İ.Ü. İ.T.F. Fizyoloji A.D. Semineri

Transkript

1 Adnan Kurt 27 Ekim 2010

2 İ.Ü. İ.T.F. Fizyoloji A.D. Semineri ShinichiMaruyama The object of sumi-e is to capture the essence, or spirit, of the subject matter. Fizyoloji Araştırmaları için Aygıt Tasarımı Adnan Kurt v1: 27 Ekim 2010

3 Motivasyon Motivasyon: Bilimsel araştırmalarda deney ve gözlem çalışmaları sorunun kaynağına göre belirlenir, yolu çizilir. Matematikçiler için sayı nedir?, Psikologlar için bilinç nedir? akıl nerededir?, Felsefeciler için dil nedir? bilgi nedir?, Fizikçiler için madde nedir? zaman nedir?, kimyacılar için Dirac denklemi nasıl çözülmelidir?, Biyoloji için hayat nedir? nasıl evrimleşiliyor? soruları temeldir kanımca. Fizyoloji, benzer bir çağrışımla duyu nedir? hayat nasıl bedenlenir? sorusuyla şekillenir zihnimde. Bilimsel araştırma aygıtları tasarımı uç bilgiler, öncü uğraşlar, ve yoğun öğrenme süreçleri gerektirir. Çoğunlukla arkadaşlarla çıkılan bir maceradır. Amaç: Fizyolojinin temel soruları çevresindeki çalışmalara araç olacak aygıtların tasarım kısıtları ve yöntemlerini örneklemek.

4 Fizyolojik Ölçümler ve Denetim Ölçümler Veri Ötelemesi Veri Toplanması Veri İşleme Denetim

5 Bilimsel Araştırma Bilimsel Yöntem kullanarak Doğal görüngüleri Gözlem yaparak Deneyler kurgulayarak Çözümlemeyi ve bir modelle kanıtlamayı ardından da çalışma sonuçlarını yayınlamayı Gerektirir.

6 Fizyolog Çıkmazı Yüksek teknolojili deneysel aygıtlar karmaşası, Yığınla sayısal deney verileri, Sayıboğan yazılımlar, Veri tabanları, Denetimciler, Görselleştirme yazılımları...

7 Laboratuvar Otomasyonu Ölçümler, Veri dönüştürme ve öteleme süreçleri, Donanım araçları ve bileşenleri, Yazılım araçları ile yeni bir yaratıcı düzey.

8 Analog Elektriksel Nicelikler Deneysel bilimlerde bilgi işlemenin güncel teknikleri elektriksel nicelikler kullanır: Gerilim (Voltaj) Yük (q, e -, Coulomb) dq Akım ( ) dt Güç (V*i) Bu nicelikler Analog Zaman Sayısal Tanım kümelerinde kullanılırlar.

9 Sayısal bir Ölçüm Süreci Fiziksel ve kimyasal nicelikler Giriş duyargası/ dönüştürücüsü Elektriksel im koşullayıcısı Analog Sayısal Dönüştürücü Sayısal im işleme Sayısal Sunum

10 Veri Kümeleri Gösterimleri Akım Yük Fiziksel ve Kimyasal Küme Gerilim Ölçek Sıklık Rakam Darbe Genişliği Paralel Evre Sayı Seri

11 Duyargalar Dönüştürücüler ve duyargalar herhangibir ölçüm sürecinin en önemli öğeleridir. İm koşullamanın, gürültü oranlarının ve kazanç değerlerinin çoğu dönüştürücü katında belirlenir. Yaygın kullanılan dönüştürücüler: Sıcaklık Işık Ses Isılçiftler, sıcağa duyarlı dirençler, termistörler, tümleşik devreler (yarıiletken bant aralıklı) Vakum tüplü duyargalar, fotoiletken hücreler, fotodiyotlar, tümleşik devreler Mikrofonlar (kapasitif, endüktif, elektret, optik) Kuvvet ve Basınç Gerim ölçücü, piezoelektrik dönüştürücü, yük hücreleri, ışık lifi (EO, MO) dönüştürücüler Konum Yerdeğiştirme dönüştürücüleri, potansiyometreler, LDVT, optik kodlayıcılar, manyetik kodlayıcılar, girişimölçerler, kapasitif dönüştürücüler Sıvı akışı ph Dönen akışölçerler, ultrasonik akışölçerler, laser Doppler hızölçerler, vorteks titreşimli dönüştürücüler ph elektrotları, iyona duyarlı elektrokimyasal hücreler.

12 Bir Ölçüm ve Denetim Düzeneği

13 İm Koşullandırması Bu aşamada: Duyarga imleri güçlendirilir, İm süzülür, Gerektiğinde ölçeklendirilir. Böylece Analog Sayısal dönüştürücü erimi kesinliği artıracak şekilde enbüyük değerini alır Sinyal/ Gürültü oranı yükseltilir. + - Noise Low Level Signal From Transducer Amplifier DAQ Board

14 Sinyal İyileştirmesi + - Gürültü Duyargadan gelen düşük sinyal Yükseltici Veri Toplama Aygıtı Signal SC Noise DAQ Digitized V SNR Amplifier on DAQ 0,1V *** 1mV * V 10 Amp. on DAQ and SC 0,1V *10 1mV *10 1,01V 100 Amplifier on SC 0,1V *100 1mV *** 1,001V 1000

15 Biyolojik Dönüştürücüler Biyolojik ölçümler genellikle büyücülük gerektirir. İyona özel elektrotlarla elektrokimyasal ölçümler, elektroforez, voltametri, kutupçizi, renkçizi, IR ve UV izgeölçümü, NMR, kütle izgeölçümü, x-ışını izgeleri, PET, sinkrotron ışıma izgeleri vb. Çoklu karmaşıklıklar içerir ve temel özelliklere sınıflandırılamaz. Çok parametreli ölçümler içerir, karmaşık denetim dizgeleri gerektirir. EEG ve EKG den tutun da, hücreiçi elektriksel ölçümleri, kan hücreleri mekaniği, STM ve AFM ölçümleri, OCT ölçümleri gibi.

16 DAQ Hardware Specs Isolation:If elimination of ground loops, HV spikes or safety standards are needed. Filtering:To eliminate unwanted signals, and before DAQ board to improve antialiasing and SNR. Excitation:Some transducers need excitation, such as strain gauges, thermistors, voltage clamping, etc. Hi Stability reference sources might be available at DAQ Hardware. Linearization:Many transducers such as thermocouples have a nonlinear response which might be linearized at DAQ Hardware. Analog Outputs:Analog output circuitry is generally needed to provide stimuli to the experimental system. Settling time, slew rate, and the resolution of the DAC determine the quality. Digital I/O:Needed for on/off control, timing, communications, stimulus generation. Analog Inputs:Basic specs to get number of measurement channels, sampling rate, resolution and input range. Single ended and differential inputs are specified as well. Single Ended Inputs are referenced to a common ground point. Differential Inputs are nonreferenced. A differential measurement system responds only to the voltage difference between + and - terminals. Sampling Rate:Describes the number of conversions taking place per given period. Nyquist Theorem requires the system to sample a given signal at a rate twice the maximum frequency component in that signal. Timing I/O:In order to count the frequency of a digital event, digital pulse timing, and generating accurate pulses and square waves.

17 DAQ Resolution Resolution: The number of bits of an ADC determines the range of values for the binary output of the A/D Conversion. Example: 3 Bit ADC divides the range into 2 3 or 8 divisions. Increasing the resolution to 16 bits, number of codes increase to 2 16 or 65,536. Gain amplifies the low level signal enabling to make more accurate measurements. Given a low level signal of +-30mV, digitized with 12bit ADC with +-5V input range, and a gain of 100 amplifier used, resulting with a resolution: Resolution =10/(100*212) = mv

18 DAQ System Design o o o o o o Step1: Identify Your I/O Signal Types: Analog Input o Temperature, Pressure, Strain, Voltage, Current, Acoustic and Vibration, ph. Analog Output o Voltage, Current, Waveform Generation. Digital I/O o TTL compatible I/O, High Voltage AC/DC I/O, Parallel/Serial Communication, Relay control. Timing I/O o Frequency I/O, event counting, Pulse width measurement, Pulse train generation. Step2: Choose Signal Conditioning: o Instrumentation Class o Low noise, flexible, rugged, modular, hi speed multiplexing, up to 3,072 channels (SCXI). o Simple 16 channel Systems, o No Conditioning o General purpose, screw terminal I/O connector boards.

19 DAQ System Design o o o Step3: Select DAQ I/O Device: o Versatile, fast settling time, high accuracy, fast sampling rates, synchronization, shielded I/O connectors. o Less than 16 channels, basic performance, economical solution. o PC Card (PCMCIA), parallel port, serial communications. Step4: Choose Cabling and Accessories: o Shielded Cables -Best accuracy, noise isolation, rugged connection, instrumentation class. o Ribbon Cables -Low cost, flexible, not rugged. Step5: Select Software Programming: o Driver Software o Board function library, control functions o Development Environments: o LabVIEW, HP VEE, BridgeVIEW, LabWindows/CVI, Measure, Superscope, LabTech Notebook, C, C++, Visual Basic, Delphi, Pascal, Assembler o Operating Systems: o Windows o MacOS o UNIX, AIX, LINUX

20 Virtual Instrumentation A Paradigm Shift Instrumentation helps Science & Technology. Engineers & Scientists use instruments to observe, control and understand the physical universe. Jeweled movement of clocks used to be the first analog meter in 19. Century. Variable capacitors, variable resistors and vacuum tubes from the radio were used to build electronic instruments. Display technology from the TV formed the base to modern oscilloscopes and analyzer displays. And today, microcomputers with very high performance computation and graphics display capacities offer many exciting advantages. In the past, data acquisition devices have been reserved for stand-alone instrument. Today, flexibility, ease of use (!) and cost effectiveness are of great concern.

21 Virtual Instrumentation Stand-Alone Instrument:Architectural limitations resulted in hard boundaries between vendor defined instruments and user defined functionality in instrumentation system Computer Based Instrument: When the fixed capabilities of a traditional instrument enhanced with user defined capabilities of a computer, one gets a VIRTUAL INSTRUMENT. The computer enhances instrument functionality in data acquisition, analysis, and presentation.

22 Elements of Virtual Instruments A Virtual Instrument consists of: Acquisition, Analysis, and Presentation. Acquisition: Physical signals are converted into digital formats and brought into the computer. Analysis: Performed by specifically optimized software. Presentation: Using common graphic display and output techniques and devices available. Formally: Acquisition: Signal routing and conditioning, GPIB, VXI, RS232, DAQ Boards, PXI, SCSI Instruments, Triggering and control. Analysis: Calculation and Formatting. Presentation: User interface, Hard copy, File storage and keeping, data base management, Interprocess communication, Networking, Internetworking.

23 Components of a Virtual Instrument Laptops require smaller-and probably less capable DAQ devices. A general standard is the PCMCIA slot device, and parallel or serial port devices can be used when appropriate. Generally preferred for field testing and data logging. A desktop microcomputer with plug-in DAQ boards, cabled to connector block and transducers. DAQ Board digitizes the incoming signal for the application software, which builds programs to analyze and present the data.

24 Virtual Instrumentation Software Virtual Instruments can be designed with either classical languages or new application programs and optimized languages offering cross platform compatibility and scalable structure. Basic Pascal Forth C/C++ G/LabVIEW LabWINDOWS/CVI LabTech Notebook SuperScope Matlab HP VEE Mathematica