Criar um Osciloscópio em Tempo Real com Matplotlib

Introdução

Este tutorial é um guia passo a passo sobre como criar um osciloscópio usando a biblioteca Matplotlib do Python. Um osciloscópio é um dispositivo usado para medir e exibir sinais de tensão ao longo do tempo. Neste tutorial, usaremos o módulo de animação do Matplotlib para criar uma exibição em tempo real de um sinal de tensão.

Dicas para a VM

Após a inicialização da VM, clique no canto superior esquerdo para mudar para a aba Notebook e acessar o Jupyter Notebook para praticar.

Às vezes, pode ser necessário aguardar alguns segundos para que o Jupyter Notebook termine de carregar. A validação das operações não pode ser automatizada devido a limitações no Jupyter Notebook.

Se você enfrentar problemas durante o aprendizado, sinta-se à vontade para perguntar ao Labby. Forneça feedback após a sessão, e resolveremos o problema prontamente para você.

Importar Bibliotecas

Antes de começarmos a codificar, precisamos importar as bibliotecas necessárias. Usaremos Matplotlib, NumPy e o módulo de animação.

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
import matplotlib.animation as animation
from matplotlib.lines import Line2D

Configurar a Classe Scope

A classe Scope conterá os dados e métodos que precisamos para criar o osciloscópio. No construtor, inicializamos as variáveis necessárias e configuramos o gráfico.

class Scope:
    def __init__(self, ax, maxt=2, dt=0.02):
        self.ax = ax
        self.dt = dt
        self.maxt = maxt
        self.tdata = [0]
        self.ydata = [0]
        self.line = Line2D(self.tdata, self.ydata)
        self.ax.add_line(self.line)
        self.ax.set_ylim(-.1, 1.1)
        self.ax.set_xlim(0, self.maxt)

Definir o Método Update

O método update é chamado para cada quadro da animação. Ele recebe um novo valor e atualiza o gráfico de acordo.

def update(self, y):
        lastt = self.tdata[-1]
        if lastt >= self.tdata[0] + self.maxt:  ## reset the arrays
            self.tdata = [self.tdata[-1]]
            self.ydata = [self.ydata[-1]]
            self.ax.set_xlim(self.tdata[0], self.tdata[0] + self.maxt)
            self.ax.figure.canvas.draw()

        t = self.tdata[0] + len(self.tdata) * self.dt

        self.tdata.append(t)
        self.ydata.append(y)
        self.line.set_data(self.tdata, self.ydata)
        return self.line,

Criar a Função Emitter

A função emitter gera os dados que serão passados para o método update. Neste caso, estamos gerando dados aleatórios com uma probabilidade de 0.1.

def emitter(p=0.1):
    while True:
        v = np.random.rand()
        if v > p:
            yield 0.
        else:
            yield np.random.rand()

Configurar o Gráfico

Criamos um novo objeto figure e axis e inicializamos a classe Scope. Em seguida, passamos as funções update e emitter para o método FuncAnimation para criar a animação.

fig, ax = plt.subplots()
scope = Scope(ax)

ani = animation.FuncAnimation(fig, scope.update, emitter, interval=50,
                              blit=True, save_count=100)

plt.show()

Resumo

Neste tutorial, aprendemos como usar o Matplotlib para criar um osciloscópio que exibe sinais de voltagem ao longo do tempo. Definimos uma classe Scope para armazenar os dados e métodos necessários para o osciloscópio, criamos um método update para atualizar o gráfico e usamos a função emitter para gerar os dados. Finalmente, configuramos o gráfico e passamos as funções update e emitter para o método FuncAnimation para criar a animação.