1. 1. INTRODUCERE ÎN INSTRUMENTAŢIA VIRTUALĂ
• Ca si în cazul calculatoarelor si al sistemelor de operare, ideea
instrumentatiei virtuale s-a nascut în mintea unui tanar (James
Trouchard), pe cand era doctorand la University of Texas, in Austin
USA, iar Hewlett-Packard introducea pe piata un computer nou ce
putea culege date din masuratorile efectuate cu instrumente ale
aceleasi firme.
• Trouchard a avut ideea ca in locul unui instrument gata facut, ce
costa destul de mult, sa realizeze instrumente pe care chiar
utilizatorii sa le poata ansambla in propriul calculator folosind o
placa si un software. Asa s-a nascut Instrumentatia Virtuala si
odata cu ea Compania National Instruments pe care James
Trouchard a fondat-o in 1976. Solutia propusa de Trouchard permite
astazi multor firme sa depaseaca cu usurinta decalaje tehnice şi
tehnologice, pentru eliminarea cărora ar fi necesare investiţii uriaşe.
Există un singur obstacol: creatorul, dar şi utilizatorul unui
instrument virtual, nu mai poate fi inginerul sau muncitorul anilor
trecuţi.

2. • Instrumentele virtuale sunt combinații de elemente hardware și/sau
software, utilizate cu un PC, care au funcționalități similare instrumentelor
tradiționale, clasice, de sine stătătoare.
• Pe panoul frontal al unui instrument virtual, se vor găsi butoane,
comutatoare, ecrane, afisaje digitale, indicatoare grafice, e.t.c. cu acelasi
aspect ca al instrumentelor clasice.
• Un instrument virtual este compus deci, dintr-o parte hardware si o parte
software care permite configurarea instrumentului dupa dorinta
utilizatorului.
• Prin termenul de Instrumentaţie Virtuală se înţelege utilizarea unui
computer, dotat cu echipamente periferice de intrare şi ieşire specializate,
pentru a simula caracteristicile şi funcţionarea unui instrument sau sistem
de măsurare, de testare sau de înregistrare a datelor.
Instrumentele virtuale fac uz de traductoare si senzori pentru a intra în
contact cu mărimea fizică măsurată, de eventuale sisteme de condiţionare
a semnalelor, precum şi de circuite pentru conversia analog - digitală.
Diferenţa în raport cu sistemele de măsurare "clasice" este aceea că de
aceasta dată toate funcţiunile de prelucrare şi analiză a valorilor măsurate,
de stocare a acestor informaţii şi de transmitere a lor către utilizatorul
uman sunt realizate de către computer şi nu de către aparatura dedicată.
Aplicaţiile software înlocuiesc astfel componente, estimate a reprezenta
80% din circuitele unui aparat de măsurare sau testare specializat "clasic".

3. • Software-ul care realizează aceste funcţiuni posedă în majoritatea
cazurilor o interfaţă grafică având acelaşi aspect ca şi cel al
panoului frontal al unui aparat de măsurare. Acesta este motivul
pentru care aplicaţiile respective sunt numite Instrumente Virtuale.
• Dacă, de exemplu, un semnal de tip tensiune electrică necesită
atât vizualizarea variaţiei în timp cât şi determinarea spectrului de
frecvenţe, utilizarea instrumentaţiei virtuale permite folosirea
aceluiaşi sistem de măsurare. Se înlocuieşte doar aplicaţia de
prelucrare a semnalului sau se construieşte o aplicaţie care să
afişeze simultan, într-o fereastra unică, ambele informaţii
necesare. Mai mult, acelaşi sistem de măsurare, dar cu o aplicaţie
software diferita, poate fi utilizat ca voltmetru, ca instrument de
stocare a datelor sau ca sistem de avertizare.
• Apariţia instrumentelor virtuale a permis astfel ca mai multe
aparate de măsurare sau testare specializate sa poată fi înlocuite
printr-o singură configuraţie hardware de sistem de măsurare
computerizat, completată apoi cu diverse aplicaţii software.

4. • De aici derivă unele dintre avantajele utilizării Instrumentaţiei Virtuale:
- flexibilitatea sporită a configuraţiilor sistemelor de măsurare;
- fiabilitatea crescută a componentelor;
- precizia crescută a prelucrării informaţiei;
- capacitatea de a efectua prelucrări de mai mare complexitate;
- costul mult redus în raport cu aparatele clasice.
• Aplicaţiile instrumentaţiei virtuale nu se rezumă doar la măsurarea de
mărimi fizice analogice. Rezidente în sisteme computerizate,
instrumentele virtuale pot fi folosite drept generatoare de semnale
analogice, pot manipula bidirecţional semnale digitale şi pot efectua
operaţiuni de numărare/cronometrare sau de generare de trenuri de
impulsuri.
• Instrumentele virtuale pot transforma un computer în "centrul de
comandă" al unei reţele de zeci de aparate de măsura capabile sa
comunice prin protocolul GPIB. Seturi de instrumente virtuale
specializate pot efectua funcţii de comandă a motoarelor pas cu pas
sau operaţii evoluate de prelucrare şi analiză a imaginilor sau sunetelor.
• Sistemele de instrumentaţie virtuală nu se rezumă astfel doar la a
înlocui aparatele de măsurare utilizate în aplicaţiile din laboratoarele de
cercetare sau didactice, ci devin unelte complexe şi puternice de
monitorizare şi control ale proceselor industriale.

5. • Un sistem de instrumentaţie virtuală nu trebuie înţeles ca fiind
majoritar rezident într-un computer. In laboratoarele de cercetare se
utilizează îndeosebi plăci multifuncţionale de achiziţie de date
montate în PC-uri, conţinând multiplexoare şi convertoare A/D şi D/A.
Sistemele de achiziţie "Real Time" îşi îndeplinesc funcţiunile şi în
timpul "căderilor" sistemului de operare sau al resetărilor
computerului gazdă.
• In multe categorii de sisteme distribuite, multiplexoarele şi
convertoarele au "migrat" din computer în zona condiţionatoarelor de
semnal, însoţite de o interfaţă serială. Computerul gestionează astfel
o reţea de puncte de măsurare, mult mai numeroase decât ar fi
permis varianta sub forma analogică.
Facilităţile oferite de hardware-ul de achiziţie de date şi control de
proces nu ar putea fi puse în valoare fără existenţa unui software
adecvat. În acest sens se foloseşte mediul LabVIEW (LABoratory
Virtual Instrument Engineering Workbench) – un mediu de
programare bazat pe limbajul de programare graficǎ G, produs de
Firma National Instruments (NI).

6. • Avantajul folosirii mediului de programare grafica LabVIEW în instrumentaţia
virtuală constă în abordarea în mediu unitar a dezvoltării aplicaţiilor pentru
configuraţii hardware diverse şi protocoale de comunicaţie dedicate interacţiunii cu
procese (începând de la cele mai simple pana la procese industriale de mare
complexitate).
• Funcţiunile mediului de programare grafică LabVIEW de transmitere a informaţiei
prin intermediul diverselor protocoale de comunicaţie specifice Internet-ului vor
face posibil un salt calitativ în dezvoltarea utilizatorilor spre folosirea de laboratoare
virtuale şi spre monitorizarea şi comanda la distanţă a proceselor.
• În concluzie, se poate aprecia că Instrumentaţia Virtuală are, datorită flexibilităţii şi
versatilităţii sale, un potenţial imens pentru cei ce lucrează în domeniul educaţiei,
ştiinţei şi tehnologiei, indiferent de gradul lor de specializare sau de nivelul de
calificare. Instrumentele şi aparatele vor deveni din ce în ce mai ieftine şi mai
performante, software-ul va putea fi dezvoltat în masă, chiar de către programatori
neprofesionişti, iar aplicaţiile realizate vor avea un grad mare de accesibilitate
datorită facilităţilor de comunicaţie existente.
• Astăzi, utilizatorul introduce o placa de achizitie date in computer si cu ajutorul
soft-ului de programare grafica isi configureaza instrumentul de masurare si in plus
poate crea si cate inregistratoare grafice doreste. Toata partea fizica a lantului de
masurare aflandu-se pe o placa controlata de microprocesorul computerului,
utilizatorului nu-i ramane decat sa se conecteze la traductoarele specifice marimii
de masurat si sa stie sa manevreze un mouse. Reprezentarea instrumentelor fizice
se face pe monitorul computerului cu ajutorul elementelor grafice existente in
biblioteca limbajului de programare grafica.

7. Din punct de vedere al domeniului de utilizare, sistemele de
instrumentaţie virtuală pot fi clasificate în:
• sisteme pentru testare şi măsurări;
• sisteme de control automat al proceselor;
• sisteme pentru efectuarea de cercetări ştiinţifice.
Din punct de vedere al modului în care poate funcţiona un instrument
virtual există două variante:
• modul de lucru “live”, în care se configurează fizic echipamentul de
măsurare, cuplat la sistemul de calcul şi care achiziţionează date din
procesul studiat, urmat de procesul de analiză, interpretare şi afişare a
rezultatelor;
• modul de lucru “not live” (simulare), în care se poate doar simula
funcţionarea echipamentului de măsurare asupra eşantioanelor unor
semnale generate prin mijloace software.
Exista doua posibilitati de a lucra cu instrumentatia virtuala:
• doresti sa-ti creezi singur instrumentele necesare si atunci trebuie sa
cunosti limbajul de programare grafica si sa dispui de acesta;
• doresti sa fii numai utilizator de instrumentatie virtuala, si atunci
trebuie sa-ti cumperi de la un dezvoltator de aplicatii un program
executabil ce va face numai ceea ce iti doresti.

8. Avantajele instrumentatiei virtuale față de instrumentele tradiționale:
• ocupa un spatiu mic (practic un computer si un monitor);
• poate fi cu elemente distribuite (pot masura in mai multe locuri odata);
• datele se pot transmite prin internet (laboratorul de masurare se poate afla intr-un
anume loc iar analiza rezultatelor se poate face in cu totul alta parte);
• instrumentele nu mai ocupa un spatiu fizic (o magazie) ci sunt stocate in memoria
computerului;
• flexibilitate maxima privind configurarea instrumentelor (oricand se poate sterge un
instrument din memorie si se poate face altul, se pot adauga elemente de comanda
sau indicatoare, canale sau memorie);
• dispar practic problemele legate de murdarirea comutatoarelor sau imperfectiunea
conexiunilor;
• costurile privind achizitia de aparate si intretinerea lor se reduc foarte mult, tinand cont
ca o singura placa multifunctionala de achizitie date, impreuna cu softul aferent poate
inlocui o multime de alte instrumente fizice dedicate;
• interfata grafica foarte prietenoasa cu utilizatorul;
• timpul relativ mic de invatare a limbajului de programare grafica;
• multimea de instrumente virtuale gata construite pentru a masura, a face analiza
semnalului, a-l prelucra si a-l transmite oriunde doreste utilizatorul;

9. Instrumentaţie Virtuală cu LabVIEW
Laboratory Virtual Instruments
Engineering Workbench

10. • LabView este un limbaj de programare grafică (limbaj G) care foloseşte
diagrame bloc în loc de linii de text pentru a crea aplicaţii.
• Este destinat în special, construirii de aplicaţii pentru controlul şi achiziţia de
date, analiza acestora şi prezentarea rezultatelor
• LabView a fost dezvoltat de firma National Instruments, prima variantă a
programului apărând în anul 1986. În prezent s-a ajuns la versiunea a 8-a a
programului. Denumirea sa provine dintr-o prescurtare din limba engleză:
“Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench”.
• Noutatea adusă de LabView, comparativ cu limbajele de programare clasice
(Pascal, C,C++,BorlandC++), este rapiditatea programării datorită introducerii
unei interfeţe grafice mai intuitive.
• Mediile de programare grafică înlătură necesitatea cunoaşterii unui limbaj
de programare. În locul descrierii algoritmului de calcul sub forma unui set de
instrucţiuni în format text, într-un mediu de programare grafică algoritmul este
descris desenându-l sub forma unei scheme logice (organigramă, diagramă).
Dispare astfel necesitatea memorării unor nume de instrucţiuni şi a unor reguli
complicate de sintaxă, iar riscul de apariţie a erorilor de programare scade
drastic. Modul în care algoritmul este descris este astfel mult mai intuitiv, un
program putând fi înţeles mult mai uşor şi de către alţi programatori decât cel
care l-a conceput.
• LabVIEW este cel mai răspândit şi mai evoluat mediu de programare grafică.

11. • Deşi LabVIEW este un instrument foarte puternic de simulare, acesta este
cel mai adesea folosite pentru achiziția, analiza și prezentarea datelor de la
diferite surse externe, conținând în librăria sa, multe instrumente virtuale
special dedicate acestui scop.
• De exemplu LabVIEW poate comanda plăci de achiziție pug-in sau pe USB
pentru achiziția sau generarea semnalelor analogice și numerice.
• S-ar putea utiliza plăcile DAQ şi LabVIEW pentru a monitoriza temperatura,
trimite semnalele de la un sistem extern, sau determinarea frecvenţei unui
semnal necunoscut.
• LabView permite achiziţia semnalelor de la o varietate de echipamente. Se
pot achiziţiona date de la instrumente GPIB, seriale, Ethernet, PXI şi VXI,
folosind driverele incluse. Există posibilitatea comunicării cu mai mult de
1400 instrumente aparţinând a 150 de producători, folosind driverele de
comunicaţie LabView. Programul oferă performanţă şi portabilitate ridicate.
• Driverele de comunicaţie simplifică controlul instrumentelor şi timpul de
dezvolatare a noi aplicaţii, eliminând necesitatea de a învăţa protocoale de
programare pentru fiecare instrument în parte. Multe drivere folosesc Visual
Instrument Software Architecture (VISA) pentru a comunica cu o gamă de
bus-uri de comunicaţie, cum ar fi GPIB sau serial, folosind acelaşi cod
LabView. Indiferent pe ce tip de bus este instrumentul, driverele VISA
preiau controlul protocoalelor de comunicare respective.

12. Achiziție, Analiză și Prezentare
Aproape toate aplicațiile de măsurare, testare și control, pot fi împărțite în 3
mari componente: capacitatea de achiziție, analiză și prezentare a datelor.
LabVIEW este cel mai puternic și mai simplu instrument pentru achiziția,
analiza și prezentarea datelor din lumea reală.

13. Achiziția cu LabVIEW
LabVIEW poate achiziționa date utilizând
următoarele dispozitive și multe altele:
• GPIB, Serial, Ethernet, VXI, PXI
Instruments
• Data Acquisition (DAQ)
• PCI eXtensions for Instrumentation
LabVIEW este strâns (PXI)
integrat cu toate • Image Acquisition (IMAQ)
componentele • Motion Control
hardware NI, și în plus • Real-Time (RT) PXI
se poate conecta la mii • PLC
de dispozitive I/O de la
• PDA
alte sute de furnizori.
• Instrumente modulare

14. Tipuri de magistrale de proces, pentru interconectarea
instrumentelor programabile, cu un sistem de calcul
• GPIB (General Purpose Interface Bus - magistrală de interfaţare de
uz general) este specializată pentru comunicaţie cu instrumente
programabile. Este standardul cel mai utilizat pentru controlul
instrumentelor programabile de către sistemele de calcul. Rolul
dispozitivelor GPIB poate fi de a trimite mesaje, de a primi mesaje
si/sau de a monitoriza comunicatiile pe retea. Este disponibilă pentru
diverse platforme (PC, IBM, MacIntosh, etc.) şi oferă o rată de
transfer de 1 Mbyte/secundă. Protocolul de comunicaţie este
specificat de standardul industrial IEEE-488 (protocol pe 8 biţi,
comenzi tip ASCII, maximum 14 instrumente aflate la cel mult 20m).
O dezvoltare ulterioară, HS-488, a crescut rata de transfer la 8
Mbytes/secundă;

15. • RS-232, RS-422, RS-485 sunt utilizate în special la sisteme
personale de calcul. Sunt destinate comunicaţiilor seriale
sincrone/asincrone între instrumente, oferind o imunitate ridicată la
zgomotul din mediul industrial. Dezavantajul major este rata de
transfer redusă (sute de kbits/secundă). Protocolul de comunicare
poate fi ASCII sau un protocol special al instrumentelor ce se
interconectează. Ceea ce le diferenţiază este distanţa de
interconexiune (de la 15m la RS-232, la 1200m la RS-485), care este
mărită prin amplificări suplimentare pe intrări/ieşiri. Interfaţa RS-485
permite legături multi-punct (“daisychain”), deci economii importante
de cablu;
• SCXI (Signal Conditioning eXtensions for Instruments): reprezintă o
platformă de înaltă performanță pentru condiționarea sau
direcționarea semnalelor din sistemele de măsurare sau
automatizare. Utilizată pentru măsurări directe sau prin intermediul
senzorilor, pentru generarea de semnale în tensiune sau curent,
pentru manipularea semnalelor digitale sau pentru direcționarea unor
semnale, gama de produse SCXI oferă o platformă unică, integrată,
ce satisface toate necesitile.

16. • Un sistem SCXI constă din module multicanal de condiționare
instalate în unul sau mai multe șasiuri. Șasiul (sau unul dintre
șasiurile sistemului) este conectat la o placă de achiziie de date.
Aceste module, montate sub formă de “rack” (dulap cu sertare de
conexiuni modulare), sunt utilizate deci, la condiţionarea semnalului.
La intrare, se admit semnale provenite de la traductoare, cum ar fi:
termocupluri, termistoare, mărci tensometrice etc, iar la ieşire se
obţin semnale ce permit efectuarea de măsurări analogice (curenţi
sau tensiuni) sau semnale numerice. Se utilizează module de filtrare,
liniarizare, izolare galvanică, ieşiri de putere, etc. Condiionatoarele
de semnal SCXI au un design integrat care simplifică instalarea și
configurarea maximizând performanele. Modulele SCXI permit
măsurarea cu o gamă largă de senzori și tipuri de semnale,
permițând o paletă largă de combinații pentru formarea unui sistem
de măsurare.

17. • PXI (extensie PCI pentru instrumentatie): PXI reprezinta o platforma
pentru sisteme de masurare si automatizare, bazata pe PC.
Instrumentatia modulara PXI profita de avantajele magistralei de
mare viteza PCI (Peripheral Component Interconnect), care
reprezinta standardul de facto ce dirijeaza proiectarea in domeniul
calculatoarelor PC, atat ca hardware cat si ca software. In
consecinta, utilizatorii de PXI pot sa beneficieze de toate avantajele
PCI in cadrul uneri arhitecturi ce adauga caracteristici mecanice,
electrice si de software, potrivite pentru aplicatiile de masura,
achizitie de date si automatizari industriale. Bazată in intregime pe un
stadard industrial deschis, instrumentatia modulara PXI reprezinta o
solutie eficace, deoarece combina arhitectura electrica de mare
viteza a PCI cu o carcasa industriala de înalta fiabilitate, functii de
sincronizare si temporizare incorporate si deplina interoperabilitate
cu Compact PCI. Dimensiunea redusa a sistemului PXI este ideala
pentru o larga varietate de aplicatii portabile, cu montare pe birou
sau in rack, pentru testare, masuratori, culegere de date si
automatizari industriale.

18. • În sistemul PXI exista șasiuri (cu 4, 8 sau 18 sloturi), controlere, placi
de achizitie de date, placi de achizitie de date in timp real, surse de
semnal, module I/O digitale, placi de achizitie de semnal dinamic,
numaratoare/ temporizatoare de 32 biti, instrumente dedicate,
comutatoare, placi de achizitie si prelucrare de imagine, placi de
control al miscarii, interfete de comunicare seriale, CAN, DeviceNet,
Ethernet, GPIB, etc.
• VXI (VME eXtension for Instrumentation, unde VME reprezintă VESA
Module Eurocard) reprezintă un standard de instrumentaţie ale cărui
baze au fost puse încă din 1987 şi are ca obiectiv creşterea
interoperabilităţii diverselor instrumente. Structura sa modulară
permite o integrare atât din punct de vedere electronic, cât şi
mecanic, conferindu-i denumirea de “standard pentru instrument pe
cartelă”. Specificaţiile VXI grupează norma IEEE-488 şi norma VME,
prima remarcăndu-se prin compatibilitatea între constructori diferiţi,
iar cea de-a doua prin rapiditate.

19. Plăcii GPIB ale firmei NI
Sistem GPIB tipic

20. Analiză cu LabVIEW
LabVIEW include următoarele
instrumente cu ajutorul cărora pot fi
analizate datele:
• Mai mult de 400 de funcţii de analiza
măsurării pentru: Ecuatii Diferentiale,
Optimizare, Curbe, Calcul, Algebra
În mediul de dezvoltare Liniara, Statistică, etc.
LabVIEW, se poate • 12 noi VI-uri Express special
realiza o analiză intensă
proiectate pentru analiza măsurării,
a măsurării
inclusiv filtrare și analiză spectrală.
• VI-uri pentru procesarea semnalelor
(Filtrare, Ferestruire, Analiză
Armonică, Analiză spectrală, e.t.c.).

21. Prezentare cu LabVIEW
LabVIEW include următoarele
instrumente utilizate pentru
prezentarea datelor:
• On your machine — Graphs,
Charts, Tables, Gauges, Meters,
Tanks, 3D Controls, Picture
Prezentarea cu Control, 3D Graphs (Windows
LabVIEW poate fi Only), Report Generation
facuta pe PC sau (Windows Only)
printr-o reţea. • Over the Internet — Web
Publishing Tools, Datasocket
(Windows Only), TCP/IP, VI
Server, Remote Panels, Email

22. LabVIEW Everywhere
Sensor
Embedded
(FPGA)
Handheld
Wireless
Networked I/O
PC Boards
Industrial Computer (PXI)
Tektronix Open Windows
Oscilloscopes
PC, Mac, Linux, Sun
Workstation

23. Fapte istorice
• 1983 – începe proiectul LabVIEW
• 1986 –LabVIEW pentru Macintosh
• 1990 –LabVIEW 2.0 și 2 brevete
• 1992 –LabVIEW pentru Windows și Sun
• 1993 –LAbVIEW 3.0
• 1994 – LabVIEW pentru Windows NT și 2 noi brevete
• 1995- 2000 – LabVIEW pentru Windows 95/98, LabVIEW 5.0
• 2001 – LabVIEW 6i pentru Windows 2000/NT/ME
• 2003– LabVIEW 7.0 pentru Windows XP
• 2006 - LabVIEW 8.0 pentru Windows XP
• 2009- LabVIEW 2009
• 2010- LabVIEW 2010