plasduino Congresso Nazionale della SIF Trieste, settembre 2013 Open source data acquisition framework

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1 plasduino Open source data acquisition framework Luca Baldini 1,2, Carmelo Sgrò 2, Enrico Andreoni 1, Franco Angelini 1, Andrea Bianchi 1, Johan Bregeon 3, Francesco Fidecaro 1, Marco Maria Massai 1, Virginio Merlin 1, Jacopo Nespolo 1, Melissa Pesce-Rollins 2, Stefano Orselli 1 1 Dipartimento di Fisica E. Fermi, Università di Pisa 2 INFN Sezione di Pisa 3 CNRS IN2P3/INSU, Montpellier Congresso Nazionale della SIF Trieste, settembre 2013

2 Introduzione Plasduino è un progetto per un ambiente hardware e software di acquisizione dati concepito per esperienze didattiche. Mira ad essere: Semplice ed estendibile: Semplice da installare; Semplice da utilizzare; Adattabile con poco sforzo alle proprie esigenze. Economico ( 50 e): Replicabile senza investimenti proibitivi sulla scala di un laboratorio didattico. Completamente aperto (Free and Open Source): Utilizza solo componenti (hardware e software) aperti; Il codice sorgente è liberamente accessibile sotto licenza GPL; Gli schemi elettronici e la documentazione sono disponibili sulla pagina web del progetto. Luca Baldini (UNIPI and INFN) SIF / 12

3 Arduino: il cuore del sistema Connettore USB I/O digitali Alimentazione esterna Microcontrollore I/O analogici Arduino: una piattaforma open di prototipizzazione elettronica: Flessibile, facile da utilizzare, realizzata in Italia; Programmabile ad alto livello (C/C++), ampia libreria di funzioni; Utilizzato e supportato da una comunità numerosa ed attiva. Una tipica scheda di Arduino (per 23 e) offre: Un microcontrollore; 14+ ingressi/uscite digitali (con supporto per PWM e interrupt); 6+ ingressi analogici con ADC a 10/12 bit; Un interfaccia seriale via USB. Luca Baldini (UNIPI and INFN) SIF / 12

4 Gli shield Connettori per i sensori Uno shield è un circuito stampato da connettere sopra la scheda di Arduino. Agisce da interfaccia con il mondo esterno: connettori per i sensori, condizionamento dei segnali, led, calibrazione interna. Uno shield supporta in genere più di un esperienza didattica. e.g., abbiamo uno shield unico per un pacchetto di 7 esperienze di meccanica e termodinamica (replicabile a 25 e). Disegnati in casa ed assemblati dai tecnici di laboratorio: Descrizione, schemi elettronici, maschere e lista dei componenti disponibili sulla pagina web del progetto. Luca Baldini (UNIPI and INFN) SIF / 12

5 Il software di acquisizione plasduino offre un ambiente completo di acquisizione dati da eseguire su un PC connesso ad Arduino. Implementato nel linguaggio di programmazione Python 1 ; Multipiattaforma (GNU/Linux, Windows, Mac OS); Un applicazione multi-thread per il controllo dell acquisizione: Riconoscimento automatico della porta USB cui è connesso Arduino; Semplice protocollo di comunicazione per facilitare il debug; Caricamento automatico del firmware sul microcontrollore; Raccolta, elaborazione ed archiviazione dei dati. Un sistema completo di logging (su terminale e file). Una vasta gamma di widget per l interfaccia grafica. Organizzati in moduli da assemblare a piacimento (vedi la prossima diapositiva). Librerie per gestire sensori e dispositivi. Un insieme di moduli per esperienze specifiche. 10k linee di codice nel complesso. 1 È il linguaggio con la crescita di popolarità più grande nello scorso decennio. Luca Baldini (UNIPI and INFN) SIF / 12

6 L interfaccia grafica 1 1 Logo disegnato da Rosalia Nunziante Luca Baldini (UNIPI and INFN) SIF / 12

7 L interfaccia grafica 1 Luca Baldini (UNIPI and INFN) SIF / 12

8 Calibrazione delle misure di tempo Deviation T-1e6 [µs] heating the board Elapsed time [s] Entries/bin Entries 1601 Mean ± RMS ± Underflow 0 Overflow 0 First 1600 s Deviation T-1e6 [µs] La libreria di Arduino fornisce un timer incrementato dal clock a 16 MHz prescalato di un fattore 64: i.e., con una granularità nominale di 4 µs. Testato in laboratorio il 1PPS di un GPS (e con un impulsatore): RMS dell intervallo misurato tra due 1PPS successivi di 1.8 µs, non lontano da 4/ 12 µs. Deviazione media dal valore nominale di 100 µs (su 1 s) a temperatura ambiente. La granularità di 4 µs è vera. Errore sistematico di 10 4 sulle misure di tempo. Luca Baldini (UNIPI and INFN) SIF / 12

9 Il pendolo digitale T set to 10 µs Period T [s] Traguardo ottico Amplitude θ [rad] Misura del periodo T e del tempo di transito di una bandierina nel punto più basso. Misura dello smorzamento esponenziale (?) Trascurando le perdite di energia in una oscillazione possiamo stimare l ampiezza θ max. Misura dell anarmonicità del pendolo. Si apprezza chiaramente il termine in θ 4! Luca Baldini (UNIPI and INFN) SIF / 12

10 Il pendolo digitale Traguardo ottico Period T, Data-Fit [ms] T(θ)=T ( θ ) Amplitude θ [rad] Misura del periodo T e del tempo di transito di una bandierina nel punto più basso. Misura dello smorzamento esponenziale (?) Trascurando le perdite di energia in una oscillazione possiamo stimare l ampiezza θ max. Misura dell anarmonicità del pendolo. Si apprezza chiaramente il termine in θ 4! Luca Baldini (UNIPI and INFN) SIF / 12

11 Il pendolo digitale Traguardo ottico Period T, Data-Fit [ms] T(θ)=T ( θ θ ) Amplitude θ [rad] Misura del periodo T e del tempo di transito di una bandierina nel punto più basso. Misura dello smorzamento esponenziale (?) Trascurando le perdite di energia in una oscillazione possiamo stimare l ampiezza θ max. Misura dell anarmonicità del pendolo. Si apprezza chiaramente il termine in θ 4! Luca Baldini (UNIPI and INFN) SIF / 12

12 Il pendolo analogico All ingresso analogico +5 V Position [ADC counts] 600 χ 2 = / V Residuals Time [s] Time [s] Utilizziamo una punta immersa in acqua come partitore resistivo. Direttamente ad uno degli ingressi analogici. 10 bit (2 10 = 1024) di ADC su 20 cm corrisponde ad una risoluzione spaziale di 200/ µm. Il χ 2 ed i residui indicano che, almeno vicino al centro, non siamo lontani dalla risoluzione teorica. Non-linearità residua al livello di qualche % ai bordi. Luca Baldini (UNIPI and INFN) SIF / 12

13 Un generatore di forme d onda a buon mercato Basato sul circuito integrato AD9833. Disponibile a 5 e dal vostro rivenditore di fiducia. Montato su uno shield ed interfacciato tramite protocollo SPI. Onda quadra, triangolare e sinusoidale, frequenza variabile fino a qualche centinaio di khz. Sostituto economico per il vostro generatore da banco? Luca Baldini (UNIPI and INFN) SIF / 12

14 Stato dell arte Primo pacchetto di 7 esperienze didattiche complete: Digitali : piano inclinato, pendolo; Analogiche : oscillazioni smorzate, oscillazioni forzate, misure di temperatura; Bonus: tavolo ad aria, simulazione del lancio di dadi. Utilizzate con successo lo scorso anno nel corso di Laboratorio di Fisica per gli studenti del primo anno all Università di Pisa. Numerose segnalazioni di bug e richieste di funzionalità da parte degli studenti. Molti studenti hanno scaricato ed installato il pacchetto a casa. Uno studente ha creato un pacchetto di installazione per la sua distribuzione favorita (archlinux) di GNU/Linux! Prima versione stabile in fase di rilascio. Verrà utilizzata nell anno accademico appena iniziato. Speriamo di estendere l esperienza ai laboratori degli anni successivi. Sono in fase di studio un semplice oscilloscopio a due canali ed un DAQ per leggere fototubi. E perché no? alle scuole superiori. Luca Baldini (UNIPI and INFN) SIF / 12

15 Conclusioni Alcuni link utili: Pagina web del progetto: Download: Repositorio: Issue tracker: Ogni manifestazione di interesse è benvenuta. Luca Baldini (UNIPI and INFN) SIF / 12