas 32

33 INTERFAZ GRÁFICA Y PROGRAMACIÓN Figura Señal Arbitraria definida por el usuario. Para definir esta señal arbitraria se ha empleado el ratón sobre la pantalla principal. Fijándonos en los valores mostrados por el vector de puntos, vemos que el punto número 23 tiene un valor de voltios (que se corresponde con el mínimo valor de la onda arbitraria). Antonio Juárez Huertas 33

34 INTERFAZ GRÁFICA Y PROGRAMACIÓN Osciloscopio Figura Módulo Osciloscopio. Al pulsar la pestaña Oscilloscope, el programa muestra la pantalla de la figura En ella podremos visualizar tanto las ondas que han sido enviadas al DS340, como las que están dispuestas a enviarse en un futuro. Para poder ver simultáneamente estas dos ondas el osciloscopio posee dos canales de visualización independientes. El osciloscopio virtual de la aplicación es de fácil manejo, tal y como cualquier osciloscopio de los habituales en los laboratorios de investigación. Consta de un selector de escala de frecuencia, selección de los canales a visualizar, selector de escala de voltaje y por último, la posibilidad de elegir entre ondas enviadas o cargadas tanto estándar como arbitrarias. Antonio Juárez Huertas 34

35 INTERFAZ GRÁFICA Y PROGRAMACIÓN Selector de escala horizontal Figura Selector de escala horizontal. En la figura 3.15 se observa el selector de escala horizontal, es decir, la escala de la frecuencia de las ondas que se envían al DS340. Sus unidades van desde 1µs hasta los 10 ms por división, haciendo posible la visualización de ondas comprendidas entre los 10 hertzios y 1 megahertzio con total nitidez. El selector de frecuencia es el mismo para ambos canales, con lo que las ondas visualizadas en el osciloscopio estarán referidas a una misma escala de frecuencia. Selector de canales Figura Selector de canales. Unos sencillos pulsadores permiten al usuario elegir entre visualizar uno de los dos canales o los dos canales simultáneamente. En la figura 3.16, se observa que el canal 1 está operativo mientras que el canal 2 está apagado. Antonio Juárez Huertas 35

36 INTERFAZ GRÁFICA Y PROGRAMACIÓN Selector de escala vertical Figura Selector de escala vertical. El selector de escala vertical permite elegir la escala con la que el usuario quiere ver el voltaje de la onda escogida. Se dispone de dos selectores, uno para cada canal, con unos valores comprendidos entre los 2 milivoltios y los 5 voltios por división. De esta forma, podremos ver en una misma gráfica varias ondas con valores pico diferentes. Selector de onda Figura Selector de onda del canal 2. Antonio Juárez Huertas 36

37 INTERFAZ GRÁFICA Y PROGRAMACIÓN En la parte inferior izquierda del osciloscopio se encuentra el selector de onda a visualizar en ambos canales, mediante menús desplegables. Para comodidad del usuario, los canales son diferenciados mediante colores, teniendo el canal uno el color blanco asignado mientras que para el canal dos el color es el rojo. De esta forma, las ondas pueden ser distinguidas sin ningún tipo de problema aunque estén ambas visualizándose simultáneamente. Al hacer click con el botón izquierdo del ratón sobre la flecha situada a la derecha del cuadro de cada canal, se mostrará un menú desplegable que dará al usuario la opción de elegir el tipo de onda que quiere ser visualizada en el canal correspondiente. Las ondas disponibles en dicho menú son las siguientes: [Last Arbitrary Signal Sent], hace referencia a la última señal arbitraria, es decir, la definida mediante la pestaña Arbitrary Signal, enviada al DS340. Si esta señal fue la última enviada al generador, será la que el DS340 esté generando en ese instante. [Last Standard Signal Sent], en este caso, el canal mostrará la última onda enviada al generador por el usuario usando el método descrito en la pestaña Standard Signal. Del mismo modo que en la opción anterior, si ésta fue la última señal enviada al generador, dicha señal será la que el DS340 esté generando en ese instante. [Arbitrary Signal], una vez elegida esta opción, el canal mostrará la onda que está actualmente cargada en la pestaña Arbitrary Signal dispuesta a ser enviada al DS340. [Standard Signal], del mismo modo, al seleccionar esta opción, el canal mostrará la onda que está cargada y dispuesta a enviarse en la pestaña Standard Signal, Un ejemplo de visualización mediante el osciloscopio virtual se presenta en la figura Se observan simultáneamente dos ondas, una estándar senoidal y una arbitraria definida por el usuario. La escala de frecuencia está en 0.2 milisegundos por división, lo que al tener 10 divisiones da una frecuencia de 500 hertzios. Por otro lado, las escalas de tensión están a 1 voltio por división, lo que nos da una amplitud para la onda senoidal de 3 voltios en V pp y un valor máximo positivo de 4 voltios y negativo de -2.5 voltios para la señal arbitraria. Antonio Juárez Huertas 37

38 FUNCIONAMIENTO DE LA APLICACIÓN Cabe observar como los selectores de canal están ambos activados y en el selector de onda el color blanco es asignado a la onda arbitraria y el color rojo a la estándar (como así se ve en el osciloscopio virtual). Figura Ejemplo de visualización mediante osciloscopio virtual Funcionamiento de la aplicación. En este apartado, se explica a grandes rasgos cual es el comportamiento de la aplicación al ejecutar las opciones que en ella se integran. Dicho de otro modo, se hará un esbozo de lo que ocurre en el algoritmo del programa desde que el usuario da una orden mediante el interfaz, hasta que el generador DS340 genera la onda deseada. En la pestaña Standard Signal, el funcionamiento de la aplicación es sencillo. El generador DS340 posee un VI propio con 6 entradas que son las que la pantalla de visualización contempla, es decir: Antonio Juárez Huertas 38

39 FUNCIONAMIENTO DE LA APLICACIÓN [function], que puede tomar hasta 5 valores diferentes (noise, ramp, triangle, square, sine). [frequency], valor comprendido entre 0.1 hertzios y 15 megahertzios [frequency units], las unidades disponibles son hertzios, kilohertzios y megahertzios, y deben ser seleccionadas adecuadamente con el valor de [frequency] para obtener el valor adecuado. [amplitude], valor numérico comprendido entre los 0.01 voltios y los 10 voltios, dependiendo de la función seleccionada. [DC offset], su valor depende de la función y amplitud seleccionada anteriormente. [GPIB address], inicialmente el valor de la dirección es la número 12, que es la que posee el DS340 por defecto, pudiéndose cambiar cuando la ocasión lo requiera. Una vez seleccionados todos los parámetros correctamente, el DS340 genera la onda que puede ser visualizada directamente en la interfaz gráfica mediante la gráfica que lo acompaña (o bien con el osciloscopio virtual de la misma aplicación), o con un osciloscopio analógico a la salida del DS340. Si el usuario selecciona unos valores que están fuera del rango permitido por el DS340, el software integrado por defecto en el Labview indicará al usuario que un error impide la ejecución de la aplicación. Este mensaje detendrá la aplicación en tiempo real, obligando al usuario a reiniciar la aplicación y a volver a introducir correctamente los valores entre los rangos que se especifican en las líneas anteriores. En lo referido a la parte de envío, guardado y carga de archivos, únicamente indicar que en el guardado de archivos el usuario deberá seleccionar la dirección en el ordenador donde desea guardar la onda. Por otra parte, el almacenamiento de una onda estándar es realizado por el Labview en formato binario, lo cual hace imposible modificar los parámetros de la señal por otro medio que no sea el interfaz gráfico debido a la complejidad que presenta la manipulación de los datos en dicho formato. Antonio Juárez Huertas 39

40 FUNCIONAMIENTO DE LA APLICACIÓN Con respecto a la carga de archivos cabe indicar que al proceder a la operación, los parámetros de la señal se actualizan automáticamente, borrándose los que hubiera en ese momento en la interfaz gráfica, por lo que es recomendable guardar las señales que el usuario no quiera perder debido a manipulaciones de este tipo. El funcionamiento de la aplicación cuando el usuario elige la opción Arbitrary Signal es algo más complejo ya que entran otros parámetros en la modelización de la onda arbitraria. Al seleccionar el número de puntos con los que se desea construir la onda, la aplicación crea un vector del tamaño escogido por el usuario, y lo inicializa a cero, de esta forma se consigue que inicialmente la onda sea una línea recta en la gráfica del panel de control de la aplicación. Mediante la casilla Sampling Frequency, únicamente indicamos el numerador necesario para el algoritmo que se necesita para determinar la frecuencia deseada de la onda (apartado ). Una vez determinada la frecuencia y puntos de la onda, se ajustan dichos valores mediante operaciones binarias (bloques predeterminados en el Labview) y la gráfica está escalada correctamente para la introducción de cada punto mediante las opciones gráficas o analíticas que se explicaron en apartados anteriores. En cuanto a la opción analítica, el usuario introduce directamente los valores en cada casilla del vector de puntos. En la opción gráfica, la aplicación detecta mediante coordenadas rectangulares la posición del puntero del ratón en la gráfica donde se dibuja la onda, llevando los valores de tensión (eje Y) y de tiempo (eje X) al vector de puntos. Cuando el vector está definido completamente, al pulsar el botón Send de cualquiera de las pestañas, un VI predefinido y ajustado a las necesidades de control requeridas por el DS340, manipula los datos contenidos en el vector y consigue que el generador cree la señal exactamente como el usuario la definió con independencia de si es una señal estándar o arbitraria. Cuando la aplicación guarda los datos de la señal arbitraria, al contrario que hacía en la señal estándar cuando manipulaba los datos en forma binaria, ahora lo hace en forma de tablas de vectores, ya que las ondas no están predefinidas de antemano en el Labview. Antonio Juárez Huertas 40

41 FUNCIONAMIENTO DE LA APLICACIÓN Al cargar las ondas previamente guardadas, la aplicación lee primero tanto los puntos definidos en la onda como la frecuencia de muestreo, para así poder escalar la gráfica en la que se muestra la señal. Una vez cargada la onda, el usuario podrá seguir modificando parámetros en ella para poder continuar con el trabajo. La pestaña del osciloscopio tiene un funcionamiento más sencillo, aunque sujeto a la forma de manejar los datos de las secciones anteriores. Como los datos de salida de todas las señales se hacen en forma gráfica, en el osciloscopio tan solo se muestran los datos que ya han sido manipulados anteriormente. Por una parte, el selector de canal permite elegir cuántas y en qué canal queremos visualizar las ondas con las que ha trabajado el usuario, pudiendo elegir entre ondas estándar o arbitrarias, y enviadas o cargadas (cuatro opciones en total). El selector giratorio de escala de frecuencia es común a ambos canales, mientras que los selectores de tensión son individuales. A continuación se muestran unas capturas de pantalla de los diagramas de bloques más representativos de la aplicación, explicando brevemente las características principales de los mismos para dar a conocer la forma de trabajo interna del Labview. Es importante indicar que, debido a la extensión y complejidad de dicha programación, es imposible un exhaustivo desglose de toda la aplicación, por lo que únicamente se procederá a explicar los principales bloques según el punto de vista de diseño y programación de la misma. Figura Bloque Enviar desde Estándar. Antonio Juárez Huertas 41

42 FUNCIONAMIENTO DE LA APLICACIÓN En la figura anterior, se le indica al DS340 los parámetros de la onda estándar (tipo de onda, amplitud, frecuencia, DC Offset) mediante una tabla de parámetros. El DC Offset va multiplicado por 0.5 por motivos de escala y todo ello va a un bloque VI predefinido del DS340, fig. 3.21, explicado a continuación. La salida del bloque del DS340 va al visualizador de la onda estándar (en color marrón en la figura 3.20). Figura Bloque VI del DS340. Las entradas al Bloque VI DS340 son manipuladas para ser tratadas en un lenguaje admitido por el Labview, detallando si son valores pico-pico o valores cuadráticos medios, convirtiendo la frecuencia en sus unidades correspondientes, etc. Si todos los parámetros son correctos, se procede a enviarlos al generador mediante el siguiente bloque, fig. 3.22: Antonio Juárez Huertas 42

43 FUNCIONAMIENTO DE LA APLICACIÓN Figura Bloque de Escritura. En este bloque es importante señalar que la lectura y escritura de los datos son sincronizados mediante un reloj y se hace a nivel de bytes (lenguaje admitido por Labview). En todo momento la dirección GPIB se indica con la cadena address string. Este bloque no fue necesario crearlo, pues ya viene por defecto en el Labview. A continuación y en dos capturas de pantalla debido a la extensión de la programación en la pantalla del ordenador, se muestran los bloques necesarios para poder definir la onda arbitraria mediante la opción gráfica (recordemos que se hace con el ratón del ordenador). En la primera captura se observa que primero escalamos la gráfica horizontal y verticalmente mediante los valores que va capturando el ratón en la pantalla de visualización de la onda arbitraria (con unos máximos predefinidos que podemos ajustar cuando sea necesario). En la segunda captura, los datos obtenidos al pinchar con el ratón en la gráfica son introducidos en tablas que, con las oportunas manipulaciones mediante funciones básicas, nos muestran dichos puntos en la gráfica de visualización y quedan registrados en un vector para posteriormente poder ser enviados al DS340 mediante otro bloque VI. Este es un ejemplo claro de que aunque la programación en Labview puede parecer a priori más fácil, también supone un coste en tiempo y dedicación para llegar a hacer funciones como las que lleva a cabo esta aplicación. Antonio Juárez Huertas 43

44 FUNCIONAMIENTO DE LA APLICACIÓN Figura Bloque Opción Gráfica de la onda arbitraria (parte izquierda). Figura Bloque Opción Gráfica de la onda arbitraria (parte derecha). Para definir el número de puntos de la onda arbitraria se programó el bloque de la figura Aquí se introduce el número de puntos que se desea y lo toma como tamaño del vector de puntos que se inicializa a cero. Para ajustar la frecuencia, el número de puntos va al denominador de una división cuyo numerador es la frecuencia de muestreo. Esto da la frecuencia deseada. Por último, para escalar la gráfica se toma la inversa de la frecuencia de muestreo y se lleva a otro bloque VI. Generalmente en la programación en Labview todo va interrelacionado, con lo que son muy frecuentes las llamadas a otros bloques o VI como se ve en este ejemplo con el bloque Sampling Frequency, que es llamado para poder definir la frecuencia y escalar la gráfica de visualización. Antonio Juárez Huertas 44

45 FUNCIONAMIENTO DE LA APLICACIÓN Figura Bloque Número de Puntos. El Bloque Frecuencia de Muestreo, mostrado en la figura 3.26, únicamente transforma los datos de entrada para poder manejarlos en Labview. Para ello divide la máxima frecuencia de muestreo que soporta el DS340, hertzios, entre lo que introduce el usuario de forma manual. De esta forma acomoda los datos de salida para que las operaciones entre vectores sean más fáciles de realizar. También repite los procedimientos del Bloque de Puntos, pero esto sólo es para que no se pierdan los datos y el sistema no pueda entrar en un bucle que nos lleve a errores inesperados por la falta de sincronización entre los diferentes bloques. Figura Bloque Frecuencia de Muestreo. En lo referido a la programación de la opción de guardado de las ondas para su posterior recuperación, los bloques programados han sido los siguientes. En la primera captura, únicamente se llama a una función cuando se pulsa el botón de guardar. Dicha función está pre-programada en el Labview. Antonio Juárez Huertas 45

46 FUNCIONAMIENTO DE LA APLICACIÓN Figura Bloque Guardar Arbitraria. El bloque VI necesario para el guardado de los archivos de ondas arbitrarias y que viene pre-programado en Labview es el que se muestra a continuación. Para las ondas estándar el bloque es similar, solamente cambia la forma de manejar los datos (en lugar de vectores es en forma binaria), con lo que se omitirá la presentación de dicho bloque. Figura Bloque Guardar Archivo. Los bloques referidos a cargar las ondas guardadas previamente, son de estructura muy similar a los de guardar mostrados previamente. Un ejemplo es mostrado en la figura siguiente. Figura Bloque Cargar Estándar. Antonio Juárez Huertas 46

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