GOES INDUSTRIAL CREAZIONE E DISTRIBUZIONE 2008 E 5,00 LABVIEW LE CHANNEL API NI-CAN DELLE APPLICAZIONI SETTEMBRE

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1 07 SETTEMBRE 2008 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 LABVIEW GOES INDUSTRIAL LE CHANNEL API NI-CAN CREAZIONE E DISTRIBUZIONE DELLE APPLICAZIONI

2 1 SCENARIO 07 UN INVITO A ESPRIMERSI RIVOLTO ALLA COMUNITÀ LABVIEW WORLD NIWeek 2008: con un incremento del 23% rispetto all'edizione precedente, quest'anno è stato toccato un nuovo record di visitatori registrati. Il primo giorno risultavano oltre 2600 iscrizioni, un numero che probabilmente è aumentato nel corso delle giornate seguenti. Che cosa significa? Le chiavi di lettura possono essere diverse, ma ora vogliamo focalizzarci su una di essere in particolare: voi, utenti di LabVIEW, avete ormai raggiunto le dimensioni di una città, di una folla compatta; o, come direbbero negli Stati Uniti, di una lobby. Una lobby in grado di influenzare, con il proprio lavoro e la propria ricerca di soluzioni innovative, ogni aspetto delle vita industriale, scientifica ed anche quotidiana del pianeta. Non pensiamo di esagerare, perché se ai 2600 iscritti di NIWeek aggiungiamo le centinaia di registrati all'edizione italiana di NIDays, le migliaia di utenti LabVIEW che hanno partecipato ad altri eventi National Instruments nel mondo e tutti coloro che per qualche motivo non hanno partecipato, otteniamo un numero davvero impressionante. E' la comunità di LabVIEW, che si organizza, si esprime e si informa dinamicamente lungo mille canali diversi, ben sintetizzati da Nadia Albarello nell'articolo che troverete in questo numero. E, fra questi mille canali, vi è ormai da due anni quello della comunità di LabVIEW World, la rivista che state sfogliando. Normalmente si dice "Abbiamo fatto una scommessa, abbiamo vinto" per spiegare il successo di un'iniziativa come questa. Noi preferiamo dire "Sapevamo che in Italia esisteva una comunità numerosa e motivata, le abbiamo dato voce". Perché non abbiamo scommesso su una previsione aleatoria, ma su un dato certo: mancava un magazine dedicato a tutti coloro che ruotano attorno a LabVIEW, il nostro editore ha deciso di colmare la lacuna. Che cosa manca ancora per chiudere il cerchio (o il loop, visto che parliamo a tecnici)? Manca il feedback della comunità, non solo su quello che scriviamo, ma su tutto ciò che succede nel mondo LabVIEW: eventi e seminari proposti da National Instruments e i suoi partner, ricerche e altre attività in ambito accademico, progetti realizzati da scuole o singoli ricercatori, e così via. Il nostro è quindi un invito ad esprimersi rivolto alla comunità LabVIEW World, che ha sicuramente molte cose da dire e da condividere. Come fare? Le modalità sono numerose. Per esempio, esistono forum di discussione (a partire da quello di ILVG.it), blog e altri cyberspazi specializzati dove fare sentire la propria voce. Ed esiste il vecchio sistema che consiste nel mettere nero su bianco la descrizione della propria applicazione e nello spedire il tutto alla redazione. Nulla verrà scartato: valuteremo tutte le vostre idee e, le più interessanti, saranno pubblicate. Vi chiediamo solo chiarezza espositiva e belle immagini. Perché tenere per voi una bella idea quando potreste condividerla con altre persone che hanno i vostri stessi interessi? In futuro non mancheranno altre 'piazze' dove presentarvi e raccontare che cosa state facendo, che cosa vi piacerebbe trovare nella prossima release di LabVIEW, e così via. Non mancheranno nemmeno sondaggi su aspetti riguardanti il vostro rapporto con LabVIEW e le vostre proposte per diffonderne ulteriormente la conoscenza.

3 SOMMARIO UN INVITO A ESPRIMERSI RIVOLTO ALLA COMUNITÀ LABVIEW WORLD Raccontateci le vostre applicazioni LABVIEW GOES INDUSTRIAL Parla John Hanks, Vice President Product Marketing per l'acquisizione dati ed il controllo industriale INTRODUZIONE AI VI BLAS IN LABVIEW Vediamo come utilizzare la propria libreria BLAS personale al posto dei VI installati da LabVIEW LABVIEW EMBEDDED PER MICROCONTROLLORI ARM Un'estensione della piattaforma grafica consente di programmare le famiglia ARM7, ARM9 e Cortex-M3 LA CHANNEL API NI-CAN Spieghiamo i fondamenti della Channel API per il driver NI-CAN LABVIEW PER L'ELABORAZIONE DI SEGNALI ECG LabVIEW offre un ambiente solido ed efficiente per l'elaborazione dei segnali ECG SISTEMA DI TELERIABILITAZIONE NU!REHA La riabilitazione a distanza alla portata di personale non esperto IMOSE: IMPIANTO DI MOVIMENTAZIONE DI SEMILAVORATI Un modello hardware di una cella manifatturiera economicamente vantaggioso CREAZIONE E DISTRIBUZIONE DELLE APPLICAZIONI Creazione di un'applicazione stand-alone e di un installer RICHIAMARE OGGETTI IN LABVIEW (II PARTE) LabVIEW permette di accedere ad altre applicazioni Windows utilizzando le tecnologie.net o ActiveX A TUTTO GAS CON L'AUTOMOTIVE FORUM 2008 Si è svolto a Torino l'evento biennale dedicato al mercato automotive LABVIEW COMMUNITY? SI' GRAZIE I benefici della membership ai gruppi di discussione e social network che ruotano attorno a LabVIEW AUTOMATED TEST SUMMIT 2008 Il convegno sul test automatizzato si è riproposto nella sua 5a DALLA CARTA AL WEB Link ad articoli di approfondimento e altri documenti disponibili sul web LA VOCE DEGLI UTENTI Ecco alcuni spunti di discussione apparsi di recente sul Forum di ILVG.it GRANDE SUCCESSO PER BIAS E VISION FOR MANUFACTURING L'importanza di un contatto diretto con i fornitori non mostra segni di cedimento 43 APPUNTAMENTI Oltre ad organizzare propri corsi e seminari, National Instruments sarà presente a numerosi eventi INTERVISTA Il professor Alessandro Ferrero insegna Misure Elettriche presso il Politecnico di Milano LABVIEW E LAVORO Proposte concrete per coloro che sanno utilizzare LabVIEW AAA 2 Per il contributo apportato al progetto LabView World, si ringraziano: Valerio Alessandroni, Lino Fiore, Matteo Bambini, Nadia Albarello, Matteo Foini, Alessandro Ricco. Progetto grafico e impaginazione: Bimage.it SEI UN FAN DI LABVIEW? ENTRA NELLA NOSTRA COMUNITÀ! Caro lettore, se ritieni che questa nuova iniziativa LabVIEW World sia un utile strumento per la tua attività e desideri continuare a rimanere aggiornato sul mondo LabVIEW, collegati alla pagina

4 A TU PER TU 07 LABVIEW GOES INDUSTRIAL Valerio Alessandroni L'azienda dispone oggi di due diverse piattaforme: una dedicata al test and measurement, l'altra per il prototipaggio e la produzione In quanto Vice President Product Marketing per l'acquisizione dati ed il controllo industriale, John Hanks ha la responsabilità di guidare la strategia di prodotto ed il marketing. Una selle sue principali responsabilità è la collaborazione con il reparto R&D sullo sviluppo di prodotti futuri di acquisizione dati, I/O distribuito e controllo. Nel corso di NIWeek 2008 abbiamo rivolto alcune domande a John Hanks. Perché National Instruments ha deciso di D: entrare nel mondo industriale e quali sono le mosse dell'azienda verso questo obiettivo? La risposta alla prima parte della domanda è semplice: R: le richieste dei nostri clienti ci hanno portato ad aggiungere prodotti per il controllo industriale. I nostri attuali prodotti di controllo industriale sono emersi dalla nostra lunga presenza nel campo del test automatizzato. Abbiamo visto la richiesta dei clienti di una tecnologia di misura più precisa, di velocità di controllo più elevate e di capacità di analisi più avanzate per le applicazioni industriali. Oggi vediamo la domanda di capacità di progettazione più custom. I clienti vogliono poter trarre vantaggio da nuove tecnologie come i Field Programmable Gate Arrays (FPGA). Con LabVIEW, gli sviluppatori possono ottenere i benefici dei tool di progettazione grafica di sistema per progettare più velocemente loop di controllo ed eseguire timing ed analisi avanzati che, fino a pochi anni fa, avrebbero richiesto la progettazione di hardware customizzato. Quali sono le caratteristiche principali di D: LabVIEW 8.6 e degli altri nuovi prodotti National Instruments che li rendono più industriali? Per esempio, in LabVIEW 8.6 abbiamo introdotto una R: serie di blocchi funzione normalmente utilizzati nelle applicazioni di controllo industriale basate sullo standard IEC , come i controllori programmabili (PLC) ed i Pro grammable Automation Controller (PAC). Questi blocchi funzione sono stati progettati per applicazioni industriali real-time. Inoltre, sulla piattaforma CompactRIO FPGA vi sono nuove caratteristiche come lo Scan Engine, che permette di eseguire un loop di I/O in real-time all'interno dell'fpga, senza la necessità di scrivere codice FPGA. Quindi, gli utenti industriali possono facilmente sfruttare la tecnologia degli FPGA nella piattaforma CompactRIO. Tuttavia, se si vuole programmare l'fpga a basso livello, è ancora possibile farlo. Pertanto, si possono sfruttare le caratteristiche di facilità d'uso ad alto livello dello Scan Engine, ma rimane la possibilità di lavorare a basso livello per fare qualche customizzazione. Quale sarà il prossimo passo di National D: Instruments nella direzione industriale? Fig. 1 - Afferma John Hanks: "Abbiamo oggi una nuova gamma di soluzioni per il test ed un offerta customizzata per le applicazioni industriali, sviluppate intorno alle capacità offerte dagli FPGA" Recentemente abbiamo compiuto molti passi interessanti. Per esempio, abbiamo appena introdotto la fami- R: glia di prodotti Single-Board RIO. Ciò significa che si possono migrare i propri progetti da una piattaforma modulare basata 3

5 07 A TU PER TU abbiamo introdotto la nostra versione di un motore con azionamento, attraverso un nostro partner. Il motivo è che i nostri clienti desiderano acquistare tutti i componenti da National Instruments ed avere il nostro supporto. Un altro esempio è un nuovo prodotto HMI che abbiamo rilasciato lo scorso anno e che è testato e verificato per funzionare con LabVIEW. Quindi, vediamo continue opportunità per nuove relazioni anche in futuro. A questo punto, National Instruments ha D: un'offerta completa per lo spazio industriale, inclusi LabVIEW 8.6, il Single-Board RIO, prodotti DAQ Ethernet e wireless, telecamere, e così via. Può citare qualche applicazione concreta che avete già affrontato e risolto con questi nuovi prodotti? Fig. 2 In parallelo al lancio di LabVIEW 8.6, abbiamo introdotto otto nuovi prodotti per otto possibili applicazioni del Single-Board RIO sulla piattaforma CompactRIO esistente ad na piattaforma embedded a livello di scheda. Vediamo molti costruttori di macchine e di dispositivi embedded che vogliono utilizzare il CompactRIO, ma in un altro formato, o che desiderano realizzare il proprio packaging. Per esempio, essi possono avere la necessità di un packaging IP67, ossia impermeabile, oppure di inserire il CompactRIO in un packaging militare o aerospaziale o anche in un packaging a basso costo. Quindi, in parallelo al lancio di LabVIEW 8.6, abbiamo introdotto otto nuovi prodotti Single-Board RIO. Inoltre, i prodotti Single-Board RIO han no tre connettori per moduli embedded della serie C per l'espan sione degli I/O. Gli stessi moduli di I/O utilizzati per il CompactRIO possono essere usati anche con il Single-Board RIO. Un'altra introduzione importante sono dieci nuovi prodotti per l'acquisizione dati tramite Ethernet e wireless. Vediamo molti clienti interessati nell'ottimizzazione delle macchine e nel monitoraggio di macchine e vibrazioni che vogliono la comunicazione Ethernet o wireless. Con Ethernet è possibile eseguire misure ad alta velocità fino a 90 metri dal controllore, mentre con i prodotti di acquisizione dati Wi-Fi la distanza è di circa 30 metri. In futuro, lavoreremo ad una sincronizzazione molto precisa su Ethernet. E prenderemo in esame nuove aree e nuovi prodotti che ruoteranno attorno ad un I/O real-time, deterministico e distribuito su Ethernet". National Instruments stringerà qualche D: partnership per entrare più facilmente nel settore industriale? Abbiamo già molte partnership che ci aiutano. Per esempio, da molti anni abbiamo relazioni con fornitori di tele- R: camere, motori e azionamenti. Nel corso dell'ultimo anno Un esempio significativo è stato sviluppato da Ventura R: Aerospace per Federal Express. Ventura Aerospace ha sviluppato un nuovo sistema di misura e controllo per la soppressione degli incendi per proteggere i piloti, gli aeromobili, i pacchi ed il cargo. Se l'incendio scoppia mentre un aeromobile è in volo sull'oceano, non vi sono possibilità di atterraggio sicuro. Inoltre, mentre il velivolo cerca di atterrare, l'incendio peggiora ulteriormente, a causa della maggiore quantità di ossigeno che è contenuta negli strati più bassi dell'atmosfera. Il nuovo sistema sviluppato per Federal Express, che è basato sul Single-Board RIO, migliora nettamente la sicurezza a bordo. Un'altra applicazione aiuta a sopravvivere i neonati prematuri. I neonati che vengono al mondo troppo presto, infatti, possono non avere appreso il riflesso che li spinge a succhiare, quindi non riescono a nutrirsi. Una nuova apparecchiatura fondamentalmente insegna al neonato ad acquisire il riflesso di succhiare, misurando la pressione fra le sue labbra. Possiamo trovare altri esempi significativi, per esempio, nelle acciaierie, negli impianti eolici, nel campo della meccatronica, ecc. Nell'acciaieria Nucor, in particolare, viene utilizzato CompactRIO per creare un nuovo processo di misura della temperatura e pesatura delle scorie metalliche che sostituisce alcune operazioni ad alto contenuto di manodopera ed è molto più sicuro per gli operai. E' stato riportato un miglioramento di dieci volte nell'efficienza d'uso della potenza. L'azienda utilizza quelli che chiama 'cicli'. Se in un ciclo viene commesso un errore, è necessario resettare l'impianto, sprecando una grande quantità di energia perché occorre riscaldare nuovamente le scorie. Un altro comparto particolare dove abbiamo una lunga esperienza è quello della visione artificiale applicata ai robot. In questo campo, collaboriamo con ImagingLab, un'azienda italiana fondata da Ignazio Piacentini, che sta cercando di interfacciare LabVIEW con robot Mitsubishi e Denso in modo intercambiabile. 4

6 A TU PER TU National Instruments ha qualche programma educativo particolare per promuovere la D: crescita dei futuri ingegneri di automazione? Ne abbiamo molti. A parte la nostra partnership con R: Lego, che ha portato ad annunci come Lego Mindstorms e WeDo, stiamo sponsorizzando l'iniziativa FIRST (For Inspiration and Recognition of Science and Technology) e la sua Robotics Competition itinerante negli Stati Uniti. Circa 4000 studenti hanno partecipato al 'Superbowl' dell'ultima edizione ad Atlanta, ed il numero sta crescendo. Fondata da Dean Kamen, la FIRST Robotics Competition sfida squadre di giovani con i loro mentori a risolvere un problema comune in un arco temporale di sei settimane utilizzando un 'kit di parti' standard ed un insieme di regole comuni. Le squadre costruiscono robot utilizzando i componenti forniti e li inseriscono in competizioni progettate da un comitato di ingegneri ed altri professionisti. FIRST ridefinisce la vincita per questi studenti, perché essi vengono premiati per l'eccellenza nella progettazione, lo spirito di squadra che hanno dimostrato, la professionalità sportiva e la maturità, e la capacità di superare ostacoli. Ottenere il punteggio più alto è un obiettivo secondario. Vincere significa costruire partnership durevoli. Infine, un'altra area di grande interesse per noi è quella dei veicoli autonomi. In particolare, abbiamo lavorato con Torc ed il Virginia Polythecnic Institute alla costruzione di un veicolo capace di viaggiare senza conducente per 60 miglia in un ambiente urbano. Il veicolo, battezzato Odin, ha vinto il terzo premio nella gara urbana del Darpa dello scorso anno. National Instruments sta ponendo una grande enfasi sul concetto di Green Engineering, D: ossia sull'applicazione di tecniche di misura e controllo per progettare, sviluppare e migliorare prodotti, tecnologie e processi al fine di ottenere benefici ambientali ed economici. Questo concetto verrà applicato anche all'automazione industriale? R: In qualche modo, le due aree sono simili. In particolare, stiamo vedendo che le applicazioni industriali stanno reinvestendo nell'infrastruttura per renderle più efficienti sul piano energetico e 'verdi'. Per questo motivo, stanno anche cercando di migliorare la resa e ridurre gli sprechi, per esempio abbassando i costi con l'uso di misure wireless. National Instruments ha dei tool meravigliosi per prototipare un'applicazione e renderla più efficiente sul piano energetico. In molti casi, il nuovo Sinlge-Board RIO ci permette di implementare l'applicazione in modo più conveniente, a bassa potenza ed efficiente. Readerservice.it n

7 07 WHAT S NEW a cura di Matteo Foini INTRODUZIONE AI VI BLAS IN LABVIEW Questo articolo discute i benefici che si ottengono utilizzando i VI BLAS in LabVIEW IVI BLAS sono una nuova funzionalità di LabVIEW. L articolo spiega come utilizzare la vostra libreria BLAS personale al posto dei VI installati da LabVIEW. CHE COSA SI INTENDE CON BLAS? Le Basic Linear Algebra Subroutine (BLAS) sono routine che forniscono funzioni standard per operazioni vettoriali e matriciali di base. Tali routine sono classificate nei seguenti gruppi: BLAS di livello 1: operazioni vettoriali BLAS di livello 2: operazioni matricevettore BLAS di livello 3: operazioni matricematrice Per esempio, dgemm è una funzione BLAS di livello 3 che calcola il prodotto reale matrice-matrice utilizzando la seguente espressione: op (A) op (B) + C dove e sono scalari, A, B e C sono matrici, e op (A) è A o A T. Le routine BLAS sono comunemente utilizzate nello sviluppo di software di algebra lineare, come avviene per le librerie LAPACK (http://it.wikipedia.org/wiki/lapack). CHE COSA SONO I VI BLAS DI NI? I VI BLAS sono una nuova funzionalità delle versioni Full e Professional di LabVIEW. Tali VI offrono un alternativa agli algoritmi di algebra lineare esistenti in Figura 1 LabVIEW, mettendo a disposizione un interfaccia che espone funzionalità di più basso livello e algoritmi ottimizzati. Rispetto alle funzioni BLAS standard, i VI BLAS in LabVIEW offrono i seguenti vantaggi: API semplificata e concisa per esigenze ingegneristiche Controllo della memoria prima dell esecuzione dei calcoli per evitare violazioni dello spazio di memoria SCEGLIERE FRA I VI BLAS E I VI DI ALGEBRA LINEARE Poiché i VI BLAS offrono opzioni flessibili ed elevate prestazioni, potete utilizzarli come blocchi primari in algoritmi di algebra lineare complessi e avanzati. LabVIEW mette a disposizione alcuni VI di algebra lineare di base, come A x B VI, Dot Product VI e Outer Product VI. Il vantaggio di utilizzare i VI BLAS è evidente quando si combinano più operazioni di algebra lineare. Ciò riduce la copia dei dati in LabVIEW e garantisce esecuzioni ottimizzate. La seguente espressione illustra come potete combinare tipiche funzioni di algebra lineare nei VI BLAS: A T X + b Y dove è scalare, A è una matrice e X e Y sono vettori. Con i VI di algebra lineare, vi occorrono cinque diversi VI e funzioni per eseguire questo calcolo, come si vede nello schema a blocchi della fig. 1. 6

8 WHAT S NEW BREVI Figura 2 Potete sostituire questi cinque VI e funzioni con il VI gemv - Generate Matrix- Vector Product, come illustrato nello schema a blocchi della fig. 2. Quindi, i VI BLAS vi permettono di semplificare il codice sullo schema a blocchi. Tuttavia, l uso dei VI BLAS può comportare anche degli svantaggi. Per esempio, l uso dei VI BLAS richiede che LabVIEW carichi una nuova libreria, lvblas.dll, in memoria. Su un target real-time, questa DLL richiede circa 270 kb. Pertanto, su sistemi che hanno una memoria limitata, come un controllore NI FP-20xx, è vantaggioso usare solo i VI di algebra lineare esistenti. UTILIZZO DELLE VOSTRE LIBRERIE BLAS I VI BLAS richiamano librerie BLAS ben ottimizzate per offrirvi prestazioni elevate su una varietà di piattaforme. Potete anche usare i VI BLAS per richiamare la vostra libreria BLAS seguendo i passi riportati di seguito. Consideriamo, per esempio, la funzione dtrmm. 1. Scaricate e unzippate il file blastemplate.zip allegato. 2. Rinominate la vostra libreria statica BLAS come glapack.lib e sostituite il file glapack.lib presente nella directory BLAS\blaslapack\gblaslapack con il nuovo file che avete rinominato. 3. Rinominate il file d intestazione della vostra libreria BLAS come cblas.h e sostituite il file cblas.h nella directory BLAS\blaslapack\include con il nuovo file. 4. Aprite BLAS\LVBLAS\build\win32\ LVBLAS.sln in Visual Studio Eseguite il build del progetto LVBLAS in modo da ottenere lvblas.dll. 6. Sostituite lvblas.dll nella directory labview\resource con la nuova DLL. È possibile scaricare l esempio da: ni.com/italian - infocode: it59xt Readerservice.it n. 703 Nuovo toolkit LabVIEW per il test dei ricevitori GPS National Instruments ha rilasciato il nuovo NI GPS Toolkit for LabVIEW, in grado di simulare il segnale GPS proveniente da più satelliti. Utilizzando LabVIEW, per creare forme d onda in grado di simulare fino a 12 satelliti (codici C/A nella banda L1), unitamente al generatore vettoriale di segnali RF NI PXIe-5672, è possibile testare alcune caratteristiche del ricevitore quali sensibilità, TTFF (time to first fix) e accuratezza. Grazie al nuovo toolkit, è possibile utilizzare un insieme di forme d onda GPS simulate e registrate come soluzione completa e a basso costo per validare e verificare la progettazione di un ricevitore. La registrazione via etere dei segnali GPS, tramite un analizzatore vettoriale di segnali RF NI PXI-5661 e un preamplificatore NI PXI-5690 (amplificatore a basso rumore), mostra le stesse interferenze che un ricevitore presenterebbe realmente durante la cattura dei segnali GPS. Questi dispositivi sono in grado di generare segnali simulati e registrati con l'analizzatore vettoriale di segnali RF NI PXIe-5672, con trasmissione continua di forme d onda GPS da disco rigido. Utilizzando dischi RAID da 2 TB, è possibile generare fino a 12,5 minuti di forme d onda simulate non ripetitive oppure 25 ore di segnale continuo GPS registrato, per testare le modalità di risposta del ricevitore entro una vasta gamma di possibili condizioni operative. È possibile combinare il GPS Toolkit con il Modulation Toolkit per LabVIEW, il software per la gestione dei test NI TestStand e la strumentazione modulare RF PXI per una soluzione completa e a basso costo per i test in produzione. Poiché la strumentazione modulare PXI viene definita via software, lo stesso sistema PXI è in grado di testare dispositivi wireless che utilizzano altri standard quali RDS, WiFi, GSM, WCDMA, Bluetooth e DVB. Readerservice.it n. 704 SEI UN FAN DI LABVIEW? ENTRA NELLA NOSTRA COMUNITÀ! Caro lettore, se ritieni che questa nuova iniziativa LabVIEW World sia un utile strumento per la tua attività e desideri continuare a rimanere aggiornato sul mondo LabVIEW, collegati alla pagina 7

9 07 WHAT S NEW LABVIEW EMBEDDED PER MICROCONTROLLORI ARM Un nuovo LabVIEW Embedded Module consente di programmare le famiglie di microcontrollori ARM7, ARM9 e Cortex-M3 National Instruments ha recentemente introdotto LabVIEW Embedded Module per Micro - controllori ARM, un estensione della piattaforma grafica che consente di programmare direttamente le famiglie di microcontrollori ARM7, ARM9 e Cortex-M3. ARM è il principale fornitore industriale di processori RISC embedded a 32 bit, con una quota di mercato superiore al 75 per cento e oltre 10 miliardi di dispositivi basati su core ARM consegnati fino ad oggi. ARM concede su licenza la proprietà intellettuale (IP) a molte delle maggiori società di semiconduttori del mondo, tra cui Analog Devices, Atmel, Luminary Micro, NXP, Freescale Semiconductor, Intel e Texas Instruments. BENEFICI DEI MICROCONTROLLORI I microcontrollori sono microprocessori integrati che includono memoria, periferiche ed interfacce oltre alla CPU su un chip singolo. Ciò li rende una soluzione conveniente per sistemi embedded e ideale per applicazioni di controllo e applicazioni comandate da interrupt. I microcontrollori ARM sono utilizzati in un'ampia gamma di applicazioni, da beni di consumo diffusi come la Sony PlayStation 3 a dispositivi industriali e medicali come lo stimolatore muscolare portatile BIAC. UN APPROCCIO PIÙ LINEARE ALLA PROGRAMMAZIONE LabVIEW Embedded Module per Microcontrollori ARM consente di programmare oltre 260 microcontrollori di 10 fornitori. Questo modulo include driver LabVIEW che permettono di programmare graficamente tutti i componenti del microcontrollore ARM, inclusi gli I/O analogici e digitali. Il modulo offre anche capacità di simulazione desktop per eseguire su un PC desktop, senza alcun hardware addizionale, i programmi sviluppati per un microcontrollore ARM. Potete anche usare la simulazione desktop con NI Multisim, software interattivo di simulazione e analisi circuitale SPICE, per simulare l'intera catena di progettazione per un ambiente completo di simulazione di sistemi embedded. Altre caratteristiche del nuovo modulo includono un wizard di progetto, che automatizza la configurazione e l'impostazione generale, per aiutarvi a creare rapidamente i vostri progetti, e un interrupt manager, che semplifica la programmazione gestita via interrupt impostando il codice LabVIEW in modo che venga eseguito al verificarsi di specifici interrupt hardware. Oltre al software, NI offre due opzioni di sviluppo: una scheda di valutazione Keil MCB2370 con un microcontrollore NXP ARM7 o un kit di valutazione Stellaris LM3S8962 con un microcontrollore Luminary Micro Cortex-M3. LabVIEW diviene pertanto una piattaforma ideale per gli sviluppatori con esperienza limitata di programmazione C/C++ che devono sviluppare applicazioni per microcontrollori basati su ARM; mentre per gli sviluppatori più esperti, esso offre comunque un approccio più veloce e lineare alla programmazione. Readerservice.it n

10 07 TIPS & TECHNIQUES LA CHANNEL API NI-CAN a cura di Matteo Foini Spieghiamo i fondamenti della Channel API per il driver NI-CAN, utili per coloro che hanno appena iniziato a lavorare con NI-CAN 2.0 e successivi Figura 1 - Modello base di programmazione NI-CAN Channel API in LabVIEW Negli ultimi decenni, l industria automobilistica ha beneficiato di significativi progressi tecnici, che si sono tradotti in emissioni ridotte, migliore rendimento dei carburanti, controllo antibloccaggio per i sistemi di frenatura e molti altri miglioramenti. Le innovazioni a livello ambientale, di sicurezza e di comodità di guida si sono concretizzate nell aggiunta di molti nuovi dispositivi elettronici nelle automobili. A metà degli anni 80, Bosch ha sviluppato il bus Controller Area Network (CAN) per rispondere alle crescenti esigenze di comunicazione fra i moduli elettronici delle automobili. Oggi, il CAN è utilizzato anche nei sistemi embedded di comunicazione dati in avionica, in applicazioni nautiche e numerose altre. Il CAN è un bus seriale multidrop a due fili, sul quale i dispositivi connessi alla rete comunicano fra loro. Il driver NI-CAN mette a disposizione 2 API (Application Programming Interface) complete, oltre a tool di configurazione e analisi in Measurement & Automation Explorer (MAX). Le API NI-CAN vi permettono di sviluppare applicazioni personalizzate in base ai vostri requisiti di test e simulazione. Con la Channel API, potete utilizzare funzioni di alto livello, ma di semplice impiego, per accedere ai canali CAN definiti in file di database vettoriali (.dbc) o di database CAN (.ncd) National Instruments. La Channel API è raccomandata per i principianti del CAN. La Frame API offre un accesso a basso livello ai bit trasmessi sul bus CAN ed è raccomandata per utenti più esperti. Questo articolo tratta esclusivamente la Channel API. La Channel API NI-CAN sfrutta canali CAN predefiniti per rendere la programmazione CAN simile alla programmazione NI-DAQ. Il modello fondamentale di programmazione per la Channel API è illustrato nella figura 1. CONFIGURAZIONE DEL CANALE Innanzitutto, è necessario definire o importare il canale CAN. Ciò può essere fatto utilizzando il Measurement and Automation Explorer (MAX), un utility di configurazione che permette di installare, testare e configurare la maggior parte dei dispositivi NI, incluse le interfacce CAN. Il MAX può essere usato anche per importare o creare file di database CAN e include tool addizionali come il CAN bus monitor e pannelli di test dei canali CAN. Figura 2 - Canali CAN in Measurement & Automation Explorer IMPORTARE CANALI DA UN FILE DI DATABASE Spesso è conveniente importare canali CAN da file di database. Per importare canali CAN da un file di database vettoriale (.dbc), espandete l albero Data Neighborhood per vedere i CAN Channels. Cliccate con il tasto destro su CAN Channels e selezionate Import from CANdb file. Questi file di database vengono creati spesso da ingegneri che progettano i dispositivi CAN. Ora navigate fino a trovare il file di database desiderato. Dopo avere trovato e selezionato il file, potete scegliere se importare tutti i messaggi 10

11 TIPS & TECHNIQUES presenti nel file o selezionare gli specifici canali da importare. Cliccate il pulsante Import e quindi cliccate Done. I Messaggi e i Canali appaiono ora in MAX sotto CAN Channels come illustrato nella figura 2. Tali messaggi e canali possono essere visualizzati ed editati espandendo l albero dei messaggi, cliccando con il tasto destro sul canale desiderato e andando alle proprietà. Visualizzando le proprietà di un canale, potete vedere la posizione del canale all interno del messaggio nella griglia dei messaggi. CREAZIONE DI CANALI IN MEASUREMENT & AUTOMATION EXPLORER Qualche volta potreste non avere un file di database vettoriale a disposizione. Dovrete quindi creare i canali in MAX. Iniziate cliccando con il tasto destro su CAN Channels e selezionando Create Message. Specificate nome, arbitration ID, numero di byte dati e interfaccia di default, quindi selezionate OK. Ora i singoli canali vengono creati cliccando con il tasto destro sul messaggio e scegliendo Create Channel. Dovete specificare il nome del canale, il bit di start, il numero di bit, le informazioni di scalatura e le unità. Notate che una volta specificati i bit di start e il numero di bit, la griglia in basso a destra indica la posizione del canale all interno del messaggio. Quando cliccate OK, il canale viene mostrato in MAX sotto il Message. Per creare un altro canale, cliccate nuovamente con il tasto destro sul messaggio e scegliete Create Channel. Questa volta, notate che la griglia ha evidenziato i bit che avete riservato per il canale precedente. Se cercate di configurare un altro canale per gli stessi bit, vedrete un indicatore di errore rosso. I passi rimanenti per completare il messaggio sono uguali a quelli utilizzati per la creazione dei canali. Potete configurare il messaggio con una combinazione di canali analogici e digitali; potete utilizzare fino a 64 canali digitali di 1 bit ciascuno. Quando avete la configurazione desiderata del canale, potete salvarla per utilizzarla su altri computer. Cliccate con il tasto destro su CAN Channels e selezionate Save Channel Configuration. Questo salva la configurazione come un file di database CAN (.ncd) National Instruments che può essere importato in MAX o richiamato direttamente dalla vostra applicazione usando il driver NI-CAN 2.0 o successivo. Come precedentemente dimostrato per i file di database vettoriali (.dbc), potete importare anche file di database National Instruments (.ncd) in MAX a partire da una configurazione salvata. A tale scopo, cliccate con il tasto destro su CAN Channels e selezionate Load Channel Configuration, navigate fino al file.ncd e selezionate i messaggi desiderati. Scegliete Load e quindi cliccate Done; ora i canali appaiono nuovamente in MAX. FUNZIONI DELLA CHANNEL API Un programma base NI-CAN comprende una fase di inizializzazione, una lettura o scrittura e una funzione di pulizia finale che libera le risorse (figura 1). Il link fra le funzioni è il Task. Un Task CAN è una raccolta di Canali CAN che condividono la temporizzazione e la direzione di comunicazione (lettura/scrittura). Un task può comprendere diversi Messaggi ma devono essere tutti sulla stessa interfaccia (porta). Questo modello di programmazione è lo stesso indipendentemente dal fatto che stiate lavorando in LabVIEW, LabWindows/CVI, C/C++ o Visual Basic 6.0. CAN INIT START CAN Init Start VI: La funzione CAN Init Start inizializza un elenco di canali come singolo task e inizia la comunicazione per quel task. La funzione CAN Init Start usa i seguenti parametri d ingresso (figura 3): Figura 3 - CAN Init Start.vi channel list - Specifica l elenco dei canali per il task interface - Specifica l interfaccia CAN (CAN0, CAN1, ecc.) da usare per il task. mode - Specifica la modalità di I/O (direzione del trasferimento dati) da usare per il task. sample rate - Specifica la frequenza di campionamento (campioni al secondo) per il trasferimento dati. CAN READ Modalità di lettura multiple rendono più semplice la personalizzazione della vostra applicazione. NI-CAN rende disponibili tre modalità di lettura, ciascuna delle quali verrà descritta nelle sezioni seguenti: 1. Single point 2. Continua 3. Time-stamped Se la modalità di Init Start è Input, la vostra applicazione deve chiamare la funzione Read per ottenere campioni. La vostra ap plicazione tipicamente chiama la Read in un loop fino a risultato ottenuto. La funzione di lettura è CAN Read in Lab - VIEW e nctread negli altri linguaggi. Il comportamento della Read dipende dalla frequenza di campionamento (figura 4): Figura 4 - CAN Read.vi 11

12 07 TIPS & TECHNIQUES LETTURA SINGLE POINT (MODE = INPUT, SAMPLE RATE = 0) Questa lettura restituisce un singolo campione dal messaggio più recente ricevuto dalla rete. Viene restituito un campione per ogni canale nell elenco Init Start. Questo modo di lettura è utile soprattutto quando desiderate accedere velocemente al Messaggio CAN più recente. Figura 5 - Esempio di Read con frequenza di campionamento = 0 La figura 5 mostra un esempio di Read con frequenza di campionamento = 0. A, B e C rappresentano i messaggi dei canali inizializzati. Se non è stato ricevuto alcun messaggio dall inizio dell applicazione, viene restituito il Default Value in MAX (def), insieme a un messaggio di avvertimento. LETTURA CONTINUA (MODE = INPUT, SAMPLE RATE > 0) Il modo continuo è utile quando desiderate registrare dati insieme ai dati analogici o digitali provenienti da un dispositivo DAQ. Questa lettura restituisce un array di campioni per ogni canale nell elenco Init Start. Ogni volta che trascorre il tempo specificato, negli array viene inserito un campione dal messaggio più recente. In altri termini, i campioni sono ripetuti nell array alla frequenza specificata finché non viene ricevuto un nuovo messaggio. Il modo continuo è utile quando desiderate registrare dati insieme ai dati analogici o digitali da un dispositivo DAQ. Usando la stessa frequenza di campionamento dei canali d ingresso analogico NI-DAQ, potete confrontare i campioni CAN e DAQ nel tempo. specificato dalla frequenza di campionamento. def rappresenta il Default Value in MAX. TIMESTAMPED READ (MODE = TIMESTAMPED INPUT) Il modo timestamped è utile per le applicazioni di test dove è richiesta la sincronizzazione CAN/DAQ, ma non occorre un ulteriore elaborazione dei dati CAN. Se il modo Init Start è Timestamped Input, la vostra applicazione deve chiamare la funzione Read Timestamped per ottenere i valori. La vostra applicazione tipicamente chiama Read Timestamped in un loop fino a risultato ottenuto. La funzione Read Timestamped restituisce campioni che corrispondono a messaggi ricevuti dalla rete. Per ogni messaggio, viene restituito un campione associato, insieme a un timestamp che specifica quando il messaggio è arrivato. Viene restituito un array di campioni timestamped per ogni canale nell elenco InitStart. La funzione Read Timestamped è CAN Read in LabVIEW e nctreadtimestamped in altri linguaggi. La figura 7 illustra un esempio di Read Timestamped. A, B e Figura 7 - Esempio di Read Timestamped C rappresentano messaggi per i canali inizializzati. At, Bt e Ct rappresentano gli istanti in cui è stato ricevuto ciascun messaggio. CAN WRITE Modalità multiple di scrittura facilitano la personalizzazione della vostra applicazione. Sono disponibili 3 modalità di scrittura per NI-CAN, ciascuna delle quali verrà discussa nel paragrafo seguente: 1. Single point 2. Continua 3. Time-stamped Figura 6 - Esempio di Read con frequenza di campionamento > 0 La figura 6 mostra un esempio di Read con frequenza di campionamento > 0. A, B e C rappresentano i messaggi dei canali initializzati. t rappresenta il tempo fra i campioni Se la modalità Init Start è Output (o Output Recent), la vostra applicazione deve chiamare la funzione Write per mandare i valori in uscita. La vostra applicazione tipicamente chiama la Write in un loop fino a risultato ottenuto. La funzione Write è CAN Write in LabVIEW e nctwrite in altri linguaggi. Il comportamento della Write dipende dalla frequenza di campionamento inzializzata (figura 4): 12

13 TIPS & TECHNIQUES dei messaggi come specificato dalla frequenza di campionamento. Figura 8 - CAN Write.vi NON-PERIODIC SINGLE POINT WRITE (MODE = OUTPUT, SAMPLE RATE = 0) La funzione Write trasmette un messaggio immediatamente sulla rete. I campioni forniti in scrittura vengono utilizzati per formare i byte di dati del messaggio. È necessario specificare un campione per ogni canale nella lista Init Start. SCRITTURA SINGLE POINT (MODE = OUTPUT RECENT, SAMPLE RATE > 0). Dovete fornire un singolo campione per ogni canale nella lista Init Start. A ogni fronte di clock viene trasmesso il messaggio successivo usando il campione più recente che avete fornito. Il modo Output Recent è utile quando avete più task in esecuzione a velocità differenti, perché potete scrivere campioni per tutti i task in un singolo loop. La figura 11 illustra un esempio di Write con frequenza di campionamento > 0 e modalità Output Recent. Figura 9 - Esempio di Write con frequenza di campionamento = 0 Per questo comportamento la modalità Init Start deve essere Output (non Output Recent). La figura 9 illustra un esempio di Write con frequenza di campionamento = 0. A, B, C e D rappresentano i messaggi per i canali inizializzati. Per ogni Write, i messaggi associati vengono trasmessi il più velocemente possibile. SCRITTURA CONTINUA (MODE = OUTPUT, SAMPLE RATE > 0) Dovete fornire un array di campioni per ogni canale nella lista Init Start. Ogni volta che il tempo specificato è trascorso, viene trasmesso il messaggio successivo. Ogni messaggio usa il campione successivo dell array per formare i byte di dati del messaggio. In altri termini, i campioni vengono trasmessi periodicamente dall array alla rete. Usando la stessa frequenza di campionamento con i canali NI-DAQ Analog Output, potete mettere in uscita campioni simultanei CAN e DAQ nel tempo. La figura 10 illustra un esempio di Write con frequenza di campionamento > 0 e modalità Output. A, B, C e D rappresentano i messaggi per i canali inizializzati. t Figura 10 - Esempio di Write con frequenza di campionamento > 0 e Output Mode rappresenta il tempo fra la trasmissione Figura 11 - Esempio di Write con frequenza di campionamento > 0 e Output Recent Mode CAN CLEAR CAN Clear VI: la funzione Clear interrompe la comunicazione e cancella la configurazione. Per ogni task che inizializzate, dovete chiamare una Clear prima di uscire dalla vostra applicazione. La funzione Clear è CAN Clear in LabVIEW e nctclear in altri linguaggi. Figura 12 - CAN Clear.vi FUNZIONI ADDIZIONALI DELLA CHANNEL API I paragrafi seguenti forniscono informazioni che potete utilizzare per estendere il modello di programmazione di base. GET NAMES Se state sviluppando un applicazione che verrà utilizzata da un altra persona, potreste non volere specificare una lista di canali fissa nella vostra applicazione. Idealmente, vorrete che il vostro utente finale selezioni i canali d interesse da controlli dell interfaccia utente. La funzione Get Names interroga il MAX o un database CAN e restituisce una lista di tutti i canali o messaggi presenti nel database. Potete usare questa lista per popolare i controlli dell interfaccia utente. Potete quindi selezionare i canali da tali controlli, 13

14 07 TIPS & TECHNIQUES evitando di digitare ciascun nome utilizzando la tastiera. Dopo avere effettuato le selezioni, la vostra applicazione può passare la lista risultante a Init Start. La funzione Get Names è CAN Get Names in LabVIEW e nctgetnames in altri linguaggi. SYNCHRONIZATION La Channel API NI-CAN usa RTSI per sincronizzare specifiche unità funzionali su ciascuna scheda. Per le schede CAN, l unità funzionale è l interfaccia (porta). Per le schede DAQ, l unità funzionale è una misura specifica, come Analog Input o Analog Output. Ogni funzione instrada due segnali sulla connessione RTSI: timebase - Specifica un clock comune condiviso da più schede per evitare la deriva del clock. start trigger - Specifica il segnale di start inviato da una scheda a un altra per evitare latenze legate alla fase di start stessa. SET PROPERTY Questa funzione vi permette di impostare proprietà della rete come baud rate, tipo di transceiver e modalità di filtraggio. La funzione Init Start usa l interfaccia e la configurazione di canale specificate in MAX o nel file di database CAN. Se dovete cambiare tale configurazione nella vostra applicazione, non potete usare Init Start, perché la maggior parte delle proprietà non può essere modificata durante l esecuzione del task. Dovete invece usare innanzitutto Init, quindi impostare la proprietà e iniziare il task. GET PROPERTY Questa funzione vi permette di ottenere le proprietà dei vostri canali, messaggi o rete, inclusi baud rate, ID dei messaggi e fattore di scala dei canali. SINCRONIZZAZIONE DI SEGNALI CAN E ANALOGICI PER LA VALIDAZIONE DI DISPOSITIVI Con l evoluzione delle applicazioni di test dei dispositivi CAN, è diventata sempre più evidente la necessità di integrare gli elementi dei sistemi di test come misure di tensione e sensori, controllo di attuatori e I/O discreti. La capacità di sincronizzare le trasmissioni CAN con questi altri elementi è una caratteristica importante di un sistema che deve assicurare risultati di misura ripetibili. Vediamo quindi come configurare un sistema che sincronizza i messaggi CAN con misure di acquisizione dati (DAQ) per ottenere misure simultanee usando la Channel API NI- CAN. I segnali DAQ e CAN sono confrontati per verificare che l unità di controllo elettronica (ECU) stia generando i corretti messaggi CAN, in base alle misure DAQ. Per gli ingegneri che realizzano sistemi di test di validazione, produzione o assistenza per dispositivi basati sul CAN, le piattaforme PXI e PCI di National Instruments sono soluzioni di test e misura in grado di offrire capacità uniche di sincronizzazione dei messaggi CAN di più interfacce di bus con l acquisizione dati, come misure di timing analogiche e digitali. A differenza di altre soluzioni di test, le piattaforme PXI e PCI di National Instruments offrono soluzioni completamente integrate per la comunicazione CAN e l acquisizione dati. Potete progettare un programma che utilizza un loop per sincronizzare via software una varietà di prodotti hardware, perché il CAN e l hardware DAQ contengono entrambi un timestamp di quando si è verificato un particolare evento. Tuttavia, senza sincronizzazione dell hardware, non vi è alcuna garanzia circa la precisione dei timestamp stessi, a causa della deriva del clock e della latenza di start/stop. DERIVA DEL CLOCK Gli oscillatori di clock presentano un instabilità di frequenza intrinseca, o jitter, normalmente specificata in parti per milione (ppm). Nel tempo, due clock qualsiasi, se non sono sincronizzati, si discostano fra loro. Nel caso peggiore, due oscillatori specificati a 20 MHz ±100 ppm possono scostarsi di 1 ms fra loro in meno di 2 minuti. Per molte applicazioni di validazione, questi valori di deriva del clock sono inaccettabili, soprattutto se il collaudo del dispositivo avviene su lunghi periodi di tempo. Se i due clock di una scheda DAQ e di una scheda CAN si sono discostati, non potete essere certi che i campioni ottenuti da ciascuno di essi siano correlati. Per questo motivo, la sincronizzazione del bus RTSI fornisce un impulso di risincronizzazione dal dispositivo DAQ che risincronizza i due clock ogni 100 millisecondi. Usando questo metodo, le basi tempi delle due schede non differiscono mai più di qualche microsecondo (10 microsecondi al massimo con i valori citati sopra), minimizzando il problema di deriva del clock in un sistema di misura. LATENZA DI START/STOP Usando la sincronizzazione software, il controllo di avvio e/o arresto delle funzioni dipende dalla latenza del software. Poiché in un programma le chiamate delle funzioni devono essere serializzate, vi sarà una certa latenza fra lo start dell acquisizione DAQ e lo start dell acquisizione CAN. Questa latenza si traduce in una quantità imprevedibile di errore fra quello che il DAQ considera il campione 0 e quello che il CAN considera il campione 0. La conseguenza è che i dati DAQ e CAN non sono correlati nel tempo e quindi non possono essere visualizzati insieme con precisione senza una manipolazione addizionale dei dati. REAL-TIME SYSTEM INTEGRATION (RTSI) Lo chassis PXI incorpora il PXI Trigger bus, con sette linee di trigger per realizzare sincronizzazioni flessibili fra dispositivi NI di misura, acquisizione immagini e motion control, nonché moduli d interfaccia CAN. Uno o più moduli nel sistema 14

15 TIPS & TECHNIQUES possono generare segnali di timing sul backplane, dove sono disponibili per ciascun modulo presente nel sistema per la sincronizzazione degli I/O. Poiché il timing è implementato a livello hardware, non occorre che il software applicativo intervenga nella sincronizzazione degli I/O quando il sistema è stato inizializzato. Nei sistemi basati su PCI, le stesse caratteristiche di sincronizzazione sono rese disponibili dal bus RTSI, che usa un cavo piatto per connettere schede PCI tramite connettori montati superiormente. ESEMPIO APPLICATIVO Per illustrare la sincronizzazione fra CAN e DAQ, consideriamo un test per un controllore di sterzata servoassistito. I sistemi di sterzatura idraulici convenzionali usano una cinghia accessoria del motore per trascinare una pompa rotante. La pompa fornisce fluido pressurizzato che aziona un pistone nel cambio di sterzata o un attuatore per assistere il guidatore nel girare le ruote. Questo sistema pone costantemente un piccolo carico sul motore, anche quando il sistema di sterzatura non è in uso. Miglioramenti di questa tecnologia hanno portato ai sistemi EPAS (electric power-assist steering). L EPAS (figura 13) usa un motore elettrico collegato alla colonna o al rack di sterzatura tramite un meccanismo ri dut tore. forme d onda degli ingressi sincronizzati da due canali CAN e due canali d ingresso analogici (AI). I canali CAN ed AI vengono campionati alla velocità di campionamento specificata. In questo sistema di test EPAS, l ECU acquisisce segnali tipo coppia, tensioni PWM e velocità del veicolo, li inserisce in un algoritmo di controllo e regola l uscita dei messaggi CAN che controllano il motore (figura 14). Per validare Figura 14 - In questo schema del sistema di acquisizione dati, la scheda NI PXI-6070E campiona la coppia, la tensione e la velocità che alimentano la ECU sotto test. Il modulo CAN NI PXI-846x campiona l uscita in tensione del motore proveniente dalla ECU. l algoritmo di controllo EPAS, si possono registrare simultaneamente i messaggi CAN e DAQ, analizzarli e determinare se viene prodotta l uscita desiderata del motore. ESEMPIO DI CODICE LABVIEW Il seguente esempio mostra la sincronizzazione di CAN e DAQ utilizzando la API NI-CAN Channel e NI-DAQmx. Modello base di programmazione Figura 13 - Schema di un sistema EPAS (electric power-assist steering) Questo pro cesso elimina la pompa, i manicotti, il fluidi, la cinghia di trasmissione e le pulegge del sistema servosterzo idraulico tradizionale. L azionamento del motore applica una forza di sterzatura che si aggiunge all input del guidatore. L ECU raccoglie dati come la coppia di sterzatura delle ruote, la velocità del motore e la posizione del motore e applica un algoritmo di controllo per gestire il livello di servosterzatura applicato dal motore. Il sistema servosterzo elettrico è più leggero delle unità idrauliche tradizionali, indipendentemente dalla velocità del motore, e il sistema assorbe potenza solo quando fornisce assistenza alla sterzatura, diminuendo i consumi di carburante. CONFIGURAZIONE DEL TIMING DI SISTEMA L esempio descritto in questo articolo mostra i grafici delle Il modello base di programmazione della sincronizzazione CAN/DAQ dell NI-CAN 2.x è molto simile all API NI-DAQ, con cui forse avete già familiarità, e si traduce in: configurazione -> lettura/scrittura -> chiusura. Usando questo modello di programmazione, i dati CAN e DAQ possono essere facilmente correlati utilizzando sei base di LabVIEW. Prima di poterli utilizzare in LabVIEW, i canali CAN devono essere creati in Measurement & Automation Explorer (MAX) o importati da un file di database vettoriale. Importazione di canali CAN Canali CAN esistenti possono essere importati da file di database vettoriale (.dbc). Per importare i canali, aprite il MAX e cliccate con il tasto destro su CAN Channels sotto Data Neighborhood e selezionate Import from CANdb File. L area di dialogo elencherà tutti i messaggi disponibili. Cliccando su un messaggio, avrete l opzione di scegliere specifici canali all interno del messaggio. Potete selezionare i canali che desiderate importare. Configurazione esplicita dei canali 15

16 07 TIPS & TECHNIQUES Figura 15 - Configurazione dei parametri del Messaggio CAN Per configurare espli citamente canali CAN, aprite il MAX e cliccate con il tasto destro su CAN Channels sotto Data Neighborhood. Selezionate Create Mes sage. Specificate i parametri per il messaggio come illustrato nella figura 15. Dopo la creazione, il messaggio viene indicato sotto CAN Chan znels. Per creare un canale, cliccate con il tasto destro sul messaggio che avete creato e selezionate Create Channel. Si apre un area di configurazione simile a quella illustrata in figura 16. Mano a mano che inserite le informazioni relative al bit di Start e al numero di bit, la matrice si riempie con caselle grigie che indicano i bit già utilizzati nelle definizioni dei canali. Le caselle blu indicano i bit in fase di definizione. È anche possibile testare i canali CAN usando il Channel Test Panel. Lo potete aprire dall Example Fin der (Help>>Examples>>Hardware Input and Out put>> CAN>>Chan nel API>>Synchroni zation>> Basic>> DAQmx>>CAN Waveform Input and DAQmx Waveform Input.vi). Figura 16 - Configurazione di un canale CAN Dopo avere configurato o importato i canali CAN, il modello di programmazione può essere facilmente implementato in LabVIEW. Il codice di configurazione CAN, illustrato in figura 17, fornisce i passi essenziali per inizializzare i canali CAN e DAQ in LabVIEW, usando la Channel API. Figura 17 - Le interfacce CAN e DAQ vengono inizializzate e la linea PXI Trigger viene configurata per i segnali di timing e triggering. Le tre sezioni del modello verranno descritte in maggiore dettaglio. Il primo elemento del programma, illustrato in figura 17, comprende i seguenti elementi: NI-DAQmx Create (AI Voltage Basic) Inizializza e configura i canali DAQmx NI-DAQmx Timing (Sample Clock) Configura il clock di campionamento per i canali NI-CAN Init Inizializza un task per la lista di canali specificata. NI-CAN Sync Start with NI-DAQ Definisce l instradamento sul bus PXI Trigger del segnale di trigger resync e di altri segnali di trigger e inizia in modo sincrono le acquisizioni. Sample Rate specifica il numero di campioni da acquisire al secondo. Se il sample rate è impostato a 0, avverrà la lettura di un singolo punto. Se il sample rate è maggiore di 0, avverrà una lettura continua. Channel List specifica i canali CAN per i quali avverrà la comunicazione. Interface specifica la porta CAN utilizzata. Input Mode specifica i canali letti dalla rete CAN. Altre opzioni sono output (in scrittura) e timestamped input. TIPI IN LETTURA E SCRITTURA Timestamped (sola lettura) Gestita a eventi Singolo punto Accesso veloce al Messaggio più recente Velocità di campionamento = 0 Continuo Flusso continuo di dati a intervallo di tempo fisso Velocità di campionamento > 0 Sono disponibili tre modalità in lettura e due in scrittura, cosa che facilita la personalizzazione della vostra applicazione. Le misure Single point sono utili quando desiderate un accesso veloce al messaggio CAN più recente. In modalità singolo punto, un messaggio viene trasmesso/ricevuto solo quando viene chiamata una lettura/scrittura. La modalità Timestamped è utile per applicazioni di test nelle quali è richiesta la sincronizzazione CAN/DAQ senza ulteriore elaborazione dei dati CAN. In questa modalità i messaggi CAN vengono registrati con un timestamp. Se il modulo CAN viene sincronizzato (usando l impulso resync) con un modulo DAQ, i dati CAN verranno correlati direttamente con i dati analogici o digitali timestamped provenienti dal modulo DAQ. La modalità Continuous è utile quando desiderate registrare dati insieme a dati analogici o digitali da un dispositivo DAQ. I valori CAN vengono ricampionati ad ogni impulso di clock finché non viene ricevuto un nuovo messaggio. Le reti CAN sono gestite a eventi. Tuttavia, possono esserci dei casi in cui preferite avere valori CAN continui. In questo caso, potete usare l impostazione Continuous su letture e scritture: i valori CAN sono trasmessi o ricevuti ad ogni colpo di clock. Nel caso in cui la base tempi sia più rapida delle velocità d ingresso o d uscita dei messaggi CAN, i messaggi CAN vengono copiati (ricampionati) fino all arrivo di un nuovo messaggio. 16

17 TIPS & TECHNIQUES Questa caratteristica è utile per registrare dati che sono correlati a dati DAQ, cosa comune nelle applicazioni di test CAN/DAQ automotive. In queste applicazioni, si utilizza la stessa base tempi per CAN e DAQ. I dati acquisiti in modalità Continuous possono essere convertiti in LV-Waveform-Data-Type. La sezione di codice LabVIEW in figura 18 illustra le funzioni CAN e di lettura analogica sincronizzate attraverso il PXI trigger bus. Poiché la velocità di campionamento è stata fissata a 1000, i messaggi CAN sono letti 1000 volte al secondo (in continua). NI-CAN Read - legge campioni da un task CAN. NI-DAQmx Read - legge dati da un acquisizione dati bufferizzata. Build Array - concatena più array. Align Waveform Timestamps - sostituisce tutti i valori del timestamp (t0) con il valore dell indice dell elemento dell array. Unbundle - controlla lo stato dell errore. NI-CAN Clear with NI-DAQ - cancella i task CAN e DAQ. Figura 18 - Lettura dei segnali CAN e DAQ DAQ e il valore RPM è rappresentato da un messaggio CAN. Per validare il comportamento del sistema, dovete verificare che venga trasmesso il corretto messaggio CAN quando la soglia d ingresso analogico viene superata. Questo processo richiede la capacità di correlare con precisione i campioni ottenuti dall hardware DAQ e CAN. Il confronto è rappresentato in figura 19. Come si vede in figura, senza sincronizzazione c è un leggero ritardo nell istante di start dell ingresso analogico NI-DAQmx. Questo leggero offset deriva nel tempo e aumenta le differenze fra gli istanti di lettura, perché non vi è alcun controllo per tenerli uniti. Ciò può essere evitato usando la sincronizzazione, illustrata in figura 20. RISULTATI Ciò che si ottiene è un grafico di forma d onda facilmente confrontabile con le misure analogiche. Se i campioni DAQ e CAN sono sincronizzati, è possibile visualizzare le forme d onda insieme su un grafico ed osservare la loro relazione nel tempo. Senza sincronizzazione, questo non è possibile perché i dati non sono correlati. Nel nostro sistema di test EPAS, l ECU invia un nuovo valore RPM sul bus CAN quando viene raggiunta una certa coppia di sterzatura. La coppia di sterzatura è letta come ingresso analogico dall hardware Figura 19 - Acquisizioni DAQ e CAN non sincronizzate Figura 20 - Acquisizioni DAQ e CAN sincronizzate Con la corretta sincronizzazione, le vostre letture NI-CAN e NI-DAQmx possono essere acquisite simultaneamente durante tutto il test. CONCLUSIONE Potete usare i dati CAN e analogici acquisiti simultaneamente per validare una ECU tramite PXI Trigger bus o RTSI bus, disponibili rispettivamente per PXI e PCI. Usando la NI- CAN Channel API in LabVIEW si ottiene un semplice modello di programmazione per completare il programma di sincronizzazione in sei VI. Il confronto può essere eseguito in grafici di forme d onda usando la modalità di lettura continua. Note sull autore Laureato in ingegneria nucleare al Politecnico di Milano, Matteo Foini lavora in qualità di Technical Marketing Engineer presso National Instruments Italy Readerservice.it n

18 07 TIPS & TECHNIQUES LABVIEW PER L'ELABORAZIONE DI SEGNALI ECG Sam Shearman Grazie ai toolkit di elaborazione dei segnali, LabVIEW offre un ambiente solido ed efficiente per risolvere problemi di elaborazione dei segnali ECG rumore, la rilevazione del complesso QRS, l'estrazione della frequenza cardiaca fetale, ecc. Questo articolo discute metodi tipici di elaborazione dei segnali ECG basati su LabVIEW. PREELABORAZIONE DEI SEGNALI ECG La preelaborazione dei segnali ECG vi aiuta a rimuovere le contaminazioni dai segnali ECG stessi. In termini generali, tali contaminazioni possono essere classificate nelle seguenti categorie: Interferenze sulla linea di alimentazione Rumore di contatto Fenomeni spuri dovuti al movimento di paziente ed elettrodo Rumore elettromiografico (EMG) Fluttuazioni della baseline Fig. 1 - Il tipico tracciato di un ECG monociclo L'elettrocardiogramma (ECG) è una tecnica di registrazione delle correnti bioelettriche generate dal cuore. Esaminando l'ecg, i medici possono valutare le condizioni del cuore di un paziente ed eseguire ulteriori diagnosi. Le registrazioni ECG sono ottenute campionando le correnti bioelettriche rilevate da diversi elettrodi o sonde. Nella figura 1 è riportato il tipico tracciato di un ciclo di segnale ECG. Generalmente, il segnale ECG registrato è spesso contaminato da rumore e fenomeni spuri che possono verificarsi all'interno della banda di frequenza d'interesse e manifestarsi con caratteristiche simili a quelle del segnale ECG stesso. Per potere estrarre informazioni utili da segnali ECG disturbati, è necessario elaborare i segnali ECG grezzi. L'elaborazione dei segnali ECG può essere suddivisa a grandi linee in due fasi: la preelaborazione, che rimuove o sopprime il rumore dal segnale ECG grezzo, e la successiva estrazione di informazioni diagnostiche dal segnale ECG (come illustrato nella figura 2). Con LabVIEW e i relativi toolkit, come l'advanced Signal Processing Toolkit (ASPT) e il Digital Filter Design Toolkit (DFDT), potete comodamente costruire applicazioni di elaborazione dei segnali per entrambe le fasi, inclusa la rimozione delle fluttuazioni della baseline, la cancellazione del Fra questi rumori, le interferenze sulla linea di alimentazione e le fluttuazioni della baseline sono quelli più significativi, e possono influenzare fortemente l'analisi del segnale ECG. A parte questi due rumori, altre fonti di rumore possono essere a banda larga e possono seguire normalmente un complesso processo stocastico, che a sua volta distorce il segnale ECG. Le interferenze sulla linea di alimentazione costituiscono un rumore a banda stretta centrata a 60 Hz (o 50 Hz) con una larghezza di banda minore di 1 Hz. Fig. 2 - Tipico schema di flusso di elaborazione dei segnali ECG 18

19 TIPS & TECHNIQUES Normalmente, l'hardware di acquisizione del segnale ECG può rimuovere le interferenze sulla linea di alimentazione. Al contrario, le fluttuazioni della baseline ed altri rumori a larga banda non possono essere facilmente soppressi dalle apparecchiature hardware. Invece, un metodo software risulta essere molto più potente e realizzabile per elaborazioni offline dei segnali ECG. Per rimuovere le fluttuazioni della baseline ed altri rumori a larga banda potete utilizzare i metodi seguenti. RIMOZIONE DELLE FLUTTUAZIONI DELLA BASELINE Le fluttuazioni della baseline derivano normalmente dalla respirazione e presentano frequenze comprese fra 0,15 e 0,3 Hz e potete sopprimerle con un filtro digitale passa alto. Potete anche utilizzare la trasformata wavelet per rimuovere le fluttuazioni della baseline eliminando il trend del segnale ECG. 1. Filtro digitale Il LabVIEW DFDT offre un metodo intuitivo e interattivo per progettare e implementare in modo semplice ed efficace filtri a risposta finita all'impulso (FIR) o a risposta infinita all'impulso (IIR). Per esempio, potete utilizzare l'express VI Classical Filter Design per progettare un filtro FIR passa alto con finestra di Kaiser per rimuovere le fluttuazioni della baseline. La figura 3 illustra un esempio delle specifiche del filtro passa alto e lo schema a blocchi di un VI campione che potete utilizzare per rimuovere le fluttuazioni della baseline. 2. Trasformata wavelet Oltre ai filtri digitali, anche la trasformata wavelet è un metodo efficace per rimuovere segnali all'interno di sottobande specifiche. Il LabVIEW ASPT fornisce il WA Detrend VI che può rimuovere il trend a bassa frequenza di un segnale. La figura 4 illustra un esempio di rimozione delle fluttuazioni della baseline utilizzando il WA Detrend VI. Questo esempio utilizza la wavelet Daubechies6 (db06) perché tale wavelet è simile al segnale ECG reale. Nell'esempio, il segnale ECG ha una durata di campionamento di 60 secondi e punti di Fig. 4 - Uso del VI WA Detrend per rimuovere le fluttuazioni della baseline campionamento in totale, quindi il livello di trend è 0,5 secondo la seguente equazione: Dove t è la durata di campionamento e N è il numero di punti di campionamento. La figura 5 illustra il segnale ECG originale e i segnali ECG risultanti elaborati rispettivamente con l'approccio basato sul filtro digitale e con quello basato sulla trasformata Fig. 5 - Confronto fra l'approccio basato sul filtro digitale e l'approccio della trasformata wavelet Fig. 3 - Progettazione e uso di un filtro passa alto per rimuovere le fluttuazioni della baseline wavelet. Potete vedere che i segnali ECG risultanti contengono una scarsa informazione sulle fluttuazioni della baseline però mantengono le caratteristiche principali del segnale ECG originale. Potete anche osservare che l'approccio basato sulle wavelet è migliore perché non introduce alcuna latenza e provoca una minore distorsione rispetto al filtro digitale. 19

20 07 TIPS & TECHNIQUES RIMOZIONE DEL RUMORE A BANDA LARGA Nonostante gli effetti positivi sulla qualità del segnale risultanti dalla rimozione delle fluttuazioni della baseline, qualche altro tipo di rumore può disturbare l estrazione di informazioni utili dal segnale ECG. Il rumore potrebbe derivare da complessi processi stocastici che coinvolgono una banda ampia, quindi potrebbe non essere rimosso mediante filtri digitali tradizionali. Per rimuovere i rumori a banda larga, potete utilizzare l'express VI Wavelet Denoise. Questo Express VI scompone in primo luogo il segnale ECG in più sottobande applicando la trasformata wavelet, quindi modifica ogni coefficiente della wavelet applicando una funzione di soglia o compressione ed infine ricostruisce il segnale senza rumore. La figura 6 illustra un esempio di applicazione della undecimated wavelet transform (UWT) al segnale ECG. Fig. 6 - Rimozione dei rumori a banda larga da un segnale ECG mediante UWT ESTRAZIONE DELLE COMPONENTI CARATTERISTICHE DEI SEGNALI ECG Al fine della diagnosi è spesso necessario estrarre varie componenti caratteristiche dai dati ECG preelaborati, tra cui intervalli QRS, ampiezze QRS, intervalli PR, intervalli ST, frequenza cardiaca fetale, ecc. Questo paragrafo discute principalmente il rilevamento del complesso QRS e l'estrazione dell'ecg fetale. RILEVAMENTO DEL COMPLESSO QRS Il rilevamento dei picchi R e, di conseguenza, del complesso QRS in un segnale ECG offre informazioni sulla frequenza cardiaca, sulla velocità di conduzione, sulla condizione dei tessuti all'interno del cuore e su varie anomalie. Esso fornisce un evidenza per la diagnosi delle malattie cardiache. Per questo motivo, ha riscosso una notevole attenzione nel campo dell'elaborazione dei segnali ECG. Tuttavia, la presenza di rumore e la morfologia variabile nel tempo rendono difficoltoso questo rilevamento. Poiché wavelet opportunamente scelte possono estrarre le informazioni principali dai segnali rumorosi tramite analisi multirisoluzione, recentemente sono stati introdotti numerosi metodi di rilevamento basati su wavelet. In questo articolo, per rilevare i punti Q, R e S è stato utilizzato il WA Multiscale Peak Detection VI presente nel LabVIEW ASPT. Prima del rilevamento picco/valle, utilizzate l'express VI Multiresolution Analysis per scomporre il segnale ECG con wavelet Daubechies6 (db06) (come illustrato nella figura 8) e quindi ricostruite il segnale con le sottobande D4 e D5. Vengono tenute per la ricostruzione le sottobande D4 e D5 perché in queste due sottobande ci sono quasi tutti i dettagli QRS, rendendo più accurato il rilevamento QRS. La UWT garantisce un migliore compromesso tra smoothness e accuratezza rispetto alla discrete wavelet transform (DWT). Confrontando il segnale ECG senza rumore con il segnale ECG originale, come si vede nella figura 7, potete notare che i rumori a banda larga sono stati fortemente soppressi, mentre quasi tutti i dettagli del segnale ECG sono stati lasciati invariati. Fig. 7 - Segnali ECG prima e dopo la rimozione del rumore tramite UWT Fig. 8 - Analisi ECG multirisoluzione ed implementazione del rilevamento QRS 20

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