Instrumentação virtual consiste na integração da precisão de instrumentos com a praticidade da informática. Um instrumento virtual compreende um dispositivo de medição ou comando comunicando-se com um computador e um sistema de controle que recebe e manipula os dados referentes a este componente.
Nos instrumentos virtuais, em virtude de serem baseados em computadores, é possível aplicar tecnologias incorporadas ao computador. Através do processamento digital é possível realizar cálculos avançados e o tratamento de sinais. Pode-se ainda, converter os dados adquiridos em qualquer unidade desejada, gerar diferentes gráficos, armazenar e extrair dados em arquivos, gerar relatórios, etc.
Além disso, a instrumentação virtual permite a criação de um ambiente adaptado às necessidades do usuário, integrando diferentes tipos de sistemas, tais como: geração de sinais, comunicação serial, aquisição de sinais, entre outros.
Para o desenvolvimento da plataforma de controle do sistema EIE deste trabalho, foi utilizada uma ferramenta usada em aplicações de instrumentação virtual, o LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) da National Instruments.
Através de suas funcionalidades, o LabVIEW pode ser integrado a vários dispositivos externos, interagindo com placas de interface conectadas ao computador. Além disso, é compatível com diversos sistemas operacionais e outros softwares, o que permite a manipulação de dados e arquivos.
O LabVIEW usa uma linguagem de programação chamada G. Essa linguagem possui diretivas como o PASCAL e o C, mas que, ao invés de utilizar comandos na forma de texto para gerar as linhas de código, usa uma linguagem de programação gráfica.
Dois ambientes são utilizados simultaneamente para a programação. O primeiro, denominado painel frontal, contém a interface gráfica visualizada pelo usuário que, por sua vez, interage com a aplicação através de botões, seletores, gráficos, indicadores e outras ferramentas de visualização e controle.
Cada dispositivo inserido no painel frontal tem um bloco de função equivalente no segundo ambiente, o diagrama de blocos. Esse ambiente possui os blocos de funções que controlam cada dispositivo inserido no painel frontal. Todas as propriedades dos dispositivos podem ser acessadas e utilizadas através da interligação entre os blocos de funções.
Além dos dispositivos inseridos no painel frontal, é possível inserir, no diagrama de blocos, outras funções não acessadas pelo usuário. Essas são funções avançadas que fazem a diferença na aplicação da instrumentação virtual, tais como: acesso e controle à dispositivos de interface analógica ou digital; criação de protocolos de comunicação; operações matemáticas avançadas; análise e tratamentos de sinais; manipulação de vetores; criação e manipulação de banco de dados; geração de relatórios; acesso ou salvamento de arquivos; etc.
Em função das funcionalidades apresentadas, foi definido aplicar a instrumentação virtual através do LabVIEW no desenvolvimento deste trabalho. Os detalhes desta aplicação são mostrados nas seções seguintes.
3.2 PLATAFORMA DE CONTROLE
A plataforma de controle desenvolvida neste trabalho controla a geração do sinal de entrada para a fonte de corrente, a aquisição de sinais e os circuitos de multiplexação e demultiplexação. Além disso, faz o tratamento do sinal medido e a calibração do sistema EIE. Isto é feito de forma interativa através de uma interface gráfica, gerenciando os dados das medições.
A plataforma de controle pode ser dividida em sete partes principais: geração de sinais; aquisição de sinais; variação da freqüência; seleção de eletrodos; tratamento de sinais; calibração; e gerenciamento de dados.
A Figura 3.1 mostra uma visão geral do programa de controle. Todas as partes inicializam-se ao mesmo tempo no momento que o sistema é ligado. Além disso, as funções
ficam aguardando suas ativações, podendo ser provenientes de um comando por botão na interface gráfica da aplicação ou de um comando de outra função.
A Figura 3.2 mostra a tela principal da plataforma gráfica desenvolvida para o sistema EIE. Algumas janelas auxiliares serão mostradas nas seções seguintes.
Figura 3.1 - Visão geral da plataforma de controle do sistema EIE.
3.3 GERAÇÃO DE SINAIS
A tensão de entrada para a fonte de corrente é gerada pela placa PCI-5401, apresentada no capítulo 2. Para controlar o sinal gerado por esta placa, uma função configura uma forma de onda a partir de parâmetros recebidos e envia para a placa.
Na inicialização do sistema, a placa é ativada e todos os dados da memória são apagados. Em seguida, a placa está pronta para a geração e aguardando os parâmetros de configuração do sinal, tais como: tipo de onda (senoidal, triangular ou quadrada), módulo e fase do sinal, nível de tensão CC e freqüência. O sinal é gerado até que seja recebido um comando para finalizar a geração. Quando recebido este comando, a geração é parada e a função retorna ao estado de espera de parâmetros para configuração do sinal. O fluxograma da função de geração de sinais é mostrado na Figura 3.3.
Os parâmetros de configuração do sinal, bem como o comando de finalização de geração, são provenientes da função de variação de freqüência que, por sua vez, é responsável pelo sincronismo entre a geração e a medição dos sinais. O conector A recebe os dados de configuração de sinal e o conector D o comando de finalização da geração.
Figura 3.3 - Fluxograma da função de geração de sinais.
3.4 AQUISIÇÃO DE DADOS
A função de aquisição de sinais configura os canais de entrada analógica da placa de aquisição PCI-6133 (DAQ) e cria um vetor com os valores de tensão extraídos durante cada medição.
Na inicialização do sistema, essa função ativa a placa de aquisição, cria um canal virtual a partir do canal físico selecionado e configura os parâmetros da aquisição: tipo de medição (simples, diferencial ou pseudo-diferencial), modo de aquisição (contínuo ou finito), escala de tensão, taxa de amostragem, número de amostras (no caso de modo finito) e parâmetros de trigger. Configurada a aquisição, a função aguarda o comando para iniciar a aquisição que, por sua vez, vem da função de variação de freqüência. Ao receber esse comando, a placa lê o número definido de amostras e ao finalizar envia um retorno à função de variação de freqüência. Em seguida retorna ao estado de espera de comando para iniciar uma nova aquisição. Os dados obtidos ficam disponibilizados para as funções de tratamento e gerenciamento de dados. A Figura 3.4 mostra o fluxograma desta função.
Neste trabalho, a função de aquisição é utilizada nas medições do potencial na carga e da queda de tensão nos resistores shunt da fonte de corrente. Os parâmetros de aquisição são pré-definidos: medição do tipo diferencial; modo de aquisição finito; taxa de aquisição de 2,5 MS/s; trigger em 0 V na subida; escala de tensão automática e 25.000 amostras por medição. O número de amostras foi definido de forma que sejam amostrados cinco ciclos do sinal na freqüência de 500 Hz.
Figura 3.4 - Fluxograma da função de aquisição de sinais.
3.5 VARIAÇÃO DA FREQÜÊNCIA
Neste trabalho, as medições são realizadas em trinta e três freqüências na faixa de 500 Hz a 1 MHz. Para sincronizar a geração e a aquisição, uma função controla estas duas funções, efetuando a leitura dos dados, consecutivamente, em cada freqüência. Essa função é chamada “variação de freqüência”.
A Figura 3.5 mostra o fluxograma de execução da função de variação de freqüência, que é executada quando o botão “MEDIR”, localizado na tela principal, é pressionado.
Ao receber a ordem para executar, os parâmetros do primeiro sinal são enviados para a função de geração de sinais através do conector A e, em seguida, a ordem de início de medição é envida à função de aquisição de dados pelo conector B. Quando é concluída a aquisição do número de amostras definidas, é recebido um retorno, da função de aquisição, através do conector C e, então, é enviado, através do conector D, o comando para finalizar a geração do sinal.
Concluída a medição na primeira freqüência, os sinais nas outras freqüências são gerados e adquiridos seguindo todo o fluxograma. Ao concluir a medição do sinal na última freqüência, o programa volta ao ponto inicial. Se a configuração da medição é para vários canais, a função recebe novos comandos para execução (conector G) que, por sua vez, é uma função de seleção de canais.
Figura 3.5 - Fluxograma da função de variação de freqüência.
3.6 SELEÇÃO DE CANAIS
O sistema EIE desenvolvido pode ser utilizado em sondas de oito eletrodos que, por sua vez, são utilizados aos pares para a injeção da corrente e a medição do potencial na carga. Os circuitos MUX e DEMUX são responsáveis pela seleção dos eletrodos de injeção e medição, respectivamente. Cada canal selecionado liga um par de eletrodos na fonte (MUX)
ou na placa DAQ (DEMUX). Assim os canais de 1 a 8 selecionam, respectivamente, os pares de eletrodos 1-3, 2-4, 3-5, 4-6, 5-7, 6-8, 7-1 e 8-2.
Para controlar esses circuitos são utilizadas oito saídas digitais da placa PCI 6133, D0 a D3 para o MUX e D4 a D7 para o DEMUX. Através dos conectores CNT4 e CNT6 (veja Figura 2.18), estas saídas digitais são ligadas aos CIs que controlam o MUX e o DEMUX, respectivamente. Os canais são selecionados através de uma janela da interface gráfica mostrada na Figura 3.6.
Figura 3.6 - Janela de configuração de medição.
Esta janela permite selecionar um ou todos os canais, tanto para a injeção de corrente, como para a medição do potencial. No caso da seleção de um canal para injeção de corrente, os comandos são enviados para os circuitos MUX e DEMUX quando o botão “MEDIR” é pressionado, antes do início da função de variação de freqüências.
Quando é selecionada a opção “Todos”, seja para injeção ou medição, uma função faz o sincronismo entre a seleção dos canais e a variação da freqüência, como mostra a Figura 3.7. Ao receber a ordem de execução que, por sua vez, vem do botão “MEDIR”, a função faz a seleção consecutiva dos canais de acordo com a opção de seleção. Após cada seleção, é enviado um comando para executar a função de variação de freqüência (conector E), até que sejam feitas todas as medições conforme selecionado na janela de configuração de medição. Nesta configuração é possível injetar corrente em um canal e medir em todos ou injetar em todos os canais e medir em um e, ainda, injetar em todos e medir em todos.
Figura 3.7 - Fluxograma da função de seleção automática de canais.
Durante a medição pode ser observado, no campo “TEMPO REAL”, o canal onde está sendo injetada a corrente, onde está sendo medido o potencial e qual a freqüência do sinal gerado (veja Figura 3.8).
Figura 3.8 - Campo das informações em tempo real da medição.
3.7 TRATAMENTO DE SINAIS
A função de tratamento de sinais pode ser dividida em três partes: extração de dados, aplicação de calibração e cálculo da impedância complexa.
Cada medição realizada gera um vetor, seja a medição em um canal ou em vários. Através de seletores, localizados na tela principal, o sinal pode ser visualizado no domínio do tempo, podendo ser selecionado o canal de injeção e de medição, bem como a freqüência do sinal. A Figura 3.9 mostra o campo de seleção de exibição de dados.
Figura 3.9 - Campo de seleção dos sinais exibidos.
Também, os dados são exibidos em diferentes gráficos no domínio da freqüência: módulo do sinal; fase do sinal; amplitude da corrente da fonte; e fase da corrente da fonte. O módulo da impedância ZL em função da freqüência é calculado pela razão entre a tensão na
carga e a corrente de saída da fonte que, por sua vez, é calculada pela divisão entre a queda de tensão no shunt e o seu valor de resistência nominal. Um gráfico típico de ZL em função da
freqüência é mostrado na Figura 3.10. Já a fase da impedância ZL é calculada subtraindo a
fase do sinal na carga pela fase do sinal na saída da fonte, a fim de minimizar erros de medição da placa DAQ.
Figura 3.10 - Módulo da impedância ZL calculada em função da freqüência, usando ZL=R= 100.
Também, o sistema calcula e exibe a impedância complexa da carga a partir dos dados de módulo e fase, segundo as equações (3.1) e (3.2). Os valores calculados das componentes real e imaginária são mostrados em função da freqüência e são, também, relacionados entre si através de um gráfico de impedância complexa, como mostra a Figura 3.11.
( )
Ȧ R Z( )
Ȧ cosșZre = = ⋅ (3.1)
( )
Ȧ X Z( )
Ȧ senșFigura 3.11 - Gráfico de impedância complexa.
O sistema também se utiliza de uma função de ajuste (fitting) que, extrai os parâmetros elétricos do material biológico sob estudo, utilizando os valores da componente real da impedância complexa Zre. Para isso, é utilizada a equação (3.3) (Lu et at, 1996).
( )
(
)
( )(
)
( )(
)
[
]
[
(1 Į)(
)
]
2 c 2 Į 1 c Į 1 c 0 re 2 ʌ/ Į 1 sen ) (f/f 2 ʌ/ Į 1 cos ) (f/f 1 2 ʌ/ Į 1 cos ) (f/f 1 R R R f Z − + − + − + × − + = − − − ∞ ∞ (3.3)onde R é a impedância em alta freqüência, R0 é a impedância em baixa freqüência, fc é a
freqüência característica associada à constante de relaxação média e à membrana celular e Į é uma constante adimensional relacionada à depressão do centro do arco.
Portanto, nas medições dos tecidos em tempo real obtém-se a impedância de transferência (real e imaginária) e os parâmetros elétricos do material analisado (veja a Figura 3.12). Todos estes cálculos e parâmetros também podem ser obtidos em medições já adquiridas e salvas em banco de dados.
Figura 3.12 - Tela dos parâmetros calculados através de ajuste. 3.8 CALIBRAÇÃO
Capacitâncias parasitas e não idealidades dos circuitos causam erros de medição de ZL,
compensação utilizando cargas conhecidas. Para executar esses procedimentos foi desenvolvida uma função de calibração.
A Figura 3.13 - Janela de configuração da calibraçãoFigura 3.13 mostra a janela de configuração da calibração.
Figura 3.13 - Janela de configuração da calibração.
Observa-se na janela que é necessário inserir o valor de referência da carga que será utilizada para gerar o vetor de compensação. Foram implementados dois métodos de calibração. O primeiro (carga fixa), calcula o fator de compensação através do erro relativo entre os valores medidos em cada freqüência e o valor fornecido no campo “Carga”, segundo a equação (3.1).
( )
( )
¸ ¹ · ¨ © § − − = R f M R 1 f C (3.1)onde, C(f) é o fator de compensação em função da freqüência, R é o valor de referência fornecido e M(f) é o valor medido para cada freqüência durante o procedimento de calibração. O segundo método (polinomial) cria um vetor de calibração utilizando várias cargas com valores diferentes e, a partir das medições, é aplicado a uma função de ajuste polinomial de ordem “n” para cada freqüência, segundo a equação (3.2).
( )
( ) ( )[
]
k n 1 n 0 k 1 k f V f a f Z − − = +¦
= (3.2)onde, Z(f) é o vetor contendo os valores das cargas utilizadas no procedimento de calibração, V(f) é o vetor contendo os valores medidos para cada freqüência e ak+1(f) são os coeficientes
Dessa forma, cada freqüência terá um polinômio de calibração com base nas cargas de referencia e nos valores medidos. Finalizadas as medições, seleciona-se a ordem do polinômio e executa-se a função através do botão “CALIBRAR”.
Em ambos o métodos, é possível aplicar a calibração na medição corrente atual e/ou salvar em arquivo. O botão “Aplicar do arquivo” na janela de calibração, abre e efetua uma calibração salva anteriormente.
3.9 GERENCIAMENTO DE DADOS
Para permitir a realização de análises de dados já gravados em arquivos, foi desenvolvida uma função de gerenciamento para salvar dados medidos ou calculados em arquivos de texto. Pressionando-se o botão “SALVAR DADOS” na tela principal, é exibida a janela mostrada na Figura 3.14. Nesta janela, selecionam-se os dados pertinentes e pressiona- se o botão “SALVAR”. A janela de gerenciamento do Windows é aberta para selecionar o nome do arquivo e o local onde será salvo.
Figura 3.14 - Janela de salvamento de dados.
Através do botão “ABRIR DADOS”, uma janela com as mesmas opções é aberta, nesse caso para “carregar” os dados de arquivos salvos anteriormente. Os dados recuperados do arquivo são mostrados no respectivo gráfico indicado em tela.
4 TESTES DE DESEMPENHO DO SISTEMA
Neste capítulo são apresentados os testes de desempenho realizados no sistema EIE, tendo como base algumas medições conhecidas. O capítulo é dividido em quatro seções, cada uma contendo a metodologia e os resultados dos testes realizados, tais como: gerador de sinais; placa de aquisição de dados; fonte de corrente; e sistema de multiplexação.