Diseño e implementación de un sistema de adquisición de datos para la modernización de la maqueta Alecop SAD 100

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Automática y Sistemas Computacionales. TRABAJO DE DIPLOMA Diseño e Implementación de un Sistema de Adquisición de Datos para la modernización de la maqueta Alecop SAD-100. Autor: Yasiel Cabrera Cárdenas e-mail: [email protected] Tutor: Dr.C. Ángel Ernesto Rubio Rodríguez e-mail: [email protected] Santa Clara 2014 “Año 56 de la Revolución”.

(2) Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Automática y Sistemas Computacionales. TRABAJO DE DIPLOMA Diseño e Implementación de un Sistema de Adquisición de Datos para la modernización de la maqueta Alecop SAD-100. Autor: Yasiel Cabrera Cárdenas e-mail: [email protected]. Tutor: Dr.C. Ángel Ernesto Rubio Rodríguez Titular Dpto. de Automática, Facultad de Ing. Eléctrica, UCLV e-mail: [email protected]. Santa Clara 2014 “Año 56 de la Revolución”. 2.

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Automática, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Yasiel Cabrera Cárdenas. Fecha. Autor. Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Yasiel Cabrera Cárdenas Autor. Fecha. Boris Luis Martínez Jiménez, Dr.C Jefe del Departamento. Fecha. Responsable ICT o J’ de Carrera, (Dr.C., M.Sc. o Ing.) Responsable de Información Cientíﬁco-Técnica. Fecha. 3.

(4) PENSAMIENTO. PENSAMIENTO. “La inteligencia consiste no sólo en el conocimiento, sino también en la destreza de aplicar los conocimientos en la práctica”. Aristóteles. i.

(5) DEDICATORIA. DEDICATORIA. Dedico esta tesis a:. Mis abuelos, por todo el cariño y educación que me han dado Mis padres, por haberme ayudado tanto durante toda mi vida Mis suegros, por quererme como un hijo y enseñarme a ser cada día una mejor persona. Mi novia, por estar siempre a mi lado en todos los momentos brindándome todo su amor, comprensión y confianza. ii.

(6) AGRADECIMIENTOS. AGRADECIMIENTOS. A todas las personas que de una forma u otra han estado vinculadas conmigo y me han brindado todo su apoyo. A mi tutor Ángel E. Rubio por su ayuda y orientación en cada momento. A mi primer tutor Alleiny Machado Sosa por brindarme su experiencia y su conocimiento en esta materia. A mi familia en general y a mis amigos que también forman parte de ella, amigos del aula con los cuales compartí tanto bueno como malos momentos. A aquellos profesores que más que maestros han sido amigos y han contribuido en mi formación profesional. A todos, Muchas gracias. Yasiel Cabrera Cárdenas. iii.

(7) RESUMEN. RESUMEN. Debido a la necesidad de la realización de prácticas reales de Sistemas de Control, el departamento de automática de la UCLV ha pensado incorporar una nueva maqueta con este fin. Para ello se realizó un análisis de algunas de las maquetas existentes en el mercado en cuanto a prestaciones y costo, lo cual representaría una solución muy cara. Por lo cual se decidió la modernización de la obsoleta maqueta Alecop SAD-100 con que cuenta el departamento. Esta maqueta fue puesta nuevamente en funcionamiento, revisando y recuperando sus piezas defectuosas y diseñando a su vez un nuevo Hardware a base de dsPIC como sustitución de una Tarjeta de Adquisición de Datos (TAD) en aras de aminorar los costos de lo que supondría la adquisición de una maqueta completa o alguna TAD profesional. El Hardware permite el accionamiento y control de la maqueta desde la PC a través del Software MATLAB/Simulink, haciéndola accesibles directamente desde el entorno de Simulink en tiempo real. La maqueta modernizada facilita la realización de experimentos, como la identificación del modelo del sistema y el diseño y evaluación del desempeño de controladores, permitiendo que los estudiantes apliquen sus conocimientos de ingeniería de control.. iv.

(8) ÍNDICE. ÍNDICE PENSAMIENTO .....................................................................................................................i DEDICATORIA .................................................................................................................... ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii RESUMEN ............................................................................................................................iv ÍNDICE ................................................................................................................................... v ÍNDICE DE TABLAS ........................................................................................................ viii ÍNDICE DE FIGURAS .........................................................................................................ix INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1 El Problema y la Hipótesis.................................................................................................. 2 Objetivos ............................................................................................................................. 3 Resultados esperados .......................................................................................................... 3 Organización del informe ................................................................................................... 4 CAPÍTULO 1. 1.1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA................................................................. 5. Entornos de experimentación ................................................................................... 5. 1.1.1. Clasificación de los Entornos de experimentación modernos .......................... 5. 1.1.2. Aplicaciones de las Maquetas de Laboratorio .................................................. 8. 1.1.3. Descripción de la maqueta Alecop SAD 100 ................................................... 8. 1.2. Sistemas de Adquisición de Datos ......................................................................... 11. 1.2.1. Variantes de SAD basados en PC ................................................................... 12. 1.2.2. SAD usados para el manejo de maquetas simples o equipos similares .......... 13. 1.3. Conclusiones parciales ........................................................................................... 16. CAPÍTULO 2. 2.1. ARQUITECTURA DE HARDWARE Y SOFTWARE ............................ 17. Arquitectura de Hardware ..................................................................................... 17. 2.1.1. Arquitectura general del Hardware a diseñar ................................................. 17. 2.1.2. Arquitectura específica del Hardware ............................................................ 19. 2.1.2.1. Módulo de conversión Análogo-Digital (ADC) ...................................... 20. 2.1.2.2. Módulo Interfaz de codificador de cuadratura (QEI) .............................. 20. 2.1.2.3. Módulo Transmisor Receptor Asincrónico Universal (UART) .............. 21 v.

(9) ÍNDICE. 2.1.2.4 2.1.3. Interfaz de Comunicación ............................................................................... 22. 2.1.3.1. Interfaz serial RS-232 .............................................................................. 22. 2.1.3.2. Interfaz SPI .............................................................................................. 24. 2.1.4. Interfaces Analógicas ...................................................................................... 25. 2.1.4.1. Entradas Analógicas ................................................................................ 26. 2.1.4.2. Salidas Analógicas................................................................................... 28. 2.1.5 2.2. Módulo Interfaz Periférica Serie (SPI) .................................................... 22. Montaje del Sistema........................................................................................ 30. Arquitectura de Software........................................................................................ 31. 2.2.1. Software de bajo nivel en el microcontrolador (firmware) ............................. 32. 2.2.1.1. Cálculo de la posición ............................................................................. 35. 2.2.1.2. Cálculo de los niveles de entrada ............................................................ 36. 2.2.2. Software de alto nivel en la PC ....................................................................... 36. 2.2.3. Protocolo de comunicación empleado ............................................................ 40. 2.3. 2.2.3.1. Tramas de la PC al Hardware diseñado ................................................... 41. 2.2.3.2. Trama del Hardware a la PC ................................................................... 42. Conclusiones parciales ........................................................................................... 43. CAPÍTULO 3.. RESULTADOS Y PRUEBAS REALIZADAS ...................................... 44. 3.1. Pruebas de ajuste y calibración .............................................................................. 44. 3.2. Pruebas para la detección de errores ...................................................................... 46. 3.3. Pruebas a la Maqueta ............................................................................................. 46. 3.4. Obtención de los modelos de la Maqueta .............................................................. 48. Modelo de la planta con masa (Primer Orden) ............................................................. 49 Modelo de la planta sin masa (Segundo Orden) ........................................................... 49 3.5. Controlando la Maqueta ......................................................................................... 51. Control de velocidad para la planta con masa .............................................................. 52 Control de velocidad para la planta sin masa ............................................................... 53 Control de posición para la planta con masa ................................................................ 54 3.6. Análisis Económico ............................................................................................... 56. 3.7. Conclusiones parciales ........................................................................................... 57 vi.

(10) ÍNDICE. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 58 Conclusiones ..................................................................................................................... 58 Recomendaciones ............................................................................................................. 59 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 60 ANEXOS .............................................................................................................................. 63 Anexo I Arquitectura de Hardware .................................................................................. 63 Anexo II Configuración del Modelo de Simulink para operar la Maqueta ...................... 67. vii.

(11) ÍNDICE. ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1. Leyenda de la Figura 2.2. ................................................................................................................. 19 Tabla 2.2. Numeración de los pines del Conector DB-9 de la PC. ...................................................................... 22 Tabla 2.3. Relación entre entrada y salida en el bloque Atenuador de nivel. ................................................... 27 Tabla 2.4. Inicialización de los módulos del Microcontrolador. ........................................................................ 33 Tabla 2.5. Protocolo de Comunicación.............................................................................................................. 40 Tabla 2.6. Trama de Inicialización .................................................................................................................... 41 Tabla 2.7. Trama de Mando.............................................................................................................................. 42 Tabla 2.8. Trama de solicitud de adquisición .................................................................................................... 42 Tabla 2.9. Trama del Hardware a la PC. ........................................................................................................... 42 Tabla A 1. Listado de componentes y precios. .................................................................................................. 66. viii.

(12) ÍNDICE. ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1. Plantas Pilotos Modernas. ................................................................................................................ 6 Figura 1.2. Modelos CE 150, CE 151 y el CE 152 de la Humusoft. ....................................................................... 6 Figura 1.3. Modelos QUBE-Servo, 2 DOF Helicopter y 2 DOF Inverted Pendulum/Gantry de Quanser. ............. 7 Figura 1.4. Demo en Simulink del modelo CE 151 de la Humusoft. .................................................................... 7 Figura 1.5. Maqueta Alecop SAD 100. ................................................................................................................ 9 Figura 1.6. Esquema del Potenciómetro de medición. ........................................................................................ 9 Figura 2.1. Esquema general del SAD. .............................................................................................................. 18 Figura 2.2. Esquema específico de la Arquitectura del SAD. ............................................................................. 19 Figura 2.3. Relación de las señales del encoder. ............................................................................................... 21 Figura 2.4. Forma de onda del formato 8N1..................................................................................................... 23 Figura 2.5. Circuito Desplazador de Nivel TTL – RS-232. ................................................................................... 24 Figura 2.6. Conexionado entre el SAD y la PC. .................................................................................................. 24 Figura 2.7. Comando de escritura del MCP4822............................................................................................... 25 Figura 2.8. Acondicionamiento de las Entradas Analógicas. ............................................................................ 26 Figura 2.9. Acondicionamiento para la salida correspondiente al Driver de potencia. .................................... 28 Figura 2.10. Esquema del accionamiento del freno en el bloque TF-100 de la maqueta.................................. 29 Figura 2.11. Modernización en el bloque del freno........................................................................................... 30 Figura 2.12. Acondicionamiento para la salida correspondiente al freno magnético. ..................................... 30 Figura 2.13. Montaje del SAD. .......................................................................................................................... 31 Figura 2.14. Caso de uso del Software. ............................................................................................................. 31 Figura 2.15. Diagrama de Flujo del Software del Microcontrolador................................................................. 33 Figura 2.16. Bloque de la maqueta en el Software Simulink............................................................................. 36 Figura 2.17. Diagrama de Flujo de las S-Function............................................................................................. 38 Figura 2.18. Parámetros de inicialización del bloque. ...................................................................................... 38 Figura 3.1. Prueba de entradas y salidas analógicas. ....................................................................................... 46 Figura 3.2. Esquema para determinar la relación entrada salida..................................................................... 47 Figura 3.3. Relación entrada-salida del conjunto motor-driver. ....................................................................... 47 Figura 3.4. Característica dinámica de la planta .............................................................................................. 48 Figura 3.5. Respuesta al paso del modelo de primer orden y la planta real con masa..................................... 49 Figura 3.6. Respuesta al paso de la Planta sin masa. ....................................................................................... 50 Figura 3.7. Respuesta al paso del Modelo de Segundo Orden y la Planta sin Masa. ........................................ 51 Figura 3.8. Diagrama de bloques del modelo con el controlador. .................................................................... 52 Figura 3.9. Control de Velocidad en la Planta con masa................................................................................... 52 Figura 3.10. Lugar geométrico de la raíz de la planta con el controlador. ....................................................... 53. ix.

(13) ÍNDICE Figura 3.11. Lazo cerrado de velocidad para la planta sin masa. ..................................................................... 53 Figura 3.12. Control de velocidad de la planta sin masa. ................................................................................. 54 Figura 3.13. Diagrama de bloques del control de posición. .............................................................................. 54 Figura 3.14. Lazo de Posición en la planta real ................................................................................................. 55 Figura 3.15. Respuesta...................................................................................................................................... 56 Figura A 1. Esquema del Hardware (primera parte). ........................................................................................ 63 Figura A 2. Esquema del Hardware (segunda parte). ....................................................................................... 64 Figura A 3. PCB del Hardware. .......................................................................................................................... 65 Figura A 4. Pestaña de Simulación. ................................................................................................................... 67 Figura A 5. Configuración del tiempo de muestreo y método de solución. ....................................................... 68 Figura A 6. Selección del Real-Time Windows Target. ...................................................................................... 68 Figura A 7. Localización de Model Properties. .................................................................................................. 69 Figura A 8. Ventana propiedades del modelo. .................................................................................................. 69 Figura A 9. Pasos para ejecutar el modelo de Simulink. ................................................................................... 69. x.

(14) INTRODUCCION. INTRODUCCIÓN. La comprensión del conocimiento tecnológico tiende a variar como resultado de los rápidos cambios que definen nuevos conceptos y estándares técnicos de competitividad; siendo necesaria la formación de profesionales cada vez mejor preparados y capaces de desempeñarse exitosamente en el mundo de la automatización. Durante la formación de estos profesionales se hace indispensable la vinculación entre la teoría y la práctica, de forma tal que puedan aplicar los conocimientos teóricos adquiridos en procesos reales (Samaniego 2005). Debido a lo costoso y riesgoso que sería la experimentación con procesos reales en las industrias, se han incluido en el proceso de enseñanza-aprendizaje, las maquetas industriales. Las mismas son dispositivos que representan un proceso a pequeña escala, con la seguridad correspondiente y a prueba de fallos, es decir, sin poner en riesgo la vida humana ni la afectación en la calidad o la destrucción del sistema. Además, dan una buena aproximación a la realidad, haciéndolas ideales para la didáctica y la experimentación en estos procesos, en la búsqueda de aumentar el rendimiento de los mismos. Según Domínguez (Domínguez, Fuertes et al. 2004), con el desarrollo y abaratamiento de los sistemas informáticos (PC), se ha abierto un camino muy importante para la docencia, ya que ha impulsado la realización de laboratorios tanto virtuales como reales. La utilización de programas informáticos (tales como el MATLAB/Simulink) permiten al estudiante tanto simular como operar, manejar y supervisar un sistema físico real (maqueta), siempre y cuando se cuente con un adecuado Sistema de Adquisición de Datos (SAD). Lo cual permite extender aun más las aplicaciones de las maquetas didácticas, dotándolas además de la posibilidad de conformar un laboratorio remoto vía Internet, lo cual es una tendencia entre las universidades de mayor prestigio a nivel mundial como se expone en (Santana 2012). Si bien existen en el mercado diversos fabricantes y proveedores de maquetas didácticas (Quanser, Alecop, Feedback, entre otros), sus productos son extremadamente caros y su costo oscila entre los 5 000 y 20 000 USD.. 1.

(15) INTRODUCCION. En la década del 80 del siglo pasado, el Departamento de Automática de la Facultad de Ingeniería Eléctrica (FIE) de la Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas (UCLV), tuvo especial interés por adquirir medios de enseñanza de este tipo. Como resultado se adquirieron cuatro maquetas: una planta tipo bomba-válvula-tubería; un calentador de aire de la Feedback; y dos entrenadores de control de motores DC (Alecop SAD 100) y otro de la Feedback. El Problema y la Hipótesis Debido al deterioro de su equipamiento y a la imposibilidad de conectarse a alguna PC por sí sola, estas maquetas han ido quedando obsoletas e inoperativas. Por consiguiente, se ve comprometida la realización de prácticas reales, principalmente, debido al bajo presupuesto con que cuenta UCLV y a la dificultad que tiene el país para adquirir un medio de enseñanza de este tipo o algún dispositivo profesional que permita la modernización de alguna de estas maquetas. Este es el problema científico que se abordará en el presente trabajo. Dada esta situación, se hace necesario encontrar una solución a la situación de las prácticas reales. Por consiguiente surge como interrogante científica lo siguiente: ¿Cómo modernizar y optimizar la obsoleta maqueta Alecop SAD 100 de la forma más económica posible, y además haciendo que cumpla con las especificaciones necesarias para la realización de prácticas reales en tiempo real a través del Software MATLAB/Simulink? Para lograr esto se asume como hipótesis que, realizando un Sistema de Adquisición de Datos a la medida usando un microcontrolador, se puede manejar la maqueta desde la PC a través del Software MATLAB/Simulink como sustitución de un Hardware profesional (tal como una Tarjeta de Adquisición de Datos (TAD)), sin disminuir el desempeño y brindando las mismas prestaciones para esta aplicación. Esta sería una solución muy acertada ya que la FIE cuenta con las herramientas y los recursos necesarios para el desarrollo de la misma.. 2.

(16) INTRODUCCION. Objetivos El objetivo general de este trabajo es modernizar la maqueta Alecop SAD 100 mediante la implementación de un Sistema de Adquisición de Datos de bajo costo, que permita su accionamiento y control desde una PC a través del MATLAB/Simulink. Como objetivos específicos se establecen los siguientes: . Evaluar maquetas existentes en el mercado.. . Evaluar Sistemas de Adquisición de Datos de bajo costo que son empleados en maquetas y equipos similares en cuanto a precios y prestaciones.. . Diseñar e Implementar el Hardware necesario para manejar (accionar y supervisar) la maqueta Alecop SAD-100 desde una PC.. . Implementar la interfaz de Software en MATLAB/Simulink que permita la realización de prácticas reales en tiempo real.. . Realizar pruebas al Hardware y a la maqueta de forma general para comprobar la funcionalidad de la misma.. Resultados esperados La modernización de la Alecop SAD 100 permitirá llevar a cabo experimentos sofisticados utilizando el Simulink de MATLAB, tales como la identificación y estimación del modelo dinámico del sistema, además del diseño de controladores. De modo que los estudiantes apliquen los conocimientos adquiridos en el transcurso de la carrera de Ingeniería en Automática. Los alumnos experimentarán los problemas reales, tales como, las no linealidades del sistema (zonas muertas, saturaciones, etc.) y los ruidos en las señales de los sensores.. 3.

(17) INTRODUCCION. Organización del informe El informe de la investigación se estructurará en introducción, capitulario, conclusiones, referencias bibliográficas y anexos. A continuación se muestra un resumen del contenido de cada capítulo. CAPÍTULO I: Este capítulo muestra una breve introducción acerca de las maquetas modernas y su importancia para la educación, así como la forma en que consiguen la comunicación con la PC. También, en el se describe la maqueta Alecop SAD 100 y su funcionamiento básico. Además se realiza una revisión acerca de los Sistemas de Adquisición de Datos de bajo costo encontrados en la literatura científica. CAPÍTULO II: En este capítulo se aborda la arquitectura de Hardware y Software del SAD diseñado, en este se muestra las principales características del microcontrolador empleado, así como los módulos que se utilizan para la aplicación. Además se aborda el diseño del acondicionamiento necesario para interactuar con la maqueta y la PC, tales como las interfaces analógicas (entradas y salidas), la de lectura de encoder y las interfaces de comunicación. Luego se describe el Software implementado en el microcontrolador y el Software implementado en la PC (MATLAB/Simulink). CAPÍTULO III: En este se muestra la comprobación de los resultados mediante pruebas al dispositivo, identificación de modelos y control. Además se realiza el análisis económico correspondiente a esta investigación.. 4.

(18) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 5. CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. Las maquetas de laboratorios para sistemas de control, surgen por la necesidad de enseñar, entrenar e investigar en un ambiente seguro. También sirven para probar nuevas variantes del control, así como para la realización de experimentos que pudieran poner en riesgo la seguridad y estabilidad de un sistema de control. Permitiendo así avances importantes en el desarrollo industrial, sin necesidad de detener los procesos reales, ya que estas maquetas permiten recrear de manera aceptable la realidad que puede encontrarse en el sector industrial (Granado, Marín et al. 2010). 1.1. Entornos de experimentación. Estas maquetas constituyen los denominados laboratorios experimentales o entornos de experimentación,. los. cuales. constan. del. equipamiento. necesario. para. realizar. investigaciones, experimentos y trabajos de carácter científico y tecnológico. 1.1.1. Clasificación de los Entornos de experimentación modernos. Las maquetas didácticas para impartir docencia y entrenamiento en temas de sistemas de control automático, pueden ser divididas en dos grupos: Plantas pilotos de Laboratorio y Maquetas de laboratorio simple. Plantas pilotos de Laboratorio: son plantas de proceso a escala reducida, algunos ejemplos de plantas pilotos a escala de laboratorio se muestran en (Domínguez, Fuertes et al. 2004; Granado, Marín et al. 2010). Estas plantas cuentan con instrumentación inteligentes con capacidad de comunicación (sensores, actuadores) y pueden ser controladas por PLC, Sistemas de Control Distribuidos (SCD) o por Tarjetas de Adquisición de Datos (TAD) y PC. Las mismas permiten la realización de prácticas de gran envergadura, como proyectos de automatización con buses de campos, SCADA, etc. Ejemplo de estos sistemas se muestran en la Figura 1.1.. 5.

(19) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 6. Figura 1.1. Plantas Pilotos Modernas.. Maquetas de Laboratorio simple: son maquetas que no pertenecen a la clasificación de plantas pilotos, están constituidas principalmente por motores o por un solo equipo con sus respectivos sensores. Estas se conectan a una PC a través de un SAD (principalmente TAD), para ser manejada empleando algún Software utilizado para el control (MATLAB/Simulink, Labview, etc.). En el mercado existen diversos fabricantes y proveedores de sistemas de control didácticos de este tipo (Quanser, Alecop, Feedback, Humusoft, etc.). Con estos equipos es posible la realización de numerosos experimentos, como por ejemplo: la identificación y obtención de modelos (lineales o no-lineales), diseño de controladores, entre otros. Los precios de estas maquetas están entre los 4000 y 10000 € aproximadamente (en dependencia del fabricante), lo que constituye un costo demasiado alto en un solo medio de enseñanza. Ejemplo de estos sistemas se muestran en la Figura 1.2 y Figura 1.3 extraídas de (HUMUSOFT 2013; Quanser 2013) respectivamente.. Figura 1.2. Modelos CE 150, CE 151 y el CE 152 de la Humusoft.. 6.

(20) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 7. Figura 1.3. Modelos QUBE-Servo, 2 DOF Helicopter y 2 DOF Inverted Pendulum/Gantry de Quanser.. La característica fundamental que hace a estas maquetas “modernas” es la posibilidad de conexión con la PC, lo cual solo es posible mediante el empleo de algún SAD. Esto, sumado a que sus fabricantes brindan el modelo de Simulink de las mismas, permite conformar el sistema desde el propio Software y manejar la maqueta en tiempo real. Un ejemplo de esto se muestra en la Figura 1.4 la cual es una aplicación demo del modelo CE 151 de la Humusoft.. Figura 1.4. Demo en Simulink del modelo CE 151 de la Humusoft.. 7.

(21) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 1.1.2. 8. Aplicaciones de las Maquetas de Laboratorio. Sin duda la realización de prácticas con sistemas físicos reales permite al estudiante adquirir y afianzar los conocimientos de una forma más eficiente que al realizar únicamente experimentos simulados (Jiménez, Puerto et al. 2005). De esta forma se vinculan la teoría y la práctica, lo cual es de vital importancia en carreras de perfil ingenieril. La mayoría de los laboratorios cuentan con un grupo de maquetas diferentes, lo que permite al estudiante realizar un elevado número de experimentos, ejercitando así una gran cantidad de temas de diferentes asignaturas a lo largo de la especialidad. Un ejemplo de esto es el conjunto de laboratorio formado por los modelos CE 150, CE 151 y el CE 152 de la Humusoft (HUMUSOFT 2013) con capacidad de realizar experimentos como: Identificación de los parámetros del modelo lineal; Diseño de observadores de estados; Diseño del controladores robustos y adaptables para el sistema con parámetros cambiantes; Diseño de controladores digitales y difusos (fuzzy); además del Procesamiento digital de imagen en tiempo real y planificación de trayectoria (en el caso del CE 151). Además estas maquetas al ser manejadas y supervisadas desde un ordenador pueden ser accedidas desde Internet, esto se evidencia en (Hernández, Abreu et al. 2002; Jiménez, Puerto et al. 2005; Santana 2012). 1.1.3. Descripción de la maqueta Alecop SAD 100. La maqueta Alecop SAD 100 es un entrenador para prácticas que permite realizar control de velocidad y posición de un motor de corriente continua y cuyo eje está extendido para montaje directo de freno magnético y discos de inercia o masas. Además, está equipada con sensores de velocidad (tacómetro) y posición (codificador óptico incremental “encoder” y potenciómetro analógico). La Figura 1.5 muestra las partes de la misma.. 8.

(22) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 9. Partes: (1) Motor (2) Freno (3) Discos de inercia (Masa) (4) Encoder (5) Potenciómetro (6) Tacodinamo Bloques: (7) Alimentación – 100 (8) Generador – 100 (9) Contador – 100 (10) D/A – 100 (11) VS – 100 (12) DSG – 100 (13) TF – 100 (14) PI – 100 (15) CS – 100 (16) GS – 100 (17) PS – 100. Figura 1.5. Maqueta Alecop SAD 100.. El bloque 5 es un sensor de posición, el mismo está constituido por una resistencia potenciométrica lineal (potenciómetro) cuyo contacto móvil esta acoplado al eje del motor de tal forma que el valor de resistencia es proporcional al ángulo de giro 𝜃𝑖 . Este potenciómetro cuenta con dos entradas fijas para el voltaje de excitación 𝑒𝑒𝑥 y una salida conectada al contacto móvil 𝑒0 como muestra el esquema de la Figura 1.6.. Figura 1.6. Esquema del Potenciómetro de medición.. 9.

(23) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 10. De esta manera la relación del voltaje de salida 𝑒0 con 𝜃𝑖 esta dada por la ecuación: 𝑒0 =. 1 𝑒 1/(𝜃𝑖 /𝜃𝑡 ) + (𝑅𝑡 /𝑅𝑚 )(1 − 𝜃𝑖 /𝜃𝑡 ) 𝑒𝑥. Donde 𝜃𝑡 es el desplazamiento máximo (360º), 𝑅𝑡 es la resistencia total del potenciómetro y 𝑅𝑚 es la resistencia del elemento de medición, como se puede observar si 𝑅𝑚 ≫ 𝑅𝑡 , entonces 𝑅𝑡 /𝑅𝑚 ≈ 0 quedando 𝑒0 =. 𝜃𝑖 𝜃𝑡. 𝑒𝑒𝑥 . Lo anterior se cumple si el elemento de. medición cuenta con entradas de alta impedancia. El valor máximo que puede tomar 𝑒𝑒𝑥 es cuando un terminal del potenciómetro se energiza con -15 V y el otro con +15 V, de tal forma que la salida 𝑒0 toma un valor entre esos dos niveles e voltaje. El bloque 7 tiene dos funciones, una es como fuente de alimentación, encargada de suministrar todos los niveles de voltaje (+15V, -15V, +5V) necesarios para la operación de la maqueta, mientras que la otra es como Driver de potencia del motor. Este último es un Driver DC-DC, el cual consta de una electrónica adecuada para entregarle al motor la energía suficiente para su accionamiento. Al mismo se le suministra una referencia entre 10 V y -10 V, donde 0 V corresponde al reposo, 10 V a la velocidad máxima en el sentido directo y -10 V la velocidad máxima en reversa. El bloque 12 recibe las señales provenientes del encoder (bloque 4) además de brindarle la alimentación del mismo, este bloque brinda las tres señales del encoder (Fase A, B e Índice) y sus valores negados. El bloque 13 se subdivide en dos bloques: . Accionamiento del freno: le suministra al freno de polvo magnético una diferencia de potencial, la cual puede ser variada mediante el potenciómetro en la parte inferior de este bloque, produciendo un par de frenado proporcional a este voltaje.. . Acondicionamiento del Tacodinamo: consiste en una etapa de amplificación que brinda un primer acondicionamiento del Tacodinamo. Mediante el potenciómetro en la parte superior del bloque se puede variar la ganancia del Tacodinamo consiguiéndose niveles absolutos de hasta 15V a máxima velocidad (2 000 rpm). 10.

(24) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 1.2. 11. Sistemas de Adquisición de Datos. En cualquier actividad relacionada con la ciencia y la tecnología surge la necesidad de medir variables físicas. Siendo el sistema de adquisición de datos (SAD) el instrumento encargado de actuar y recolectar la información de un determinado proceso o del estado de una planta (Pérez, Álvarez et al. 2004). De forma general, un SAD consta de los siguientes elementos o bloques básicos: . Sensores: convierten los fenómenos físicos en variaciones eléctricas.. . Acondicionamiento: para aislar, filtrar, convertir y/o amplificar la señal.. . Conversión: convierte la señal del dominio analógico al digital.. . Tratamiento: operaciones con los datos digitales para convertirlos en información útil.. . Representación: para comunicar los resultados al usuario.. . Actuación: permite modificar el proceso actuando sobre los elementos de acción final.. Hasta la llegada de las PC, el proceso de la adquisición de datos era realizado empleando data loggers, Controladores Lógicos Programables (PLC) y caras computadoras industriales (Park and Mackay 2003; Izaguirre 2012). Hoy en día, la popularidad de la tecnología basada en PC y las excelentes interfaces de operador hacen a la PC una opción cada vez más atractivas en aplicaciones tales como: . Laboratorios de adquisición de datos y control.. . Equipos de pruebas Automáticos (ATE) para el análisis de componentes.. . Monitoreo e instrumentación médica.. . Control de procesos de fábricas y plantas.. . Control y monitoreo del ambiente.. 11.

(25) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 1.2.1. 12. Variantes de SAD basados en PC. Algo importante a tener en cuenta a la hora de seleccionar un adecuado SAD son las especificaciones ambientales. Para nadie es un secreto que las PC comunes no están lo suficientemente acondicionada para trabajar en un entorno industrial exigente; así, su inmunidad a interferencias es bastante pobre, siendo necesaria su colocación en lugares climatizados. Sin embargo, gozan de un alto grado de conectividad que permiten realizar la administración y monitorización remota a través de redes (LAN, Internet, etc.) y sobre todo, una capacidad de visualización y cálculo bastante avanzadas, junta a un soporte de herramientas de programación muy potente (Park and Mackay 2003; Pérez, Álvarez et al. 2004; Izaguirre 2012). Por lo anterior es que se prefiere su empleo en los laboratorios experimentales donde tienen grandes prestaciones además de un adecuado entorno para su correcto y seguro uso. Como se plantea en (Pérez, Álvarez et al. 2004; Izaguirre 2012) se puede distinguir dos tipos genéricos de SAD: . Los basados en la utilización de tarjetas conectadas al ordenador (conexión directa al bus).. . Los sistemas basados en instrumentos de adquisición, que a su vez pueden ser: o Instrumentos autónomos e independientes del bus de un computador pero con capacidad de conectarse a este a través de buses de instrumentación (GPIB) o a través de puertos de comunicación serie (RS-232, USB, etc.) o paralelo. o Instrumentos basados en módulos de adquisición (instrumentación modular) conectados a un bus local especializado como VXI1 o PXI2.. 1. Físicamente, VXI (VMEbus eXtension for Instrumentation) consiste en un chasis con un plano posterior (backplane) sobre el que se conectan unos módulos en forma de tarjetas. 2 PXI utiliza una variante dcl popular bus PCI, dispone de unas características de sincronización avanzadas, pudiendo transmitirse por el bus señales analógicas y digitales a alta velocidad.. 12.

(26) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 1.2.2. 13. SAD usados para el manejo de maquetas simples o equipos similares. En la literatura científica existen varias soluciones para adquirir datos y manejar tanto una maqueta como algún dispositivo similar a esta como por ejemplo un robot, kits de motores, etc. A continuación se exponen estas soluciones. Usando Tarjetas de Adquisición de Datos de propósito general (TAD) Esta solución es empleada principalmente por las empresas que fabrican y diseñan estas maquetas, algunos ejemplos se pudieran observar en (HUMUSOFT 2013; Quanser 2013). Todos los modelos estudiados de la HUMUSOFT utilizan la TAD (que ellos mismos producen) Multifuncional MF624 conectada a la PC a través del puerto PCI Express. La misma consta de ocho canales analógicos de entrada con conversor A/D de 14 bits; ocho salidas analógicas con conversores D/A de 14 bits, cuatro módulos de encoder, cinco contadores / temporizadores, además de ocho entradas y ocho salidas digitales TTL (HUMUSOFT 2006). Esta solución sería extremadamente cara, ya que esta TAD o similares tienen un costo de aproximadamente 1 000 USD. Los modelos de la Quanser recomiendan emplear una TAD Q2-USB con un Software para su control en tiempo real. Estas tarjetas que se conectan al puerto USB son generalmente una solución más económica que la anterior, ya que pueden llegar a costar aproximadamente 300 USD. Pero la principal desventaja de esta tarjeta es precisamente que se conecta al puerto USB el cual trabaja cercano al tiempo real pero no lo consigue. Estas tarjetas trabajan en modo síncrono (para aplicaciones de tiempo real de baja latencia), el cual es usado para transmitir y recibir datos a un período lo más constante posible, pero, no garantiza la veracidad de los datos (Anderson 2001; The MathWorks Inc 2013). Otras empresas como son Savage Innovations (Savage Innovations 2013) y Microsystems Engineering (Microsystems Engineering 2013) entre otras, desarrollaron tarjetas de bajo costo utilizando microcontroladores pertenecientes a la familia de los PICs de la empresa Microchip Technology. Estas soluciones se encontraban a un costo de entre 60 y 90 €. En el caso de la Tarjeta MSEF87X de Microsystems Engineering si traía de fábrica una programación incorporada en su microcontrolador PIC16F876, lo cual no ocurría con sus 13.

(27) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 14. competidoras de Savage Innovations. Este modelo contaba con un módulo de encoder, cuatro entradas analógicas, cuatro moduladores de ancho de pulso (PWM), 16 entradas/salidas digitales y comunicación RS232. También existen otras tarjetas como las TCS y TCS2 desarrolladas por la Escuela Técnica Superior de Ingeniería ICAI en colaboración con el Instituto de Investigación Tecnológica de la Universidad Pontificia Comillas (IITUPCOMILLAS 2013). Estas tarjetas incorporan un doble núcleo formado por dos PICs 16F876 cada una, de forma que ambas superan en prestaciones a las tarjetas de Savage Innovations y a la MSEF87X. La TCS es una plataforma de control de sensores y motores, la cual permite el control de numerosos dispositivos, entre sensores y actuadores, también dispone de un módulo de radio para las comunicaciones, además de la comunicación RS232, SPI e I2C. Consta además de dos módulos para la lectura de encoders, ocho entradas/salidas digitales, hasta 10 entradas analógicas, cuatro PWM, una pequeña etapa de potencia para el manejo de dos motores DC y puede ser programada por RS232. Esta tarjeta se diferencia de la TCS2 en que a esta última se le incorporaron cinco PWM de los cuales cuatro son de alta frecuencia, además permite el uso simultáneo de más dispositivos que su predecesora aunque elimina la etapa de potencia. A partir del avance tecnológico y a la aparición de una nueva gama de microcontroladores de más altas prestaciones que los PICs denominados dsPICs, han aparecido en el mercado algunos modelos de tarjetas con mejores prestaciones que las basadas en PICs (Santamaría 2009). Tales son los casos de las plataformas iCM4011 de la Microsystem Engineering (Microsystems Engineering 2013) y la miniALCAdsPIC desarrollada por el departamento de electrónica de la Universidad de Alcalá (DEPECA 2013). La iCM4011 es una tarjeta de control y desarrollo, ya que permite, además de la gestión y gobierno de los distintos dispositivos conectados, la posibilidad de reprogramar el microcontrolador desde la misma plataforma. La misma integra un microprocesador dsPIC30F4011 de Microchip Technology, e incorpora el acondicionamiento necesario para la mayor parte de estándares de comunicación (USB, RS232, RS485 y CAN). Esta plataforma se comercializa a un precio de 100 € y puede ser utilizada para el 14.

(28) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 15. acondicionamiento y multiplexado de sensores, control de motores, control de dispositivos de interfaz humano (teclados, displays, etc.), adquisición y procesado de datos y como puentes de comunicación (USB-SPI, USB-I2C y RS232-I2C.). La plataforma miniALCAdsPIC es una tarjeta de bajo costo basada en el procesador dsPIC30F4012. Dispone de dos puentes en H para el control de motores de bajo consumo, dos módulos PWM, comunicaciones por UART e I2C, hasta 24 entradas/salidas digitales y cinco canales de conversión A/D de 10 bits. Es válido aclarar que de todas las tarjetas mencionadas en esta sección solo las de HUMUSOFT y Quanser cuentan con los drivers para el Real-Time Windows Target y para Real Time Toolbox para el Simulink de MATLAB, los cuales se venden de forma independiente. En los otros casos los usuarios deben desarrollar estos drivers. Usando arquitectura de Hardware diseñada a la medida empleando microcontroladores Basándose en lo expuesto anteriormente algunos autores han decidido confeccionar sus propios sistemas de adquisición de datos basados en microcontroladores para aplicaciones específicas según sus necesidades. De esta forma se consigue una solución menos genérica pero con un mayor nivel de simplicidad y eficiencia para la aplicación para la cual fue diseñada obteniéndose buenos resultados. Para lograr esto es necesario una adecuada electrónica, capaz de proveer el acondicionamiento y procesamiento de las señales provenientes de los elementos sensores, así como la capacidad de actuar sobre el proceso que se esté supervisando. Esta es una solución muy empleada por varias universidades, donde ya cuentan con alguna maqueta o los elementos para construirla, algunos autores que emplean esta variante son: (Ricolfe, Simarro et al. 2003; Ascencio 2005; Meythaler 2005; Ibarra and Osorio 2007; Pérez 2007; Elías 2009; Lucero and Pilapaña 2010; Álvarez and Macas 2011; Murcia, Suárez et al. 2011). Las mismas cuentan con los elementos necesarios para su aplicación y son principalmente para obtener la lectura de canales analógicos de entrada, la posición utilizando un encoder, PWM para el manejo de motores, un módulo de comunicación (puerto serie USB o RS232). Además algunas de estas soluciones permiten ser manejadas desde una interfaz 15.

(29) CAPÍTULO 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. 16. gráfica desarrollada en MATLAB, esto es posible siempre y cuando la comunicación con el microcontrolador sea vía puerto serie y exista un protocolo de comunicación (Meythaler 2005). 1.3. Conclusiones parciales. De lo anterior se puede concluir: . El uso de maquetas es importante para complementar el proceso de enseñanzaaprendizaje de ahí que muchas universidades las emplean en carreras técnicas.. . La inmensa mayoría de las maquetas modernas están conectadas a una PC, dotándolas de la capacidad de experimentos a nivel local, así como, la posibilidad de llegar a ser remoto siendo supervisadas y controladas vía Internet.. . Los Sistemas de Adquisición de Datos empleados para interconectar las maquetas y los medios de cómputo pueden estar basados en las costosas y potentes TADs, o en dispositivos desarrollos a la medida basados en microcontroladores que resultan menos genéricos pero mucho más económicos.. 16.

(30) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE HARDWARE Y SOFTWARE. 17. CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE HARDWARE Y SOFTWARE. Como se vio en el capítulo anterior, se pueden confeccionar sistemas de adquisición de datos (SADs) a la medida usando microcontroladores. Los diseños de estos sistemas son realizados en función de las necesidades y prestaciones de la aplicación para la cual son concebidos. Para el caso de la Maqueta Alecop SAD-100 el sistema debe contar con los siguientes requisitos: . 2 salidas analógicas para el control del Driver de Potencia y del Freno de polvo magnético en los rangos de -10 a 10 V y de 0 a 15 V respectivamente.. . 2 entradas analógicas para la medición del Tacodinamo y el Potenciómetro con un rango de -15 a 15 V.. . 1 canal para la lectura de encoder incrementales.. . Accesible desde el entorno de Simulink en tiempo real.. Para lograr esto es necesario el diseño de la arquitectura de Hardware que permita el funcionamiento del microcontrolador y el acondicionamiento de las señales, tanto de entradas como de salidas (esto depende del microcontrolador utilizado). Además es necesaria la programación del microcontrolador (Software de bajo nivel) y la realización del Software de alto nivel en la PC (usando MATLAB/Simulink) los cuales intercambiaran los datos de mando y de adquisición cumpliendo con un protocolo de comunicación. Estos temas serán desarrollados en el presente capítulo. 2.1 2.1.1. Arquitectura de Hardware Arquitectura general del Hardware a diseñar. Teniendo en cuenta lo planteado anteriormente, se confeccionó el esquema general (Figura 2.1) de la arquitectura del Hardware del sistema de adquisición de datos (SAD).. 17.

(31) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE HARDWARE Y SOFTWARE. 18. Conexión PC. Mando para el Driver (-10 a 10 V). Encoder Tacodinamo. Microcontrolador. Potenciómetro. Mando para el Freno (0 a 15 V) Figura 2.1. Esquema general del SAD.. Para este diseño se utiliza un microcontrolador de la serie dsPIC fabricados por empresa “Microchip”, específicamente el dsPIC30F4012 (Microchip Technology Inc 2005), ya que la FIE contaba con varios ejemplares, además, que este posee los módulos y características requeridas por la aplicación. Este dsPIC es un microprocesador de propósito general perteneciente a la familia de Conversión de Potencia y Control de Motores, versátil, económico, con una gran capacidad de procesamiento y diversidad de interfaces disponibles. Este chip puede alcanzar un desempeño de hasta 30 millones de instrucciones por segundo (MIPS), con un oscilador desde 4 a 10 MHz con PLL activo de 4x, 8x o 16x. Además presenta 48 KB de memoria flash, 2 KB de SRAM y 1 KB de memoria EEPROM no volátil, con un amplio set de instrucciones y 30 fuentes de interrupciones con ocho niveles de prioridad cada una. También incluye los siguientes periféricos: . 5 Temporizadores/Contadores de 16 bit cada uno con posibilidades de formar opcionalmente pares de 32 bit.. . 6 canales moduladores de ancho de pulso (PWM).. . 6 canales de entradas analógicas (Analog to Digital Converter, ADC) con un conversor de 10 bit de resolución y velocidad de conversión de 500 ksps (kilo muestras por segundo).. . 1 módulo para la lectura de codificadores incrementales QEI (Quadrature Encoder Interface).. 18.

(32) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE HARDWARE Y SOFTWARE. . 19. Módulos de comunicación serie: o 1 módulo UART (Universal Asynchronous Receptor Transmitter). o 1 módulo SPI (Serial Peripheral Interface). o 1 módulo I2C (Inter-Integrated Circuit). o 1 módulo CAN (Controller Area Network).. 2.1.2. Arquitectura específica del Hardware. De acuerdo a las características del dsPIC30F4012 y a sus módulos se definió que la arquitectura de Hardware del SAD usando este chip sea la de la Figura 2.2; en la Tabla 2.1. TD IEA P. Driver. SPI. E. ADC. QEI. se muestra la leyenda de la misma.. ISA. dsPIC30F4012. Freno. UART RS-232. PC. Figura 2.2. Esquema específico de la Arquitectura del SAD. Tabla 2.1. Leyenda de la Figura 2.2.. Clasificación Sensor. Interfaz. Accionamiento. Módulo del microcontrolador. Siglas E TD P IEA ISA RS-232 Driver Freno QEI ADC SPI UART. Nombre Completo Codificador Óptico (encoder) Tacodinamo Potenciómetro Interfaz de Entrada Analógica Interfaz de Salida Analógica Interfaz RS-232 Señal de mando al Driver de Potencia Señal de mando al Freno Magnético Interfaz de Codificador de Cuadratura Conversión Análogo-Digital Interfaz Periférica Serie Transmisor Receptor Asincrónico Universal. 19.

(33) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE HARDWARE Y SOFTWARE. 20. En base a esta arquitectura será programado el dsPIC para que cumpla con los requerimientos de la aplicación. A continuación se explica brevemente los módulos empleados en la confección del Hardware en cuestión. 2.1.2.1 Módulo de conversión Análogo-Digital (ADC) El conversor análogo-digital (ADC) de alta velocidad de 10 bits permite la conversión de una entrada analógica a un número digital de 10 bits. Este módulo se basa en una arquitectura SAR (Successive Approximation Register) y proporciona una máxima razón de muestreo de 500 ksps. Además, tiene seis canales de entrada los cuales son multiplexadas dentro de cuatro circuitos de muestreo y retención (S/H, del inglés “Sample and Hold”). Los voltajes de referencias son seleccionables por Software, pudiéndose seleccionar entre el voltaje de alimentación del dispositivo por los pines (AVDD/AVSS) o el nivel de voltaje entre los pines (VREF+/VREF-). Entre las características eléctricas relativas a este módulo tenemos que el nivel de voltaje de la señal de entrada no puede sobrepasar los 5.3 V y no puede ser inferior a -0.3 V. 2.1.2.2 Módulo Interfaz de codificador de cuadratura (QEI) El módulo QEI proporciona la interfaz para codificadores ópticos “encoder” incrementales para la obtención del valor de la posición, el mismo presenta las siguientes características. . Consta de tres entradas: Fase A (QEA), Fase B (QEB) e índice de pulso (INDX).. . 16-bit contador de posición ascendente / descendente (0 – 65 535). . Estado de dirección de conteo.. . Modo de medición de la posición (x2 y x4).. . Filtros de ruido en las entradas digitales programables.. . Interrupción cuando se desborda el contador de posición.. Un encoder incremental típico tiene tres salidas: índice, Fase A y la Fase B, las mismas son conectadas a los pines correspondientes del microcontrolador en este caso son los pines 5, 6 y 7 respectivamente. Estas salidas son muy útiles en el control de la posición y de velocidad de motores. Los dos canales, Fase A y Fase B, tienen una relación única. Si la Fase A adelanta a la Fase 20.

(34) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE HARDWARE Y SOFTWARE. 21. B, entonces, el sentido de giro (del motor) se considera positivo o hacia adelante. Si la Fase A se atrasa con respecto a la Fase B, entonces, el sentido es negativo o inverso. Un tercer canal, denominado índice de pulso, se produce una vez por revolución y se utiliza como una referencia para establecer una posición absoluta. El pulso índice coincide con la Fase A y B en bajo, la Figura 2.3 muestra la relación de sus señales.. Figura 2.3. Relación de las señales del encoder.. La frecuencia de las señales de entradas QEA y QEB varía en dependencia de la velocidad del motor, la resolución del encoder y del modo de medición de la posición. Para determinar la frecuencia máxima de estas señales (utilizando un motor de 2 000 rpm y un encoder de 2 500 pulsos/rev con modo de lectura x4) se emplea la siguiente fórmula: 𝑓𝑚𝑎𝑥 = 𝑁𝑚𝑎𝑥 ∙ 𝑚𝑜𝑑𝑜 ∙ 𝑅𝑒𝑠𝑜𝑙𝑢𝑐𝑖ó𝑛 = 2000. 𝑟𝑒𝑣 1 𝑚𝑖𝑛 𝑝𝑢𝑙𝑠𝑜𝑠 ∙ ∙ 4 ∙ 2500 = 333 𝑘𝐻𝑍 𝑚𝑖𝑛 60 𝑠 𝑟𝑒𝑣. 2.1.2.3 Módulo Transmisor Receptor Asincrónico Universal (UART) El Receptor Transmisor Asincrónico Universal UART es uno de los módulos series disponibles en este microcontrolador. Este módulo le permite comunicase con dispositivos periféricos, tales como, otros microcontroladores, Computadoras Personales (PC) e interfaces RS-232 y RS-485 (Microchip Technology Inc 2006). Entre sus principales características tenemos: . Comunicación de datos de 8 o 9 bits Full-duplex.. . Uno o dos bits de stop.. . Generador Baud totalmente integrado con 16 bits prescaler.. 21.

(35) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE HARDWARE Y SOFTWARE. 22. . Baud rates desde 38 bps a 1.875 Mbps a una velocidad de instrucciones de 30 MHz.. . Interrupciones independientes de Transmisión y recepción.. 2.1.2.4 Módulo Interfaz Periférica Serie (SPI) El módulo de interfaz periférica serial (SPI) es una interfaz serie síncrona. Útil para la comunicación con otros dispositivos periféricos como EEPROM, registros de desplazamiento, conductores de visualización, convertidores de Digital a Analógico (Convertidor D/A o DAC), u otros microcontroladores. 2.1.3. Interfaz de Comunicación. 2.1.3.1 Interfaz serial RS-232 El puerto serial, también conocido por el estándar que lo norma, el RS-232, fue creado con el único propósito de contar con una interfaz entre los equipos terminales de datos (Data Terminal Equipment, DTE), y el equipo de comunicación de datos (Data Communications Equipment, DCE) empleando intercambio serial de datos binarios. De esta forma el equipo terminal de datos es el extremo cliente de los datos y el equipo de comunicación de datos es el dispositivo que se encarga de la unión entre los terminales, tal como un módem o algún otro dispositivo de comunicación (Ibarra and Osorio 2007). Tabla 2.2. Numeración de los pines del Conector DB-9 de la PC. CD RD TD DTR GND DSR RTS CTS RI. Señal Carrier Detect Received Data Transmited Data Data Terminal Ready Ground Data Set Ready Request To Send Clear To Send Ring Indicator. Pin 1 2 3 4 5 6 7 8 9. Usado X X X. El puerto serie de una PC se puede encontrar de dos tipos: el conector de nueve pines tipo D (DB-9) y el conector de 25 pines tipo D (DB-25), siendo el primero el más común. Ambos conectores son machos en la parte trasera de la PC y manejan nueve señales (ver Tabla 2.2), de las cuales seis son de control y tres son utilizadas para la comunicación. 22.

(36) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE HARDWARE Y SOFTWARE. 23. (transferencia de información) como tal (Peacock 1998). La comunicación más simple es utilizando estos tres hilos (cables) con las señales RD, TD y GND. Formas de Onda La comunicación RS-232 es asincrónica, es decir, no se envía una señal de reloj con el dato; por consiguiente cada palabra o dato es sincronizado usando un bit de inicio (start), un reloj interno en cada terminal y uno o dos bits de parada (stop) una vez trasmitido el dato. Para el SAD en cuestión se emplea el común formato 8N1 (8 bits de datos, No paridad y 1 bit de parada) o como también se conoce como codificación 8B/10B, de esta forma se aprovecha el 80% de la transmisión, ya que son transmitidos 10 bits y la información útil es de 8 bits. En la Figura 2.4 se puede observar la forma de este formato.. Figura 2.4. Forma de onda del formato 8N1.. El tiempo que se demora un envío de un byte de datos en este formato esta dado esta dado por: 𝑇𝐵𝑦𝑡𝑒 =. 𝑐𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑏𝑖𝑡𝑠 𝑒𝑛𝑣𝑖𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝐵𝑦𝑡𝑒 10 = [𝑠𝑒𝑔] 𝑏𝑎𝑢𝑑 𝑟𝑎𝑡𝑒 𝑏𝑎𝑢𝑑 𝑟𝑎𝑡𝑒. La norma RS-232 es de lógica negativa donde un “0” lógico se representa por una señal desde 3 a 25 V y un “1” lógico desde -3 a -25 V. Sin embargo el módulo UART del dsPIC30F4012 trabaja con lógica TTL donde el “0” lógico es 0 V y el “1” lógico corresponde a 5 V. Debido a lo anterior es necesaria la implementación de un desplazador de nivel, para el mismo se implementó el circuito de la Figura 2.5.. 23.

(37) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE HARDWARE Y SOFTWARE. UART TTL. 24. RS-232. Figura 2.5. Circuito Desplazador de Nivel TTL – RS-232.. Para la conexión entre el SAD y la PC se utiliza el esquema de la Figura 2.6, en este el conector del SAD es hembra y se conecta con la PC a través de una extensión serie.. Figura 2.6. Conexionado entre el SAD y la PC.. 2.1.3.2 Interfaz SPI La interface SPI es un estándar establecido por Motorola que utiliza un bus de 4 hilos (recepción (SDO), transmisión (SDI), selección (CS) y reloj (SCK)) para comunicar dispositivos periféricos de baja y media velocidad. El protocolo trabaja en una configuración maestro – esclavo donde el dispositivo maestro es el microcontrolador y el esclavo el chip MCP4822 (Microchip Technology Inc 2005). El MCP4822 es un conversor digital – analógico (DAC) de 12 bits de dos canales de salidas, de baja potencia y DNL, el mismo proporciona una alta precisión y muy baja afectación por ruido, para aplicaciones industriales. Este será el encargado de las salidas analógicas puesto que el microcontrolador dsPIC30F4012 no posee ningún módulo para ello.. 24.

(38) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE HARDWARE Y SOFTWARE. 25. La comunicación entre el microcontrolador y el MCP4822 es unidireccional y se utiliza los pines SDI, CS y SCK del módulo SPI del microcontrolador además de otro pin para la sincronización de las salidas (LDAC). Los comandos y los datos son enviados al dispositivo a través del pin SDI, con los datos siendo cronometrados en el flanco ascendente de la señal de reloj SCK. El comando de escritura consta de 16 bits, siendo los cuatro bits más significativos los bits de configuración del DAC y los restantes 12 bits son los bits de datos (Ver diagrama de tiempo en la Figura 2.7). Por consiguiente podemos con un dato digital entre 0 y 4095 (0x000h y 0xFFFh en hexadecimal) obtener una salida analógica entre 0 y 2.048 V o 0 y 4.095 V si el bit 𝐺𝐴 es “1” o “0” respectivamente. Mientras que mediante el bit 𝐴/𝐵 se selecciona el canal de salida (“0” canal A y “1” canal B), siendo el canal A el utilizado para el driver de potencia del motor y el B para el accionamiento del freno magnético. Para el caso del driver los bit de configuración serían 0001b (binario) o 0x1h, mientras que para el freno serían 1001b o 0x9h.. Figura 2.7. Comando de escritura del MCP4822.. 2.1.4. Interfaces Analógicas. Estas Interfaces Analógicas corresponden al respectivo acondicionamiento tanto de las entradas como de las salidas analógicas para conseguir la adecuada interacción entre el Hardware (SAD) y la maqueta. Estas interfaces permiten la captura de las señales provenientes de los sensores y el manejo de la maqueta. En esta sección se utilizan ocho Amplificadores Operacionales (AOs), para ello se emplean dos circuitos integrados LM324, los cuales aportan cuatro AOs cada uno. Estos fueron seleccionados debido a las excelentes características que ofrecen (Semiconductor Components Industries 2002), como por ejemplo: 25.

(39) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE HARDWARE Y SOFTWARE. . Protección a corto circuito en la salida.. . Estado de entrada diferencial legitimo.. . Alimentación simple desde 3 a 32 V o partida hasta ±16 V.. . Compensación interna.. . Gran robustez y precisión.. 26. 2.1.4.1 Entradas Analógicas Como se venía explicando en la sección 1.1.3 los sensores con sus acondicionamientos logran brindar la información de la señal en un rango máximo de ±15 V. Teniendo en cuenta que el SAD será empleado como medio didáctico se hace necesario que el mismo cuente con toda la protección que sea posible sin complejizar tanto su diseño. Para esto se definió este rango (±15 V) como el rango ambas entradas analógicas del sistema. Esta interfaz consta de dos entradas las cueles presentan las mismas características, la Figura 2.8 muestra una de ellas.. 3 4. 1. 2 Figura 2.8. Acondicionamiento de las Entradas Analógicas.. La Interfaz de entrada analógica está compuesta de cuatro bloques fundamentales antes de entrar al módulo ADC del dsPIC, estos son: 1. Desplazador y atenuador de nivel 2. Filtro Activo 3. Selector 4. Protección. 26.

(40) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE HARDWARE Y SOFTWARE. 27. Desplazador y atenuador de nivel Esta etapa está constituida por un Amplificador diferencial donde 𝑅𝑔1 = 𝑅𝑔2 = 𝑅𝑔 y 𝑅𝑎 = 𝑅𝑏 , de esta forma la salida se relaciona con la entrada de acuerdo a la siguiente expresión: 𝑉𝑂 =. 𝑅𝑔 120 𝑉2 − 𝑉1 = 𝐴𝑁_𝑋 + 15 [𝑉] 𝑅𝑎 20. La Tabla 2.3 muestra esta relación para algunos valores de voltaje de entrada AN_X. Tabla 2.3. Relación entre entrada y salida en el bloque Atenuador de nivel.. 𝑨𝑵_𝑿 𝑽𝑶. -15 V 0V. 0V 2.5 V. 15 V 5V. Filtro Activo Para este sistema se implementó un filtro de Butterworth de segundo orden ya que con este se consigue una respuesta lo más plana posible en la banda de paso, mientras que por debajo de la frecuencia de corte (𝑓𝐶 ) la respuesta decae a un ritmo de aproximadamente 40 dB por década (Doebelin 1990; Malvino 2000). Este posee una ganancia unitaria y mediante el mismo se podrá eliminar el efecto de la aliasing de la señal de entrada, de modo que se fija una frecuencia de corte de 40 Hz para eliminar los potenciales ruidos de inducción por los 60 Hz de línea. El filtro en cuestión presenta una topología Sallen-Key (SK), la cual presenta una excelente precisión además de una baja complejidad a la hora de su diseño. Además para su diseño se utilizo el Software de la Texas Instruments Inc. FilterPro(TM) versión 2.00.0017. La función transferencial de este filtro es: 1 𝑅1 𝑅2 𝐶1 𝐶2 𝐻 𝑠 = 1 1 1 1 1 𝑠2 + + − 𝑠+ 𝐶1 𝑅1 𝑅2 𝑅2 𝐶2 𝑅1 𝑅2 𝐶1 𝐶2 Por consiguiente para esta topología la 𝑓𝐶 y el factor de calidad Q pueden ser calculados de la forma: 𝑓𝐶 =. 1 2𝜋 𝑅1 𝑅2 𝐶1 𝐶2. ≈ 40 [𝐻𝑍 ]. 𝑄=. 𝑅1 𝑅2 𝐶1 𝐶2 ≈ 707 ∙ 10−3 𝐶1 (𝑅1 + 𝑅2 ) 27.

(41) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE HARDWARE Y SOFTWARE. 28. Selector Este selector no es más que un conector de tres pines (J1) al cual mediante un puente (jumper) se selecciona si se utiliza o no el bloque de filtrado. Protección La protección está constituida por una resistencia en serie con dos diodos en paralelo; uno conectado a los 5 V (𝑉𝐷𝐷 ) en sentido directo y el otro conectado al terminal de tierra en sentido inverso. De esta forma se consigue que el nivel de voltaje que entra al pin del dsPIC esté siempre entre -0.6 V y 5.6 V ya que si es inferior o superior se va a través de la resistencia a tierra o 𝑉𝐷𝐷 respectivamente. 2.1.4.2 Salidas Analógicas Para el manejo de la maqueta Alecop SAD-100 se necesitan dos salidas analógicas; una para manejar el “driver” de potencia del motor y la otra para el freno magnético. En el caso de la primera de estas es necesario que la señal pueda variar dentro del rango de ±10 V. Como se describió en la sección 2.1.3.2 a través del DAC MCP4822 se obtienen dos salidas analógicas (𝑉𝑂𝑈𝑇_1 por el canal A y 𝑉𝑂𝑈𝑇_2 por el canal B), ambas con un rango desde 0 a 4.096 V. Por consiguiente, es necesario un adecuado acondicionamiento de las mismas para lograr los niveles requeridos por la aplicación. En el caso del acondicionamiento de la salida para el “driver” se utilizan tres Amplificadores Operacionales conectados como muestra la Figura 2.9.. Figura 2.9. Acondicionamiento para la salida correspondiente al Driver de potencia.. 28.

(42) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE HARDWARE Y SOFTWARE. 29. Al igual que en la sección anterior se emplea un amplificador diferencial con ganancia unitaria (U3:A) para lograr la operación bipolar, en este caso la salida del mismo será 𝑉𝑂𝑈𝑇_1 − 𝑉𝑅 . Si el Voltaje de Referencia 𝑉𝑅 es la mitad de 𝑉𝑂𝑈𝑇_1 , es decir, 2.048 V, entonces, la señal de salida de esta etapa estaría entre -2.048 y 2.048 V. Para conseguir los ±10 V se emplea un amplificador no inversor (U3:C) donde la ganancia puede ser ajustada con el potenciómetro RV2 ya que responde a la fórmula 1 + 𝑅𝑉2 /𝑅6 . El voltaje de referencia 𝑉𝑅 se ajusta mediante el potenciómetro RV1 al cual se le conecta un seguidor de voltaje (U3:B) con el objetivo de evitar las variaciones de 𝑉𝑅 cuando la señal 𝑉𝑂𝑈𝑇_1 varía. En el caso del freno magnético es necesaria una modificación del bloque TF-100 de la maqueta (Figura 1.5) ya que este no cuenta con entradas de voltaje para accionar el freno, sino, que lo hace a través de un potenciómetro (P_C). El potenciómetro de control brinda una señal desde -15 a 0 V y esta entra a una etapa de amplificación con un transistor y un amplificador operacional (AO) con el propósito de lograr una señal fuerte desde 0 a 7 V con la cual se acciona el freno (Ver Figura 2.10).. Figura 2.10. Esquema del accionamiento del freno en el bloque TF-100 de la maqueta.. Se ha acordado que el freno pudiera ser manejado tanto desde la PC (a través del SAD) como externamente utilizando el potenciómetro. Para ello se implementó el circuito de la 3. Figura 2.11 empleando un amplificador inversor de ganancia unitaria con uno de los dos. AOs que quedaban disponibles en ese bloque, un interruptor de dos posiciones para seleccionar la entrada de control y un conector de entrada.. El amplificador inversor tiene una ganancia de voltaje de – 𝑅5 /𝑅4 , 𝑅6 se coloca para compensar y su valor esta dado por 𝑅5 ||𝑅4 . 3. 29.

(43) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE HARDWARE Y SOFTWARE. 30. Figura 2.11. Modernización en el bloque del freno.. De esta forma se consigue que se pueda manejar externamente el freno con una señal desde 0 a 15 V. Para lo cual se acondicionó el segundo canal del MCP4822 (𝑉𝑂𝑈𝑇_2 ) conectándole un amplificador no inversor (Figura 2.12) de tal forma que 1 + 𝑅𝑉3 𝑅16 = 15 4.096.. Figura 2.12. Acondicionamiento para la salida correspondiente al freno magnético.. 2.1.5. Montaje del Sistema. Para el diseño y la simulación del sistema se utilizó el Software Proteus 8 Professional de la firma Labcenter Electronics. El mismo posee una amplia librería de componentes a demás de la posibilidad de editarlos o crear nuevos componentes. Este Software además permite la creación del circuito impreso (PCB, “Printed Circuit Board”), además de mostrar una vista en tercera dimensión del circuito implementado con sus respectivos componentes, como muestra la Figura 2.13. El mismo comprende un área de 8.5 x 6 cm y en las Figura A 1, Figura A 2 y Figura A 3 de los anexos se muestra el Esquemático y el PCB.. 30.

(44) CAPÍTULO 2. ARQUITECTURA DE HARDWARE Y SOFTWARE. 31. Figura 2.13. Montaje del SAD.. 2.2. Arquitectura de Software. En esta sección se describe la arquitectura de Software que posibilita la interacción entre la maqueta Alecop SAD-100 y un usuario a través de una Computadora Personal (PC) con el Hardware diseñado. El caso de uso de este Software se puede observar en la Figura 2.14.. Configurar parámetros y modo de lectura del encoder. Obtener mediciones de Velocidad y Posición. Usuario. Accionar Motor Accionar Freno. Figura 2.14. Caso de uso del Software.. 31.