LabVIEW para medidas y análisis de datos

Visión General

Miles de ingenieros y científicos confían en LabVIEW para una variedad de aplicaciones: pruebas y medidas, control y automatización de procesos, monitoreo y simulación. LabVIEW es la herramienta de elección debido a su incomparable conectividad a instrumentos, poderosas capacidades de adquisición de datos, interfaz de programación gráfica basada en flujo de datos natural, escalabilidad y funcionalidad completa. Una necesidad que persiste independientemente del área de especialización es el hecho de que los usuarios deben manipular los datos y las medidas, y tomar decisiones basadas en ellos. Este documento se enfoca en las capacidades que hacen de LabVIEW la herramienta adecuada para el análisis de datos y medidas.

Contenido

Introducción

Los usuarios generalmente comienzan su trabajo adquiriendo datos en una aplicación o programa, porque sus tareas normalmente requieren interacción con procesos físicos. Para extraer información valiosa de esos datos, tomar decisiones sobre el proceso y obtener resultados, los datos deben ser manipulados y analizados. Desafortunadamente, combinar análisis con adquisición de datos y presentación de datos no siempre es un proceso directo. Los paquetes de software de aplicación generalmente abordan un componente de la aplicación, pero rara vez abordan todos los aspectos y las necesidades para llegar a una solución completa. LabVIEW fue diseñado para cubrir los requerimientos de principio a fin, una solución completamente integrada para que usted pueda integrar perfectamente todas las fases de su aplicación en un solo entorno.


Figura 1. Diagrama de bloques de instrumentos virtuales de LabVIEW

 

Si bien hay muchas herramientas que abordan de manera independiente cada uno de los requisitos, solo LabVIEW combina todas ellas con el poder de la programación gráfica y el hardware de adquisición de vanguardia, utilizando la potencia de su PC. Es la combinación de adquisición de datos, análisis de datos y presentación de resultados, lo que realmente maximiza el poder de la instrumentación virtual. Un instrumento virtual consiste en una estación de trabajo o PC estándar en la industria equipada con un potente software de aplicación, hardware rentable como tarjetas insertables y software controlador, los cuales juntos realizan las funciones de los instrumentos tradicionales. Es por eso que las aplicaciones y programas creados con LabVIEW se conocen como VIs (instrumentos virtuales).

Como una herramienta centrada en la ingeniería, LabVIEW pone a su disposición cientos de funciones de análisis para investigadores, científicos e ingenieros, así como para estudiantes y profesores. Pueden integrar estas funciones en sus aplicaciones para realizar medidas inteligentes y obtener resultados más rápido.

Elegir el método correcto para el análisis

Los usuarios pueden incorporar análisis en sus aplicaciones y programas de diferentes maneras. Existen ciertas consideraciones que ayudan a determinar la manera en la cual el análisis de ser realizado.

Análisis en línea vs. fuera de línea

El análisis en línea implica que los datos sean analizados en la misma aplicación donde son adquiridos. Este es el caso en el que se trabaja con aplicaciones donde se tiene que tomar decisiones durante el tiempo de ejecución y los resultados tienen consecuencias directas en el proceso, por lo general al cambiar parámetros o al ejecutar acciones. Este suele ser el caso en las aplicaciones de control. Cuando se trata de análisis en línea, es importante tener en cuenta la cantidad de datos adquiridos y las rutinas de análisis particulares que se realizan en esos datos. Se debe encontrar un equilibrio adecuado, ya que fácilmente podrían volverse de cómputo intenso y tener un efecto adverso en el rendimiento de la aplicación.

Otros ejemplos para el análisis en línea son las aplicaciones en las que los parámetros de la medida deben adaptarse a las características de la señal medida. XX Un caso es donde se deben registrar una o más señales, pero estas cambian muy lentamente, excepto por ráfagas repentinas de actividad de alta velocidad. Para reducir la cantidad de datos registrados, la aplicación tendría que reconocer rápidamente la necesidad de una velocidad de muestreo más alta y reducirla cuando termine la ráfaga. Al medir y analizar ciertos aspectos de las señales, puede lograr que la aplicación se adapte a las circunstancias y habilitar los parámetros de ejecución apropiados. Aunque este es solamente un ejemplo, hay miles de aplicaciones donde se requiere un cierto grado de inteligencia, la habilidad de tomar decisiones de acuerdo a varias condiciones y adaptabilidad, lo cual se puede lograr únicamente agregando algoritmos de análisis a la aplicación.

No todas las decisiones basadas en los datos adquiridos se hacen de manera automatizada. Con mucha frecuencia, aquellos involucrados en el proceso necesitan monitorear la ejecución y determinar si está funcionando como se esperaba o si una o más variables necesitan ajustarse. Aunque no es raro que los usuarios registren datos, los extraigan de un archivo o base de datos y luego los analicen fuera de línea para modificar el proceso, muchas veces los cambios deben ocurrir durante el tiempo de ejecución. En estos casos, la aplicación debe trabajar con los datos que se obtienen del proceso y luego manipularlos, simplificarlos, formatearlos y presentarlos de la forma más útil para el usuario. Los usuarios de LabVIEW pueden aprovechar los numerosos objetos de visualización para presentar esos datos de la manera más concisa y útil.

LabVIEW ofrece rutinas de análisis y matemáticas que originalmente operan con funciones de adquisición de datos y capacidades de visualización, para que puedan ser integradas fácilmente en cualquier aplicación. Además, LabVIEW ofrece rutinas de análisis para ejecución punto por punto; estas rutinas están diseñadas específicamente para cumplir con las necesidades de análisis en línea en aplicaciones en tiempo real. Los usuarios deben considerar ciertos aspectos al decidir si las rutinas punto por punto son apropiadas.

El análisis punto por punto es esencial cuando se trabaja con procesos de control que tienen adquisición de datos de alta velocidad, determinística y punto por punto. Cada vez que los recursos son dedicados a la adquisición de datos en tiempo real, el análisis punto por punto se vuelve una necesidad conforme las velocidades de adquisición y los ciclos de control se incrementan por órdenes de magnitud. El enfoque de punto por punto simplifica el proceso de diseño, implementación y pruebas ya que el flujo de la aplicación corresponde con el flujo natural de los procesos del mundo real que la aplicación está monitoreando y controlando.


Figura 2. Análisis basado en matrices vs. análisis punto por punto
 

La adquisición y el análisis de datos en tiempo real siguen exigiendo aplicaciones más optimizadas y estables. El análisis punto por punto es simplificado y estable porque se relaciona directamente con el proceso de adquisición y análisis. Con el análisis punto por punto estable y simplificado, el proceso de adquisición y análisis se puede acercar al punto de control en los chips de FPGA (arreglo de compuerta programable en campo), controladores embebidos o CPUs dedicados y ASICs.

Para comprender mejor las ventajas de las rutinas de análisis punto por punto, NI sugiere leer Comenzar a trabajar con VIs de punto a punto de LabVIEWEste documento describe cómo usar los VIs e incluye un caso de estudio que muestra una aplicación completa construida en LabVIEW. La aplicación demuestra la simplicidad y flexibilidad del análisis punto por punto.

Al añadir estos potentes algoritmos y rutinas en sus aplicaciones, los usuarios eliminan las conjeturas y crean procesos inteligentes que pueden analizar resultados durante el tiempo de ejecución, mejorando la eficiencia y correlacionando repetidamente variables de entrada para experimentar o procesar el rendimiento.

Las aplicaciones fuera de línea generalmente no piden que los resultados sean obtenidos en tiempo en real para tomar decisiones en el proceso. Las aplicaciones de análisis fuera de línea solamente requieren haya disponibles suficientes recursos de cómputo. El principal objetivo de dichas aplicaciones es identificar la causa y el efecto de las variables que afectan un proceso al correlacionar múltiples juegos de datos. Generalmente estas aplicaciones requieren importar datos desde archivos binarios o ASCII o bases de datos comerciales como Oracle, Access y otras bases de datos habilitadas por QL/ODBC. Una vez que los datos son importados en LabVIEW, los usuarios realizan varias o cientos de rutinas de análisis disponibles, manipulan los datos y los organizan en un formato específico para
fines informativos. LabVIEW proporciona funciones para tener acceso a cualquier tipo de formato y base de datos, se conecta perfectamente a herramientas de reportes como NI DIAdem y el LabVIEW Report Generation Toolkit y ejecuta las tecnologías más recientes para compartir datos como XML, presentación de datos habilitada por Web y ActiveX.

Análisis programático vs. interactivo

Como usuarios de LabVIEW, los científicos e ingenieros están muy familiarizados con las muchas formas en que pueden adquirir datos de cientos de dispositivos. Construyen inteligencia en sus aplicaciones para realizar análisis en línea y presentar resultados mientras se ejecutan las aplicaciones. Además, son conscientes de que la adquisición de datos y su procesamiento no es suficiente para la visualización en línea. Los usuarios suelen almacenar cientos o miles de megabytes de datos en discos duros y bases de datos. Después de ejecutar la aplicación una o cientos de veces, usted puede proceder a la extracción de la información para tomar decisiones, comparar resultados y efectuar los cambios apropiados al proceso para obtener los resultados deseados.

Es relativamente fácil adquirir cantidades de datos tan grandes que rápidamente se vuelven inmanejables. De hecho, con un dispositivo de adquisición de datos rápido y suficientes canales, puede tomar solo unos pocos milisegundos para compilar miles de valores. No es una tarea trivial darle sentido a los datos. Por lo general, se espera que ingenieros y científicos, presenten reportes, creen gráficos y corroboren las hipótesis y conclusiones con datos empíricos. Sin la herramientas adecuadas, esto fácilmente se puede convertir en una tarea abrumadora, lo que resulta en pérdida de productividad.

Para simplificar el proceso de análisis de mediciones, los programadores de LabVIEW crearon aplicaciones que proporcionan cuadros de diálogo e interfaces que otros pueden usar para que, según su entrada, se realicen rutinas de análisis específicas en cualquier conjunto de datos dado. Al crear este tipo de aplicación, los usuarios crean un cierto grado de interactividad en sus aplicaciones. Para que esto sea eficiente, el programador debe tener un amplio conocimiento sobre la información y los tipos de análisis en los que está interesado el usuario.

 

Figura 3. VI de reflexión del dominio del tiempo basado en funciones conjuntas de análisis de tiempo-frecuencia


Con LabVIEW, usted puede reducir significativamente los datos y darles formato antes de guardarlos a disco, de modo que, cuando se recuperan los datos almacenados para análisis o revisión, son más fáciles de tratar. LabVIEW también proporciona cientos de funciones para generar informes basados en los resultados y la información obtenida de los datos adquiridos.

NI ofrece herramientas adicionales que están altamente integradas con LabVIEW y están diseñadas para mejorar la ingeniería colaborativa. NI DIAdem es una de esas herramientas; proporciona un entorno fácil de usar para el análisis interactivo posterior a la adquisición y la generación de reportes, con potentes capacidades de administración de datos técnicos.

Categorías de análisis

LabVIEW ofrece cientos de funciones de análisis incorporadas que cubren diferentes áreas y métodos para extraer información de los datos adquiridos. Usted puede usar estas funciones tal cual, o modificarlas, personalizarlas y ampliarlas para satisfacer una necesidad particular. Estas funciones están clasificadas en los siguientes grupos: Medidas, procesamiento de señales, matemáticas, procesamiento de imágenes, control, simulación y áreas de aplicación.

Medidas
Amplitud y nivel
Análisis de frecuencia (espectral)
Ruido y distorsión
Pulso y transición
Generación de señales y forma de onda
Análisis de dominio de tiempo
Medidas de tono

Procesamiento de señales
Filtros digitales
Convolución y correlación
Dominio de frecuencia
Análisis conjunto de tiempo-frecuencia (LabVIEW Advanced Signal Processing Toolkit)
Muestreo/re-muestreo
Generación de señales
Análisis espectral de super resolución (LabVIEW Advanced Signal Processing Toolkit)
Transformadas
Dominio de tiempo
Diseño de banco de filtros y onda corta (LabVIEW Advanced Signal Processing Toolkit)
Ventanas

Matemática
Matemática básica
Ajuste de curvas y modelado de datos
Ecuaciones diferenciales
Interpolación y extrapolación
Álgebra lineal
Sistemas no lineales
Optimización
Búsqueda de raíces
Funciones especiales
Procesos aleatorios y estadística

Procesamiento de imágenes
Morfología y análisis Blob
Coincidencia de patrones de color
Filtros
Herramientas de visión artificial de alto nivel
Coincidencia de patrones de escala de grises de alta velocidad
Análisis de imagen
Manipulación de imágenes y píxeles
Procesamiento de imágenes
Reconocimiento óptico de caracteres
Herramientas de la región de interés

Control
Control difuso y PID

Simulación
Interfaz de simulación (Simulation Interface Toolkit)

Áreas de aplicación
Monitoreo de la condición de máquinas (conjunto de herramientas de análisis de pedidos)
Visión artificial (IMAQ, Vision Builder)
Control de movimiento
Sonido y Vibración (LabVIEW Sound and Vibration Toolkit)

¿Qué herramientas de análisis están disponibles para LabVIEW?

LabVIEW ya incluye un poderoso conjunto de herramientas para análisis. Estas herramientas abarcan un conjunto integrado de bibliotecas y funciones diseñadas específicamente para el análisis, con las cuales los usuarios pueden abordar una amplia variedad de aplicaciones.

Las herramientas de análisis de LabVIEW cubren una amplia variedad de aplicaciones. Por ejemplo, las funciones avanzadas de análisis pueden medir las características de la señal como distorsión armónica total, respuesta de impulso, respuesta de frecuencia y espectro de potencia. Los científicos e ingenieros también pueden incorporar análisis matemático o numérico en sus aplicaciones para fines tales como resolver ecuaciones diferenciales, optimización, búsqueda de raíces y otros problemas matemáticos.

Aunque los usuarios pueden desarrollar estas funciones ellos mismos, las funciones integradas facilitan el trabajo rápido en el problema en lugar de las herramientas. La ventaja de usar estas funciones también elimina la necesidad de comprender la teoría subyacente requerida para construir tales algoritmos.



Figura 4. Aplicación de medidor de nivel de sonido basada en el conjunto de herramientas de análisis de sonido y vibración

 

Herramientas complementarias para análisis

Además de las bibliotecas integradas de análisis, los usuarios pueden utilizar herramientas y módulos complementarios para reducir el tiempo de desarrollo para cubrir necesidades de aplicaciones especializadas. Al incorporar estos componentes en aplicaciones personalizadas, los usuarios reducen la necesidad de una experiencia en particular asociada con el desarrollo de aplicaciones más verticales como procesamiento avanzado de señales digitales, medidas de sonido y vibración, análisis de orden, procesamiento de imágenes, control PID y simulación.

Procesamiento avanzado de señales

Las herramientas de procesamiento de señales proporciona funciones diseñadas específicamente para el procesamiento avanzado de señales digitales (DSP). Las funciones incluidas se dividen en tres categorías: Análisis conjunto de tiempo-frecuencia, análisis de onda corta y análisis espectral con super resolución. Además, las herramientas proveen de una utilidad gráfica con la cual los usuarios pueden diseñar filtros digitales.

Análisis conjunto de tiempo-frecuencia

A diferencia de las tecnologías de análisis convencionales, las rutinas del análisis de tiempo-frecuencia (JTFA) examinan las señales en los dominios del tiempo y la frecuencia simultáneamente. JTFA se puede aplicar en casi todas las aplicaciones en las que se usa FFT, como señales biomédicas, procesamiento de imágenes de radar, análisis de vibración, pruebas de máquinas y análisis de señal dinámica. Sin embargo, con JTFA, obtiene más información analizando en los dominios del tiempo y frecuencia simultáneamente.

Al igual que el análisis clásico de Fourier, el JTFA consta de dos métodos principales: lineal y cuadrático. Los algoritmos lineales incluyen la transformada corta de Fourier (STFT) y la expansión de Gabor (inversa a la transformada corta). Los usuarios de LabVIEW pueden beneficiarse de estas transformadas lineales para transferir una señal del dominio del tiempo al dominio conjunto de tiempo-frecuencia y viceversa. Estas rutinas son extremadamente potentes para propósitos de reducción de ruido. Los métodos cuadráticos contienen espectrogramas adaptativos, distribuciones de Choi-Williams, distribuciones cónicas, espectrogramas basados en expansión de Gabor (también conocidos como espectrogramas de Gabor), espectrogramas basados en STFT y distribuciones de Wigner-Ville. Los usuarios pueden aplicar las transformadas cuadráticas para ver cómo el espectro de potencia de una señal evoluciona en el tiempo. El espectrograma Gabor da lugar a la mejor solución entre alta resolución e interferencia.

Ondas cortas

Las ondas cortas son un método relativamente nuevo en el procesamiento de señales. La transformada de onda corta se implementa casi siempre como un banco de filtros que descompone la señal en múltiples bandas. Separa y retiene las características de la señal en una o algunas sub-bandas. De este modo, una de las mayores ventajas de usar la transformada de onda corta es que se pueden extraer con facilidad las características de la señal. En muchos casos, una transformada de onda corta supera la FFT convencional cuando se refiere a la extracción de características o reducción de ruido. Debido a que la transformada de onda corta puede extraer las características de la señal, las transformaciones de onda corta se encuentran en muchas aplicaciones en compresión de datos, detección de eco, reconocimiento de patrones, detección de bordes, cancelación, reconocimiento de voz, análisis de textura y compresión de imágenes.

Análisis espectral basado en modelos

Una herramienta principal para el análisis espectral es la Transformada Rápida de Fourier (FFT). Para espectros de alta resolución, los métodos basados en FFT necesitan un gran número de muestreos. Sin embargo, en muchos casos, el conjunto de datos es limitado por falta de los mismos o porque los usuarios necesitan garantizar que las características espectrales de la señal no cambien con la duración dl registro de los datos. Para casos en los que el número de muestreos de datos es limitado, los usuarios de LabVIEW pueden usar análisis basado en modelos para determinar las características espectrales. Al usar esta técnica, los usuarios asumen un modelo de señales apropiado y determinan los coeficientes del modelo. De acuerdo a este modelo, la aplicación puede predecir los puntos faltantes en el conjunto de datos finitos para lograr espectros de alta resolución. Además, los métodos basados en modelos también se pueden utilizar para estimar la amplitud, fase, factor de amortiguamiento y frecuencia de senoides amortiguadas. También se puede usar análisis espectral con super resolución en diversas aplicaciones incluyendo investigación biomédica, economía, geofísica, ruido, vibración y reconocimiento de voz.

Análisis de sonido y vibración

El software de análisis de NI permite muchas aplicaciones comunes de análisis de sonido y vibración, incluyendo pruebas de audio, medidas acústicas, pruebas de ruido ambiental, análisis de vibración, medidas NVH.   Las capacidades de análisis especializadas incluyen análisis de octava fraccional que cumplen con ANSI e IEC y espectros de potencia de zoom.  Además, la Suite de Medidas de Sonido y Vibración incluye numerosas funciones para medidas de audio como ganancia, fase, THD, IMD, rango dinámico, linealidad de fase y análisis de barrido sinusoidal.

Las funciones incluyen octavas completas, 1/3, 1/6, 1/12 y 1/24; frecuencia de muestreo definida por el usuario; número de bandas definido por el usuario; ponderación A, B y C en el dominio del tiempo; cumplimiento con estándares; medias exponenciales (lenta, rápida, y constante de tiempo personalizada); espectro de potencia; respuesta en frecuencia (H1, H2 y H3); coherencia y potencia de salida coherente. Además, se proporcionan herramientas de visualización adicionales, como gráfica en cascada, gráfica de mapa de colores, gráfica de barras de octava y gráfica de línea de octava que pueden integrarse fácilmente en los paneles frontales de las aplicaciones de LabVIEW.

Análisis de orden

La Suite de Medidas de Sonido y Vibración ofrece bibliotecas para construir aplicaciones de automatización y medidas personalizadas basadas en LabVIEW que tienen capacidad de análisis de orden para rastreo, extracción de orden y procesamiento de señal de tacómetro.

Con el algoritmo de rastreo de orden de Gabor, los usuarios de LabVIEW pueden analizar el sonido, la vibración y otras señales dinámicas de sistemas mecánicos con componentes rotativo o recíprocos. Ofrece una selección de energía de orden flexible en el dominio conjunto de tiempo-frecuencia. Las herramientas adicionales incluyen gráficas de orden individual versus tiempo o rpm, herramientas de extracción de orden para separar los componentes específicos de orden de la señal adquirida, herramientas de selección automática de orden para encontrar y especificar las más significativas y selección de orden especificada por el usuario para el análisis.

Conclusión

Con el poder y la flexibilidad de las PCs de hoy en día, los ingenieros y científicos tienen una capacidad sin precedentes para medir, controlar, monitorear, diagnosticar, automatizar, probar y caracterizar cualquier proceso de manera eficiente. Sin embargo, esto no es posible sin la capacidad de mirar datos y extraer información útil.

LabVIEW de NI y las funciones de análisis integradas que proporciona forman un poderoso entorno de desarrollo de aplicaciones gráficas diseñado específicamente para ingenieros y científicos. LabVIEW proporciona soluciones independientemente de la industria o área de especialización dentro del proceso de ingeniería, desde el diseño y la validación hasta la producción.

Además, LabVIEW ofrece conectividad incomparable a dispositivos DAQ insertables e instrumentos autónomos para adquirir datos. LabVIEW proporciona potentes bibliotecas de análisis, rutinas y algoritmos que van desde matemática básica hasta procesamiento de señales avanzado, tanto para aplicaciones de uso general como para necesidades más verticales, que pueden integrarse perfectamente con todas las demás funciones en LabVIEW. Estas funciones, en conjunto con potentes habilidades de visualización de datos, hacen de LabVIEW la herramienta ideal para cualquier aplicación.