Adquisición de Audio usando MATLAB (Data Acquisition Toolbox) Instructor: Juan Carlos Moctezuma Eugenio jcmoctezuma@ccc.inaoep.mx Sep - 2007 Agenda Introducción Intro a MATLAB Sistema de Adquisición de Datos Data Acquisition Toolbox Intro al Data Acquisition Toolbox Sesión de un sistema de adquisición de datos Entradas Analógicas Salidas Analógicas Uso del SoftScope Entradas/Salidas Digitales (opcional) Laboratorios 1
Antecedentes Surge de los proyectos LINPACK y EISPACK La empresa MathWorks es fundada en 1984 The Mathworks es líder en el desarrollo de software de computación técnica, además la empresa tiene más de 1 millón de usuarios alrededor del mundo The Mathworks tiene más de 1,500 empleados trabajando en el desarrollo de las herramientas MATLAB y SIMULINK para innovar tecnología en empresas, laboratorios gubernamentales, instituciones financieras y en más de 3,500 Universidades 2 El programa MATLAB MATLAB Matrix Laboratory Definiciones: MATLAB es un conjunto de comandos o funciones que realizan tareas específicas, además dispone de un código básico y más de 30 librerías especializadas llamadas Toolboxes las cuales trabajan en áreas especiales como Control, Coumunicaciones, Procesamiento de Señales, etc MATLAB es un lenguaje de alto rendimiento el cual integra la computación, la visualización y la programación en un ambiente fácil de usar en donde los problemas y las soluciones son expresadas en una notación matemática amable. Aplicaciones: Matemáticas y computación en general. Desarrollo de algoritmos Adquisición de datos Prueba, modelado y simulación de prototipos Análisis, manipulación y visualización de datos Diferentes tipos de Graficación Desarrollo de aplicaciones como Interfaces Gráficas de Usuario. 3
Organización de MATLAB (1) Development Environment The MATLAB Mathematical Function Library MATLAB System The MATLAB Language Graphics The MATLAB Application Program Interface (API) 4 Organización de MATLAB (2) Toolbox Imágen Toolbox Comunicaciones Simulink Blockset DSP Blockset Control Toolbox Adquisición Datos MATLAB (código básico) Toolbox Redes Neuronales Toolbox Lógica Difusa Blockset Xilinx System Generator 5
Entorno de trabajo 1 Matlab Desktop Ventana Estándar 3 Current Directory 2 Command Window Workspace 4 5 Command History Otras ventanas: Array Editor Launch Pad Editor/Debugger 6 Agenda Introducción Intro a MATLAB Sistema de Adquisición de Datos Data Acquisition Toolbox Intro al Data Acquisition Toolbox Sesión de un sistema de adquisición de datos Entradas Analógicas Salidas Analógicas Uso del SoftScope Entradas/Salidas Digitales (opcional) Laboratorios 7
Anatomía de un experimento de AD Instalación Instalar Hardware y Software HW: consiste en conectar alguna tarjeta en la computadora SW: consiste en instalar los drivers necesarios para el hardware y el software de aplicación Calibración Proceso posterior a la conexión de los sensores Proporcionar una entrada conocida al sistema y verificar la salida Pruebas Comenzar a adquirir datos Proceso en el que se trata con datos del mundo real 8 Sistema de AD Un sistema de Adquisición de Datos (AD) se usa cuando se esta interesado en medir y analizar algún fenómeno físico Un sistema de AD es una colección de herramientas HW/SW que nos permite interactuar con el mundo físico Un sistema de AD es un equipo que nos permite tomar señales físicas del entorno y convertirlas en datos que posteriormente podremos procesar y presentar 9
La función principal es la conversión de señales A/D y D/A 10 Transductores: dispositivo capaz de convertir un tipo de energía de entrada en otra, obtiene información de entornos físicos y la convierte en señales eléctricas o viceversa. 11
Los transductores generalmente son incompatibles con el Hardware de adquisición Para resolver esta incompatibilidad, las señales adquiridas se deben acondicionar de alguna forma 12 Proporciona el microprocesador, un reloj, un bus de datos, memoria y espacio en disco para el almacenamiento de datos 13
Permite la interacción entre la computadora y el hardware: configurar la tasa de muestreo de la tarjeta adquirir una predeterminada cantidad de datos y visualizar uso del toolbox de adquisición de datos 14 Dos cosas importantes a resaltar: 1. Las entradas son adquiridas por un sensor, se acondicionan, después se convierten en bits para que la computadora las pueda leer y son manipuladas o analizadas para extraer información relevante 2. Los datos desde la computadora son transformados en señales analógicas y son pasados hacia el exterior por medio de un actuador 15
Más acerca del Hardware de AD El hardware de AD puede presentarse de dos maneras: interna e instalada directamente en un ranura de expansión dentro de la computadora externa que se conecta a la computadora a través de una cable externo Se caracteriza por lo subsistemas que posee Un subsistema es un componente que realiza una tarea específica Existen 4 subsistemas: 16 Más de Sensores Sensores Digitales: Switches, Encoders, Botones, etc. Sensores Analógicos: Acelerómetros, Micrófonos, medidores de presión, medidores de temperatura, etc. DOS CARACTERÍSTICAS IMPORTANTES: Salida del sensor Salidas digitales o analógicas Salidas de corriente.- 4 20 ma, uso de una resistencias de precisión para convertir a voltaje Salidas de voltaje.- caracterizadas por Amplitud, Frecuencia y Duración Ancho de Banda del sensor Se refiere a las frecuencias presentes en la señal que esta siendo medida Se puede pensar también como la razón de cambio de la señal 17
Más del Acondicionamiento de la señal El acondicionamiento se usa por la incompatibilidad de las señales adquiridas Tipos de acondicionamiento: Amplificación.- niveles bajos de entrada (100 mvolts) necesitan ser amplificados Filtrado.- eliminación de ruido de la señal de interés Ajuste.- ajustar el rango del transductor al del convertidor A/D Conversión.- transformar la información para que sea siempre voltaje (que las corrientes sean proporcionales a voltajes) Multiplexación.- técnica que permite mandar distintas señales sobre un mismo canal Acondicionamiento de impedancias.- cuando se conectar un segundo circuito a la salida de un primero, hace que la tensión de salida del primero se vea modificada. Carga Re Rth << Re Sensor 18 Más del Software Debe haber alguna forma de manipular o mandar que hacer al hardware Dos clases de Software: Driver SW.- accesa y controla las capacidades del hardware Aplication SW.- funciones de alto nivel para realizar aplicaciones 19
Agenda Introducción Intro a MATLAB Sistema de Adquisición de Datos Data Acquisition Toolbox Intro al Data Acquisition Toolbox Sesión de un sistema de adquisición de datos Entradas Analógicas Salidas Analógicas Uso del SoftScope Entradas/Salidas Digitales (opcional) Laboratorios 20 Data Acquisition Toolbox Proporciona un framework para adquirir y medir datos en MATLAB Soporta Subsistemas AI, AO, Digital I/O Proporciona soporte para los siguientes dispositivos: Advantech boards that use the Advantech Device Manager Agilent Technologies E1432A/33A/34A VXI modules Keithley boards that use DriverLINX drivers. Measurement Computing Corporation (ComputerBoards) boards National Instruments boards that use Traditional NI-DAQ or NI-DAQmx software except SCXI) Parallel ports LPT1-LPT3 Windows sound cards http://www.mathworks.com/products/daq/supportedio.html Adquisición de datos por medio de eventos 21
Componentes del DAQ Toolbox M-Files Functions Funciones del toolbox Adquirir o sacar datos Configurar propiedades Data Acquisition engine DLL que guarda el objeto asociado al dispositivo Controla la sincronización de los eventos Controla el almacenamiento de los datos adquiridos Hardware driver adaptors Permite la interacción entre el driver hw y la engine Software que pasa información entre matlab y el dispositivo hardware a través de su driver 22 Flujo para Adquirir Datos Los datos adquiridos son temporalmente guardados en la engine (memoria) El proceso consiste en dos pasos Los datos capturados desde el hardware son guardados en la engine Los datos son extraídos de la engine (función getdata ) y exportados a MATLAB o algún archivo en disco 23
Flujo para Sacar Datos Los datos almacenados en la engine son pasados al hardware Se tienen que poner en espera los datos en la engine mediante la función putdata Los datos desde MATLAB son puestos en espera en la engine Los datos en la engine son puestos en el hardware 24 Examinando los recursos hardware Mediante la función daqhwinfo podemos obtener: Información General del Toolbox Versión del toolbox y de Matlab Los adaptadores instalados en la computadora Información específica del adaptador Nombre y versión del adaptador Nombre de la tarjeta Constructor del objeto Información de un objeto dispostivo Presenta información acerca de un objeto (variable) relacionado a un dispositivo en específico 25
Sesión práctica Funciones de ayuda Función daqhwinfo 26 Agenda Introducción Intro a MATLAB Sistema de Adquisición de Datos Data Acquisition Toolbox Intro al Data Acquisition Toolbox Sesión de un sistema de adquisición de datos Entradas Analógicas Salidas Analógicas Uso del SoftScope Entradas/Salidas Digitales (opcional) Laboratorios 27
Sesión de adquisición de datos 1. Crear un objeto tipo dispositivo 2. Agregar canales (E/S analógicas) o líneas (E/S digitales) 3. Configurar propiedades 4. Colocar en fila datos (solo para Salidas Analógicas) 5. Arrancar la adquisición de datos (o sacar datos) 6. Esperar a que la adquisición se complete 7. Extraer los datos adquiridos (solo para entradas analógicas) 8. Finalizar la sesión (limpiar variables del workspace y de memoria) 28 1. Crear un objeto tipo dispositivo Por medio de este tipo de objetos se puede acceder al dispositivo hardware (en realidad es una estructura) Cada objeto tipo dispositivo es asociado a un subsistema específico Para crear este tipo de objetos se hace por medio de los constructores de objetos (funciones M de MATLAB) analoginput analogoutput digitalio 29
Pueden crearse vectores de objetos-dispositivo Cuando creamos un objeto-dispositivo, éste existe tanto en el workspace como en el engine Cuando creamos una copia de ese objeto, este último es idéntico al original 30 2. Agregar canales o líneas Los canales o líneas son los elementos primordiales con los cuales se adquieren o sacan datos Después de crear un objeto-dispositivo se le tiene que agregar canales o líneas, de otra forma NO se podrán adquirir/sacar datos addline addchannel addmuxchannel (solo para tarjetas NI-DAQ) 31
Los IDs de los canales hardware son valores numéricos asignados por el fabricante para identificar los canales de sus dispositivos Algunso comienzan con el índice 0 y otros con el índice 1 (tarjetas de sonido) Sin embargo si queremos referenciar algún canal, debemos hacerlo por medio de índices de MATLAB (comienzan en 1) 32 3. Configurar propiedades Se usan las funciones set y get (o la notación punto) para cambiar y acceder a las propiedades respectivamente Dos tipos de propiedades Comúnes.- son propiedades que se aplican a cada canal o línea del objeto Canal/Línea.- son propiedades que configuran canales/líneas de forma individual 33
4, 5, 6 y 7. Adquirir / Sacar Datos Adquirir o sacar datos involucra tres pasos: Arrancar el objeto Cargar o mandar datos (Logging/Sending Data) Detener el objeto Cuando los datos están siendo transferidos entre MATLAB y el dispositivo hardware, el objeto puede estar en dos estados: Running Logging/Sending Propiedades del objeto que llevan el mismo nombre son puestas en On u Off Los objetos digitales no guardan datos en la engine los estados de Logging/Sending no existen (solo el estado Running) 34 Para arrancar un objeto se usa la función start Para adquirir o sacar datos se usan getdata, putdata, peekdata Para el estado de Logging la propiedad TriggerType esta muy relacionada en cuando los datos se van a guardar en el engine (o en archivo) Un objeto se detiene cuando: La función stop es usada Cuando el número de muestras en recibida (AI) o enviada (AO) Cuando ocurre un error en tiempo de ejecución Cuando el tiempo de la propiedad timeout ha transcurrido 35
8. Finalizar sesión Cuando ya no vayamos a usar más los objetos-dispositivos, debemos eliminarlos tanto de la memoria (engine) como del workspace de MATLAB Esto se logra con las funciones delete y clear respectivamente La función daqfind encuentra todos los objetos que tiene el engine conectados a él Si se usa solamente clear, el objeto se borra del workspace pero todavía permanece conectado al engine 36 Sesión práctica Todo acerca de una sesión de AD 37
Agenda Introducción Intro a MATLAB Sistema de Adquisición de Datos Data Acquisition Toolbox Intro al Data Acquisition Toolbox Sesión de un sistema de adquisición de datos Entradas Analógicas Salidas Analógicas Uso del SoftScope Entradas/Salidas Digitales (opcional) Laboratorios 38 La función analoginput crea un objeto-dispositivo de tipo AI Cuando se crea el objeto, se le asocia un ID Usar daqhwinfo( winsound ) para ver los IDs disponibles La función addchannel agrega canales al objeto La propiedad Channel proporciona información de cada canal El número de canales que se pueden agregar depende del tipo de tarjeta Para borrar un canal se usa la función delete 39
Para las tarjetas de sonido, solo pueden manejar 1 o 2 canales Modo MONO.- 1 solo canal, ID = 1 Modo STEREO.- 2 canales, ID = [1 2] Propiedades importantes de configurar StandardSampleRates.- indica si el SampleRate puede tomar cualquier valor o solo valores estándar (8.0 khz, 11.025 khz, 22.050 khz, y 44.100 khz), con la función propinfo se pueden encontrar los valores permitidos 40 Adquirir datos de un AI subsystem Se arranca en objeto con start Se adquieren los datos con un trigger (evento) dependiendo de la propiedad TriggerType Los datos leídos se pueden almacenar en memoria o en disco (o ambos) dependiendo de la propiedad LoggingMode Si se guarda en disco entonces habrá que configurar las propiedades LogFileName y LogToDiskMode Si se guarda en memoria los datos se leen con getdata / peekdata Si se guarda en disco los datos se leen con daqread 41
Propiedades involucradas en el Status del objeto AI 42 Manejo de memoria La propiedad BufferingConfig indica la memoria asignada por canal Devuelve un vector de 2 valores: [block size number of blocks] La memoria total asignada esta dada por: (block size)*(no. blocks)*(no. channels)*(native data type) El tipo de dato nativo se puede encontrar con la función daqhwinfo La asignación de memoria puede hacerse en forma manual o automática dependiendo de la propiedad BufferingMode La memoria asignada se cambia automáticamente dependiendo del SampleRate La función daqmem asigna o muestra información de la memoria daqmem(ai) muestra el número total de memoria asignada al objeto, y además muestra el número máximo de memoria permitida daqmem(ai, maxval) asigna el número máximo de memoria que puede ser asignada a un objeto 43
La propiedad MaxSamplesQueued indica el número máximo de muestras que pueden ser puestas en espera en la engine Solo para objetos de salida ao Propiedad de solo lectura Este valor es el mismo que nos da la función daqmem(ao) Se usa la función daqmem para asignar o mostrar el tamaño de memoria asignado al objeto de salida ao 44 Manipulando los datos adquiridos peekdata.- es solo un preview de los datos adquiridos Solo se puede llamar una sola vez por cada vez que el objeto se detiene Se obtienen los datos más recientes getdata.- obtiene de la engine los datos adquiridos Se obtienen los datos más viejos 45
Trigger para un objeto AI Un trigger AI esta definido como un evento que inicia la carga de datos (logging) Definiendo el trigger 46 Cuando el tipo de trigger es Software se deben configurar las propiedades TriggerCondition, TriggerConditionValue y TriggerChannel TriggerChannel indica el canal que sirve como fuente para el trigger 47
Trigger Delays Los datos pueden ser cargados (logging) ya sea antes de ocurrir el trigger (pretriggering) o bien después de que el trigger ocurre (posttriggering) Esto se controla con la propiedad TriggerDelay donde: Valores negativos indican pretriggering Valores positivos indican posttriggering 0 indica que no hay delay La propiedad TriggerDelayUnits indica si el valor en TriggerDelay son unidades de tiempo o de muestras El pretriggering solo puede usarse cuando el TriggerType es Manual o Software 48 Pretriggering Posttriggering 49
Repetición de triggers Se puede configurar los triggers para que ocurran una o más veces mediante la propiedad TriggerRepeat La propiedad TriggerExecuted devuelve el número de triggers que se han ejecutado (funciona en tiempo de ejecución) La función showdaqevents muestra información acerca de cuando ocurrieron los eventos en un objeto dado También se puede adquirir esta información con la propiedad EventLog La propiedad InitialTriggerTime contiene el tiempo de cuando ocurrió el primer trigger 50 Tipos de eventos Se pueden aumentar la potencia y flexibilidad de nuestra aplicaciones al usar eventos y callbacks Un evento ocurre cuando alguna condición se cumple y resulta en la ejecución de callbacks (funciones-m) 51
Sesión práctica Todo acerca del objeto AI Crear y configurar el objeto AI Adquisición y manipulación de datos Tipos de triggers Manejo de memoria Eventos y Callbacks 52 Agenda Introducción Intro a MATLAB Sistema de Adquisición de Datos Data Acquisition Toolbox Intro al Data Acquisition Toolbox Sesión de un sistema de adquisición de datos Entradas Analógicas Salidas Analógicas Uso del SoftScope Entradas/Salidas Digitales (opcional) Laboratorios 53
Creación de objetos-dispositivo AO Se usa la función analogoutput para la creación de un objeto dispositivo de tipo AO De igual forma se usa la función addchannel para agregar canales al objeto Propiedades relacionadas a los canales de un AO 54 La propiedad TriggerType en un AO puede ser manual o immediate (el trigger software no es soportado) Existen otros tipos de trigger disponibles dependiendo de la tarjeta hardware que se este usando Para sacar datos por medio de un AO se siguen los siguientes pasos: 1. Colocar en espera los datos mediante la función putdata 2. Arrancar el objeto con la función start () 3. Detener el objeto, éste se detiene cuando alguna de las siguientes acciones ocurre: Se usa la función stop Los datos en espera son sacados por el AO Un error en tiempo de ejecución ocurre Cuando el tiempo de espera se ha alcanzado 55
Propiedades importantes en un AO Propiedades involucradas en el status de un objeto AO Otras propiedades en el manejo de datos 56 Cuando se colocan datos en cola con la función putdata, éstos se colocan de la siguiente forma: 57
AO triggers Un trigger para un AO se define como un evento que inicia la salida de datos 58 Para ejecutar un trigger en un AO: Colocar en espera los datos en la engine Configurar las propiedades del trigger Llamar la función start Llamar la función trigger (si el trigger es manual) Solamente 1 solo trigger puede ocurrir para un AO, así la propiedad TriggersExecuted solo puede tomar los valores 0 ó 1 59
Eventos y Callbacks para AO La función por default es daqcallback, la cual simplemente proporciona información del evento que ocurrió Esta misma función se usa por default par los objetos AI 60 Sesión práctica Todo acerca del objeto AO Crear y configurar el objeto AO Tipos de triggers Eventos y Callbacks 61
Agenda Introducción Intro a MATLAB Sistema de Adquisición de Datos Data Acquisition Toolbox Intro al Data Acquisition Toolbox Sesión de un sistema de adquisición de datos Entradas Analógicas Salidas Analógicas Uso del SoftScope Entradas/Salidas Digitales (opcional) Laboratorios 62 El Osciloscopio para Adquisición de Datos El softscope es una interfaz gráfica interactiva para mostrar en pantalla datos en tiempo real 63
Agregando nuevas ventanas Crear un nuevo display (Menu Scope) Asociar un canal al display (Menu Channel) 64 Canales Reference channels Los datos asociados a este tipo de canal son variables o expresiones de MATLAB Math channels Los datos asociados a este tipo de canal son calculados en MATLAB a partir de los canales hardware, o de canales de tipo math o reference 65
66 Botones de escalamiento Botones Horizontales.- realizan un offset en forma horizontal (mover hacia la izq o der) y cambian las unidades en el eje horizontal (periodo de visualización de la señal) Botones Verticales.- realizan un offset en forma vertical (mover arriba o abajo) y cambian la escala en el eje horizontal (amplitud de la señal) 67
Triggers en el Osciloscopio Existen 3 tipos de trigger: One shot.- adquiere el número de muestras especificado, una vez Continuous.- continuamente adquiere el número de muestras especificadas Sequence.- continuamente adquiere el número de muestras especificadas y usa el trigger dependiente cada vez 68 Realizar Mediciones Pueden realizarse distintos tipos de mediciones a los datos adquiridos, mediante cursores horizontales o verticales Mediciones de tipo matemático también están disponibles o bien mediciones hechas por el usuario 69
Sesión práctica Uso del Softscope 70 Agenda Introducción Intro a MATLAB Sistema de Adquisición de Datos Data Acquisition Toolbox Intro al Data Acquisition Toolbox Sesión de un sistema de adquisición de datos Entradas Analógicas Salidas Analógicas Uso del SoftScope Entradas/Salidas Digitales (opcional) Laboratorios 71