Instrumentação Virtual

Visão geral

Este documento explica o conceito de instrumentação virtual e também porque o LabVIEW é a melhor ferramenta para criar instrumentos virtuais.

Conteúdo

O que é Instrumentação Virtual?

A rápida adoção do PC nos últimos 20 anos catalizou uma revolução na instrumentação para teste, medição e automação. Um grande desenvolvimento resultante da onipresença do PC é o conceito de instrumentação virtual, o qual oferece vários benefícios para engenheiros e pesquisadores que buscam aumento de produtividade, da precisão e do desempenho.

Um instrumento virtual consiste de um computador industrial ou estação de trabalho (Workstation) equipado com um poderoso software aplicativo, hardware com custo otimizado, como placas plug-in e drivers, que juntos desempenham as funções dos instrumentos tradicionais. Instrumentos virtuais representam uma revolução nos sistemas de instrumentação tradicionais focados em hardware para sistemas centrados em software que exploram o poder computacional, a produtividade, a visualização gráfica e as funcionalidades de conectividade dos populares computadores de mesa (PC desktops) e estações de trabalho. Embora o PC e a tecnologia de circuito integrado tenham proporcionado avanços significantes nas últimas duas décadas, é o software que realmente proporcionou que esta poderosa plataforma de hardware fosse utilizada para criar instrumentos virtuais, oferecendo condições favoráveis para criar soluções inovadoras e reduzir significativamente os custos quando comparado com a abordagem tradicional. Com instrumentos virtuais, engenheiros e pesquisadores constroem sistemas de medição que se adequam exatamente as suas necessidades (sistemas definidos pelo usuário) ao invés de estar limitado pelas funções fixas dos instrumentos tradicionais (definido pelo fabricante).

Estes documento descreve poderosas ferramentas de programação, hardware de aquisição flexível e o computador pessoal, que são os componentes essenciais para instrumentação virtual. A sinergia entre eles oferece vantagens que não podem ser obtidas com instrumentação tradicional.

Instrumentação Virtual versus Instrumentação Tracional
Instrumentos tradicionais independentes, como osciloscópios e geradores de forma de onda são muito poderosos, caros e projetados para desempenhar uma ou mais tarefas definidas pelo fornecedor. No entanto, o usuário geralmente não pode expandi-los ou personalizá-los. Os knobs e botões do instrumento, o circuito interno e as funções disponíveis para o usuário são inerentes ao instrumento. Além disso, tecnologias especiais e componentes de custo elevado devem ser desenvolvidos para construir esses instrumentos, fazendo-os muito caros e de adaptação lenta.

Instrumentos Virtuais, em virtude de serem baseados em computadores, inerentemente tiram proveito das últimas tecnologias incorporadas aos PCs comerciais. Esses avanços na tecnologia e no desempenho estão rapidamente cobrindo a lacuna entre instrumentos tradicionais e os PCs, incluindo poderosos processadores como o Pentium 4 e sistemas operacionais e tecnologias como o Microsoft Windows XP, .NET, o sistema operacional Apple Mac OS X. Além disso, para incorporar esses recursos poderosos, essas plataformas também oferecem fácil acesso a ferramentas fundamentais como a internet. Os instrumentos tradicionais frequentemente apresentam falta de portabilidade, enquanto instrumentos virtuais implementados em notebooks incorporam automaticamente sua portabilidade natural.

Engenheiros e pesquisadores cujas necessidades, aplicações e requisitos mudam muito rapidamente, precisam de flexibilidade para criar suas próprias soluções. Você pode adaptar um instrumento virtual para suas necessidades particulares sem ter que substituir completamente o dispositivo devido ao software aplicativo instalado no PC e ampla variedade de hardware de aquisição de dados.

Flexibilidade
Exceto por componentes e circuitos especializados encontrados nos instrumentos tradicionais, a arquitetura geral de um instrumento tradicional é muito similar a de um instrumento virtual baseado em PC. Ambos requerem um ou mais microprocessadores, portas de comunicação (por exemplo, serial e GPIB) e capacidade de apresentação de dados, bem como módulos de aquisição de dados. O que torna um diferente do outro é sua flexibilidade e o fato de que você pode modificar e adaptar o instrumento para suas necessidades particulares. Um instrumento tradicional pode conter um circuito integrado para desempenhar um conjunto particular de funções de processamento de dados; em um instrumento virtual, essas funções serão desempenhadas pelo software executado pelo processador do PC. Você pode ampliar o conjunto de funções facilmente, limitado apenas pela capacidade computacional do software e do processador utilizado.

Menor Custo
Ao empregar soluções de instrumentação virtual, você pode reduzir o investimento, custos de desenvolvimento do sistema e custos de manutenção do sistema, enquanto reduz o tempo de desenvolvimento e a aumenta a qualidade de seus produtos.

Hardware Plug-In e em Rede
Existe uma grande variedade de dispositivos disponíveis que podem ser conectados ao computador ou acessados através de uma rede. Esses dispositivos oferecem uma grande variedade de funções de aquisição de dados com um custo significativamente mais baixo quando comparado com dispositivos dedicados. Com o avanço tecnológico dos circuitos integrados e os componentes eletrônicos disponíveis comercialmente estão ficando cada vez mais baratos e poderosos, o mesmo acontece com as placas que os utilizam. Com esses avanços tecnológicos vem um aumento nas taxas de aquisição de dados, exatidão da medida, precisão e melhor isolação do sinal.

Dependendo da aplicação em questão, o hardware escolhido pode conter entrada ou saída analógica, entrada ou saída digitais, contadores, temporizadores, filtros, amostragem simultânea e capacidade de geração de formas de onda. A ampla gama de placas e dispositivos poderia incluir qualquer uma destas funcionalidades ou uma combinação delas. 

A função do software na Instrumentação Virtual

O software é o componente mais importante de um instrumento virtual. Com a ferramenta de software correta, engenheiros e pesquisadores podem, com extrema eficiência, criar suas próprias aplicações, projetando e integrando rotinas que um processo em particular requer. Eles podem, também, criar uma interface de usuário apropriada que melhor se adeque ao propósito da aplicação e com aqueles que irão interagir com ela. Eles podem definir como e quando a aplicação adquire dados do dispositivo, como ela processa, manipula e armazena os dados e como os resultados são apresentados ao usuário.

Com um software poderoso, você pode construir inteligência e capacidades de tomada de decisão para o instrumento de modo que ele se adapte quando o sinal medido muda inadvertidamente ou quando mais ou menos poder de processamento é exigido.

Uma importante vantagem que o software fornece é modularidade. Quando se deparam com um projeto grande, engenheiros e pesquisadores geralmente abordam a tarefa quebrando-a em unidades funcionais solucionáveis. Essas subtarefas são mais gerenciáveis e fáceis de testar, reduzindo as dependências que podem causar um comportamento inesperado. Você pode projetar um instrumento virtual para solucionar cada subtarefa e, então, integrá-las como um sistema completo para solucionar a aplicação maior. A facilidade com a qual você pode realizar essa divisão de tarefas depende muito da arquitetura  do software subjacente.

Aplicações Distribuídas
Um instrumento virtual não está limitado a um único PC. De fato, com os recentes desenvolvimentos em tecnologias de rede e internet é muito comum instrumentos utilizarem o poder de conectividade para propósitos de compartilhar tarefas. Exemplos típicos incluem supercomputadores, dispositivos de monitoramento e controle, bem como visualização de dados ou resultados de múltiplas localidades.  

Por que o LabVIEW é ideal para construir Instrumentos Virtuais?

LabVIEW é uma parte integrante da instrumentação virtual porque ele fornece um ambiente de desenvolvimento de aplicações de fácil uso, projetado especificamente para atender às necessidades dos engenheiros e pesquisadores. Através de suas poderosas funcionalidades, o LabVIEW pode ser facilmente integrado a uma grande variedade de plataformas de hardware ou software.

  • Operar o programa de instrumentação
  • Controlar o hardware selecionado
  • Analisar os dados adquiridos
  • Exibir resultados

Você pode personalizar os painéis frontais com knobs, botões, seletores e gráficos para emular painéis de controles de instrumentos tradicionais, criar painéis de testes personalizados ou representar visualmente o controle e a operação dos processos. A similaridade entre o padrão de fluxogramas e programas gráficos reduz a curva do aprendizado, diferentemente das tradicionais linguagens baseadas em texto.



Figura 1. Painel frontal de um Instrumento Virtual no LabVIEW



Figura 2. Diagrama de Blocos de um Instrumento Virtual no LabVIEW

Você determina o comportamento dos instrumentos virtuais conectando ícones para criar diagramas de blocos, que é uma notação natural de projetos desenvolvidos por engenheiros e projetistas. Com a programação gráfica, você pode desenvolver sistemas com maior velocidade do que com linguagens de programação convencionais, mantendo o poder e flexibilidade necessários para criar uma variedade de aplicações.

Conectividade e Controle de Instrumentos
Ao desenvolver o software de um instrumento virtual a alta produtividade é garantida porque o ambiente de desenvolvimento gráfico, LabVIEW, possui forte de integração com hardware. Projetado para desenvolvimento de sistemas de testes, de medição e de controle, o software de instrumentação virtual inclui ampla funcionalidade para entradas e saídas de qualquer tipo.

O LabVIEW possui bibliotecas prontas para o uso para integrar instrumentos tradicionais, dispositivos de aquisição de dados, controle de movimento, sistemas de visão, dispositivos GPIB/IEEE 488 e serial/RS-232, CLPs, entre outros, para construir uma solução completa de medição e automação. O LabVIEW também incorpora os maiores padrões de instrumentação como VISA, um padrão inter-operável para GPIB, serial, e instrumentação VXI; PXI e software e hardware baseados no padrão CompactPCI do PXI Systems Alliance; drivers IVI para instrumentação virtual intercambiável; e VXI plug&play, um driver padrão para instrumentos VXI.

Ambiente Aberto
Embora o LabVIEW forneça as ferramentas que atendem a grande maioria das aplicações, o LabVIEW também é um ambiente de desenvolvimento aberto. A padronização de software depende profundamente da habilidade do pacote que você escolheu trabalhar bem com outros software, hardware de medição e controle, e padrões abertos, que definem interoperabilidade entre múltiplos fornecedores. Selecionando o software que atenda esses critérios, você garante que a empresa e a aplicação tirarão proveito de produtos oferecidos por vários fornecedores. Além disso, a compatibilidade com padrões comerciais abertos reduz o custo global do sistema.

Um grande número de fabricantes de hardware e software desenvolve e mantém centenas de bibliotecas e drivres de instrumentos para ajudar você a facilmente utilizar seus produtos com LabVIEW. Contudo, este não o único meio de fornecer conectividade para aplicações baseadas em LabVIEW. O LabVIEW oferece funcionalidades para incorporar software ActiveX, dynamic link libraries (DLLs) e bibliotecas compartilhadas (shared libraries) de outras ferramentas. Além disso, você pode compartilhar códigos desenvolvidos em LabVIEW como uma DLL, executável ou usando ActiveX.

O LabVIEW também oferece um variedade de opções para comunicação e padrões de dados, como TCP/IP, OPC, conectividade com banco de dados SQL e formato de dados XML.

Redução de custo e Preservação do Investimento
Uma vez que é possível utilizar um computador convencional equipado com o LabVIEW para inúmeras aplicações e propósitos, ele é um produto versátil. Não só é versátil como também apresenta um ótimo custo-benefício. A Instrumentação virtual com LabVIEW prova ser muito vantajosa economicamente, não só na redução de custos de desenvolvimento como também na preservação de capital investido por um longo período de tempo. Não é necessário comprar um novo equipamento cada vez que as necessidades da aplicação forem alteradas, basta alterar as funcionalidades definidas por software, do seu instrumento virtual. Você pode criar bibliotecas de instrumentação completas por um custo menor que o de um único instrumento tradicional.

Múltiplas Plataformas
A maioria dos sistemas computacionais utiliza alguma variação do sistema operacional Microsoft Windows. No entanto, outras opções oferecem claras vantagens para certos tipos de aplicações. O desenvolvimento em tempo real e embarcado continua a crescer rapidamente na maioria das indústrias, ao passo que o poder computacional vem sendo oferecido em produtos cada vez menores e mais especializados. Minimizar perdas resultantes da troca para uma nova plataforma é importante e escolher o software certo para este propósito é um fator-chave.

O LabVIEW minimiza esta preocupação porque é compatível com sistemas operacionais Windows 2000, NT, XP, ME, 98, 95, CE, Mobile, NT Embedded e XP Embedded, bem como Mac OS, Sun Solaris, Linux e Pocket PC. O LabVIEW também compila código para execução no sistema operacional de tempo real ETS Pharlap da VenturCom e também do sistema operacional de tempo real VxWorks da Wind River Systems através do Módulo LabVIEW Real-Time e também dada a importância de sistemas legados, a National Instruments continua a disponibilizar versões antigas do LabVIEW para sistemas operacionais Windows, Mac OS, e Sun. O LabVIEW independe da plataforma. Instrumentos virtuais que você escreveu em uma plataforma podem transparentemente ser portados para qualquer outra plataforma LabVIEW simplesmente abrindo o instrumento virtual (salvo funções que não são compatíveis com o sistema operacional de destino).

As aplicações em LabVIEW são portáveis entre plataformas, o que garante o trabalho desenvolvido hoje será aplicável no futuro. À medida que novas tecnologias computacionais emergem, migrar aplicaçoes para novas plataformas e sistemas operacionais torna-se uma tarefa simples e sem grandes desafios. Além disso, como o LabVIEW cria instrumentos virtuais que independem da plataforma, você reduz o tempo de desenvolvimento e outros inconvenientes relacionados com portabilidade entre plataformas.

Desenvolvimento Distribuído
Você pode desenvolver facilmente aplicações distribuídas com LabVIEW, mesmo em diferentes plataformas. Com ferramentas de servidor de fácil manuseio, você pode distribuir tarefas de processamento intenso para outras máquinas para uma execução mais rápida, ou criar aplicações de monitoramento remoto e controle. Poderosas tecnologias de servidores podem simplificar o desenvolvimento de grandes aplicações executadas em múltiplos computadores. Além disso, o LabVIEW inclui tecnologias de padrão de redes como TCP/IP e incorpora também um protocolo robusto chamado de Publish and Subscribe Protocol (PSP).

Capacidade de Análise
Software de instrumentação virtual requer ferramentas abrangentes de análise e processamento de sinal, por que a aplicação não esta concluída com a aquisição dos dados. Aplicações de medição em alta velocidade em sistemas de monitoramento de máquinas e sistemas de controle normalmente requerem análise de ordem para avaliação dos dados de vibração. Controle em malha fechada e controles embarcados podem precisar de médias ponto-a-ponto para controlar algoritmos e manter a estabilidade. Além disso, para bibliotecas de análises avançadas já inclusas no LabVIEW, A National Instruments fornece pacotes adicionais de software, como os toolkits LabVIEW Signal Processing, o LabVIEW Sound and Vibration e o LabVIEW Order Analysis para complementar as análises disponíveis.

Capacidade de Visualização
O LabVIEW possui centenas de ferramentas integradas de visualização para apresentar os dados na interface de usuário do instrumento virtual – para mapeamento e gráficos, bem como visualização 2D e 3D. Você pode reconfigurar instantâneamente atributos da apresentação de dados, como cores, tamanho da fonte, tipos de gráficos, entre outros, bem como rotacionar dinamicamente e utilizar recursos como zoom e pan nesses gráficos com o mouse. Ao invés de programar esses recursos gráficos a partir do zero, você pode simplesmente arrastar e soltar esses objetos no painel frontal do instrumento.

Flexibilidade e Escalabilidade – Vantagens-Chave
Engenheiros e pesquisadores possuem necessidades e requisitos que podem mudar rapidamente. Eles também precisam de soluções expansíveis e de fácil manutenção que possam ser utilizadas por um longo tempo. Criando instrumentos virtuais baseados em poderoso ambiente de desenvolvimento como o LabVIEW, você inerentemente projeta um framework aberto que integra software e hardware. Isto garante que sua aplicação não só trabalhará bem hoje como você também poderá fácilmente integrar novas tecnologias no futuro quando estas ficarem disponíveis, ou expandir sua solução além do âmbito original, quando novos requisitos forem identificados. Além disso, cada aplicação tem seus próprios requisitos que exigem uma ampla gama de soluções.  

Instrumentação Virtual na Engenharia

A instrumentação virtual fornece vantagens significantes em todos os estágios do processo de engenharia, da pesquisa e projeto ao teste de fim de linha.

Pesquisa e Projeto
Durante as etapas de pesquisa e projeto, engenheiros e projetistas necessitam de ferramentas que ofereçam um desenvolvimento rápido e funções de prototipagem. Com instrumentos virtuais você pode desenvolver um programa rapidamente, colher medidas de um instrumento para testar um protótipo, analisar os resultados, tudo em uma fração do tempo necessário para realizar os mesmos testes com instrumentos tradicionais. Quando você precisa de flexibilidade, uma plataforma escalável e aberta é essencial, tanto para aplicações em PCs desktop e sistemas embarcados quanto redes distribuídas.

Os exigentes requisitos das aplicações de Pesquisa e Desenvolvimento (R&D) demandam forte integração de hardware e software. Se precisar interfaciar instrumentos isolados usando o barramento GPIB ou adquirir sinais a partir de um computador com uma placa de aquisição de dados e hardware de condicionamento de sinais, o LabVIEW torna a integração muito simples. Com instrumentos virtuais, você também pode automatizar um procedimento de teste, eliminando a possibilidade de erro humano e assegurando a coerência dos resultados sem introduzir variáveis desconhecidas ou inesperadas.

Teste de Desenvolvimento e Validação
Com a flexibilidade e poder dos instrumetos virtuais, você pode facilmente construir procedimentos de testes complexos. Para testes automáticos de verificação do projeto, você pode criar rotinas de teste no LabVIEW e integrar o software como o TestStand da National Instruments, que oferece poderosa capacidade de gerenciamento de testes. Uma das muitas vantagens que essas ferramentas oferecem para toda a empresa é o reuso de código. Você desenvolve o código durante o projeto e então conecta estes mesmos programas em ferramentas funcionais para testes de validação ou verificação.

Teste de Manufatura
Diminuir o tempo de teste e simplificar o desenvolvimento de procedimentos de testes são os objetivos primários nos testes de fabricação. Instrumentos virtuais baseados no LabVIEW combinados com um poderoso software de gerenciamento de testes como o TestStand oferecem alto desempenho para satisfazer essas necesidades. Estas ferramentas atendem aos mais rigorosos requisitos como alta velocidade e processamento paralelo (multithread) para execução de múltiplas sequências de testes simultaneamente. O TestStand gerencia facilmente testes sequenciais, execução e geração de relatório baseado em rotinas escritas em LabVIEW.

O TestStand integra códigos de testes em desenvolvidos em LabVIEW. O TestStand também pode reutilizar códigos criados pelas equipes de R&D ou projeto e validação. Se você tem aplicações de teste de manufatura, você pode tirar vantagem de todo o trabalho já realizado durante o ciclo de desenvolvimento do produto.

Manufatura
Aplicações de manufatura exigem que o software seja confiável, tenha alto desempenho e interoperabilidade. Instrumentos virtuais baseados no LabVIEW oferecem todas essas vantagens, integrando funcionalidades como gerenciamento de alarme, histórico de tendências de dados, segurança, conectividade com redes industriais e corporativas e E/S industriais. Com estas funcionalidades, você pode facilmente conectar diversos tipos de dispositivos industriais como CLPs, redes industriais, E/S distribuídas e placas de aquisição de dados. 

Instrumentos Virtuais transcendem o computador pessoal (PC)

Recentemente, tecnologias de PC comerciais têm migrado para sistemas embarcados. Exemplos incluem Windows CE, Windows XP Embedded, processadores baseados no Intel x86, barramentos PCI e CompactPCI, além da Ethernet para desenvolvimento embarcado. A instrumentação virtual depende das tecnologias comerciais para oferecer alto desempenho e custo reduzido. Essa tendência se expandiu para integrar tecnologias embarcadas e sistemas operacionais de tempo real. Por exemplo, o LabVIEW pode ser executado em Linux e também em um sistema operacional de tempo real ETS Pharlap da VenturCom em plataformas de hardware específicas. A opção de utilizar instrumentação virtual como framework escalável que expande do desktop para dispositivos embarcados deve ser considerada uma ferramenta em uma caixa de ferramentas completa para desenvolvimento de sistemas embarcados.

Um exemplo dramático de como uma nova tecnologia afeta o desenvolvimento de sistemas embarcados são as rede e a Web. Com a onipresença dos PCs, a Ethernet agora é dominante como padrão de infraestrutura de rede para empresas de todo o mundo. Além disso, a popularidade da interface Web no mundo PC tem influenciado o desenvolvimento de celulares, PDAs e agora os sistemas industriais de aquisição de dados e controle.

Sistemas embarcados no passado significavam operação isolada, ou no máximo interfaceando em baixo nível com um barramento de tempo real para componentes periféricos. Agora, o aumento da demanda por informações em todos os níveis da empresa (e em eletrônicos e eletrodomésticos) exige que os sistemas embarcados sejam conectados a barramentos e redes enquanto continua garantindo confiabilidade e operação determinística em tempo real.

Por que o software de instrumentação virtual utiliza um mesmo ambiente de desenvolvimento para ambos os sistemas operacionais, de propósito geral e de tempo real é possível programar com a mesma facilidade aplicações para PCs desktops e aplicações industriais, tirando proveito das funcionalidades de conectividade com redes e Web. Por exemplo, é possível utilizar o LabVIEW para configurar um servidor web integrado em uma plataforma de controle industrial para exportar a interface de usuário de uma máquina que será exibida em um PC com sistema operacional Windows enquanto o controle determinístico desta máquina é executado em uma plataforma industrial como os PACs da NI. Esta funcionalidade pode ser utilizada sem qualquer programação adicional no sistema embarcado. Você pode então implementar o sistema embarcado, energizá-lo, conectá-lo à aplicação remota via Ethernet e a interface será apresentada no navegador web padrão. Para aplicações com recursos de comunicação em rede mais sofisticados, é possível programar graficamente TCP/IP e outros métodos e padrões de comunicação no LabVIEW e executá-los no sistema embarcado.

Desenvolvimento de sistemas embarcados é um dos segmentos em franco crescimento na engenharia e continuará a ser no futuro próximo, uma vez que os consumidores exigem carros, eletrodomésticos e até casas mais inteligentes. A evolução dessas tecnologias comerciais irá impulsionar a instrumentação virtual a atender um número cada vez maior de aplicações. As empresas que fornecem ferramentas de software e hardware para instrumentação virtual investirão cada vez mais em especialização e desenvolvimento de produtos para atender este crescente conjunto de aplicações. Por isso a plataforma de software para instrumentação virtual LabVIEW, o principal produto da National Instruments tem a habilidade de, a partir do ambiente de desenvolvimento, desenvolver e implementar aplicações para PCs desktops, sistemas embarcados de tempo real, dispositivos portáteis, hardware com tecnologia FPGA e até sensores inteligentes.

A próxima geração de ferramentas para instrumentação virtual deve incluir tecnologia de comunicação em rede para integração fácil e rápida com Bluetooth, Ethernet, wireless e outros padrões. Além disso, para usar essas tecnologias, o software de instrumentação virtual precisa de melhores soluções para projetar a temporização e sincronização entre sistemas distribuídos com ferramentas intuitivas para ajudar no desenvolvimento mais rápido e no controle de sistemas embarcados.

Os conceitos de instrumentação virtual de software e hardware integrados, ferramentas modulares e flexíveis e o uso de tecnologias comerciais se combinam para criar um framework sobre o qual você pode rapidamente completar o desenvolvimento de seu sistema e também mantê-lo por um longo período. Pela instrumentação virtual oferecer tantas opções e funcionalidades em desenvolvimento de sistemas embarcados, faz sentido para os desenvolvedores embarcados entender e rever essas ferramentas. 

Conclusão

A Instrumentação virtual é alimentada com todo avanço tecnológico dos computadores e lhe oferece o poder para criar e definir seu próprio sistema baseado em framework aberto. Este conceito não só garante que seu trabalho será útil no futuro como também fornece a flexibilidade para adaptá-lo e expandi-lo quando necessário. O LabVIEW foi projetado para pesquisadores e engenheiros, fornecendo poderosas ferramentas e um ambiente de desenvolvimento intuitivo criado fundamentalmente para o projeto de instrumentos virtuais.

Links relacionados:
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