INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL. 1. INTRODUCCIÓN A LA INSTRUMENTACIÓN VIRTUAL. 1.1. INTRODUCCIÓN. Como resultado de la vertiginosa evolución que los sistemas computacionales han tenido en los últimos años, la instrumentación en general y la instrumentación industrial muy en particular han sufrido una notable transformación, para pasar de los tradicionales medidores de aguja a modernos sistemas computarizados con funciones y características que hace 50 años hubieran sido inimaginables. Que pensaría, por ejemplo, un instrumentista de los años 50s que recorría toda la línea de producción tomando lecturas de las carátulas de los medidores para llenar a mano interminables hojas de registro y generar de ahí los reportes y las gráficas de control de procesos, si se encontrara frente a una moderna sala de instrumentos donde una computadora monitorea y controla simultáneamente todas las variables del proceso de producción, generando automáticamente reportes y registro de eventos. La instrumentación por computadora es hoy en día una práctica cotidiana en la industria moderna. Esto ha dado lugar al nacimiento de nuevos conceptos como el de la instrumentación virtual, donde se integran diversas tecnologías computacionales con instrumentos programables, tarjetas digitalizadoras y sofisticado software para el desarrollo de interfase de usuario, operando todo en conjunto bajo el esquema de un instrumento único especializado. 1.1.1. Evolución de la Instrumentación. Para comprender mejor el concepto de la instrumentación virtual, es importante conocer la evolución que ha sufrido la instrumentación. En los últimos años, los instrumentos han evolucionado a la par de los grandes avances de la ciencia y la tecnología. Esta evolución ha sido principalmente en términos de flexibilidad y grado en que los instrumentos se integran a los sistemas computacionales. La primera generación de instrumentos fueron instrumentos autónomos, controlados manualmente desde sus paneles frontales. Las mediciones efectuadas en estos instrumentos tenían que ser registradas a mano y el usuarios carecían de flexibilidad en cuanto al diseño de la interface, capacidad de medición, ó capacidades computacionales. Con la invención del GPIB (Bus de Interface de Propósito General) y de los instrumentos digitales programables, los usuarios tuvieron la opción de controlar los Instituto Tecnológico de Chihuahua 1 Apuntes de Instrumentación Virtual
instrumentos de ambas maneras: manualmente y por programa desde una computadora. Cada instrumento GPIB fue diseñado para un tipo específico de mediciones, y los usuarios reunían y apilaban una serie de instrumentos para crear un sistema de medición completo. Hoy en día, los instrumentos son una combinación de computadoras personales o estaciones de trabajo, software gráfico, instrumentos digitales programables, y tarjetas digitalizadoras de propósito general. Estos instrumentos modernos pueden optimizar el rendimiento utilizando técnicas modernas como la programación de registros, memoria compartida, y el poder computacional de una PC. Estos instrumentos, también incluyen direccionamiento de señales sofisticadas al igual que opciones programables de disparo. Se puede personalizar el interface de usuario con software de alto nivel. Utilizando este software con digitalizadores de propósito general y tecnología de Procesamiento Digital de Señales (DSP), estos instrumentos se convierten en herramientas muy versátiles debido a que son fácilmente reconfigurables. Se puede redireccionar rápidamente los datos adquiridos para que sean utilizados por un gran número de programas de aplicación para el análisis, almacenamiento o la generación de reportes. El término que describe esta nueva generación de instrumentos basados en computadora es Instrumentación Virtual. Con los instrumentos virtuales, se puede utilizar una gran variedad de hardware de instrumentación, y personalizar completamente la funcionalidad del instrumento y su interface de usuario a través de software de alto nivel. La figura 1.1 nos muestra una representación de la evolución que ha sufrido la instrumentación. Fig. 1.1 Evolución de la instrumentación. Instituto Tecnológico de Chihuahua 2 Apuntes de Instrumentación Virtual
1.1.2. Instrumentos Electrónicos Tradicionales. En el contexto de la electrónica, un instrumento tradicional es una equipo autónomo al cual se conecta una o varias señales de entrada y para obtener información de que refleje un análisis de alguna o algunas características de las señales de entradas aplicadas. La funcionalidad de un instrumento tradicional se puede categorizar en tres elementos: adquisición de datos, análisis de datos y presentación de datos, tal como se muestra en la figura 1.2. Históricamente, un instrumento tradicional contiene todos estos elementos en un solo gabinete. Fig. 1.2. a) Instrumento tradicional, b)elementos funcionales 1.1.3. Instrumentos Virtuales. Un instrumento virtual también contiene estos tres elementos funcionales (adquisición, análisis y presentación de datos). Sin embargo, estos elementos no necesariamente residen en el mismo gabinete, lo cual da pie a la virtualización del instrumento En este orden de ideas, podemos definir un instrumento virtual como: Conjunto de software y/o hardware adicionando a una computadora, operando bajo el esquema de un instrumento único especializado. Instituto Tecnológico de Chihuahua 3 Apuntes de Instrumentación Virtual
Fig. 1.3. Instrumento Virtual Es importante hacer notar el término y/o utilizado en la definición, el cual nos indica que el hardware puede o no estar presente en, es decir, un instrumento virtual puede estar formado tan solo por la computadora y el software; esto puede clarificarse mejor a través de algunos ejemplos. 1.1.4. Ejemplos de Instrumentos Virtuales Cuando se le pide que describan un instrumento virtual, algunas personas citan el ejemplo de una computadora controlando un instrumento a través de RS232 o GPIB, con un panel frontal gráfico en la pantalla de la computadora para controlar el instrumento. Este instrumento puede ser operado como unidad independiente a través de su panel frontal físico, o bien, a través de la pantalla de la computadora donde esta representado el mismo panel frontal físico del instrumento remoto, con lo que se puede sentir como si se manipulara directamente el instrumento. Esto resulta en la sensación de que se está operando virtualmente el instrumento original, pero con la ventaja de hacerlo desde una localización remota. Otros describen a un instrumento virtual como un panel frontal gráfico en una computadora, pero con una tarjeta de adquisición de datos o un módulo VXI trabajando como si se tratara de un instrumento GPIB externo. En este caso, el hardware del instrumento no tiene un panel frontal por si solo, por lo que no puede usarse como un instrumento independiente. La computadora, de esta manera, es un componente necesario para el instrumento, y el panel frontal de la computadora es el único medio de operar el instrumento. Instituto Tecnológico de Chihuahua 4 Apuntes de Instrumentación Virtual
Algunos otros describen un instrumento virtual como un panel frontal gráfico sin instrumento físico conectado a la computadora. En este caso la computadora adquiere y analiza datos de archivos o de otras computadoras en una red, o bien que la misma computadora simula un proceso físico o evento, calculando matemáticamente los datos como si se tratara de una adquisición en el mundo real. Fig. 1.4 a) Computadora controlando un instrumento programable, b) Panel frontal gráfico en la computadora manejando un módulo VXI, c) Panel gráfico sin instrumento físico conectado Para los dos primeros ejemplos, el instrumento virtual está formado por la computadora, el hardware de adquisición y el software de análisis y presentación, como se representa en la figura 1.5. Fig. 1.5. Representación funcional de un instrumento virtual con hardware y software Sin embargo, en el último ejemplo, el instrumento virtual está formado por la computadora y el software de adquisición, análisis y presentación, representado en la figura 1.6. Instituto Tecnológico de Chihuahua 5 Apuntes de Instrumentación Virtual
Fig. 1.6. Representación funcional de un instrumento virtual con software solamente. Para ambos casos la computadora es la base indispensable del instrumento virtual, al igual que el software, quedando como elemento opcional el hardware. Sin embargo, la mayor parte de los instrumentos virtuales utilizados en los laboratorios y en la industria contienen algún tipo de hardware de adquisición y/o control, por lo que normalmente el análisis de los instrumentos virtuales se hace base a este tipo de arquitecturas. 1.1.5. Arquitecturas Básicas. Los instrumentos virtuales pueden presentar muy diversos tipo de arquitecturas para su construcción, las cuales pueden variar dependiendo de si se trata de un instrumento con la combinación hardware-software o solamente software, dependiendo también de la plataforma de computación que se seleccione (AT, Mac, Sun, etc.), o bien, dependiendo del ambiente de programación para el software (lenguajes tradicionales, programación gráfica, etc.). Sin embargo, considerando el caso del instrumento hardware-software, por ser el más representativo, independientemente de la plataforma y el ambiente de programación elegido se puede categorizar la arquitectura de acuerdo al hardware de adquisición y/o control que se utilice. Las principales arquitecturas de hardware utilizadas en la instrumentación virtual son: bus de interface de propósito general (GPIB), extensión del bus VME para instrumentación (VXI), comunicación serie (RS232, RS485), y tarjetas de adquisición de datos (DAQ). Un detalle importante es que el uso de estas arquitecturas no es excluyente, es decir, un instrumento virtual puede estar formado por una o varias de estas arquitecturas, lo que le da una versatilidad y flexibilidad que difícilmente podría tener un instrumento tradicional. La figura 1.7 nos muestra estas arquitecturas básicas de hardware. En un caso extremo, de ser necesario, un instrumento virtual puede incluir todas estas arquitecturas juntas, trabajando coordinadas por el software como si se tratara de un solo instrumento. Instituto Tecnológico de Chihuahua 6 Apuntes de Instrumentación Virtual
Fig. 1.5. Plataformas básicas de la instrumentación virtual 1.1.6. Aplicaciones. Las principales áreas en que se aplica la Instrumentación Virtual son: a) Sistemas de Automatización Industrial Automatización de Procesos Control Supervisorio Interfaces Hombre - Máquina Adquisición de Datos Control Estadístico de Procesos Automatización de Laboratorios Control de Maquinaria Visión por Computadora Instituto Tecnológico de Chihuahua 7 Apuntes de Instrumentación Virtual
b) Sistemas de Prueba y Medición Equipos de Prueba Automática Inspección Automática Prueba Electrónica Prueba de Vibración Prueba Acústica Monitoreo y Control en Tiempo Real 1.1.7. Instrumentos Tradicionales vs. Instrumentos Virtuales. Históricamente, en la instrumentación ha existido un enorme conflicto entre la rigidez de los instrumentos definidos por el vendedor y la flexibilidad y funcionalidad de los instrumentos definidos por el usuario. Una comparación entre los instrumentos tradicionales y los instrumentos virtuales se presenta en la tabla 1.1. Tabla 1.1 Comparación entre un instrumento virtual y un instrumento tradicional. INSTRUMENTOS TRADICIONALES Definidos por el vendedor. Funciones específicas, independiente, Conectividad limitada. Hardware es la clave. Costoso. Cerrado, funcionalidad fija. Lento avance tecnológico. (ciclo de vida 5-10 años) Alto costo de mantenimiento y desarrollo. INSTRUMENTOS VIRTUALES Definido por el usuario. Sistema orientado a la aplicación, conectividad a redes de trabajo, periféricos, y aplicaciones. Software es la clave. Barato, reutilisable. Abierto, funcionalidad flexible, escalable con tecnología computacional de uso común. Rápido avance tecnológico. (ciclo de vida 1-2 años) Mínimo costo de mantenimiento y desarrollo. 1.2. HERRAMIENTAS DE PROGRAMACIÓN 1.2.1 Introducción. En la Instrumentación Virtual es posible manejar un sinnúmero de opciones de programación para el desarrollo del software, estas opciones incluyen desde la más básica programación a bajo nivel (lenguaje ensamblador), hasta los más sofisticados ambientes de programación de alto nivel. Estos últimos se pueden clasificar en dos grandes grupos: la programación tradicional (secuencial o estructurada) representada por ambientes de desarrollo como Visual BASIC, Turbo Pascal, Borlan C++, o hasta el innovador LabWindows/CVI; y la moderna programación gráfica representada por ambientes como LabVIEW y HPVEE. Instituto Tecnológico de Chihuahua 8 Apuntes de Instrumentación Virtual
1.2.2. Programación Tradicional Las programación tradicional de alto nivel se refiere a los lenguajes tradicionalmente utilizados para el desarrollo de software, estos incluyen los lenguajes secuenciales (como Basic) y los lenguajes estructurados (como Pascal o C), existiendo para cada uno de ellos un sinnúmero de ambientes de desarrollo (Microsoft C, Borlan C, Quick C, etc.) Sin embargo, aunque existen librerías especializadas con funciones de instrumentación virtual para la mayoría de estos ambientes, resulta más práctico y conveniente utilizar alguno de los ambientes de desarrollo especializados para instrumentación virtual. Un excelente ejemplo de programación para instrumentación virtual utilizando lenguajes tradicionales es Lab Windows/CVI de National Instruments. Lab Windows/CVI es un ambiente de desarrollo de software interactivo para construir sistemas de instrumentación utilizando el estándar de programación ANSI C. El objetivo de este ambiente es desarrollar las aplicaciones fácil y rápidamente. LabWindows/CVI combina el poder y la flexibilidad del lenguaje de programación C con herramientas y librerías de software para instrumentos específicos. Estas librerías incluyen GPIB, RS-232, VXI, DAQ, y análisis. La figura 1.8 muestra el ejemplo de la presentación de un programa fuente desarrollado en LabWindows/CVI. Fig. 1.8. Programa fuente desarrollado en Lab Windows/CVI Instituto Tecnológico de Chihuahua 9 Apuntes de Instrumentación Virtual
LabWindows/CVI simplifica el diseño de interfaces de usuario, haciéndolas amigables y fáciles de diseñar. En ellas se pueden incluir gran variedad de controles (entradas de datos) o indicadores (salidas de datos), tales como perillas, botones, interruptores, medidores, gráficas, etc., por lo que el resultado final es un programa de aplicación versátil, flexible y poderoso. La figura 1.9 muestra un interface de usuario desarrollado en este ambiente. Fig. 1.9. Interface de Usuario de un Programa en Lab Windows/CVI. 1.2.3. Programación Gráfica. La programación gráfica, también conocida como programación por flujo de datos o lenguaje G, representa una novedosa alternativa para el desarrollo de software para instrumentación virtual Un excelente ejemplo de programación gráfica lo constituye el ambiente de programación LabVIEW, también de National Instruments. El concepto de LabVIEW, un interface de usuario de panel frontal combinado con una innovativa metodología de programación por diagrama a bloques, es ideal para crear instrumentos virtuales. LabVIEW trabaja con todos los aspectos de que incluye un sistema de instrumentación: adquisición de datos, análisis de datos y presentación de datos. LabVIEW simplifica el desarrollo de los sistemas de instrumentación En la programación gráfica, los programas son llamados Instrumentos Virtuales (VI) y están formados por tres partes principales: Panel Frontal. Diagrama a Bloques e Icono- Conector Instituto Tecnológico de Chihuahua 10 Apuntes de Instrumentación Virtual
Los paneles frontales son un concepto tomado de la instrumentación tradicional, ya que corresponden al interface de usuario donde se representa el panel frontal físico de un instrumento, con la ventaja de que éste es realizado en software. Un beneficio adicional de utilizar el panel frontal en software, es que se pueden crear interfaces genéricos, independientemente del hardware que se utilice. Pero a diferencia de un panel físico, en un panel de software podemos representar sólo los parámetros de interés a nuestra aplicación particular. La figura 1.10 muestra el ejemplo de un panel frontal desarrollado en LabVIEW. Fig. 1.10. Ejemplo de un Panel Frontal de LabVIEW. LabVIEW permite crear paneles frontales amigables y de excelente presentación, dándole al interface de usuario una operabilidad intuitiva y sencilla. La programación a través de diagramas a bloque aproxima la programación a la utilización de los diagramas de flujo utilizados por muchos ingenieros y científicos, de hecho también se le conoce como programación por flujo de datos. La figura 1.11 muestra en ejemplo de un diagrama de flujo de LabVIEW. En diagrama a bloques está libre de muchos de los detalles sintácticos de los lenguajes de programación convencional, lo que permite construir los programas en menor tiempo. Fig. 1.11 Ejemplo de un Diagrama de Flujo de LabVIEW. Instituto Tecnológico de Chihuahua 11 Apuntes de Instrumentación Virtual
El icono - conector es una poderosa herramienta que le permite a la programación gráfica trabajar con modularidad y jerarquía. El icono es la representación gráfica de un instrumento virtual, a través de la cual se puede representar a un instrumento virtual dentro de otro, utilizándolo como función o subrutina. El conector es la representación del icono que nos indica las terminales de conexión a través de las cuales podemos pasar los datos de entrada a un instrumento virtual y leer sus salidas cuando se utiliza dentro de otro instrumento virtual. El icono es la representación gráfica y el conector son las terminales de entrada y salida de un instrumento virtual para ser utilizado como sub-instrumento virtual. La figura 1.12 muestra n icono-conector. Fig. 1.10. Ejemplo de un Icono y Conector. Instituto Tecnológico de Chihuahua 12 Apuntes de Instrumentación Virtual