Matlab è un potente strumento di sviluppo che permette l'esecuzione e la gestione semplificata di una enorme varietà di azioni: dalla matematica vettoriale, all'elaborazione di immagini, alle simulazioni, alle analisi statistiche e alla gestione di dati in ingresso provenienti da diversi sensori. In questo articolo si metterà in evidenza le capacità di questo tool per ottenere e mandare informazioni da GPIB e DAQ, come esso si interfaccia a questi dispositivi, applicandolo ad un semplice esempio pratico con le diverse spiegazioni passo passo.
Introduzione GPIB e DAQ
Il GPIB (General Purpose Interface Bus) è un dispositivo di interconnessione in parallelo ad 8-bit soggetto allo standard IEEE-488 del 1975, evolutosi nelle versione 488.1 e 488.2 rispettivamente nel 1987 e 1992.
Il bus impiega sedici linee di segnale: otto utilizzate per il trasferimento dati bidirezionale, tre per l'handshake, cinque per la gestione del bus, più otto linee di ritorno a terra. Ogni dispositivo sul bus ha un indirizzo primario univoco a 5-bit, da 0 a 30 (31 totali possibili indirizzi).
Lo standard consente la connessione fino a 15 dispositivi in un unico bus fisico per una lunghezza massima di 20 metri di cavo (a meno di estensori attivi). La topologia fisica può essere lineare o stella. Le funzioni di controllo e di trasferimento dati sono logicamente separate; un controllore può indirizzare un dispositivo come "trasmittente" e uno o più dispositivi come "ricevente" senza dover partecipare al trasferimento dati. La velocità massima dei dati è di circa un megabyte al secondo, determinata dal dispositivo partecipante più lento.
La National Instruments ha introdotto nel 2003 una estensione retrocompatibile del IEEE-488.1, che permette la connessione a questo standard attraverso una semplice USB ed incrementa la velocità massima a 8 Mbyte/s (Figura 1 e 2).
Figura 1 - Connessione GPIB
Figura 2 - Connessione GPIB-USB della National Instrument
Una grande maggioranza dei dispositivi di misurazione in ambito scientifico utilizza questo standard per l'acquisizione di dati e la gestione degli strumenti stessi. Nel caso di strumentazione più "basilare", fatta di soli cavi "positivo e negativo" (come può essere una termocoppia per esempio) un valido strumento di acquisizione di dati e invio di input sono i DAQ (locuzione abbreviata di Data AcQuisition), moduli di connessione che trasformano i segnali in ingresso (o in uscita) che si connettono al pc attraverso una scheda specifica per la scheda madre (PCI Express) o più semplicemente attraverso porte usb. La National Instrument mette a disposizione decine di tipologie diverse di DAQ, il prezzo di questi dispositivi varia in base al tipo di connessione, alla velocità di trasmissione e alla capacità o meno di compiere automaticamente determinate azioni preimpostate attraverso un controller. Nel caso di questo tutorial ho scelto di utilizzare il DAQ NI USB 6009 (Figura 3) con 8 ingressi analogici (14 bit) e 2 uscite statiche analogiche (12 bit).
Figura 3 - DAQ NI USB serie 6008/9
L'esempio: Test elettrolita SOFC
Per darvi un esempio pratico dell'utilità di questi strumenti possiamo prendere in considerazione una cella SOFC (Solid Oxide Fuel Cells, chiamate in Italia "Celle a combustibile") e di questa vogliamo testare la conducibilità dell'elettrolita a diverse temperature, interessandoci inoltre a come questo si dilati per evitare delaminazioni fra anodi e catodi applicati.
Come possiamo impostare questo test?
Il Setup per il test potrebbe essere il seguente (Figura 4):
- Forno ad alta temperatura.
- Cella di Carico (per determinare la dilatazione).
- Elettrodi per il passaggio di corrente.
- Multimetri digitali.
- Alimentatore.
- Pc.
Il Multimetro è connesso attraverso una GPIB, mentre l'alimentatore, la termocoppia e la cella di carico mandano le loro informazioni attraverso dei fili al DAQ.
I dati che riceveremo saranno:
- La corrente dal Multimetro.
- Il voltaggio fornito dall'Alimentatore.
- Deformazione dalla cella di carico.
- Temperatura dalla termocoppia.
Questo Setup è impiegato per questo tipo di prove. Nei test industriali si connette l'alimentatore anche ad un generatore di onde per amplificare e modificare il segnale; inoltre, viene impiegato un DAQ molto più veloce e con molti più pin per ottenere maggiori informazioni provenienti da varie sezioni da sondare.
Figura 4 - Setup per il test. In tratteggio il circuito elettrico. In tratto continuo le connessioni per i dati
Il principio del sistema è molto semplice. L'alimentatore fornisce un voltaggio, che fornirà a sua volta una certa corrente all'elettrolita, la cui resistenza varierà in base alla temperatura. La corrente fornita verrà poi misurata dal multimetro, predisposto a leggere [...]
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Matlab è un laboratorio a matrice nel vero senso del termine. E’ uno strumento potentissimo anche per acquisire e analizzare dati provenienti da sensori o device, grazie all’ambiente di sviluppo progettato per manipolare, gestire, elaborare e analizzare i dati facendo anche uso di grafici, immagini, tabelle o algoritmi.
Matlab è una suite molto completa che consente l’integrazione, tramite protocolli standard, con tool e strumenti forniti da terze parti.