CAPÍTULO 3 “Metodología”
3.5 Etapa de transmisión con MATLAB
En la siguiente sección se detallan las pruebas que se realizaron para verificar la conectividad de los módulos XBee entre las interfaces de MATLAB y X-CTU.
Los pasos fueron los siguientes:
Abrir el programa de MATLAB y X-CTU.
En la primera prueba se hace una transmisión del software de MATLAB hacia X-CTU.
Para hacer la transmisión se efectuaron los pasos que se muestran a continuación:
o Escribir en la ventana Command Window de MATLAB el comando tmtool
que nos arroja una ventana de trabajo, la cual se puede ver del lado derecho de la imagen.
o Se da clic en el botón de Connect de la ventana de MATLAB.
o En X-CTU se selecciona el puerto de comunicación, en la configuración de
módem se da clic en la opción leer módem y posteriormente se abre la terminal.
o En la ventana de MATLAB, podemos ver la aplicación de Sending data. o En la sección de Data to Write escribimos el mensaje a transmitir y se da
clic en el botón Write.
o El código generado en MATLAB se verifica en la pestaña Session Log,
arrojando lo siguiente:
obj1 = instrfind('Type', 'serial', 'Port', 'COM4', 'Tag', ''); %Busca un objeto puerto serie. % Crear el objeto de puerto serie, si no existe.
% De otra manera utilizar el objeto que se encontró.
if isempty(obj1)
obj1 = serial ('COM4'); else
fclose(obj1); obj1 = obj1 (1) end
fopen(obj1); % Conectar al instrumento objeto, obj1.
fclose(obj1); % Desconectar del instrumento objeto, obj1.
o Por último en la ventana de X-CTU podemos ver el mensaje (Figura 3.27).
Figura 3.27 Transmisión del software de MATLAB hacia X-CTU.
En la siguiente prueba, se realizó la transmisión de X-CTU a MATLAB (Figura 3.28).
Figura 3.28 Transmisión del software de X-CTU hacia MATLAB.
o Se limpia la pantalla de X-CTU con la opción de Clear Screen. o Se escribe el texto deseado en la ventana de X-CTU.
o En la ventana de MATLAB, nos dirigimos a la ventana de Receiving data. o Se da clic en la opción de Read y veremos que el texto aparece en la parte
inferior de la ventana.
o En esta etapa podemos ver que existe en retardo de aproximadamente 10
segundos para que el texto aparezca en nuestra ventana de trabajo.
o El código generado en MATLAB se verifica en la pestaña Session Log,
obj1 = instrfind('Type', 'serial', 'Port', 'COM3', 'Tag', ''); % Busca un objeto puerto serie.
% Crear el objeto de puerto serie, si no existe % De otra manera utilizar el objeto que se encontró.
if isempty(obj1) obj1 = serial('COM3'); else fclose(obj1); obj1 = obj1(1) end
fopen(obj1); % Conectar al instrumento objeto, obj1.
data1 = fscanf(obj1); % Comunicación con los instrumentos objeto, obj1.
3.6 Pruebas finales
A continuación se presenta el prototipo utilizado para la toma de datos basado en un solo punto de referencia (rodilla). Figura 3.6.1
El mecanismo implementado consiste en dos placas metálicas ajustadas con cinta velcro, donde una permanece fija mientras que la otra permite la movilidad del potenciómetro para la obtención de ángulos. Figura 3.6.2
Figura 3.6.2 Muestra de las placas metálicas.
En la figura 3.6.3 se muestra el mecanismo utilizado con la pierna en movimiento.
La siguiente figura presenta la etapa de transmisión y recepción del sistema.
Figura 3.6.4 interacción de sistema
Finalmente se observan en las dos herramientas de software los datos adquiridos por el mecanismo mencionado anteriormente.
Figura 3.6.5 Datos finales obtenidos en X-CTU.
Tras el desarrollo del proyecto en forma breve se tienen las siguientes conclusiones: El análisis de la marcha humana es una premisa para el estudio de las
posturas y movimiento del ser humano.
ZigBee es un protocolo que se adecua al proyecto debido a su bajo consumo de energía, así como una velocidad de transmisión de datos apropiada, la cual permitió una correcta transmisión de datos, en nuestro caso, las posiciones brindadas por el sensor.
Se logro la toma de una secuencia de imágenes descriptivas del ciclo de marcha mediante una cámara web de bajo costo, en conjunto con la utilería de procesamiento de imágenes de MATLAB. Estas se pueden almacenar en un historial el cual podría ser implementado en una base de datos, lo cual podría ser una mejora al trabajo presentado.
Mediante el módulo XBee se logra la transmisión y recepción de la información de los datos en el software de MATLAB. El módulo es pequeño permitiendo la correcta implementación sin afectar el proceso de marcha. También se debe mencionar que existió la complicación con los dispositivos
de sensado, este obstáculo nos llevó al cambio de éstos. Otro punto que ocasionó demoras fue la configuración de comuniciaciones via USB en el microcontrolador PIC18F4550, por lo se cambió al PIC18F4520, el cual permitió una comunicación apropiada.
El prototipo original propuesto no se logró al 100%, dado que ya no se contaba con los recursos para la compra de más elementos.
No hay que perder de vista que el equipo implementado en laboratorios especializados son muy elevados, ya que están alrededor de los siete millones de pesos. En cambio con este prototipo se tiene un estimado aproximadamente de cinco mil pesos.
Características que diferencian el proyecto propuesto de Sistema de Marcha Humana con uno existente.
Tabla Comparativa
Sistema de Análisis de Marcha Humana
Inalámbrico NedAMH/IBV (Sistema para la Valoración de la Marcha Humana)
Superficie plana 1 Plataforma dinamométrica Dinascan/IBV P600 Potenciómetro de alta precisión para el registro
de los ángulos de movimiento. Barrera doble de fotocélulas para el registro de la velocidad de marcha. Circuito Electrónico para el procesamiento y
transmisión de datos (PIC 18F4520, dos capacitores de 22pF, cristal de 4MHz, módulo XBEE, tarjeta explorer USB alimentación de 5V). Cámara Microsoft LifeCam VX-1000, portacelular adaptado como portacircuito, cinta de velcro como sujetador.
Tarima y estructura mecánica que sirve de anclaje de la plataforma y de soporte para los accesorios (monitor de paciente, barreras de fotocélulas, tallímetro y arnés de seguridad). Medidas aproximadas 3,5 x 1,5 m. de superficie, y 2.4 m. de altura.
Mesa de evaluación, PC, monitor plano o de CRT
de 15 pulgadas o superior. Mesa de evaluación, PC, monitor plano de 17’’ e impresora color. --- Accesorios para la realización de las pruebas de
equilibrio (colchoneta de espuma y arnés). Licencia de Software MATLAB R2010a. Licencia de software NedAMH/IBV.
Se debe elegir adecuadamente que dispositivo utilizar tanto para la toma de ángulos y la transmisión de datos.
Para una mejor facilidad de transmisión de datos es recomendable hacer uso de una tarjeta de adquisición de datos.
Si la cuestión económica no es un obstáculo para el desarrollo del proyecto es recomendable el uso de una cámara de mayor resolución.
Requerimientos del sistema para la implementación del proyecto: 1. Computadora (escritorio o portátil)
2. Procesador de 3 núcleos o superior
3. 2GB de RAM; se recomiendan 4GB para las características de gráficos de paquetería y determinadas funciones avanzadas
4. Monitor con una resolución de 1024x576 o superior
5. Windows XP con Service Pack 3, Vista con Service Pack 1, Windows 7. 6. Entrada USB 2.0
7. Cámara Microsoft LifeCam VX-1000 8. Software MATLAB R2010A.
9. Software X-CTU
INEGI Instituto Nacional de Estadística y Geografía. CRIT Centro de Rehabilitación Infantil de Teletón. CI Fase de contacto inicial.
AI Fase inicial del apoyo o de respuesta a la carga.
AM Fase media del apoyo.
AF Fase final del apoyo.
OP Fase previa a la oscilación. OI Fase inicial de la oscilación. OM Fase media de la oscilación. OF Fase final de la oscilación.
RFD Dispositivo Reductor de Función.
LR-WPAN Low-rate wireless Personal Area Network (Baja Tasa de Red Inalámbrica de Área Personal).
WPAN Wireless Personal Area Network (Red Inalámbrica de Área Personal).
PAN Personal Area Network (Red de Área Personal). PHY Nivel Físico.
MAC Control de Acceso al Medio.
ZDO ZigBee Device Objects (Objetos de Dispositivo ZigBee). NWK Nivel de red.
NLDE Network Layer Data Entity. PDU Unidad de Protocolo de Datos
NPDU Unidad de Protocolo de Datos en Nivel de Red. NLME Network Layer Management Entity.
APS Application Sublayer (Subcapa de soporte de aplicación) APSD Entidad de Datos APS.
APSME-SAP Entidad Gestora del APS.
AIB APS Information Base (base de datos de los objetos) SSS Servicios de Especificación.
O-QPSK Modulación con Desplazamiento de Fase en Cuadratura con Desplazamiento Temporal.
BPSK Modulación con desplazamiento de fase binaria. MIC Código de Integridad del Mensaje.
ZigBee Stack Pila de Protocolos ZigBee USART Configuración serial en el PIC. CPU Unidad Central de Procesamiento. CRT Tubo de rayos catódicos.
RFD Reduced Function Device (dispositivo reductor de función) FFD Full Function Device (dispositivo con todas las funciones)
ANEXO A
| “Descripción del
Giroscopio
El giroscopio IXZ-500 consta de dos giroscopios MEMS independientes vibratorio. Uno detecta la rotación sobre el eje X.
El otro detecta la rotación alrededor del eje Z.
El giroscopio es una prueba de masas electrostática que oscila en resonancia. Posee un circuito interno de control automático de ganancia controlada con precisión. Cuando el sensor se gira alrededor del eje X o el eje Z, provoca una vibración que puede ser detectado por una falta de emulsión capacitiva. La señal se amplifica, demodula y filtra para producir un voltaje analógico que es proporcional a la velocidad angular.
El giroscopio está compuesto por los siguientes elementos: Sensores de tasa
Los sensores de tasa son fabricados utilizando la tecnología silicio a granel patentado por InvenSense. Los sensores de tasa tienen estructuras mecánicas para la detección de la velocidad angular para el eje X y el eje Z. Las estructuras están cubiertas y cerradas herméticamente en el nivel de la oblea. Los escudos cubren el giro de las interferencias electromagnéticas (EMI) e interferencias de radiofrecuencia
(RFI). El diseño de doble masa por sí rechaza cualquier señal causada por la aceleración lineal. El giro en el eje X y el giro en el eje Z tienen diferentes frecuencias de resonancia para evitar el acoplamiento no deseado.
Circuito oscilador
El circuito oscilador genera fuerzas electrostáticas al vibrar la estructura de resonancia. El circuito detecta la vibración mediante la medición de la capacidad entre la estructura oscilante y un electrodo fijo.
Amplitud de control
El factor de escala del giroscopio depende de la amplitud del movimiento mecánico y la configuración del ajuste de las etapas de ganancia programable interna. El circuito de oscilación controla con precisión la amplitud para mantener la sensibilidad
constante a lo largo del rango de temperatura. Los capacitores (0.22μF ± 10%)
conectado al pin 6 (XAGC) y el pin 15 (ZAGC) son capacitores para la compensación de los lazos de control de amplitud.
Efecto de Coriolis
Al girar el sensor en el eje X o Z existe una fuerza de Coriolis en el sensor correspondiente a la velocidad de éstos ejes. La fuerza de Coriolis hace que la estructura mecánica vibre. La vibración resultante se detecta mediante la medición del cambio de la capacidad entre la estructura mecánica y los electrodos fijos. Esta señal se convierte en una onda de tensión por medio de la carga de bajo ruido por medio del amplificador integrador y de las etapas de amplificación.
Demodulador
La salida del efecto de Coriolis es una forma de onda modulada en amplitud. La amplitud corresponde a la velocidad de rotación y la frecuencia de transmisión mecánica. El demodulador síncrono convierte el efecto de Coriolis en forma de onda a baja frecuencia y a la señal de velocidad angular.
Filtro Pasa bajas
Después de la etapa de demodulación, hay un filtro de pasa baja. Este filtro atenúa el ruido y los artefactos de alta frecuencia antes de la amplificación final.
Auto Cero
La función Cero automático se utiliza para reducir el desplazamiento DC causados por la deriva de sesgo. El uso de esta función variará según el requerimiento de aplicación. Pin 24 (AZ) se utiliza para establecer la función de Auto Cero, restableciendo la tendencia a aproximadamente VREF.
Sensor de Temperatura
Una construcción de Temperatura Absoluta Proporcional (Proportional-To-Absolute- Temperature, PTAT) del sensor proporciona información sobre la temperatura en el Pin 23.
Carga de la bomba
La bomba de carga en el chip genera la tensión necesaria para hacer oscilar la estructura mecánica.
Memoria
La memoria en el chip se utiliza para seleccionar la sensibilidad del giroscopio, es decir calibrar la sensibilidad, la nula compensación de CC y la selección de opción de filtro pasa baja.
Factor de Escala
La Tasa de salida del giro no es radiométrica al voltaje de alimentación. El factor de escala se calibra en la fábrica y es nominalmente independiente de la tensión de alimentación.
Referencia de tensión
El giroscopio incluye un circuito de referencia de banda prohibida. La tensión de salida es normalmente 1.35 V y es nominalmente independiente de la temperatura. La señal de tasa cero es nominalmente igual al valor de referencia.
Salidas analógicas
El giroscopio IXZ-500 tiene dos salidas X (X-OUT y X4.5 OUT) y dos salidas Z (Z- OUT y Z4.5 OUT), con factores de escala y la sensibilidad a gran escala que varía por un factor de 4.5.
Tener dos entradas y dos salida permite que el usuario final tenga una salida que puede ser utilizado para acelerar el movimiento (a una escala de ±500 º/seg), y una segunda salida que se puede utilizar para más lentos movimientos (en un rango de escala de ±110 º/seg). Por lo tanto una menor resolución de analógico a digital (ADC) se puede utilizar para digitalizar el movimiento, con la ganancia de 4,5 en la salida 4.5 OUT y dar al usuario dos bits de resolución adicional.
El circuito que representa el funcionamiento del giroscopio es el siguiente:
ANEXO B
|
“Hoja de especificaciones
del Microcontrolador
Microcontrolador PIC18F4520
Esta familia ofrece las ventajas de todos los microcontroladores PIC18, es decir, de alto rendimiento computacional a un precio económico, con la adición de alta resistencia, mejora de memoria Flash.
El PIC18F4520 incluye mejoras de diseño que hacen de éste microcontrolador una elección lógica alto rendimiento y potencia para las aplicaciones sensibles.
El dispositivo PIC18F4520 posee una amplia gama de características que pueden reducir el consumo de energía durante el funcionamiento. Los puntos clave son:
Modos de ejecución de alternativa: Para el controlador de reloj de la fuente de
Timer1 o del bloque de oscilador interno, el consumo de energía durante la ejecución de código se puede reducir hasta en un 90%.
Múltiples modos de espera: El controlador también se puede ejecutar con su núcleo
CPU. En estos estados, el consumo de energía puede ser reducido al 4% de lo normal que se pide como requisitos de operación.
Modo de conmutación: Son invocados por el código de usuario en operación,
permitiendo al usuario incorporar ahorro de energía e ideas en el software de su aplicación diseño.
Características especiales
Memoria de resistencia: Las memoria programable Flash y EEPROM de datos se
califica para durar muchos miles de escritura/borrado. Para la memoria programable Flash se tiene ciclos de 100.000 y de EEPROM de 1.000.000.
Auto-programación: Estos dispositivos pueden escribir sus propios espacios de
memoria de programa interno bajo software de control. Mediante el uso de una rutina del gestor de arranque, ubicado en el bloque de arranque protegido en la parte superior de la memoria del programa, se hace posible la creación de una aplicación que puede actualizarse en el campo.
Juego de instrucciones extendido: El PIC18F4520 introduce un conjunto de
instrucciones al PIC18, que añade 8 nuevas instrucciones y un modo direccionamiento. Estas instrucciones son habilitados como una configuración opcional en el dispositivo, se ha diseñado específicamente para optimizar la re- entrada al código de la aplicación original desarrollado en lenguajes de alto nivel, tales como C.
Mejora del módulo CCP: En el modo PWM, este módulo proporciona las salidas 1, 2
o 4 modulada para el control de medio puente y puente completo. Incluyen Auto- apagado, para desactivarlos, salidas PWM para interrumpir o seleccionar otras condiciones y reinicio automático, para reactivar las salidas una vez que la condición se haya resuelto.
USART direccionable: Este módulo de comunicación se logra por la norma RS-232
de operación y ofrece soporte para el LIN Protocolo de bus. Incluyen detección automática de velocidad de transmisión y una transmisión de 16 bits. Cuando el microcontrolador está usando el bloque de oscilador interno, el USART proporciona un funcionamiento estable que se comunican con el mundo exterior sin usar un cristal externo.
10-bit A/D Converter: Este módulo incorpora tiempo de adquisición programables, lo
que permite seleccionar un canal y una conversión que se inicie sin esperar a un periodo de muestreo y por lo tanto, reducir la sobrecarga de código.
Temporizador de vigilancia extendido (WDT): Este versión incluye un prescaler de 16
bits, lo que permite un largo tiempo de espera amplia que es estable a través de la tensión de funcionamiento y la temperatura.
Módulos de comunicación serie (
USART, Universal
Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter)
Los datos se envían bit a bit por una misma línea durante un tiempo fijo. La velocidad de transmisión se indica en baudios (número de bits enviados por segundo).
La transferencia puede ser síncrona o asíncrona.
Síncrona: Se envía la señal de reloj para sincronizar cada bit.
Asíncrona: Se necesitan “relojes” en el emisor y el receptor de la misma frecuencia y
en fase.
Comunicación serie asíncrona en Microcontroladores PIC
El modo USART puede actuar como sistema asíncrono full dúplex. Permite comunicarse con periféricos como CTRs y PCs.
También puede configurarse como sistema asíncrono Half dúplex. Para comunicación con circuitos A/D ó D/A, memorias serie EEPROM, etc.
Terminales asociados: RC6/TX/CK y RC7/RX/DT. Deben configurarse adecuadamente.
El módulo USART también permite localizar direcciones de 9 bits.
Registro TXSTA (98h)
bit6: TX9: Bit de habilitación de la transmisión de 9 bits 0= Transmisión de 8 bits
1= Transmisión de 9 bits
bit 5: TXEN: Bit de habilitación de la transmisión 0= Transmisión deshabilitada
1= Transmisión habilitada
bit 4: SYNC: Bit de selección del modo de funcionamiento 0= Transmisión asíncrona
1= Transmisión sincrónica
bit 2: BRGH: Bit de selección de alto valor de baudios 0= Baja velocidad
No se usa en transmisión sincrónica. bit 1: TMRT: Bit de estado del registro TSR
0= TSR lleno 1= TSR vacío
bit 0: TX9D: 9 bit del dato transmitido
Puede ser el bit de paridad por ejemplo.
Registro RCSTA (18h)
Bit7: SPEN: Bit de habilitación del puerto serie 0= Deshabilitado
1= Habilitado
bit6: RX9: Bit de habilitación de la recepción de 9 bits 0= Recepción de 8 bits
1= Recepción de 9 bits
bit 4: CREN: Bit de habilitación de la transmisión 0= Deshabilitada
1= Habilitada
No se usa en transmisión sincrónica.
bit 4: SYNC: Bit de selección del modo de funcionamiento 0= Transmisión asíncrona
1= Transmisión sincrónica
bit 3: ADDEN: Bit de habilitación de detección de dirección 0= Deshabilitada
1= Habilitada Sólo si RX9 = 1.
bit 2: FERR: Bit de error de framing 0= No hubo error
1= Sí hubo error
Se actualiza al leer RCREG. bit 1: OERR: Bit de overrun
0= No hubo error 1= Sí hubo error
Se pone a 0 si CREN 0 bit 0: RX9D: 9 bit del dato transmitido
La velocidad de comunicación serie se controla mediante el valor cargado en el registro SPBRG (99h).
La expresión matemática que determina los baudios de la comunicación serie asíncrona es la siguiente:
En muchos casos resulta ventajoso usar BRGH = 1 incluso para generar comunicaciones lentas.
Puede dar lugar a menores errores relativos. Si se desea 9600 Bd. Con
Diagrama de bloques del Transmisor USART
Funcionamiento
Desde el programa se carga el Buffer de transmisión TXREG.
En cuanto se haya enviado un bit de STOP, el contenido de TXREG pasa a TSR