LE NOVITÀ DEI MODULI COMPACTRIO EVENTI DI LABVIEW UN DATALOGGER BASATO SU PROGRAMMAZIONE A SETTEMBRE E 5,00 ISSN

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1 ISSN SETTEMBRE 2009 E 5,00 L A P R I M A R I V I S T A I T A L I A N A P E R L A C O M U N I T À L A B V I E W In caso di mancata consegna restituire all editore che si impegna a pagare la relativa tassa presso il CMP di Roserio - Milano LE NOVITÀ DEI MODULI DI LABVIEW UN DATALOGGER BASATO SU COMPACTRIO PROGRAMMAZIONE A EVENTI

2 readerservice.it n.24254

3 11 SOMMARIO 01 DO MORE WITH LESS Sfruttare meglio le risorse disponibili 32 DALLA CARTA AL WEB Link ad articoli di approfondimento e altri documenti disponibili sul web A TU PER TU NIWeek 2009: fare di più con i prodotti NI LE NOVITA DEI MODULI DI LABVIEW Ogni modulo e toolkit di LabVIEW 2009 offre miglioramenti e upgrade alla funzionalità core CARATTERISTICHE AVANZATE IN LABVIEW 2009 Numerosi miglioramenti di prestazioni ed efficienza per i programmatori avanzati UN DATALOGGER BASATO SU COMPACTRIO Soluzione software di riferimento per un datalogger embedded stand-alone basato su CompactRIO UN SISTEMA DI TELEMONITORAGGIO CLINICO Dall acquisizione dei parametri biomedici all attivazione di un sistema di alerting 23 IMPLEMENTAZIONE DELLA DOCUMENTAZIONE 26 UNA CREATURA UMANO-ELETTRONICA Un robot con neuroni di cervello umani risponde a comandi esterni Tecniche per implementare la documentazione del VI PROGRAMMAZIONE A EVENTI Creare applicazioni più efficienti e flessibili con i modelli di progettazione basati su eventi SEMPRE PIÙ IN ALTO! Si è svolto a Roma il Forum Aerospazio e Difesa 09 LABVIEW MUOVE KUKA Un workshop organizzato da Kuka, ImagingLab e NI sulla programmazione grafica di robot IL 4 VISION FOR MANUFACTURING A Milano la Mostra convegno dedicata alla tecnologia della visione artificiale LA SFIDA DELL INNOVAZIONE Le novità di NIWeek INTERVISTA Il prof. Enrico Ambrosini è autore del corso L elettronica 42 SRC - SERVICE RESOURCE CENTER Un portale web per accedere a servizi e benefici per i clienti delle licenze software NI 44 APPUNTAMENTI Oltre ad organizzare propri corsi e seminari, National Instruments sarà presente a numerosi eventi 46 LA VOCE DEGLI UTENTI Alcuni spunti di discussione apparsi di recente sul Forum di ILVG.it LABVIEW E LAVORO Proposte da e per coloro che sanno utilizzare LabVIEW VISION NIWEEK AAA

4 11 A TU PER TU NIWEEK 2009: FARE DI PIÙ CON I PRODOTTI NI Valerio Alessandroni Le innovazioni incorporate in LabVIEW 2009 possono aiutare a essere più efficienti e produttivi: un requisito fondamentale per alimentare la ripresa dell economia mondiale Durante NIWeek 2009 National Instruments ha annunciato LabVIEW La nuova versione semplifica i problemi legati allo sviluppo di architetture hardware parallele con una nuova tecnologia di virtualizzazione che sfrutta i sistemi multicore, oltre ad offrire nuovi miglioramenti del compilatore e IP che potenziano la progettazione di field-programmable gate array (Fpga). Inoltre, LabVIEW 2009 permette di scaricare codice su reti di sensori wireless per favorire la costruzione di sistemi di misura e monitoraggio industriali più intelligenti ed offre nuove soluzioni per collaudare più standard wireless, come i sistemi Wlan, WiMax, GPS e Mimo, su una singola piattaforma hardware. Infine, LabVIEW 2009 semplifica la matematica real-time linearizzando la progettazione di algoritmi matematici e la loro implementazione su hardware real-time. John Graff, Vice Presidente Marketing, è in National Instruments da 22 anni. Gli abbiamo posto qualche domanda sui nuovi annunci. D: Possiamo dire che LabVIEW 2009 è una major release di LabVIEW? In altri termini: se National Instruments non avesse seguito la nuova convenzione di naming, avremmo avuto LabVIEW 8.7 o LabVIEW 9? R: Come è noto, National Instruments sta adottando un ciclo di rilascio annuale per LabVIEW, con i nomi delle versioni basati sull anno di rilascio. Il ciclo di rilascio annuale consolida la pianificazione, la stabilità e la gamma di caratteristiche di ogni nuova release, in modo da fornire un facile processo di upgrade ai clienti. Consideriamo comunque LabVIEW 2009 una major release. LabVIEW è sul mercato da oltre 20 anni. Nei primi tempi, nel software per PC si dava molto peso alle versioni: 1.0, 2.0, e così via. Oggi, tuttavia, il software si è evoluto, ed anche le aspettative dei clienti si sono evolute e sono cambiate. In particolare, esiste l aspettativa di un costante miglioramento, che ci obbliga a rimanere al passo con i sistemi operativi, i computer e le tecnologie più recenti. Tuttavia, nello stesso tempo, dobbiamo continuare a spingere l innovazione di LabVIEW. Ciò implica un lavoro notevole che qualche volta i clienti non possono vedere, perché è all interno di LabVIEW. Il numero della versione dovrebbe allora basarsi su ciò che il cliente vede o su ciò che sappiamo di avere fatto internamente? Abbiamo deciso che, con la nuova convenzione di naming basata sull anno di rilascio, il cliente può avvertire una pianificazione più regolare degli aggiornamenti. In effetti, la versione che annunceremo ogni nuovo anno sarà sempre una major release. D: In che modo i confini di LabVIEW sono stati ampliati dalla nuova release? R: : In molti modi. I confini di LabVIEW sono ovviamente molto ampi, e questo è uno dei motivi per cui LabVIEW ha così successo da oltre 20 anni. Ciò nonostante, vi sono molti miglioramenti, In primo luogo, LabVIEW 2009 è stato irrobustito in quanto tool di progettazione: la matematica real-time e la collaborazione con SolidWorks e l integrazione con i loro prodotti CAD/CAM sono solo esempi dei nostri sforzi di facilitare e semplificare l uso di LabVIEW. Un altra area importante è quella delle tradizionali applicazioni T&M. NI serve da 30 anni questo segmento, dove LabVIEW è largamente utilizzato, ma nascono continuamente nuovi problemi di test e vogliamo fare in modo che LabVIEW li possa risolvere. La tecnologia multicore offre enormi benefici per aumentare le prestazioni e diminuire i costi dei test. Nei test wireless, molti si concentrano sul nuovo hardware, ma parte delle innovazioni più significative viene da nuove possibilità di LabVIEW e dalla sua capacità di gestire protocolli wireless ed il lato software del mondo wireless. Una terza area riguarda le applicazioni industriali ed embedded. In quest area possiamo realmente aiutare i clienti a progettare, testare ed implementare dispositivi custom unici come robot e apparecchiature medicali. Molte delle caratteristiche aggiunte in LabVIEW 2009 sono veramente utili in questo processo. Infine, in LabVIEW 2009 vi sono nuove caratteristiche riguardanti gli Fpga. D: Nella keynote, lei ha sottolineato alcune nuove caratteristiche di LabVIEW 2009, riguardanti la programmazione, il parallel computing e la matematica real-time. Perché sono state scelte proprio quelle caratteristiche fra le molte altre incluse in LabVIEW 2009? R: Non è stato facile scegliere quali caratteristiche evidenziare nella keynote. Infatti, LabVIEW 2009 ha centinaia di nuove caratteristiche e la maggior parte di esse è stata aggiunta in risposta a specifiche richieste dei clienti. Nella keynote, naturalmente, abbiamo cercato di vivacizzare l atmosfera e di attirare l attenzione delle persone presenti. Abbiamo quindi provato a selezionare alcune cose che sapevamo sarebbero state immediatamente comprese ed apprezzate dal pubblico (migliaia di sviluppatori LabVIEW). Per esempio, abbiamo deciso di sottolineare il VI Snippet con l Icon Editor, i cicli For paralleli e la matematica real-time. Il VI Snippet e l Icon Editor sono semplici caratteristiche utilizzate da tutti i programmatori LabVIEW del mondo, quindi ogni programmatore le può apprezzare immediatamente. Anche i cicli For paralleli sono una delle caratteristiche più semplici ma più significative di LabVIEW 2009, perché sono orientati ai processori multicore che permettono a tecnici e ricercatori di sfruttare un nuovo livello di potenza. Con i cicli For paralleli, è sufficiente cliccare 3

5 11 A TU PER TU su un codice e selezionare il numero di core che si desidera utilizzare, perché la nuova caratteristica gestisca automaticamente il processo di allocazione. Infine, la matematica realtime. Come è noto, negli ultimi cinque anni abbiamo fatto evolvere LabVIEW per renderlo maggiormente un tool di progettazione. Più si entra nel processo di progettazione, più è importante aiutare i tecnici con modelli e simulazioni e processi matematici. Oggi, con le nuove capacità matematiche real-time, possiamo aiutarli a prendere questi modelli matematici e ad implementarli più facilmente su prototipi e hardware real-time. Durante la keynote, comunque, abbiamo citato molte altre nuove caratteristiche D: Sì, per esempio avete parlato di virtualizzazione. Perché la virtualizzazione è così importante in LabVIEW 2009? R: : La tecnologia della virtualizzazione rende possibile eseguire più sistemi operativi uno accanto all altro sullo stesso hardware di elaborazione multicore, per realizzare sistemi più efficienti. Il nuovo software NI Real-Time Hypervisor combina la potenza del LabVIEW Real-Time Module con le capacità di sistemi operativi general-purpose per ridurre il costo e le dimensioni globali del sistema. Usando questo software, tecnici e ricercatori possono eseguire Windows XP e LabVIEW Real-Time fianco a fianco sullo stesso controllore e suddividere i core del processore fra i due sistemi operativi per un uso più efficiente delle risorse di sistema. Il Real-Time Hypervisor funziona con controllori NI PXI dual- e quad-core, o con l NI Industrial Controller. Mentre la virtualizzazione offre un nuovo modo per progettare sistemi paralleli, LabVIEW 2009 mette a disposizione anche miglioramenti per la tecnologia di progettazione parallela esistente, compresi la programmazione multicore e lo sviluppo di Fpga. LabVIEW 2009 offre anche una nuova struttura a cicli For paralleli, che divide automaticamente le iterazioni dei cicli fra più processori per incrementare la velocità di esecuzione del processo. Inoltre, LabVIEW semplifica ulteriormente la programmazione degli Fpga offrendo un feedback anticipato della compilazione e l evidenziazione dei percorsi critici per facilitare una stima preliminare dell uso di risorse dell Fpga e un migliore debug delle violazioni di timing. Infine, nuovi IP Fpga linearizzati offrono prestazioni matematiche e di elaborazione del segnale con maggiore throughput. D: Qual è la singolarità dell approccio di LabVIEW alla matematica real-time? R: La possibilità di portare più modelli computazionali compresi i propri file.m personalizzati direttamente nell ambiente grafico. LabVIEW offre librerie matematiche incorporate contenenti oltre funzioni che spaziano dall elaborazione di segnale punto a punto a basso livello, alle implementazioni basate su configurazione ad alto livello. Tutte possono essere facilmente implementate su dispositivi embedded Figura 1 John Graff, Vice Presidente Marketing: Questo è il momento dei veri ingegneri, dei veri ricercatori e dei veri motori di innovazione. Le persone che hanno partecipato a NIWeek 2009 rappresentavano aziende che possono cambiare le cose real-time. Con LabVIEW MathScript RT Module, LabVIEW 2009 espande ulteriormente l accesso alla matematica realtime, ossia all implementazione e all utilizzo di algoritmi matematici su sistemi operativi deterministici, per tecnici e ricercatori che utilizzano tool matematici basati su testo. Come ho detto, il modulo offre anche a tecnici e ricercatori la possibilità di incorporare i loro file.m esistenti usando interfacce utente interattive e I/O reali e di implementarli facilmente su hardware real-time per una prototipazione di sistema più veloce. Semplificando il processo di implementazione degli algoritmi matematici su hardware embedded real-time, LabVIEW 2009 può aiutare i progettisti di apparecchiature medicali, i costruttori di macchine e i progettisti di sistemi autonomi ad accorciare il time-to-market dei loro prodotti. D: Un altra area di innovazione di LabVIEW 2009 riguarda la tecnologia wireless R: Le reti di sensori wireless (WSN) permettono di realizzare misure distribuite su sistemi hardware di vasta estensione fisica. Con le WSN, tecnici e ricercatori possono analizzare più efficacemente foreste pluviali, foci di fiumi, lo stato di salute e sicurezza di edifici e ponti, e così via. LabVIEW offre la possibilità di configurare la nuova piattaforma NI WSN con un ambiente di programmazione drag-and-drop per eseguire analisi ed estrarre e presentare i dati di misura. Grazie al nuovo LabVIEW Wireless Sensor Network Module Pioneer, tecnici e ricercatori possono programmare i singoli nodi di misura NI WSN per estendere la vita della batteria nel nodo, incrementare le prestazioni di acquisizione e creare interfacce sensore custom. Con strumentazione definita via software usando LabVIEW, è possibile implementare la stessa piattaforma di misura per acquisire e analizzare qualsiasi schema di modulazione o standard di protocollo anziché utilizzare strumenti hardware dedicati per specifici protocolli. La nuova NI WLAN Measurement Suite per LabVIEW garantisce la conformità agli standard Ieee a/b/g ed esegue le misure più di cinque volte velocemente rispetto agli strumenti hardware tradizionali. D: NI sta già lavorando su LabVIEW 2010? R: : Sì, NI ha un grosso team di sviluppo che sta già lavorando sulle future versioni. Come ha detto il Dott. Truchard durante la keynote, la roadmap iniziale di LabVIEW copriva cento anni. Quindi, siamo solo all inizio Readerservice.it n

6 Sei sicuro di quello che vedi? Noi lo siamo sempre, grazie al nostro consolidato know-how nella distribuzione di componenti e sistemi per la visione artificiale. Da 10 anni aiutiamo con successo produttori ed integratori di sistemi con un unico scopo: supportarli a sviluppare efficacemente il loro business proponendo le migliori tecnologie presenti sul mercato, coadiuvate da servizi altamente specializzati. Da 10 anni siamo il partner ideale per chi opera nel mondo della visione industriale e dell imaging scientifico in generale. MACHINE VISION EXPERTS ADVANCED TECHNOLOGIES S.p.A. Via Carducci, Trezzano S/N Milano Italy T F readerservice.it n.21841

7 11 WHAT'S NEW LE NOVITÀ DEI MODULI DI LABVIEW Qui sotto, potete apprendere altre informazioni sulle nuove caratteristiche specifiche di particolari moduli di LabVIEW. Se non avete esperienza di programmazione con i moduli di LabVIEW, visitate ni.com/labview/family per un introduzione A cura di Matteo Foini NI LabVIEW 2009 è una release completa della piattaforma, quindi ogni modulo e toolkit offre miglioramenti e upgrade alle funzionalità core di LabVIEW. Inoltre, nuove caratteristiche dell ambiente, che ne migliorano la produttivià, come il tool potenziato di Block Diagram Cleanup parziale, il tool VI snippet ed il Quick Drop migliorato, insieme a potenziamenti del linguaggio come le reference ai dati, i for loop paralleli e la ricorsione, offrono ulteriori vantaggi agli utenti dei moduli di LabVIEW LabVIEW 2009 Real- Time Module L ambiente LabVIEW Real-Time contiene ora una sorgente di timing per il timed loop, chiamata Timed Structure, che potete alimentare da una sorgente di timing di rete. I task su target real-time distribuiti possono ora iterare in fase o essere eseguiti ad un orario specifico, come 11:59:01 p.m., ogni giorno. LabVIEW Real-Time introduce anche il Multicast UDP e tool migliorati per il Figura 2. Il diagramma a blocchi di LabVIEW FPGA evidenzia una delle nuove funzioni matematiche ad elevate prestazioni accanto alla nuova finestra di compilazione, che espone stime tempestive di dimensioni, indicazioni sullo stato di avanzamento del processo e altri report in fase di compilazione. Figura 1. La nuova interfaccia di I/O programmatica con lo Scan Mode di CompactRIO vi aiuta con tecniche di programmazione come l indicizzazione per nome di elenchi di variabili di I/O in un ciclo. back up, il ripristino e la replica di target realtime. Vi è una serie di miglioramenti anche nello Scan Mode di NI CompactRIO, inclusa un API di I/O configurabile, che vi permette di accedere dinamicamente a variabili di I/O e configurare moduli Serie C supportati dallo Scan Mode di CompactRIO, il tutto in fase di run time. Inoltre, potete ora inserire dati preelaborati dall Fpga (Field-programmable gate array) direttamente nello Scan 6

8 WHAT'S NEW Engine, permettendo all host di leggere i dati elaborati dall Fpga attraverso una variabile di I/O. LabVIEW 2009 FPGA Module Basandosi sulle principali richieste dei clienti, National Instruments ha nettamente migliorato il processo di compilazione Fpga per potenziare l interfaccia utente, aumentare le opzioni di ottimizzazione, diminuire l utilizzo di memoria e anticipare i messaggi di warning e i report in fase di compilazione, in base alle stime di utilizzo delle risorse Fpga e alle violazioni di timing. Ora potete regolare il compilatore in modo da ottimizzare dimensioni e velocità ed ottenere indicazioni tempestive sul fatto che il progetto LabVIEW Fpga possa risiedere sull Fpga. NI ha anche migliorato complessivamente l esperienza di debugging al verificarsi di violazioni di timing. Un errore di timing basato sui risultati di compilazione vi dirige ora alla porzione di codice esatta nel diagramma a blocchi di LabVIEW che ha causato le violazioni, evidenziando ogni step nel percorso critico. Fra le numerose altre caratteristiche, LabVIEW Fpga include anche nuove proprietà intellettuali (IP) per elaborazioni matematiche e dei segnali ad elevate prestazioni, per implementare nuove funzioni come algoritmi trascendenti a virgola fissa e funzioni già esistenti a velocità più elevata, come la trasformata veloce di Fourier (FFT), la finestratura e il ricampionamento a 100 MHz. Altri moduli e funzionalità di LabVIEW 2009 Il Control Design and Simulation Module di LabVIEW 2009 possiede ora una External Model Interface per importare modelli da tool di modellazione multifisica di terze parti. Il modulo include anche il filtraggio di Kalman esteso e il supporto del LabVIEW MathScript per funzioni di progettazione dei controlli. Il LabVIEW Control Design and Simulation Module presenta nuovi controlli di navigazione integrati per lo sviluppo di interfacce uomo-macchina (HMI). Lo Statechart Module di LabVIEW 2009 include un generatore automatico di documentazione e l Embedded Module for ARM Microcontrollers di LabVIEW 2009 offre il supporto di file system e variabili condivise. Due nuovi moduli di LabVIEW sono il LabVIEW MathScript RT Module e il LabVIEW Wireless Sensor Network (WSN) Module Pioneer. Readerservice.it n COMSOFT Specialisti nel PROFIBUS Soluzioni National Instruments disponibili con tecnologia PROFIBUS crio PB Modulo Master/Slave PROFIBUS DP per sistemi crio della National Instruments Driver per modulo FNL in ambiente LabVIEW Il Gateway Ethernet/PROFIBUS DP della COMSOFT è ora disponibile con il Driver LabVIEW Rapida l integrazione mediante interfaccia Ethernet TCP/IP Produttore: COMSOFT GmbH Wachhausstr. 5a Karlsruhe Germania Tel.: +49- (0) Fax: +49- (0) Internet: readerservice.it n Contatto commerciale: SOLINTEC AUTOMAZIONE SNC Via 8 Marzo 1/B Cavenago B.za (MI) Italia Tel.: Fax:

9 11 DALLA WHAT'S TEORIA NEW ALLA PRATICA CINQUE FUNZIONALITÀ AVANZATE DI LABVIEW 2009 LabVIEW 2009 offre numerosi miglioramenti di prestazioni ed efficienza ai programmatori avanzati A cura di Matteo Foini Se siete interessati ad aumentare le prestazioni del vostro codice, a ridurre la memoria richiesta dalla vostra applicazione, o a migliorare le pratiche comuni di ingegneria del software, consultate questo elenco di nuove caratteristiche avanzate. 1. Struttura New Data Value Reference/In Place Element Come implica il nome, la programmazione a flusso di dati utilizza dei fili per rappresentare i dati che scorrono in un applicazione durante l esecuzione. Poiché ogni filo è di fatto un contenitore di dati, può essere necessaria una copia del valore quando si dirama un filo sul diagramma. Questo non è un problema per la maggior parte delle applicazioni LabVIEW, ma il processo di allocare nuova memoria e copiare i dati può richiedere tempo addizionale del processore, soprattutto se dovete manipolare grandi quantità di informazione. In LabVIEW 2009 potete creare una reference a qualsiasi tipo di dato per ridurre la quantità di memoria utilizzata dalla vostra applicazione. Invece di cablare fili contenenti il valore effettivo, una reference è in grado di puntare alla locazione di memoria in cui il dato è memorizzato. Il concetto è simile a ciò che nella programmazione testuale è noto come puntatori. La struttura In Place Element è stata aggiornata per includere il nodo New Data Value Reference Read/Write Element Border. Usate questi nodi per manipolare, modificare ed aggiornare i dati a cui punta la vostra reference. L ingresso nella struttura blocca l esecuzione di ogni altra struttura In Place Element all interno della vostra applicazione, cosa che elimina la necessità di copie dei dati e può aumentare le prestazioni, diminuendo nello stesso tempo l utilizzo di memoria. 2. For Loop paralleli/strumenti di analisi/cpu Palette I processori multicore hanno reso più semplice migliorare le prestazioni del software permettendo elaborazioni parallele. LabVIEW vi aiuta a sfruttare questa tecnologia rilevando automaticamente sezioni di codice che possono essere assegnate a thread differenti. LabVIEW 2009 estende questa capacità alle Figura 1. Evitate di creare copie dei dati in memoria con il New Data Value Reference VI strutture for loop per le quali sia possibile eseguire iterazioni distinte in parallelo. Quando usate una struttura for loop, LabVIEW tradizionalmente esegue sequenzialmente le iterazioni del loop; tuttavia, si può pensare di parallelizzare un for loop i cui ingressi non dipendano dai risultati di un iterazione precedente. Per determinare se potete incrementare le prestazioni di un ciclo for avente un costo computazionale elevato, selezionate Tools» Profile» Find Parallelizable Loops per analizzare un VI. Una volta resa parallela una struttura for loop, configurate il numero di istanze concorrenti o impostatele da programma. Potete anche utilizzare congiuntamente la nuova palette CPU per adattare da programma il parallelismo a differenti configurazioni del sistema. 8

10 WHAT'S NEW In LabVIEW 2009 è disponibile come eseguibile la funzione di differenziazione grafica, che può essere invocata quando un tool di source code control vuole confrontare dei file. LVCompare.exe è un eseguibile a linea di comando che confronta due VI da voi specificati. Ciò elimina la necessità di rinominare e salvare manualmente versioni precedenti dei file per confrontarle. Figura 2. Usate il nuovo Find Parallelizable Loops per capire dove potete migliorare le prestazioni 3. Ricorsione nativa Una funzione ricorsiva richiama se stessa nell ambito della propria definizione. La ricorsione è un concetto di programmazione avanzato utilizzabile per ridurre la complessità e le dimensioni del codice richiesto per implementare algoritmi iterativi. Potete usare la ricorsione in LabVIEW 2009 se tutti i VI nella VI hierarchy sono rientranti e almeno uno dei VI condivide propri cloni fra le chiamate. Dopo avere configurato un VI come rientrante, potete trascinare l icona del VI sul suo schema a blocchi. LabVIEW, i tool tradizionali di merge e differeziazione non funzionano, ma LabVIEW ora offre utility grafiche per entrambe le operazioni all interno dell ambiente di sviluppo. 5. Metriche standard di analisi del codice Analizzare la complessità, l accuratezza e l efficienza del software è uno dei passi più importanti per comprendere e migliorare la qualità del codice. Per LabVIEW sono disponibili numerosi tool di ingegneria del software che permettono di automatizzare l analisi del codice e la validazione funzionale delle applicazioni. Uno di questi tool, il LabVIEW VI Analyzer Toolkit, è stato aggiornato in LabVIEW 2009 per includere diverse metriche standard di complessità del codice. Potete ora usare il LabVIEW VI Analyzer Toolkit per analizzare la complessità ciclomatica, che misura il numero di percorsi linearmente indipendenti nel codice del diagramma a blocchi. Esso fornisce un indicazione del livello di branching del codice e il numero raccomandato di test per il VI. 4. Command-Line differencing per sistemi di source code control Lo sviluppo di grandi applicazioni può trarre beneficio dal corretto uso di tool di gestione della configurazione e di sistemi di source code control per gestire il codice, tenere traccia delle modifiche e risolvere i conflitti fra gli sviluppatori. Data la natura grafica del codice Figura 3. Confrontate le modifiche ai VI dal software di source code control usando la funzionalità di differenziazione di LabVIEW 2009 readerservice.it n

11 11 TIPS & TECHNIQUES APPLICAZIONE DI RIFERIMENTO PER UN DATALOGGER A BORDO VEICOLO BASATO SU COMPACTRIO Ryan King Q uesta applicazione presenta una soluzione software per un datalogger embedded stand-alone basato su hardware CompactRIO. Le caratteristiche di questa applicazione sono adatte per applicazioni di logging a bordo veicolo, benché adattabili anche per altre tipologie di logging. Si tenga presente che l applicazione qui mostrata rappresenta un esempio configurabile, non un applicazione pronta all uso; in molti casi occorrerà quindi apportare qualche modifica al codice in funzione dell hardware specifico impiegato. Le caratteristiche dell applicazione di riferimento descritta nell articolo includono: Supporto per velocità di scansione multiple Supporto per il logging di canali CAN con un appropriato database CAN Supporto per file TDMS Indicatori di logging sul controllore e loro override attraverso LED e switch Modalità monitor PC host e override del logging Architettura Lo schema a sinistra fornisce una visione dettagliata delle operazioni eseguite dai VI del datalogger e del flusso di dati attraverso il datalogger. Meccanismi di comunicazione I paragrafi seguenti descrivono i meccanismi di comunicazione utilizzati dal datalogger. Flusso di dati Il flusso di dati è il normale trasferimento di dati fra oggetti dello schema a blocchi mediante fili. Il flusso di dati è generalmente utilizzato per trasferire dati fra le funzioni all interno di un loop. Coda Le code trasferiscono dati bufferizzati fra loop. Notate che viene spesso incoraggiato l uso delle FIFO Real- Time rispetto alle code per codice Real-Time. Ciò perché le code allocano memoria in fase di runtime, un operazione non deterministica. Tuttavia, per mantenere il determinismo, le FIFO Real-Time impongono una serie di requisiti che limitano i tipi e le dimensioni degli elementi. Per rimanere flessibile, il datalogger in-vehicle deve essere in grado 10

12 TIPS & TECHNIQUES di accettare pacchetti di dati da registrare su disco da una varietà di sorgenti e a diverse velocità. Ciò richiede un meccanismo flessibile di trasferimento fra i loop. La parte Fpga esegue tutte le operazioni deterministiche e non ha alcuna dipendenza temporale dal codice Real-Time. Pertanto, il datalogger in-vehicle implementa intenzionalmente la comunicazione fra i loop utilizzando le code anziché le Fifo. acquisizione. Isolando il codice di calibrazione in un VI separato si utilizzano meno gate per il VI principale. DMA Per trasferire i dati bufferizzati fra il sistema operativo Real- Time e l Fpga su un CompactRIO viene utilizzato il Direct Memory Access (DMA). I trasferimenti dei dati in DMA permettono al sistema operativo Real-Time di leggere tutti i dati e, nello stesso tempo, all Fpga di effettuare un esecuzione deterministica senza alcuna dipendenza temporale dal codice Real-Time. Il datalogger in-vehicle utilizza tre canali DMA da Fpga a RT: uno per trasferire dati ad alta velocità, uno per trasferire dati a bassa velocità ed uno per trasferire messaggi CAN ed altri dati basati su eventi. I/O di controllo Fpga Controlli e indicatori su un VI Fpga possono essere letti e scritti sia dall interno del codice Fpga, utilizzando variabili locali, sia da un VI Real-Time, usando la funzione Read/Write Control. Il datalogger in-vehicle utilizza gli I/O di controllo dell Fpga per la scansione e l impostazione dei dati che non richiedono buffer, come le informazioni di stato e configurazione. STM Il componente Simple TCP Messaging (STM) semplifica la comunicazione in rete stabilendo un protocollo basato su messaggi per il trasferimento dei dati. Il datalogger in-vehicle utilizza messaggi STM per tutte le comunicazioni dirette fra il CompactRIO e l host Windows. FTP Il File Transfer Protocol (FTP) offre un protocollo sicuro per il trasferimento dei file in rete. L host Windows utilizzato per il datalogger in-vehicle fa uso di VI FTP del LabVIEW Internet Toolkit per recuperare programmaticamente file di dati ed errori dal target. Se non avete l Internet Toolkit, potete rimpiazzare questi VI con un implementazione FTP alternativa, oppure disabilitare questa funzione dell host e trasferire manualmente i file utilizzando un client FTP. Il VI legge le costanti di calibrazione da ciascun modulo di acquisizione. Dovete modificare queste parti di codice per leggere le costanti di calibrazione dai moduli che configurate nel vostro sistema. Dettagli del VI Fpga Calibration Il VI Fpga Calibration recupera le costanti di calibrazione memorizzate su moduli hardware Serie C. Il VI è separato dal codice principale di acquisizione Fpga perché i valori di calibrazione devono essere recuperati una sola volta per 11

13 11 TIPS & TECHNIQUES I dati di calibrazione sono riuniti nei cluster di weight/offset e quindi incorporati in array per il trasferimento. Gli array devono avere un punto d ingresso per ogni canale. I canali che non richiedono calibrazione, come i canali digitali, sono rappresentati da un cluster di due valori zero. Gli indicatori del pannello frontale trasferiscono i dati utilizzando gli I/O di controllo dell Fpga. Notate che non per tutti i dati basati su eventi viene fornito il codice di calibrazione. Se i vostri dati basati su eventi richiedono costanti di calibrazione, dovete implementare un indicatore separato per trasferire i dati di calibrazione. Dettagli del VI Fpga Acquisition Il VI Fpga Acquisition attende una condizione di trigger, acquisisce dati dai moduli Serie C finché non viene rilevato un trigger o una condizione di stop e trasferisce i dati al controllore Real-Time. System Manager Loop Il System Manager Loop verifica la presenza di trigger di stop o di un comando di stop dal controllore Real-Time e trasferisce i messaggi di stop agli altri loop nel sistema. Il loop legge un singolo campione di dati da ogni canale ad alta velocità. Sostituite il nodo di I/O con uno o più nodi di I/O configurati per i vostri canali ad alta velocità. Potete leggere dati da moduli temporizzati, moduli normali o entrambi i tipi di moduli dall interno di questo loop. Se sono presenti moduli temporizzati, la frequenza di acquisizione è controllata dal controllo HS Scan Rate e il controllo HS Scan Period è ignorato. Nel caso contrario, HS Scan Period determina la frequenza e HS Scan Rate è ignorato. Tutti i dati vengono trasferiti in formato grezzo attraverso un buffer DMA. Potreste avere la necessità di modificare le dimensioni del buffer di memoria nel progetto per diminuire la possibilità di overflow o preservare risorse sull FPGA. Per default, per il DMA ad alta velocità viene allocato un buffer molto più grande di quello del DMA a bassa velocità, per consentire velocità di scansione più elevate nel loop ad alta velocità. Il datalogger vi permette di configurare i trigger di start e stop. Dovete rimpiazzare i nodi di I/O dell Fpga che rilevano i trigger esterni con nodi collegati ai vostri specifici canali di trigger. Se il vostro sistema non richiede trigger esterni, potete sostituire i nodi con valori costanti ed evitare l uso di trigger di tipo digitale o analogico. High-Speed Loop Lo High-Speed Loop gestisce l acquisizione da moduli di acquisizione temporizzati, come la serie 923x. In alternativa, questo loop può scansionare altri moduli ad una velocità di campionamento diversa da quella del Low-Speed Loop. Ogni loop verifica se il loop stesso è stato eseguito nel periodo di tempo configurato (overrun) e se vi era spazio sufficiente nel buffer del DMA per i dati (overflow). Il loop memorizza gli eventuali errori, in modo che le iterazioni successive non cancellino l indicazione di errore prima che possa essere letta. Low-Speed Loop Il Low-Speed Loop gestisce l acquisizione da altri moduli, ad una velocità di campionamento diversa da quella del loop ad alta velocità. Il loop legge un singolo campione di dati da ogni canale a 12

14 TIPS & TECHNIQUES bassa velocità. Sostituite il nodo di I/O con uno o più nodi di I/O configurati per i vostri canali a bassa velocità. Potete leggere dati da qualsiasi modulo che non utilizzi una temporizzazione interna. LS Scan Period determina la frequenza di acquisizione. L Event Loop trasferisce i dati su DMA costruendo pacchetti. Ogni pacchetto contiene un indice eventi, che corrisponde ad un canale eventi configurato, nonché le dimensioni dei dati di evento e i dati stessi. Potrebbe essere necessario modificare le dimensioni del buffer di memoria nel progetto per diminuire la probabilità di overflow o preservare risorse sull Fpga. L Event Loop verifica se nel buffer DMA vi era spazio sufficiente per l evento (overflow). L Event Loop non verifica l overrun perché non c è un periodo di loop previsto. Il loop memorizza gli eventuali errori, in modo che le iterazioni successive non cancellino l indicazione di errore prima che possa essere letta. Dettagli del VI RT Controller Il Real-Time Controller legge la configurazione del datalogger da un file, acquisisce i dati dall Fpga, li memorizza su disco, comunica con l host Windows ed interagisce con l utente attraverso switch e LED. Questo loop utilizza anche la funzionalità DMA Write e Status Check. Event Loop L Event Loop acquisisce messaggi dai canali CAN e può essere opzionalmente utilizzato per acquisire altri dati basati su eventi. Il loop legge messaggi da un canale CAN. Collegate il nodo Loop Fpga Il loop Fpga Comm si interfaccia con l FPGA e trasmette dati da/verso il resto del sistema. di I/O al canale CAN che state leggendo. Notate che il codice corrente è impostato per leggere solo un singolo canale CAN. Potete utilizzare il caso timeout in questo loop per gestire altri canali basati su eventi. Configurate il timeout del CAN attraverso le proprietà avanzate del modulo nel project explorer. Se sono richiesti più canali CAN, potrebbe essere necessario modificare il codice per gestire singolarmente il timeout da ciascun canale CAN. Nel suo stato Run, il loop Fpga Comm legge i tre canali DMA che trasferiscono dati di misura ed eventi dall Fpga. Il loop raccoglie i dati letti dai canali DMA in pacchetti e li trasferisce al loop File I/O usando una coda. Il loop Fpga Comm legge inoltre le informazioni di stato dai controlli 13

15 11 TIPS & TECHNIQUES Front Panel dell Fpga. Le informazioni di stato sono trasferite agli altri loop usando lo Status Manager. Nel suo stato Get Calibration, il loop Fpga Comm legge i dati di calibrazione dal VI Fpga Calibration usando i controlli Front Panel dell Fpga. Il loop memorizza i dati di calibrazione nel Channel Manager per l uso da parte del loop File I/O. Loop File I/O Il loop File I/O riceve dati grezzi dal loop FpgaComm, categorizza i dati per canale e gruppo, converte i dati in unità ingegneristiche e registra i dati su disco. Una variabile globale funzionale Status Manager memorizza le informazioni di stato del sistema. Più loop possono accedere a questa locazione di memoria per leggere o modificare lo stato del sistema. Una variabile globale funzionale del Channel Manager memorizza un elenco di canali e informazioni su ciascun canale. L elenco dei canali è inizializzato con dati dal file di configurazione del Real-Time Controller. Le informazioni di calibrazione sono memorizzate dal loop Fpga Comm. Il loop File I/O utilizza le informazioni memorizzate per accedere alle informazioni dei canali e converte i dati grezzi in unità ingegneristiche. Il componente Real-Time Error Log (Rtel) offre un semplice metodo per la registrazione degli errori che tiene conto di considerazioni sulle prestazioni Real-Time, come l allocazione di memoria. Benché sia ottimizzato, non è sicuro utilizzare il componente da un loop realmente deterministico, perché esso accede ad un file su disco. L Rtel memorizza gli errori in un semplice formato Ascii con una dimensione fissa per linea e dimensioni massime del file definibili. Quando le dimensioni massime del file sono state raggiunte, l Rtel sovrascrive i nuovi errori sugli errori più vecchi. Notate che, per questo motivo, gli errori in un file di log Rtel non sono necessariamente in ordine cronologico. Il VI host include una utility per convertire i log Rtel in ordine cronologico. Il loop File I/O può brevemente mettere in pausa il logging per consentire la rimozione sicura dei dispositivi di memorizzazione. Il logging può essere messo in pausa da un host Windows o utilizzando uno switch sul CompactRIO. Notate che quando il logging è in pausa, i dati vengono ancora acquisiti e bufferizzati se il sistema riceve un trigger. Lasciare il logging in pausa per un periodo di tempo esteso porta ad un overflow del buffer. La quantità di tempo per cui si può mettere in pausa con sicurezza un sistema dipende dalle frequenze di acquisizione utilizzate. Il component Channel Based File I/O (Cbfio) è un API ad alto livello per scrivere dati basati su canale in un file. Attualmente, l API memorizza i file in formato Tdms, usando un implementazione Tdms basata su VI. Il Tdms offre un formato file flessibile che può essere scritto da qualsiasi sistema operativo ed è direttamente accessibile a programmi di analisi, ma non fornisce necessariamente le velocità di streaming più elevate disponibili. Il componente Cbfio è stato progettato tenendo presente la capacità di scrivere più tipi di file e in futuro potrebbero essere supportati altri formati di file. Questo loop utilizza anche la funzionalità Status Manager, Channel Manager e Rtel. Loop Switch/LED Control Il loop Switch/LED Control aggiorna i LED con valori dallo 14

16 TIPS & TECHNIQUES Status Manager ed invia comandi al loop File I/O tramite una coda quando gli switch sono modificati. macchina host Windows opzionale. Quando esiste una connessione, il loop aggiorna la macchina host con informazioni di stato e permette alla macchina host di escludere il comportamento standard del logger. Il loop Switch/LED Control aggiorna il LED User1 sul controllore CompactRIO. Il valore del LED User1 visualizza l abilitazione del logging. Potete usare questo LED per determinare quando è sicuro rimuovere un dispositivo di memorizzazione dopo avere disabilitato il logging. Potete anche alterare il comportamento di questo VI per visualizzare altre informazioni sul LED. Notate che il sistema aggiorna anche il LED Fpga disponibile su alcuni sistemi CompactRIO, ma gli aggiornamenti sono eseguiti dal codice dell Fpga. Il LED Fpgavisualizza se è in corso l acquisizione di dati. Il loop Switch/LED Control monitorizza lo stato dello switch User1 sul controllore CompactRIO. Quando lo switch è nella posizione ON, il loop invia un comando al loop File I/O tramite la coda di logging per mandare in pausa il logging. Quando lo switch è nella posizione OFF, il logging è abiulitato. Potete modificare il comportamento di questo VI per cambiare la funzione dello switch User1. Per esempio, potreste fare in modo che lo switch User1 dia il trigger per avviare e fermare l acquisizione, anziché mettere in pausa e riprendere il logging. Questo loop utilizza anche la funzionalità Status Manager e Rtel. Loop Host Communication Il loop Host Communication accetta connessioni da una La comunicazione diretta con l host utilizza il protocollo Simple TCP Messaging (STM). L host può inviare messaggi per resettare il sistema, mettere in pausa il logging o cambiare le impostazioni del monitor. Il target invia messaggi per trasmettere informazioni di stato e dati monitorizzati all host. Il loop usa anche la funzionalità Status Manager. Esso non utilizza invece l Rtel perché sono previsti errori nella comunicazione con l host, dato che le connessioni possono cadere ed essere ripristinate. Inoltre, l host è un elemento ausiliario del sistema, pertanto lo spazio di registrazione degli errori è riservato per un comportamento più critico del sistema stesso. Se non utilizzate il datalogger in un sistema dove l host è un tool essenziale, potete aggiungere l Rtel al loop Host Communication ed ignorare gli errori specifici associati con le connessioni cadute. Dettagli del VI Windows Host Il VI Windows Host offre un interfaccia utente per monitorare e gestire il datalogger, nonché per visualizzare i dati acquisiti.

17 11 TIPS & TECHNIQUES Loop Event Handler Questo loop risponde ad eventi dall interfaccia utente e legge i comandi STM in un evento di timeout. messa in pausa del logging. Indica inoltre errori comuni che possono verificarsi sul target. Un errore Fpga Overflow indica che il buffer DMA non è abbastanza grande per memorizzare i dati trasferiti, o che il loop Fpga Comm non è abbastanza veloce da svuotare il buffer. Un errore Fpga Overrun indica che il loop di acquisizione non può essere eseguito alla velocità di campionamento desiderata. Notate che ogni nodo di I/O dell Fpga richiede una minima quantità di cicli di clock in base ai canali che legge. Un errore RT Overflow indica che non è stato possibile scrivere i dati su disco abbastanza velocemente da svuotare il buffer di memoria fra il loop Fpga Comm ed il loop File I/O. Ciò indica che il throughput totale del sistema è troppo elevato per l architettura corrente o il formato di file impiegato. L host usa l FTP per trasferire file di dati e log di errori dal target. L host permette all utente di configurare la locazione del target sulla rete, la locazione dei file sul target, le locazioni locali per memorizzare i file trasferiti e, opzionalmente, un canale di acquisizione da monitorizzare. L host usa l STM per inviare messaggi di pausa, reset e impostazioni di monitoraggio. L host riceve dati di monitoraggio e messaggi di stato del sistema. L host permette di escludere il normale funzionamento del target mettendo in pausa il data logging o resettando il target. L host visualizza lo stato del sistema, ricevuto da messaggi STM. Esso include la segnalazione di un eventuale acquisizione in corso e l eventuale L host può monitorare dal vivo gli aggiornamenti dei dati su un singolo canale. Ciò è utile soprattutto per scopi di debugging o monitoraggio e potrebbe non essere disponibile se non vi è una sufficiente ampiezza di banda del processore sul target. L host crea finestre di pop-up per visualizzare il contenuto di file dati e log di errori una volta trasferiti con successo. Componenti richiesti L applicazione richiede la seguente configurazione hardware e software: Application Software: LabVIEW Professional Development System Toolkit e Add-On: LabVIEW Real-Time Module 8.5.1, LabVIEW Internet Toolkit 6.0, LabVIEW FPGA Module Hardware: CompactRIO Driver: NI-RIO Inoltre, prima di aprire l applicazione stessa, occorre installare alcuni componenti che troverete insieme al sorgente dell applicazione al seguente link: ni.com/italian Infocode: it6ktd Note sull autore Ryan King è un Systems Engineer in National Instruments Corporate. Si dedica alle applicazioni di datalogging imbarcabili e/o embedded e delle relative piattaforme hardware. Ha occupato in precedenza la posizione di Course Development Engineer nel dipartimento formazione di NI. readerservice.it n

18 DALLA TEORIA ALLA PRATICA 11 UNA CREATURA UMANO-ELETTRONICA E' stato sviluppato un sistema ibrido umano elettronico, un robot con 'cervello' di neuroni umani che risponde correttamente a comandi somministrati dall esterno Rita Pizzi La ricerca nel campo delle protesi bioelettroniche e della bionica in generale sta compiendo veloci progressi. Tuttavia, la dinamica delle reti di neuroni biologici ed il modo in cui queste controllano le informazioni non sono ancora stati compresi. A questo scopo, il gruppo Living Networks Lab (Dipartimento di Tecnologie dell Informazione dell Università degli Studi di Milano) ha sviluppato un sistema ibrido composto da una rete di neuroni umani connessi direttamente all elettronica per studiare i meccanismi alla base dell apprendimento e della memorizzazione. I neuroni umani, adesi ad array di microelettrodi (MEA - MicroElectrode Array), sono stati stimolati con pattern digitali. Le reazioni cellulari sono state registrate ed analizzate in tempo reale con una speciale rete neurale artificiale, che ha decodificato le reazioni dei neuroni ai diversi stimoli inviati, ed è stata connessa con un attuatore robotico. È stato possibile muovere l attuatore robotico somministrando alla rete di neuroni biologici specifici comandi digitali. La creatura ibrida umano-elettronica ha risposto in modo efficiente, mostrando che una rete di neuroni biologici può essere addestrata ed è possibile decodificarne i segnali. L'INTERFACCIAMENTO NEURONI-ELETTRONICA Negli ultimi anni sono state condotte numerose ricerche nel campo dell interfacciamento diretto fra elettronica e sistema nervoso, principalmente dedicate allo sviluppo di protesi elettroniche di supporto a deficit neurologici. Nonostante parziali successi, l impianto diretto di elettrodi nel cervello ha dato luogo a distruzione del tessuto nervoso, infezioni e rigetto. Per apportare un reale sviluppo a queste ricerche è necessario quindi utilizzare un metodo di interfacciamento fra neuroni ed elettronica che si dimostri meno invasivo dei metodi attualmente utilizzati. Parallelamente, la ricerca in campo neurofisiologico può 17

19 11 DALLA TEORIA ALLA PRATICA Fig. 1 - Schema del sistema sperimentale trarre giovamento da moderne tecnologie in grado di analizzare in dettaglio il comportamento di reti di neuroni, superando il limite attuale dell analisi da singolo neurone, evidentemente inadatta ad esplorare la complessità delle connessioni neurali. Utilizzando sistemi multielettrodo sono possibili nuovi successi nella ricerca neurofisiologica, in particolare nel campo ancora molto intricato della decodifica del segnale neurale. In particolare, l utilizzo di array di microelettrodi permette di non distruggere i neuroni utilizzati. Inoltre, i successi della robotica e della bionica indicano il progresso verso sistemi hardware/software in grado di emulare le funzionalità più evolute del cervello e del corpo umano, tanto da rendere immaginabili sistemi ibridi umani/elettronici le cui potenzialità sono ancora da esplorare. Semplici applicazioni dell evoluzione dell interfaccia uomo-macchina saranno però immediatamente sviluppabili per facilitare l utilizzo di PDA/telefonini IP sia da parte dei disabili che dei normodotati. Si prospetta infatti la possibilità di usare questi strumenti di lavoro e di comunicazione a mani libere, senza bisogno di tastiera e di video. Il Living Networks Lab si propone di approfondire la tematica dell interfacciamento fra sistemi hardware/software e neuroni biologici, utilizzando sistemi a multielettrodo su cui i neuroni vengono adesi. Ciò permette da un lato la loro miglior sopravvivenza rispetto ai sistemi invasivi in uso in precedenza, dall altra uno studio dettagliato delle interazioni fra neuroni e dell interfaccia fra reti di neuroni ed elettronica, rendendo possibili operazioni di acquisizione ed analisi di segnali e di stimolazioni di reti di neuroni secondo pattern complessi che simulano le percezioni sensoriali. Inoltre, l utilizzo di neuroni ricavati da cellule staminali, delle quali è nota la tendenza ad essere trapiantate facilmente in tessuti estranei, permette di sperare in una futura più efficace impiantabilità della protesi bioelettronica nel sistema nervoso. SPERIMENTAZIONI Sono state studiate in particolare alcune architetture di reti neurali artificiali tipiche (Kohonen e Hopfield), per la loro affinità strutturale e comportamentale con le reti neurali biologiche. Si è indagato sui meccanismi di apprendimento dei neuroni naturali aggregati secondo queste architetture in modo da valutare se effettivamente l agglomerato di neuroni biologici strutturato in una topologia di rete neurale artificiale sia in grado di trattenere una qualsivoglia tipo di informazione. Queste sperimentazioni hanno dato esito positivo, ossia hanno mostrato che reti di neuroni biologi aggregate in architetture Kohonen- o Hopfield-like sono in grado di apprendere e memorizzare pattern digitali somministrati con un sistema di stimolazioni elettriche parallele. Si è passati quindi ad una successiva fase, dove è stata sviluppata un interfaccia reti biologiche/computer atta a configurare i pattern di input con i quali le reti vengono stimolate, e a raccogliere gli output provenienti dai neuroni. Il software è stato scritto in LabVIEW, che controlla una scheda di acquisizione DAQ National Instruments tipo NI PXI La parte hardware è costituita da un controller custom che tramuta gli stimoli digitali in forme d onda adeguate per la stimolazione dei neuroni e le comunica al sistema di array di microelettrodi su cui sono adesi i neuroni in forma di rete di Hopfield. Il controller gestisce anche la digitalizzazione dei segnali di risposta emessi dalla rete di neuroni biologici e la trasmette al computer. I neuroni sono stati stimolati da diversi modelli di pattern digitali, in modo da apprenderli secondo la tecnica consolidata nella prima parte del progetto. Una volta nel computer, i segnali provenienti dai neuroni sono stati posti in cascata con una rete neurale artificiale ad hoc, sviluppata in C, che funge da decodificatore. I segnali così decodificati possono fungere da comandi per un attuatore robotico, che in questo modo risulta guidato dalla risposta neurale naturale a stimoli sensoriali simulati. L algoritmo di questa rete neurale artificiale, che abbiamo chiamato Itsom (Inductive Tracing Self Organizing Map), utilizza un sistema di riconoscimento di attrattori caotici nei segnali di input e si è rivelato il punto di forza del sistema complessivo. Infatti la mancanza di risultati definitivi in sperimentazioni avvenute nei pochi laboratori al mondo in possesso di queste tecnologie è motivata dalle limitazioni dell algoritmo utilizzato per decodificare i segnali provenienti dai neuroni biologici. 18

20 Fig. 2 - Pannello realizzato con LabVIEW Una serie di esperimenti off-line ha permesso di testare i vari moduli biologici ed artificiali prima di assemblarli in un unico sistema ibrido robotico-biologico. Infine siamo passati alla sperimentazione on-line, collegando via radio al computer un piccolo robot, che si muoveva in base alle reazioni della rete di neuroni umani a comandi direzionali somministrati dall esterno in forma di pattern digitali. RISULTATI Come anticipato dagli esperimenti off-line, il robot si è mosso in modo congruo agli stimoli sensoriali simulati. Risultato notevole, la possibilità di quantificare esattamente le prestazioni del sistema ibrido: la sensibilità (accuratezza) media sui quattro comandi direzionali è stata dell 80,11%, mentre la specificità (precisione) è stata del 90,50%. Possiamo quindi considerare il sistema ibrido un classificatore piuttosto efficiente. Di fatto dato vita ad una creatura ibrida formata da un piccolo cervello di neuroni umani e dotata di movimento robotico. Il risultato del progetto può essere letto quindi come un progresso sia nell interpretazione della dinamica neuronale che nell implementazione di un prototipo di protesi bioelettronica. Questa serie di esperimenti ci permette di mostrare da una parte la capacità di sviluppare un sistema hardware/software in grado di interagire con i neuroni umani e farli memorizzare ed apprendere percezioni simulate, dall altra la capacità da parte di una opportuna rete neurale artificiale di decodificare, in tempo reale, le reazioni dei neuroni fino a riuscire a pilotare gli attuatori del robot. In letteratura non vi sono attualmente lavori che abbiano ottenuto questo genere di risultati: infatti in nessun caso si è giunti a decodificare i segnali in modo da verificare se una rete di neuroni abbia o meno effettivamente appreso. Ciò che viene fatto in letteratura è affidare alla rete di neuroni stessa il compito di auto organizzarsi sotto l azione di stimoli esterni e di imparare a finalizzare il proprio comportamento. Quindi il vantaggio della nostra tecnica è da una parte la capacità di interpretare la semantica dei segnali, dall altra di poter in questo modo guidare l apprendimento fino a raggiungerne l efficacia voluta. Al di là delle applicazioni robotiche, la cui utilità spazia dal campo industriale a quello sanitario a quello domotico, la prima utilizzazione di questo sistema è da ritenersi lo sviluppo di protesi bioniche minimamente invasive capaci di migliorare o sostituire funzionalità nervose danneggiate. Si può prevedere che gli sviluppi futuri di un sistema di questo tipo possano portare parallelamente a progressi in neurofisiologia, con miglioramento della conoscenza delle funzionalità di apprendimento e di memorizzazione delle reti di neuroni biologiche. Nell immediato, applicazioni dirette saranno lo sviluppo di interfacce uomo-macchina direttamente guidate dal nostro sistema sensoriale, utili all aumento della funzionalità dei dispositivi mobili di comunicazione sia per disabili che per tutti i normodotati. Tali interfacce potranno essere concepite con invasività nulla o fino alla totale biointegrazione. PROSPETTIVE FUTURE L evoluzione futura di questo prototipo è principalmente lo sviluppo di protesi bioelettroniche in supporto a lesioni del sistema nervoso, ma sono pronosticabili altre applicazioni più immediate nel campo dell interfaccia uomo-macchina biointegrata. Note sugli autori Rita Pizzi è coordinatrice del Living Networks LAB - Dipartimento di Tecnologie dell Informazione presso l'università di Milano readerservice.it n

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