Proiect S.Ap.T

Reprezentarea caracteristicilor

MEMS prin intermediul LabVIEW

Profesor coordonator: Studenţi:

As.drd.ing Stanciu Elena Alina Micu Cristian Alexandru

Golgojan Andreea Ioana

Renea Daniel Andrei

Cuprins

1. Introducere LabVIEW

2. MEMS

3. Instrumentul virtual

4.Descrierea blocurilor

5. Schema electrică

6. Cablajul imprimat

7. Bibliografie

1.Introducere în LabView

LabVIEW ( prescurtarea de la Laboratory Virtual Instrumentation Engineering

Workbench ) este o platformă și un mediu de dezvoltare pentru limbajul de programare

vizuală de la National Instruments. Limbajele grafice sunt denumite "G". Inițial lansat pentru

Macintosh în 1986, LabVIEW este frecvent folosit pentru achiziții de date, ca instrument de

control, și automatizări industriale pe o diversitate de platforme, inclusiv Microsoft Windows,

diverse sisteme UNIX, Linux, și Mac OS.

Limbajul de programare folosit în LabVIEW este de tip data-flow. Execuția este

determinată de structura unei diagrame bloc ( codul sursă specific LabVIEW ) în care

programatorul conecteaza diferite noduri de funcții prin fire. Aceste fire propagă variabilele și

orice nod poate fi parcurs deîndată ce sunt disponibile date de intrare. Deoarece acesta poate

fi cazul pentru multiple noduri, limbajul de programare grafic este capabil de execuții

paralele.

Termenul de “ Instrument Virtual ” se foloseşte cu referire la un instrument de măsură

sau de automatizare simulat printr-un program şi se realizează pe baza unui software, un

program de simulare şi a unui element hardware, compus din module de prelucrare a

semnalelor şi plăci de achiziţie de date.Denumirea provine de la faptul că, în primele sale

versiuni, LabVIEW a fost strict dedicat pentru realizarea unor programe de monitorizare a

proceselor. Programele respective înlocuiau o serie de aparate şi instrumente electronice,

primind, astfel, numele de Instrumente Virtuale. Acestea înlocuiesc instrumentele de măsură

clasice, sunt de sine stătătoare, mult mai flexibile, fiind suficientă o modificare a programului

pentru a reproduce un alt instrument, cu acelaşi sistem fizic.

Structura unui program

Programele realizate în mediul LabVIEW se numesc, după cum am mai precizat,

instrumente virtuale (IV). Un instrument virtual are trei părţi componente:

Panoul frontal ( a );

Diagrama bloc ( b );

Pictograma şi conectorul ( c );

( a ) ( b )

( c )

Panoul frontal defineste interfata grafica cu utilizatorul sau ceea ce va vedea

utizatorul pe ecranul calculatorului. Obiectele grafice de interfata disponibile pentru realizarea

panoului frontal se impart in controale si indicatoare. Prin intermediul controalelor,

utilizatorul introduce sau actualizeaza valorile datelor de intrare (obiecte de tip Get);

indicatoarele sunt folosite pentru a se afisa rezultatele prelucrarilor (obiectelor de tip Say).

Daca instrumentul virtual se priveste ca subintsrument virtual (deci ca subrutina), atunci

controalele corespund parametrilor formali de intrare, iar indicatoarele sunt parametri formali

de iesire.

Sunt disponibile controale şi indicatoare pentru majoritatea tipurilor de date: numeric, şir de

caractere, boolean, tabel, tablou, grupare de date, grafic, s.a. Pentru un anumit tip de date sunt

disponibile mai multe variante de controale şi indicatoare, utilizatorul putând să opteze pentru

cea mai sugestivă realizare.

Semnificaţia elementelor din caseta cu controale şi indicatoare este urmatoarea:

• Componente numerice;

• Componente booleene;

• Componente şir de caractere şi tabel;

• Lista cu opţiuni: lista circulară / inel, meniuri derulante, cutie listă;

• Tablou şi grupare de date;

• Reprezentări grafice;

• Cale de fişier;

• Elemente decorative;

• Componente utilizator;

• Componente pentru suport ActiveX;

Controalele au diferite aspecte, precum: butoane, întrerupătoare, comutatoare, cursoare,

cadrane etc., fiecărui tip corespunzându-i un element dintr-un instrument clasic.

Fig. 1. Exemple de controale

În LabVIEW pot fi tratate structuri de date de la simple până la foarte complexe, valori

numerice, şiruri de texte, grafice etc. La indicatoare, aceste structuri de date gestionate de

program îşi stabilesc singure forma optimă a reprezentării datelor pe care le primesc.

Întrările şi ieşirile de date sunt duble, fiind destinate atât operatorului, cât şi programului, iar

distincţia între controale şi indicatoare nu este rigidă, deşi unele sunt exclusiv elemente de

afişare, iar altele de comandă.

Diagrama bloc

Părţii din interfaţa grafică cu utilizatorul, dată de panoul frontal, îi corespunde

diagrama bloc, care reţine codul programului şi defineşte funcţionalitatea IV.

Elementele utilizate la realizarea diagramei bloc sunt clasificate în trei grupe generale:

1. noduri;

2. terminale;

3. fire.

1. Nodurile sunt elemente de execuţie din limbajul G, ale unui IV. Nodurile din

limbajul G corespund operatorilor, funcţiilor predefinite, instrucţiunilor, subrutinelor realizate

de utilizator – din limbajele convenţionale de programare structurată.

Exista şapte tipuri de noduri:

• Funcţii predefinite;

• Subrutine;

• Instrucţiuni pentru controlul execuţiei programelor;

• Formule de calcul;

• Noduri proprietate;

• Variabile locale şi globale;

Un nod se execută doar în momentul, în care există valori disponibile pentru toţi parametrii de

intrare; date-rezultat sunt furnizate simultan în exterior, doar după ce toate operaţiile din

corpul nodului s-au realizat.

2. Terminalele reprezintă „ porţi ” prin intermediul cărora se realizează transferul

datelor:

- între Panoul Frontal şi Diagrama Bloc ( bidirecţional );

- între nodurile Diagramei Bloc ( unidirecţional ).

Terminalele se regăsesc în diagrama IV şi au asociată o reprezentare grafică sugestivă. Exista

4 tipuri de terminale:

- asociate controalelor şi indicatoarelor din panoul frontal;

- asociate nodurilor;

- constante;

- particulare instrucţiunilor pentru controlul execuţiei programelor. Cele 4 tipuri se grupează

în :

- terminale sursă;

- terminale destinaţie.

3. Firele, definesc şi reprezintă grafic fluxul datelor ( între noduri se realizează

schimbul de informaţii ) în diagrama bloc. Fluxul datelor este de la terminalele sursa spre

terminalele destinaţie.

Fiecare tip de dată este codificat cu ajutorul culorilor după cum se observă şi în figura de mai

jos :

Pictograma şi conectorul.

Prin stabilirea pictogramei şi conectorului, acel instrument virtual va putea fi folosit ca şi

subrutină în diagrama bloc a altui IV.

Pictograma / Conectorul

• Prin pictogramă este reprezentat un IV în cadrul altei diagrame bloc

icon

• Prin intermediul conectorilor se permite conectarea IV-ului iniţial ca “ subIV ” în

cadrul unui nou IV

terminals

↓ ↓

connector

Ferestrele Panoului frontal şi ale Diagramei bloc din IV posedă fiecare câte o bară

orizontală cu unelte. Aceste bare cu unelte sunt implementate prin intermediul unor butoane,

liste derulante sau indicatoare de stare, utilizate pentru editarea, trasarea şi execuţia unui IV.

O parte din opţiunile celor două bare cu unelte sunt comune şi anume cele dispuse în partea

dreaptă a barei.

Bara de unelte

a b c d e f g h

i j k l

Indicator de atentionare Enter

Semnificaţia butoanelor este următoarea :

(a) – rulare IV

(b) - rulare continua unui IV

(c) – Oprirea rulării unui IV

(d) – pauză în rularea unui IV

(e) - front control

(f – h) - butoane utilizate pentru ordonarea şi configurare

(i) – regim de rulare cu afişarea fluxurilor

(j – l) – trasare interactivă (programul aşteaptă ca utilizatorul să indice execuţia

2. MEMS

Sistemele microelectromecanice ( MEMS ) sunt o tehnologie de dispozitive foarte

mici, proiectate la nano-scară în sistemele nanoelectromecanice ( NEMS ) și nanotehnologice.

MEMS sunt, de asemenea, menționate ca micromașini ( în Japonia ), sau tehnologia de

sisteme micro - MST ( în Europa ).

În timp ce elementele funcționale ale MEMS sunt miniaturizate (structuri, senzori, elemente

de acționare), cele mai notabile elemente sunt microsenzorii și microactuatorii.

Aceste sisteme pot simți, controla și activa procesele mecanice de pe scara microscopică,

funcționează în mod individual sau în matrice pentru a genera efecte pe scara mare.

Aplicațiile acestuia sunt numeroase și pot fi regăsite in diferite domenii, sub formă de

accelerometre, micro-roboți, senzori de presiune, micro-motoare etc.

MEMS-ul ales de noi pentru implementarea proiectului este un giroscop pe două axe

( LPY450AL ). Giroscopul este format dintr-un actuator și un accelerometru, integrate într-o

singură structură de dimensiuni microscopice.

Plăcuţa de demonstraţie STEVAL– MKI101V1 a fost creată pentru a asigura utilizatorului o

platforma gata de uz pentru aplicaţiile cipului din familia LPY450AL.

Caracteristicile electrice ale MEMS-ului pentru o tensiune tipica de alimentare de 3V si o

temperatura de lucru de 25°C sunt urmatoarele:

Tensiuni de lucru: 2,7-3,6V;

Temperatură de lucru: -40 °C - +85 °C

Are 2 ieșiri separate pentru fiecare axă (semnal neamplificat și semnal amplifcat de

patru ori)

Filtre trece-jos integrate

Rezistență la șocuri și vibrații puternice

Consum scăzut de energie

Acest tip de MEMS este utilizat în aplicații precum:

Sisteme de navigație GPS

Controlul mișcării

Atribuirea pinilor pentru integratul LPR530AL:

Descrierea pinilor:

Placuţa de demonstraţie văzută de sus:

Fig.5 STEVAL– MKI101V1

Schema bloc a plăcii de demonstraţie STEVAL-MKI101V1:

Ieşirile analogice sunt valabile printr-un conector dedicat.Microcontrolerul de pe placă

achiziţionează şi face un proces de conversie pentru transformarea semnalelor din semnale

analogice în semnale de tip digital.

DFU( Device Firmware Upgrade ) permite upgrade-ul de soft pentru microcontrolerul ST7,

când unul nou este disponibil.

Schema electrică a placuţei de demonstraţie :

Moduri de lucru

Placuţa este realizată pentru a putea lucra în 2 moduri analog şi respectiv digital, pentru ca

aceste moduri să poată fi disponibile trebuiesc setaţi corect jumperii JP4,JP5,JP7 şi respectiv

JP1 şi JP6.

Modul analog:

Acest mod este valabil atunci când se realizează conexiunea la PC sau când alimentarea este

aplicată pe J10.Microcontrolerul este dezactivat,iar dispozitivul se comportă conform

setarilor, jumperilor de pe placă.

Modul Digital:

Când placa rulează în modul digital poate fi controlată direct de pe PC.Canalul USB

functionează ca o interfaţă între PC şi kit-ul de demonstraţie.Microcontrolerul preia avantajul

convertorului sau analog / digital de 8 biţi pentru a citi valorile analogice şi pentru a le

transmite mai departe către PC prin intermediul canalului USB.

3. Instrumentul virtual

Detectarea mișcării pe cele două axe va fi ilustrată și interpretată cu ajutorul unui

instrument virtual personalizat creat în LabVIEW.

Mișcarea MEMS-ului pe cele două axe va fi evidențiată prin variatia a doua semnale de ieșire

la bornele LPR. Cele două semnale vor condiționa , în urma prelucrării acestora în LabView,

aprinderea respectiv stingerea a două LED-uri menite să detecteze comportamentul MEMS-

ului.Conexiunea MEMS – Labview este posibilă datorită existenței blocului DAQ Assistant.

Funcția IV-ului este aceea de detectare, comparare și semnalizare a deplasării MEMS-ului pe

cele două axe.

Detectarea semnalelor se realizează prin intermediul sectorului de achiziții de date reprezentat

de DAQ Assistant. Acesta recepționează în timp real semnalele analogice de pe placa de

achiziții de date.

Fig. 6. Schema bloc a montajului

Fig. 7. Diagrama bloc a instrumentului virtual

Fig. 8. Panou frontal

Instrumentul virtual conține elemente dublate, fiecare din cele două structuri fiind

destinate detectării mișcării pe una din cele două axe.

Pentru ca DAQ Assistant să fie capabil sa primească semnale, se fac următoarele setări:

Acquire Signals

Analog Input

Voltage

Se aleg pinii de conectare la placa de achiziții

DMM

Finish

Celelate setări rămân neschimbate.

Fig 9. Configurare DAQ Assistant Analogic Input

Pentru reprezentarea grafică a semnalelor recepționate se folosește blocul Waveform

Chart. Gradațiile graficului vor fi setate funcție de plaja de valori detectate la intrare.

Linia de date care iese din primul bloc DAQ Assistant are două destinații:

Waveform Chart

Amplitude and levels

Blocul Amplitude and levels este un VI express care furnizează amplitudinea, si stările

High și Low ale unui semnal. Semnalul recepționat la intrare este analizat si sunt identificate

cele două praguri ale acestuia. Cele două valori vor fi reprezentate numeric, separat,

conectând la iesirile ” High State level ”, respectiv ” Low State Level ” o variabilă de tip

double, reprezentată de blocul Numeric.

Fig. 10. Amplitude and Levels

Numeric indicator este prezent în diagrama bloc ca urmare a selectării acestuia din

lista ” Controls ” și plasării pe Front Panel. Valorile vor varia rapid pentru că blocul indică

fiecare modificare a semnalului de intrare.

O altă linie de date, de la fiecare dintre ieșirile blocului ” Amplitude and Levels ” face să

compare valoarea detectată cu o valoare predefinită, constantă, pentru a semnaliza pragurile

low și high ale semnalului. Ilustrarea se face cu ajutorul a două LED-uri.

Funcția DBL Numeric Constant este regăsită in cadrul diagramei bloc, in meniul

Programming, rubrica Numeric. Funcțiile pentru comparare sunt plasate, de asemenea, din

diagrama bloc însă din categoria Comparison.

LED-urile sunt plasate din front panel și se aprind doar atunci când condițiile de inegalitate

sunt adevărate. Funcționarea MEMS-ului la nivel de VI este completă însă, pentru aprinderea

acestora în realitate este necesară existența unui al doilea DAQ Assistant2, care, în momentul

ce primește un semnal de TRUE, va aprinde unul dintre LED-urile conectate la ieșirile

digitatele ale plăcii de achiziții de date. Tipul de date acceptate de DAQ2 este array de

booleene, de aceea, rezultatul comparării va fi convertit din constantă de tip boolean într-un

array uni-dimensional de tip boolean, din motive de compatibilitate a tipului de date.

Setarea celui de-al doilea DAQ Assistant se face asemănător cu primul însă, cu un

număr mai mic de setări

Generate Signals

Digital Output

Line Output

Se aleg pinii de conectare la

placa de achiziții

Finish

Fig. 11. Configurare DAQ Assitant

Digital Output

Pinii pentru datele de intrare / ieșire vor fi aleși in funcție de configurația plăcii de

achiziție. Descrierea pinilor este găsită cu ajutorul aplicației NI MAX, aplicație care ține

evidența dispozitivelor conectate / folosite sau consultând ghidul NI USB-6008 / 6009 User

Guide and Specifications.

Fig. 12. Descrierea pinilor NI USB-6008/6009

Rularea programului în mod continuu este asigurată de încadrarea elementelor

componente ale diagramei bloc într-o buclă While. Controlul buclei și al programului în sine,

este făcut cu butonul de Run al VI-ului și cu butonul de Stop din Front Panel.

4.Descrierea blocurilor

DAQ Assistant: este folosit la achiziţia semnalelor provenite de la diferite surse

externe, MEMS – ul în cazul de faţă.Prin configurarea blocului DAQ Assistant se

stabilesc ratele, numărul de eşantioane, timeout-ul, dar totodata se pot detecta şi

erorile de intrare, respective erorile de ieşire ale semnalelor.

WaveForm Chart : Conţine informaţii referitoare la amplitudinea semnalului

analizat şi înafară de acestea mai oferă şi informaţii de temporizare.În “ Waveform

chart ” pot fi vizualizate formele de undă ale semnalului, dar şi limita superioară, cea

inferioară cât şi intervalul de timp.

Amplitude and Levels: bloc funcţional care furnizează amplitudinea, stările High și

Low ale unui semnal. Semnalul recepționat la intrare este analizat şi sunt identificate

cele două praguri ale acestuia. Cele două valori vor fi reprezentate numeric, separat,

conectând la ieşirile ” High State level ”, respectiv ” Low State Level ” .

Array Max&Min: returnează valoarea minimă, respectiv valoarea maximă a unui

vector, cu indexul specificat fiecaruia.

Greater : operator de comparare care returnează TRUE dacă x>y.În caz contrar

returnează FALS.

Add Function : operator care realizează suma celor doua intrări.X şi Y trebuie să fie

de acelaşi tip.

Build Aray: înlănţuie mai multi vectori sau adaugă mai multe elemente unui vector

cu “ n ” dimensiuni.

Less : operator de comparare care returnează TRUE dacă X>Y, respectiv FALSE în

caz contrar.

Boolean: valoare de tip Boolean ce poate avea două valori posibile TRUE sau

FALSE.

Dial: operator de comparare care poate lua o valoare cuprinsă în plaja de valori alese.

While Loop: instrucţiune logică care repetă codul din subdiagramă până când

condiţia nu mai este îndeplinită sau până la apăsarea butonului STOP.

5. Schema electrică a montajului

Pentru funcționarea MEMS-ului, este necesară conectarea la portul USB al

calculatorului.

Modul de conectare MEMS – placă de achiziții de date este subiectiv. NI USB -6008/6009

dispune de 8 intări analogice (AI0-AI7). Semnalul OUT1 este conectat la intrarea analogică 0

(pinul 2) iar OUT2 la intrarea analogica 1 (pinul 5). Ieșirile digitale ce vor aprinde ledurile

sunt configurate pe ieșirile P0.0 și P0.1 (pinii 17, respectiv 18).

LED-urile folosite sunt lucrează la tensiuni de 5V, iar rezistențele au valori nominale de 330

Ω.

Fig. 13. Schema electrică a montajului

6. Cablajul imprimat

Fig. 14. Cablajul imprimat al plăcuței de semnalizare

7.Bibliografie

1. http://ni.com

2. http://en.wikipedia.org/wiki/LabVIEW/

3. http://www.catia.ro/articole/labview1/

4. https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/IMU/lpr530al.pdf

5. http://www.csa.com/discoveryguides/mems/overview.php

6. http://www.ni.com/pdf/manuals/371303m.pdf

7. http://www.st.com/st-web-

ui/static/active/en/resource/technical/document/datasheet/CD0025414

3.pdf