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Instrumentacioacuten virtual Fundamentos de programacioacuten graacutefica con LabVIE

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Mapa de

contenidosInstrumentacioacuten virtualFundamentos de programacioacuten graacutefica con LabVIEW

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Introduccioacuten

Capiacutetulo 1

Introduccioacuten a lainstrumentacioacutenvirtual

A l ex S l o b o d k i n I nt er n et C on c e pt P h ot o s c om

Capiacutetulo 2

Ambiente graacuteficode programacioacutenLabVIEW

A n j aH i l d W or k p

l a c e P h ot o s c om

Capiacutetulo 3

Arreglos yclusters

C om st o ck d O nl i n e ch e ck i n g a c c o unt on c om p ut er

s cr e en P h ot o s c

om

Capiacutetulo 4

Estructuras yelementos deprogramacioacuten

A r t ur M ar ci ni e c

F i r ew al l s y st em C om p ut er N et -

w or k P h ot o s c om

Capiacutetulo 5

Strings y manejode archivos

P al t o P l anni n g P h ot o s c om

Capiacutetulo 6

Adquisicioacuten dedatos

A l ex S l o b o d k i n C om p ut er N

et w or k P h ot o s c om

Capiacutetulo 7

Estructurasy funcionesavanzadas

copy 2 0 0 3 T h i nk st o ck L L C C a b

l e si n c om p ut er s er v er

P h ot o s c om Capiacutetulo 8

Conectividad

J oh nB l o or C om p ut er i nf or m

at i onn et w or k c on c e pt

P h ot o s c om

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Instrumentacioacuten virtual Fundamentos de programacioacuten graacutefica con LabVIE

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Introduccioacuten

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Introduccioacuten a lainstrumentacioacutenvirtual

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Ambiente graacuteficode programacioacutenLabVIEW

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Arreglos yclusters

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s cr e en P h ot o s c

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Capiacutetulo 4

Estructuras yelementos deprogramacioacuten

A r t ur M ar ci ni e c

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Strings y manejode archivos

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Capiacutetulo 6

Adquisicioacuten dedatos

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Capiacutetulo 7

Estructurasy funcionesavanzadas

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P h ot o s c om Capiacutetulo 8

Conectividad

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Instrumentacioacuten virtual Fundamentos de programacioacuten graacutefica con LabVIE

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Introduccioacuten del eBook

En la actualidad los sistemas de monitoreoy control de procesos se realizan bajo es-quemas de instrumentacioacuten virtual debido al

constante avance tecnoloacutegico que experimenta-mos Los sistemas de instrumentacioacuten virtual sonampliamente utilizados por su bajo costo gran e-xibilidad y recongurabilidad asiacute como por su altorendimiento y ahorro considerable en tiempo dedesarrollo razoacuten por la cual constituyen una evo-lucioacuten natural respecto a los sistemas tradiciona-

les de instrumentacioacutenEl LabVIEW es un lenguaje de programacioacuten

graacuteco adoptado en la industria y en la academiacomo estaacutendar para el desarrollo de sistemas de

instrumentacioacuten virtual dado su poderoso conjuntode bibliotecas de funciones que permite el desarro-llo de algoritmos complejos de procesamiento desentildeales ademaacutes de permitir la comunicacioacuten concualquier protocolo de comunicaciones e interfacesde hardware y software existentes

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P h o t o s c o m

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Instrumentacioacuten virtual Fundamentos de programacioacuten graacutefica con LabVIE

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Comstock Silhouettes of global business people meetingPhotos

Adicionalmente el LabVIEW es la plataformaestandarizada para la adquisicioacuten de datos y elcontrol de instrumentos que son pieza fundamentalen los sistemas de instrumentacioacuten virtual Estossistemas de instrumentacioacuten virtual programadosmediante el uso del software LabVIEW permitenel monitoreo y control de cualquier variable fiacutesicaque desee ser procesada por computadora y rea-lizan la implementacioacuten de algoritmos matemaacuteti-cos con el objeto de visualizar resultados graacuteca-mente o de comunicarlos con sistemas remotosmediante el uso de interfaces inalaacutembricas todoesto engloba las caracteriacutesticas de cualquier sis-tema de instrumentacioacuten virtual

El presente libro electroacutenico pretende ser unaherramienta para desarrolladores de la acade-mia y la industria que deseen conocer los fun-damentos de programacioacuten graacuteca utilizando el

software LabVIEW y que les permita ademaacutes laimplementacioacuten de sistemas de instrumentacioacutenvirtual a partir de los conceptos del lenguaje y dela funcionalidad de las herramientas del progra-ma El libro utiliza la versioacuten maacutes actualizada delsoftware (LabVIEW Professional 2010 SP1) conel objeto de incluir los cambios o modicacionesmaacutes recientes en algunas funciones y elementosde programa para que sean interpretados por losusuarios

Ademaacutes se incluye la descripcioacuten operativa decientos de funciones incorporando ejemplos deaplicacioacuten para cada una de las mismas lo cualse espera apoye en la comprensioacuten de los temasexpuestos Asimismo se presentan ejercicios pro-puestos utilizando dispositivos de uso actual queson empleados en aplicaciones reales hoy en diacuteaPor su parte las animaciones presentadas permi-

ten una mejor comprensioacuten de los procedimientosgraacutecos de programacioacuten

Los capiacutetulos han sido estructurados de ma-nera que se pueda iniciar el estudio del lenguaje

a partir de conceptos muy baacutesicos y hasta temasavanzados El mecanismo de interaccioacuten con ellector se ha desarrollado de modo que le permitala navegacioacuten no lineal del contenido para avan-zar a su propio ritmo en el estudio del lenguajeLabVIEW El uso de recursos didaacutecticos basadosen multimedia tiene como objetivo el presentaruna gama maacutes variada de elementos de progra-ma que permitan el entendimiento de conceptosy reglas del lenguaje de una manera maacutes ecien-te intentando que el lector desarrolle sus propiasaplicaciones virtuales a partir de la preparacioacutenestructurada de esquemas de instrumentacioacutenvirtual

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v

Organizador temaacutetico

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Instrumentacioacuten virtual Fundamentos de programacioacuten graacutefica con LabVIE

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Capiacutetulo 1 Introduccioacuten a la instrumentacioacuten virtual

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Capiacutetulo 1Introduccioacuten a la instrumentacioacuten virtual

11

Evolucioacuten de la

instrumentacioacuten

12

Adquisicioacutende datos

13

Lenguajes deprogramacioacuten

virtual

14

Buses y protocolosde comunicacioacuten

en instrumentacioacutenvirtual

15

Aplicaciones realesde instrumentacioacuten

virtual

16

Tendencias ac-

tales en la instru-

mentacioacuten virtual

17

Futuro de la

instrumentacioacutenvirtual

Resumen delcapiacutetulo

I ioacute i l F d d ioacute aacutefi L bVIE

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Instrumentacioacuten virtual Fundamentos de programacioacuten graacutefica con LabVIE

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1 Introduccioacuten a la instrumentacioacuten virtual

A lo largo de la uacuteltima deacutecada el uso de la tecnologiacutea ha sido un factorclave para el mejoramiento de los sistemas electroacutenicos basados en equi-pos de coacutemputo tanto estacionarios como moacuteviles el uso cada vez maacutescomuacuten de dispositivos moacuteviles mediante sistemas distribuidos asiacute como elmejoramiento de los procesos de manufactura y produccioacuten representanclaramente el constante avance tecnoloacutegico de la sociedad actual (Rosen-bloom 2002 pp 29-30) Todo ello involucra el uso de nuevos sistemas deinstrumentacioacuten a traveacutes de la utilizacioacuten de modernos equipos de hardwaremediante el uso de software novedoso que contrasta el esquema tradicionalde los lenguajes de programacioacuten

La instrumentacioacuten virtual supone un nuevo enfoque de la instrumenta-cioacuten tradicional que incorpora nuevas caracteriacutesticas y elementos de sistemaantildeadiendo mejoras tecnoloacutegicas basadas en las innovaciones cientiacutecasademaacutes de reducir los costos de la produccioacuten de los sistemas y beneciarel uso de nuevas tecnologiacuteas logrando un mercado maacutes amplio y una plata-forma de disentildeo extremadamente exible y eciente (Denning 2001 p 73)

Paacuteg 1 de 1

La instrumentacioacuten virtual ha tenido en los uacuteltimos antildeos uncrecimiento exponencial en aacutereas tecnoloacutegicamente a la vanguardiay continuaraacute su progresioacuten hacia horizontes poco imaginables hoyen diacutea

Abstract binary background and handPhotoscom

Introduccioacuten a la instrumentacioacuten virtual

TEMA S CAPIacuteT UL O 1

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I t t ioacute i t l F d t d ioacute aacutefi L bVIE

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Instrumentacioacuten virtual Fundamentos de programacioacuten graacutefica con LabVIE

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Glosario1 Introduccioacuten a la instrumentacioacuten virtual

11 Evolucioacuten de la instrumentacioacuten

Histoacutericamente los sistemas de instrumentacioacuten tradi-cional se han basado en el uso de aparatos o instrumen-tos de medicioacuten individuales los cuales incluyen el uso desensores o transductores para adquirir variables fiacutesicas yconvertirlas a sentildeales eleacutectricas que el usuario pueda inter-pretar para su posterior registro o procesamiento (Denning2001) Sin embargo en dichos sistemas se tienen variosinconvenientes que incluyen el hecho de que se requierandiferentes aparatos fiacutesicos para medir muacuteltiples variablescon la desventaja que representa la portabilidad de los mis-mos ademaacutes dichos aparatos pueden incluir diferentes in-terfaces o no incluirlas lo cual ocasiona que no puedaningresarse los datos a la computadora de manera automaacute-tica Lo anterior representa las mayores desventajas en eluso de sistemas de instrumentacioacuten tradicionales ya queno se tiene interaccioacuten con equipos de coacutemputo en tiemporeal aunado a la nula posibilidad de comunicacioacuten inalaacutem-brica y aplicaciones moacuteviles

Debido a esto la instrumentacioacuten se ha caracterizadopor un incremento continuo en cuanto a exibilidad y esca -labilidad de equipos e instrumentos de medicioacuten asiacute comode las interfaces que permitan ingresar datos a alta velo-cidad en la computadora para su posterior anaacutelisis y pro-

cesamiento Todo esto ha llevado al nacimiento de la ins-

trumentacioacuten virtual el cual es un teacutermino asociado al usode instrumentos virtuales (virtual instruments o VIs) dadoque se encuentran dentro de la computadora y mediantelos cuales se pueden desarrollar aplicaciones computacio-nales basadas en interfaces graacutecas de usuario (graphical

user interfaces o GUIs) (Goldberg 2000 pp 10-13)

Actualmente se utiliza la instrumentacioacuten virtual en to-dos los aacutembitos de la vida real puesto que tiene una in-mensa gama de aplicaciones Su eacutexito principal se debe alraacutepido y constante avance en equipos computacionales albajo costo y alto rendimiento que representa comparadocon la instrumentacioacuten tradicional y al creciente desarrollode sistemas para disentildeo de software aunado a la faacutecil ac-

cesibilidad para la mayoriacutea de los usuarios

Paacuteg 1 de 2

Interfaz graacuteca de usuario (graphicaluser interfaz o GUI)

Coacutedigo de programa que utiliza unconjunto de imaacutegenes y objetos graacute-

cos para representar informacioacuteny elementos disponibles que permi-ten la interaccioacuten del usuario de unamanera eciente con la aplicacioacuten Suprincipal funcioacuten consiste en propor-cionar un entorno visual sencillo quepermita la comunicacioacuten con el siste-ma operativo de una computadora

Adquisicioacuten de datos (data acquisi- tion o DAQ)

Proceso mediante el cual se miden

paraacutemetros fiacutesicos reales de variablescomo voltaje corriente temperaturaujo nivel posicioacuten etc

Dicha interaccioacuten entre la computadora y usuariose realiza utilizando un lenguaje de programacioacutengraacuteco y permite la adquisicioacuten de datos elprocesamiento de la informacioacuten y el despliegue y

registro de la misma

11 Evolucioacuten de la instrumentacioacuten

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Instrumentacioacuten virtual Fundamentos de programacioacuten graacutefica con LabVIE

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Glosario1 Introduccioacuten a la instrumentacioacuten virtual

11 Evolucioacuten de la instrumentacioacuten

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Por estas razones la instrumentacioacuten virtual representa una enorme ventaja tecnoloacutegica respecto al uso de sistemas de instrumentacioacuten tradicionaleslo cual implica el reto natural de adaptarse al continuo avance tecnoloacutegico y representa la oportunidad de desarrollar aplicaciones novedosas eninnidad de aacutereas de estudio teniendo el suciente conocimiento y preparacioacuten en el modelo de disentildeo de sistemas basados en instrumentacioacutenvirtual

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Instrumentacioacuten virtual Fundamentos de programacioacuten graacutefica con LabVIE

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Glosario1 Introduccioacuten a la instrumentacioacuten virtual

12 Adquisicioacuten de datos

La adquisicioacuten de datos (data acquisition o DAQ) es un

proceso mediante el cual se miden paraacutemetros fiacutesicos rea-les de variables como voltaje corriente temperatura ujonivel posicioacuten etc Dicha informacioacuten se ingresa a la com-putadora para su posterior anaacutelisis y procesamiento con eln de obtener una salida de informacioacuten la cual puede seralmacenada desplegada en pantalla o enviada a un sitioremoto utilizando alguacuten meacutetodo de transmisioacuten inalaacutembrica(Sachenko 2002 pp 97-100)

Para realizar el proceso de adquisicioacuten de datos se re-quiere el uso de un sensor o transductor el cual proporcio-na sentildeales eleacutectricas proporcionales a la magnitud fiacutesicade la variable a medir Dicho sensor se puede conectar a

la computadora utilizando tarjetas electroacutenicas para adqui-

rir sentildeales o bien puede provenir de sitios remotos si laadquisicioacuten se realiza mediante dispositivos de conexioacuteninalaacutembrica tales como Bluetooth WiFi o ZigBee Ademaacutestambieacuten se pueden tener sentildeales que provengan de puer-tos o buses de comunicacioacuten asociados a la computadoracomo son el puerto serial el puerto USB o interfaces PCI-X Adicionalmente se puede hacer uso de interfaces indus-triales como GPIB (General Purpose Interfaz Bus) o PXI(Compact PCI Extensions) por citar algunas

En general la adquisicioacuten de datos se puede realizartanto para ingresar sentildeales a la computadora como para

extraer sentildeales de la misma aunque el teacutermino ldquoadquisi-cioacutenrdquo implica solamente adquirir o ingresar datos El meacuteto-do baacutesico para realizar la manipulacioacuten de los datos incluyeel uso de tarjetas de adquisicioacuten (DAQ boards) las cualesson dispositivos que se encargan de adquirir sentildeales fiacutesi -cas provenientes de los sensores y de generar sentildeales fiacutesi-cas provenientes de datos procesados por la computadoraLas tarjetas de adquisicioacuten son la base de la instrumenta-cioacuten virtual ya que mediante su uso se realiza la comuni-cacioacuten de paraacutemetros fiacutesicos del mundo real con la compu-

tadora lo cual permite interactuar fiacutesicamente con sentildealestanto virtuales como reales (Santori 1990 pp 36-39)

Las tarjetas de adquisicioacuten pueden adquirir o generar

sentildeales de acuerdo a su funcionalidad y caracteriacutesticas co -

Paacuteg 1 de 2

Sensor o transductor

Dispositivo utilizado para la adquisi-cioacuten de datos que proporciona sentildea-les eleacutectricas proporcionales a la

magnitud fiacutesica de la variable a medir

12 Adquisicioacuten de datos

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Instrumentacioacuten virtual Fundamentos de programacioacuten graacutefica con LabVIE

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Paacuteg 2 de 2

1 Introduccioacuten a la instrumentacioacuten virtual

12 Adquisicioacuten de datos

merciales En general se pueden congurar para su uso en dos modos di-ferentes los cuales a su vez se pueden subdividir en tres modos

En estos seis casos diferentes se pueden manipular sentildeales tanto analoacute-gicas como digitales provenientes de sensores que midan alguacuten paraacutemetro

fiacutesico o generar sentildeales fiacutesicas procesadas por la computadora Ejemplosde paraacutemetros fiacutesicos medidos yo generados por las tarjetas de adquisicioacutenson

El uso de las tarjetas de adquisicioacuten involucra el uso de convertidores

anaacutelogo-digital (ADCs) y convertidores digital-anaacutelogo (DACs) para la con-

versioacuten de las sentildeales de analoacutegica a digital y de digital a analoacutegica respec-

tivamente ya que las sentildeales procesadas por la computadora son sentildealesdigitales y se requiere del proceso de conversioacuten Ademaacutes se tienen proce-

sos de acondicionamiento de las sentildeales para su manipulacioacuten correcta los

cuales involucran meacutetodos de amplicacioacuten ltrado aislamiento yo linea-

lizacioacuten para evitar efectos negativos como el ruido sobrecargas aliasing

no linealidad y otros Lo anterior indica que el uso correcto de las tarjetas

de adquisicioacuten conlleva la aplicacioacuten de conocimientos en diferentes aacutereas

de ingenieriacutea la cual representa una herramienta poderosa para el disentildeo y

desarrollo de aplicaciones relacionadas con la instrumentacioacuten virtual

Temperatura

Posicioacuten

Anchosde pulso

Corriente

Presioacuten

Posicioacuten linealo angular

Voltaje

Frecuencia

Aceleracioacuten

Resistencia

Fuerza

Conteo de tran-

siciones o an-

cos de subida

(rising edge) o

bajada (faallingedge)

Adquirir sentildeales

Adquisicioacuten de sentildealesanaloacutegicas

Adquisicioacuten de sentildeales digitales

Adquisicioacuten de sentildeales de uncontadortemporizador

Generar sentildeales

Generacioacuten de sentildealesanaloacutegicas

Generacioacuten de sentildeales digitales

Generacioacuten de sentildeales de uncontadortemporizador

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1 Introduccioacuten a la instrumentacioacuten virtual

13 Lenguajes de programacioacuten virtual

Hoy en diacutea se tienen varios lenguajes de programacioacuten

los cuales pueden utilizarse para desarrollar aplicacionesde instrumentacioacuten virtual en diferentes aacutereas de estudio

Estos lenguajes tienen en comuacuten el hecho de que se ba-

san en conjuntos de instrucciones de texto creando liacuteneas

de coacutedigo Como ejemplos de estos lenguajes se tienen

CC++ C Java Phyton por mencionar los maacutes utiliza-

dos Dichos lenguajes ofrecen diferentes ventajas y des-

ventajas entre siacute las cuales permiten el desarrollo de inter -

faces virtuales aplicables a la instrumentacioacuten

Sin embargo la instrumentacioacuten virtual se basa en la in-

teraccioacuten del usuario con interfaces computacionales graacute-

cas para el control y monitoreo de sistemas fiacutesicos por lo

cual los lenguajes graacutecos ofrecen mayores ventajas res-pecto a los lenguajes tradicionales basados en texto (Gol-

dberg 2000) El lenguaje graacuteco mdashtambieacuten llamado len-

guaje Gmdash maacutes utilizado para desarrollar aplicaciones de

instrumentacioacuten virtual es el LabVIEWreg (Laboratory Vir-

tual Instrument Engineering Workbench) desarrollado por

la empresa National Instruments en 1986 el cual elimina

muacuteltiples detalles sintaacutecticos asociados con los lenguajes

basados en texto ya que se trata de un modelo de progra-

macioacuten graacuteca con el cual se tienen diferentes ventajas en

relacioacuten a los lenguajes mencionados anteriormente Poresta razoacuten se ha constituido en la actualidad como el es-

taacutendar para aplicaciones de instrumentacioacuten virtual (Natio-

nal Instruments 2011)

Los coacutedigos graacutecos incluyen una interfaz de usuario

completamente graacuteca y un coacutedigo fuente basado en el uso

de bloques de conexioacuten interconectados mediante cables

La creacioacuten de los lenguajes de programacioacuten graacuteca y

su inherente evolucioacuten ha permitido el desarrollo de muacutelti-

ples protocolos e interfaces de comunicacioacuten creados con

el objetivo de abarcar una amplia gama de aplicacionesindustriales programables en lenguaje graacuteco lo cual ha

constituido la base de la instrumentacioacuten virtual

13 Lenguajes de programacioacuten virtual

Glosario

LabVIEWreg

Lenguaje de programacioacuten graacutecoadoptado en la industria y en la aca-demia como estaacutendar para el desa-

rrollo de sistemas de instrumentacioacutenvirtual dado su poderoso conjunto debibliotecas de funciones que permitenel desarrollo de complejos algoritmosde procesamiento de sentildeales ade-maacutes de permitir la comunicacioacuten concualquier protocolo de comunicacio-nes e interfaces de hardware y soft- ware existentes

Ablestockcom(C) 2006 Hemera TechnologiesPhotoscom

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Paacuteg 1 de 2

1 Introduccioacuten a la instrumentacioacuten virtual

14 Buses y protocolos de comunicacioacuten en instrumentacioacuten virtual

En la actualidad existen diferentes protocolos de comunicacioacuten utilizados para transmitir y recibir datos de muacuteltiplesdispositivos En el aacutembito de la instrumentacioacuten virtual se encuentra un conjunto de protocolos e interfaces de comuni-

cacioacuten aplicables a la transferencia de datos entre la computadora con la aplicacioacuten virtual ejecutaacutendose y los perifeacutericosexternos Dichos protocolos e interfaces son

14 Buses y protocolos de comunicacioacuten en instrumentacioacuten virtual

Glosario

General Purpose Interfaz Bus (GPIB)

Interfaz de comunicaciones desarrolla-da por Hewlett Packard en la deacutecada de1960 para comunicar instrumentos demedicioacuten con las computadoras

Compact PCI Extensions for Instru- mentation (PXI)

Bus industrial creado en 1997 por Natio-nal Instruments para aplicaciones de

control e instrumentacioacuten entre peri-feacutericos y equipos de coacutemputo Combi-na caracteriacutesticas del bus PCI y el bus Compact PCI Su uso abarca aplicacio-nes militares aeroespaciales y automo-trices asiacute como prueba y vericacioacuten desistemas industriales y de manufactura

VME Extensions for Instrumentation (VXI)

Estaacutendar de instrumentacioacuten introducidoen 1987 por Hewlett Packard se basa en

la arquitectura del bus VME (IEEE 1014)con algunas mejoras que permiten unmayor rendimiento aunque mayor pre-cio que el bus PXI Se utiliza para desa-rrollar interfaces de automatizacioacuten deprocesos y anaacutelisis de sentildeales industria-les

Virtual Instruments Software Archi - tecture (VISA)

Estaacutendar para conguracioacuten programa-cioacuten y depuracioacuten de sistemas basadosen instrumentacioacuten que incluyen interfa-ces GPIB VXI PXI Serial Ethernet yoUSB Proporciona la interfaz de progra-macioacuten entre el hardware y los ambien-tes de programacioacuten como LabVIEW

Haz clic en cada interfase para desplegar la informacioacuten

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1 Introduccioacuten a la instrumentacioacuten virtual

14 Buses y protocolos de comunicacioacuten en instrumentacioacuten virtual Glosario

CompactRIO

Interfaz basada en el uso de tecnologiacuteaFPGA (Field Programmable Gate Array)de ES recongurable (RecongurableIO o RIO) Incluye un chasis con ranu-ras de conexioacuten un controlador recon-gurable basado en un FPGA y moacutedulospara interfaces externas

Compact DAQ

Sistema de instrumentacioacuten modularpara adquisicioacuten de datos con una com-putadora mediante interfaces USB yo

Ethernet con lo cual se puede tener apli-caciones de campo ya que su uso prin-cipal incluye el uso de computadorasmoacuteviles (laptops y netbooks )

Wireless Sensor Network (WSN)

Plataforma de red creada por NationalInstruments que incluye nodos inalaacutem-bricos de conexioacuten para cubrir muacuteltiplessensores que permiten el monitoreo ycontrol de aplicaciones en aacutereas remotasa traveacutes del uso de redes inalaacutembricas

Compact Field Point

Controlador industrial desarrollado porNational Instruments utilizado paracomunicacioacuten de una computadora concontroladores loacutegicos programables(PLCs) mediante el uso de un contro-lador de automatizacioacuten programable(PAC) Se usa principalmente en apli -caciones industriales de automatizacioacutende procesos mediante PLCs a traveacutes deinterfaces virtuales en las computadoras

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Paacuteg 1 de 2

1 Introduccioacuten a la instrumentacioacuten virtual

15 Aplicaciones reales de instrumentacioacuten virtual

La instrumentacioacuten virtual involucra muchasaacutereas de conocimiento mediante las cuales sepuede realizar un sinnuacutemero de aplicacionesPara poder desarrollar dichas aplicaciones se re-quiere la ejecucioacuten de tres etapas baacutesicas queson

bull Adquisicioacuten de sentildeales

bull Procesamiento de datos

bull Despliegue de resultados

Para la adquisicioacuten de sentildeales se requiereutilizar alguacuten meacutetodo de captura de paraacutemetrosfiacutesicos en la computadora descritos anteriormen-te (Santori 1990)

Posteriormente ya que se tienen los datos enla computadora se requiere procesar dicha in-formacioacuten mediante el uso de algoritmos o teacutec-nicas de anaacutelisis y procesamiento de sentildeales deacuerdo al aacuterea de aplicacioacuten requerida Dentrode los algoritmos utilizados para procesamientode sentildeales en un sistema de instrumentacioacuten vir-tual se tienen

15 Aplicaciones reales de instrumentacioacuten virtual

Anaacutelisis espectral (transformadas JTFA

estimaciones espectrogramas FourierGabor Choi-Williams Wigner-Ville)

Filtrado digital (FIR IIR adaptivos-LMS)

Filtrado punto a punto (ButterworthChebyshev Chebyshev inverso eliacutepticoSavitzky-Golay)

Meacutetodos de ventanas (Hanning Ham-ming Blackman Parzen at top Kaiser-Bessel Bohman Welch Barlett-HanningBlakman-Harris Parzen)

Ecuaciones diferenciales (Radau IIAcash carp Euler Runge Kutta Rosen-brock Adams-Moulton)

Interpolacioacuten y extrapolacioacuten (poli-nomiales racionales grids LagrangeHermite)

Operaciones con sentildeales (convolucioacutenautocorrelacioacuten correlacioacuten cruzada de-convolucioacuten decimacioacuten normalizacioacuten)

Anaacutelisis de distorsioacuten y ruido (SINADTHD potencia de espectro densidad es-pectral)

Generacioacuten de sentildeales y ruido (Gauss-

iano Bernoulli gamma binomial Pois-son)

Probabilidad y estadiacutestica (histogramasmomentos media mediana moda vari-anza desviacioacuten estaacutendar correlacioacutenpercentiles coecientes Spearman Ken-dallrsquos Tau)

Transformadas (Hilbert Fourier FFTDFT DCT DST Laplace Wavelet Walsh-Hadamard Chirp Hartley Dauvechies)

Integracioacuten y diferenciacioacuten (trapezoi-dal regla de Simpson regla de Bode)

Funciones polinomiales y solucioacuten deraiacuteces (maacuteximo comuacuten divisor miacutenimocomuacuten muacuteltiplo euclideano raiacuteces re-ales complejas pares conjugados)

Mediciones de amplitud y niveles (DCRMS pico promedio trigger duty cycle)

Optimizacioacuten (lineal cuadraacutetica BrentGolden aproximacioacuten de Chebyshev)

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Paacuteg 2 de 2

1 Introduccioacuten a la instrumentacioacuten virtual

15 Aplicaciones reales de instrumentacioacuten virtual

Para el despliegue o visualizacioacuten de los

datos procesados en la computadora se pue-den utilizar graacutecas archivos de datos hojas de

caacutelculo animaciones en 3D y cualquier elemen-to visual que permita y facilite el entendimientoy comprensioacuten de los datos procesados para elusuario

Dentro de las aacutereas de aplicacioacuten en las cua-les se utiliza la instrumentacioacuten virtual se encuen-tran las relacionadas con la ingenieriacutea

Eleacutectrica

Electroacutenica

Mecatroacutenica

Mecaacutenica

Biomeacutedica

Biomecaacutenica

Biotecnologiacutea

Ciencias computacionales

Telecomunicaciones

Roboacutetica

Disentildeo y manufactura

Automotriz

Avioacutenica y aeroespacialChad McDermottBusiness strategy organizational charts and graphsCopyright (c) 2010 by Chad McDermott All rights reservedPhotoscom

Con todo lo anterior se puede tener un amplio espectro de aplicaciones relacionadas con el usode la instrumentacioacuten virtual que hoy en diacutea se utilizan cotidianamente y en los proacuteximos antildeos

su uso iraacute creciendo debido al constante avance tecnoloacutegico

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Paacuteg 1 de 1

1 Introduccioacuten a la instrumentacioacuten virtual

16 Tendencias actuales en la instrumentacioacuten virtual

En la actualidad se tiene el uso de la instrumentacioacuten virtual que permite a traveacutes de instrumentosvirtuales interactuar con ambientes graacutecos computacionales desarrollando aplicaciones en diferen-tes aacutereas de estudio las cuales se encuentran en constante evolucioacuten debido a los raacutepidos avancestecnoloacutegicos Las tendencias actuales de la instrumentacioacuten incluyen aplicaciones en aacutereas de

16 Tendencias actuales en la instrumentacioacuten virtual

Algoritmos geneacuteticos

Eciencia energeacutetica y sistemas

sustentables

Programacioacuten dinaacutemica

Programacioacuten lineal y no lineal

Control y automatizacioacuten de procesos

Sistemas embebidos y loacutegica

recongurable

Reconocimiento de patrones

Inteligencia articial y redes neuronales

Roboacutetica y visioacuten articial

Interfaces haacutepticas inteligentes

Controladores programables

Energiacutea renovable y sistemas

ambientales

Sistemas de energiacutea nuclear

Redes de sensores

Manufactura inteligente

Tecnologiacuteas inalaacutembricas

Aplicaciones meacutedicas

ComstockGraphic of hand with computers connectedPhotoscom

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1 Introduccioacuten a la instrumentacioacuten virtual

17 Futuro de la instrumentacioacuten virtual

La instrumentacioacuten virtual ha sufrido una constante evolucioacuten desde sus inicios y se ha enfatizado en la uacuteltima deacutecada principalmente por los avancestecnoloacutegicos aunado a esto se ha tenido el incremento de aacutereas de investigacioacuten y estudio asiacute como la invencioacuten de nuevas tecnologiacuteas de aacutereas de inge -nieriacutea (Santori 1990) Es por ello que en la actualidad se pueden ejemplicar un sinnuacutemero de aplicaciones de la instrumentacioacuten virtual que hace apenasunos antildeos era imposible de imaginar Por lo anterior en los proacuteximos antildeos seraacute maacutes evidente el incremento de los sistemas basados en instrumentacioacutenvirtual en diferentes aacutereas de aplicacioacuten de la sociedad

Dentro de las aacutereas de aplicacioacuten en las que seraacuten maacutes evidentes los avances en el aacutembito de la instrumentacioacuten virtual se tienen los siguientes

17 Futuro de la instrumentacioacuten virtual

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Conclusiones

Capiacutetulo 1 Introduccioacuten a la instrumentacioacuten virtualEl presente capiacutetulo ofrece una introduccioacuten al concepto de instrumenta-

cioacuten virtual desde sus oriacutegenes hasta la actualidad mostrando la evolucioacutensufrida a lo largo de los antildeos hasta convertirse en el tema de actualidad parael desarrollo de cientos de aplicaciones de la vida cotidiana Asimismo seha explicado el concepto de adquisicioacuten de datos y los diferentes elementosque lo forman asiacute como los instrumentos de medicioacuten maacutes comunes parael desarrollo de sistemas de adquisicioacuten modernos En el aacutembito de los len-guajes de programacioacuten virtual se ha enfatizado en el uso de programacioacutengraacuteca ligada a los sistemas de instrumentacioacuten virtual dadas las ventajasque representa respecto a los meacutetodos tradicionales que han sido reempla-zados paulatinamente por sistemas virtuales basados en coacutedigos graacutecos

Por otra parte se han ilustrado los buses y protocolos de comunicacioacutenutilizados en los sistemas de instrumentacioacuten virtual industriales que sepueden encontrar en la actualidad en las empresas e industrias de todoslos aacutembitos de la sociedad Ademaacutes se ha incluido una descripcioacuten de lasaacutereas de aplicacioacuten en las que se desarrollan sistemas de instrumentacioacutenvirtual hoy en diacutea asiacute como el tipo de algoritmos utilizados en dichos siste-mas y las tendencias actuales en este concepto tan de moda para diferen-tes aacutereas de estudio

Finalmente se ha realizado un anaacutelisis de lo que se viene en los proacutexi-mos antildeos en relacioacuten a los sistemas de instrumentacioacuten virtual basado enlos temas tecnoloacutegicos del momento y su impacto econoacutemico social cul-

tural y ambiental asiacute como en las tendencias tecnoloacutegicas que hoy en diacuteasuponen la constante evolucioacuten de los sistemas basados en el uso de lainstrumentacioacuten virtual

Earth and digital codePhotoscom

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Capiacutetulo 1 Introduccioacuten a la instrumentacioacuten virtual

Actividad integradora

C i r c u i t b o a r d

copy T

h i n k s t o c k L L C P h o t o s c o m

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La instrumentacioacuten ha mantenido una constante evolucioacuten desde sus ini-cios con los aparatos y dispositivos reales que miden variables fiacutesicashasta la invencioacuten de la instrumentacioacuten virtual que involucra el uso desistemas de coacutemputo y la adquisicioacuten de datos

La instrumentacioacuten virtual se reere a la utilizacioacuten de tecnologiacutea com -putacional para desarrollar instrumentos virtuales que proporcionen unainterfaz graacuteca intuitiva en el disentildeo de sistemas de instrumentacioacuten yrepresenta una evolucioacuten natural de la instrumentacioacuten tradicional

LabVIEW es un lenguaje de programacioacuten graacuteco utilizado para la imple -

mentacioacuten de interfaces graacutecas empleadas en sistemas de instrumenta-cioacuten virtual que ofrece ventajas respecto a los lenguajes de programacioacutenbasados en texto

La adquisicioacuten de datos es un proceso para ingresar yo extraer datoshacia o desde la computadora y forma parte de cualquier sistema de ins-trumentacioacuten virtual

Las tarjetas de adquisicioacuten se utilizan para la adquisicioacuten de paraacutemetrosfiacutesicos obtenidos de sensores o transductores y para la generacioacuten de se -ntildeales provenientes de la computadora

Las tarjetas de adquisicioacuten pueden ser conguradas para adquirir o gene-rar sentildeales analoacutegicas digitales yo contadorestemporizadores de acuer -do a las especicaciones del fabricante

Una vez adquiridas las sentildeales en la computadora se ejecutan teacutecnicas yalgoritmos de procesamiento digital de sentildeales mediante funciones pro-porcionadas por lenguajes de programacioacuten

Las etapas en que se divide un sistema de instrumentacioacuten virtual son laadquisicioacuten de datos el procesamiento de la informacioacuten y el despliegueo visualizacioacuten de los datos procesados

Los protocolos e interfaces de comunicacioacuten permiten a los sistemas deinstrumentacioacuten virtual la interaccioacuten de las sentildeales fiacutesicas con la com-putadora Los maacutes utilizados incluyen RS232 RS485 GPIB PXI VXI

CompactDAQ CompactRIO Compact Field Point y redes inalaacutembricas desensores

Las aacutereas de ingenieriacutea que abarcan las aplicaciones de instrumentacioacutenvirtual son eleacutectrica electroacutenica mecatroacutenica mecaacutenica biomeacutedica bio-mecaacutenica biotecnologiacutea ciencias computacionales telecomunicacionesroboacutetica disentildeo y manufactura automotriz avioacutenica y aeroespacial

Las tendencias actuales de la instrumentacioacuten virtual incluyen el estudio yla implementacioacuten de sistemas basados en algoritmos geneacuteticos control yautomatizacioacuten de procesos sistemas embebidos y loacutegica recongurablereconocimiento de patrones inteligencia articial y redes neuronales asiacutecomo roboacutetica visioacuten articial interfaces haacutepticas controladores progra-mables aplicaciones meacutedicas sistemas de energiacutea renovable y energiacuteanuclear entre otros

Resumen del capiacutetuloCapiacutetulo 1 Introduccioacuten a la instrumentacioacuten virtual

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El futuro de la instrumentacioacuten virtual aparenta un sinnuacutemero de aplica-ciones de acuerdo a los avances tecnoloacutegicos constantes y maniesta uneacutenfasis en aacutereas relacionadas con el uso de dispositivos moacuteviles las re-des de telecomunicaciones la roboacutetica para nes meacutedicos y uso personalasiacute como de los controladores de automatizacioacuten programables mediantesistemas multiplataforma adaptivos utilizando dispositivos recongurablesen tiempo real

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A

Adquisicioacuten de datos (data acquisition o

DAQ)

Proceso mediante el cual se miden paraacutemetrosfiacutesicos reales de variables como voltaje corrien-te temperatura ujo nivel posicioacuten etc

CCompact DAQ

Sistema de instrumentacioacuten modular para adqui-sicioacuten de datos con una computadora mediante

interfaces USB yo Ethernet con lo cual se pue-de tener aplicaciones de campo ya que su usoprincipal incluye el uso de computadoras moacuteviles(laptops y netbooks)

Compact Field Point

Controlador industrial desarrollado por National

Instruments utilizado para comunicacioacuten de unacomputadora con controladores loacutegicos progra-

mables (PLCs) mediante el uso de un controla-dor de automatizacioacuten programable (PAC) Seusa principalmente en aplicaciones industrialesde automatizacioacuten de procesos mediante PLCs

a traveacutes de interfaces virtuales en las computa-doras

Compact PCI Extensions for Instrumenta-

tion (PXI)

Bus industrial creado en 1997 por National Ins-

truments para aplicaciones de control e instru-mentacioacuten entre perifeacutericos y equipos de coacutempu-to Combina caracteriacutesticas del bus PCI y el bus

Compact PCI Su uso abarca aplicaciones mili-tares aeroespaciales y automotrices asiacute comoprueba y vericacioacuten de sistemas industriales yde manufactura

A B C D E F G H I J K L M N Ntilde O P Q R S T U V W X Y Z

Glosario del capiacutetulo 1

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Glosario del capiacutetulo 1

CompactRIO Interfaz basada en el uso de tecnologiacutea FPGA(Field Programmable Gate Array) de ES recon-gurable (Recongurable IO o RIO) Incluye unchasis con ranuras de conexioacuten un controladorrecongurable basado en un FPGA y moacutedulospara interfaces externas

G

General Purpose Interfaz Bus (GPIB)

Interfaz de comunicaciones desarrollada porHewlett Packard en la deacutecada de 1960 para co-municar instrumentos de medicioacuten con las com-putadoras

I

Interfaz graacuteca de usuario (graphical user

interfaz o GUI)

Coacutedigo de programa que utiliza un conjunto deimaacutegenes y objetos graacutecos para representar in-formacioacuten y elementos disponibles que permitenla interaccioacuten del usuario de una manera ecien-

te con la aplicacioacuten Su principal funcioacuten consis-te en proporcionar un entorno visual sencillo quepermita la comunicacioacuten con el sistema operativode una computadora

L

LabVIEWreg

Lenguaje de programacioacuten graacuteco adoptado enla industria y en la academia como estaacutendar para

el desarrollo de sistemas de instrumentacioacuten vir-tual dado su poderoso conjunto de bibliotecasde funciones que permiten el desarrollo de com-plejos algoritmos de procesamiento de sentildealesademaacutes de permitir la comunicacioacuten con cual-quier protocolo de comunicaciones e interfacesde hardware y software existentes

S

Sensor o transductor Dispositivo utilizado para la adquisicioacuten de datosque proporciona sentildeales eleacutectricas proporciona-les a la magnitud fiacutesica de la variable a medir

VVirtual Instruments Software Architecture

(VISA)

Estaacutendar para conguracioacuten programacioacuten y de-puracioacuten de sistemas basados en instrumenta-cioacuten que incluyen interfaces GPIB VXI PXI Se-rial Ethernet yo USB Proporciona la interfaz deprogramacioacuten entre el hardware y los ambientesde programacioacuten como LabVIEW

VME Extensions for Instrumentation (VXI)

Estaacutendar de instrumentacioacuten introducido en 1987por Hewlett Packard se basa en la arquitecturadel bus VME (IEEE 1014) con algunas mejorasque permiten un mayor rendimiento aunque ma-yor precio que el bus PXI Se utiliza para desa-rrollar interfaces de automatizacioacuten de procesosy anaacutelisis de sentildeales industriales

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Glosario del capiacutetulo 1 A B C D E F G H I J K L M N Ntilde O P Q R S T U V W X Y Z

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WWireless Sensor Network (WSN)

Plataforma de red creada por National Instruments

que incluye nodos inalaacutembricos de conexioacuten paracubrir muacuteltiples sensores que permiten el monito-reo y control de aplicaciones en aacutereas remotas atraveacutes del uso de redes inalaacutembricas

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Recursos del capiacutetulo 1

Paacuteg 1 de 2

Aplicaciones en industria y casos de estudio

Portal para descarga de casos documentados de aplicaciones industriales yacadeacutemicas utilizando productos de National Instruments

httpwwwnicomsolutionsesa

httpsinenicomcsappmain

Facebook

Red social para comunicacioacuten y comparticioacuten de contenido relacionado allenguaje graacuteco de LabVIEW con usuarios

httpwwwfacebookcomlabview

National Instruments

Sitio web de la empresa desarrolladora del hardware y software utilizado yreferenciado en el presente ebook

httpwwwnicom

Twitter

Red social basada en microblogging para enviacuteo y publicacioacuten de mensajes

instantaacuteneos SMS o interfaces web con contenido relacionado con Lab-VIEW

httptwittercomlabview

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Recursos del capiacutetulo 1

Paacuteg 2 de 2

Denning P J (2001) Origin of virtual machines and other virtualities EnIEEE Annals of the History of Computing 23(3) 73

Goldberg H (2000) What is virtual instrumentation En IEEE Instrumen-

tation and Measurement Magazine 3(4) 10-13

National Instruments (2011) Recuperado el 12 de abril 2011 de

httpwwwnicom

Rosenbloom A (2002) How the virtual inspires the real En Communica-

tions of the ACM 45(7) 29-30

Rosol M Pilat A y Turnau A (2010) Real-time controller design based

on NI compact RIO En IEEE International Multiconference on Computer

Science and Information Technology 1-6

Sachenko A (2002) Intelligent data acquisition and advanced computing

systems En Computer Standards amp Interfaces 24(2) 97-100

Santori M (1990) An instrument that isnrsquot really En IEEE Spectrum 27(8)36-39

Tracht AE (1993) Adapting laptops to data acquisition En IEEE Spec-

trum 30(10) 45-47

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Introduccioacuten del eBook iii

Introduccioacuten a la instrumentacioacuten virtual vi11 Evolucioacuten de la instrumentacioacuten 112 Adquisicioacuten de datos 313 Lenguajes de programacioacuten virtual 514 Buses y protocolos de comunicacioacuten en instrumentacioacutenvirtual 615 Aplicaciones reales de instrumentacioacuten virtual 816 Tendencias actuales en la instrumentacioacuten virtual 1017 Futuro de la instrumentacioacuten virtual 11

Conclusiones 12 Actividad integradora 13

Resumen del capiacutetulo 14Glosario del capiacutetulo 1 16Recursos del capiacutetulo 1 19

Ambiente graacuteco de programacioacuten LabVIEW 2221 Front panel y diagrama de bloques 2422 Barras de herramientas en front panel y diagrama de blo-ques 2523 Tipos de paletas 2724 Teacutecnicas de prueba y vericacioacuten de programas (depura -cioacuten) 2925 Controles indicadores y constantes 31

26 Datos numeacutericos booleanos y strings 3227 Datos escalares arreglos y clusters 3328 Funciones numeacutericas 3829 Funciones booleanas 41

Iacutendice210 Funciones booleanas 42

211 Funciones de temporizacioacuten 43212 Coercioacuten 45213 Programacioacuten modular subprogramas 48

Conclusiones 52 Actividad integradora 53Resumen del capiacutetulo 54

Glosario del capiacutetulo 2 55Recursos del capiacutetulo 2 57

Arreglos y clusters 6031 Arreglos 6132 Tipo de arreglos 62

33 Funciones para manipulacioacuten de arreglos 7334 Polimorsmo 10835 Clusters 10936 Funciones de manipulacioacuten de clusters 113

Conclusiones 115 Actividad integradora 116Resumen del capiacutetulo 117

Glosario del capiacutetulo 3 118Recursos del capiacutetulo 3 120

Estructuras y elementos de programacioacuten 12341 Ciclos While 125

42 Ciclos For 12843 Estructura Case 13044 Nodo de foacutermulas 13545 Estructuras de secuencia at y stacked 137

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46 Estructuras de Eventos 140

47 Registros de desplazamiento 14148 Nodos de retroalimentacioacuten 14549 Autoindexado 146

Conclusiones 155 Actividad integradora 156Resumen del capiacutetulo 157

Glosario del capiacutetulo 4 158Recursos del capiacutetulo 4 160

Strings y manejo de archivos 16251 Modos de visualizacioacuten de strings 16352 Tipos de strings 165

53 Constantes strings predenidas 16954 Funciones para manipulacioacuten de strings 17055 Funciones para manipulacioacuten de archivos 19456 Tipos de graacutecas 20257 Graacutecas Waveform Chart 20358 Graacutecas Waveform Graph 20759 Graacutecas XY Graph 211510 Graacutecas de intensidad 212511 Graacutecas 3D 213

Conclusiones 215 Actividad integradora 216

Resumen del capiacutetulo 217Glosario del capiacutetulo 5 218Recursos del capiacutetulo 5 219

Adquisicioacuten de datos 222

Iacutendice61 Caracteriacutesticas de tarjetas de adquisicioacuten 223

62 Tipos de adquisicioacuten de datos 22763 MAX Software 22964 Funciones de LabVIEW para adquisicioacuten de datos 23265 DAQ Assistant 23366 Funciones DAQmx 24467 Ejemplos de adquisicioacuten de datos 247

Conclusiones 256 Actividad integradora 257Resumen del capiacutetulo 258

Glosario del capiacutetulo 6 259Recursos del capiacutetulo 6 262

Estructuras y funciones avanzadas 26471 Arquitecturas de programacioacuten 26572 Variables locales 27073 Variables globales 27274 Nodos de propiedad 27375 Referencias 27576 Sincronizacioacuten 27777 Manejo de errores 28178 Disentildeo de aplicaciones y documentacioacuten 285

Conclusiones 290 Actividad integradora 291

Resumen del capiacutetulo 292Glosario del capiacutetulo 7 294Recursos del capiacutetulo 7 296

Conectividad 298

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81 Asistente para publicacioacuten en Web 299

82 Funciones TCPIP 30283 Funciones UDP 30484 Funciones Data Socket 30685 Servidor VI 30986 Puerto serial 31187 Interfaz Bluetooth 31588 Correo electroacutenico 31989 Opciones avanzadas de conectividad 322

Conclusiones 326 Actividad integradora 327Resumen del capiacutetulo 328

Glosario del capiacutetulo 8 330Recursos del capiacutetulo 8 332Glosario general 334Referencias 343Ligas de intereacutes 344Iacutendice 350

Iacutendice

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Pineda Alejandro

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Alejandro Pineda

358 p cm

1 LabVIEW 2 Graacutecas por computadora

3 Instrumentos cientiacutecosmdashSimulacioacuten por computadora

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eBook editado disentildeado publicado y distribuido por el Instituto Tecnoloacutegico y de Estudios Superiores de Monterrey

Se prohiacutebe la reproduccioacuten total o parcial de esta obra por cualquier medio sin previo y expreso consentimiento por escrito del InstitutoTecnoloacutegico y de Estudios Superiores de Monterrey

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Ave Eugenio Garza Sada 2501 Sur Col Tecnoloacutegico CP 64849 | Monterrey Nuevo Leoacuten | Meacutexico

ISBN en traacutemite

Edicioacuten enero del 2012

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