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Sistemas Embebidos 1º Cuatrimestre de Adquisición de Datos Conversión Analógico/Digital. Sistemas Embebidos - 1º Cuatrimestre de 2015

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Sistemas Embebidos

1º Cuatrimestre de 2015

Clase 6: Adquisición de Datos,

Conversión A/D y Sensores

Dpto. de Ciencias e Ingeniería de la Computación Universidad Nacional del Sur Bahía Blanca, Buenos Aires, Argentina

Prof: Sebastián Escarza

Contenido

• Adquisición de Datos

– Conversión Analógico-Digitalg g

– Acondicionamiento y filtrado de la señal – Multiplexado de canales

– Muestro y mantenimiento de la señal: Sampling & Holding – Comparadores analógicos

• Sensores

– Diversos tipos de sensores y características

Sistemas Embebidos - 1º Cuat. de 2015 Prof: Sebastián Escarza - DCIC - UNS

p y

Dispositivos y E/S

• Anteriormente vimos:

– la utilización de dispositivos internos del microcontrolador p (dispositivos que no implementan interfaces).

– la utilización de dispositivos mediante puertos/interfaces digitales.

• En esta clase abordaremos la integración de dispositivos

analógicos en los sistemas embebidos.

Adquisición de Datos

Conversión Analógico/Digital

(2)

Adquisición de Datos – Conv. A/D

• Cualquier variable a medir en el entorno, puede

transformarse en una señal eléctrica mediante un

transductor adecuado.

– Micrófonos

– Sensores de temperatura, humedad, presión, posición, etc. – Antenas y receptores de señales

• La señal eléctrica debe digitalizarse para su

procesamiento: Conversión Analógico/Digital.

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p

g

g

• El proceso completo se denomina

adquisición de

datos

.

Adquisición de Datos – Conv. A/D

• ¿por qué una señal digital?

– mayor tolerancia a la degradación (técnicas de detección y y g ( y corrección de errores)

– mayor flexibilidad en su procesamiento (software) – almacenamiento más adecuado

• La conversión A/D no es la única tarea a realizar para

obtener una señal digital a partir de una analógica:

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– la señal puede ser débil

– puede estar fuera de rango (voltaje) – puede tener ruido

– etc.

Adquisición de Datos – Conv. A/D

• Sistema de adquisición de datos:

Adquisición de Datos – Conv. A/D

• Conversión A/D

– Frecuencia de muestreo (muestras por unidad de tiempo)( p p ) – Profundidad de bits del conversor (proceso de cuantización)

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Adquisición de Datos – Conv. A/D

• Conversión A/D

– Rango de voltaje de g j entrada (ajustar señal para aprovecharlo al máximo)

– La cantidad de bits define la resolución de la conversión…

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Adquisición de Datos – Conv. A/D

• Conversión A/D

– Rango de voltaje de g j entrada (ajustar señal para aprovecharlo al máximo) – La cantidad de bits define la resolución de la conversión… – ... y el error en la

Sistemas Embebidos - 1º Cuat. de 2015 Prof: Sebastián Escarza - DCIC - UNS

y

cuantización de la señal.

Adquisición de Datos – Conv. A/D

• Conversión A/D

– Varios tipos:p • doble rampa • aproximaciones sucesivas • convertidor flash • etc.

Adquisición de Datos – Conv. A/D

• Conversión A/D

– Velocidad de conversión: los ADC lentos

• suelen ser más precisos

• sólo pueden convertir señales de baja frecuencia (criterio de muestreo de Nyquist para evitar el aliasing).

– Interface digital:

• serial o paralela

– Voltaje de referencia:

• el ADC trabaja con un voltaje de referencia para determinar el el ADC trabaja con un voltaje de referencia para determinar el valor digital asociado a una muestra analógica.

• a mayor estabilidad y precisión en este voltaje, más precisa resulta la conversión.

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Adquisición de Datos – Conv. A/D

• Conversión A/D – Conversor de rampa digital

– lento – muy preciso

• Ej:

– voltímetros digitales

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digitales

Adquisición de Datos – Conv. A/D

• Conversión A/D – Conversor de rampa digital

– lento – muy preciso

• Ej:

– voltímetros digitales

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digitales

Adquisición de Datos – Conv. A/D

• Conversión A/D – Conversor de rampa simple

– lento – más preciso – utiliza un integrador

en lugar de un DAC para generar la rampa

Adquisición de Datos – Conv. A/D

• Conversión A/D – Conversor de doble rampa

– lento – más preciso – también utiliza un integrador para generar la rampa – dos fases:dos fases:

integración y “desintegración” de la señal

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Adquisición de Datos – Conv. A/D

• Conversión A/D – Conversor de doble rampa

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– Menor influencia de las tolerancias de R y C (Vin y Vref pasan por el mismo integrador).

Adquisición de Datos – Conv. A/D

• Ej: TC500/A/510/514

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Adquisición de Datos – Conv. A/D

• Conversión A/D – Aproximaciones sucesivas

– a.k.a. registro de aproximaciones sucesivas (SAR)g p ( ) – velocidad media

– aproxima bit a bit el resultado

Adquisición de Datos – Conv. A/D

• Conversión A/D – Aproximaciones sucesivas (SAR)

– velocidad media – aproxima bit a bit el

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Adquisición de Datos – Conv. A/D

• Conversión A/D – Conversor flash (directo)

– muy rápidoy p – menos preciso – alto número de comparadores

E

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• Ej:

– señales de alta velocidad como video o radar

Adquisición de Datos – Conv. A/D

• Conversión A/D – Conversor flash (directo)

– muy rápidoy p – menos preciso – alto número de comparadores

E

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• Ej:

– señales de alta velocidad como video o radar

Adquisición de Datos – Conv. A/D

• Conversión A/D – numerosa cantidad de técnicas de

conversión y variantes:

y

– delta encoded – sigma-delta – de múltiples rampas – pipelined / subranging – etc.

• El ADC viene integrado al microcontrolador (exposición

g

( p

al ruido local, limita precisión en la conversión) o puede

incorporarse al sistema mediante un ASIC del tipo

requerido según la aplicación.

Adquisición de Datos

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Adquisición de Datos

• Acondicionamiento y filtrado de la señal

– Amplificar voltajes pequeñosp j p q

– Ajustar el DC offset para lograr una señal acorde al rango de entrada del ADC.

– Filtrar la señal para eliminar altas frecuencias y lograr una conversión adecuada teniendo

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conversión adecuada teniendo en cuenta el criterio de Nyquist (muestrear al doble de la frecuencia más alta que se quiere preservar).

Adquisición de Datos

• Sistema de adquisición de datos:

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Adquisición de Datos

• Multiplexado de la señal

– construido en torno a switches basado en semiconductores. – para abaratar costos y soportar múltiples canales (único ADC y

dispositivo sample & hold).

• El multiplexor puede integrarse en un único dispositivo

con el Sample & Hold.

Adquisición de Datos

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Adquisición de Datos

• Muestreo, retención de la señal y tiempo de adquisición:

– muchos ADC no son capaces de convertir señales variables con p precisión.

– la etapa de sample & hold permite alimentar al ADC con una señal estable en el tiempo:

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Adquisición de Datos

• Muestreo, retención

de la señal y tiempo

y

p

de adquisición:

– Lleva tiempo alcanzar un nivel de señal cercano a la entrada (carga del capacitor).

– Dicho tiempo se calcula en función de la

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en función de la aplicación.

– El error introducido debe ser menor al equivalente a medio LSB.

Adquisición de Datos

• Sistema de adquisición de datos:

Adquisición de Datos

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Adquisición de Datos

• Ej: ADC ATmega328P

(aprox. sucesivas)

( p

)

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Adquisición de Datos

• Adquisición de datos:

– tareas típicas delp software

• 2 tiempos críticos:

– tiempo de adquisición (sample & hold)

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– tiempo de conversión (según el tipo de ADC).

Adquisición de Datos

• Balance entre velocidad y precisión. Es posible:

– Acelerar la conversión:

• Si no se piensan utilizar todos los bits en la salida, es posible utilizar el clock normal durante un período en el cual se definen los bits más significativos del contador (tanto por aprox. sucesivas como usando rampas digitales o analógicas)...

• ... y luego de eso, pasar a un clock de mayor frecuencia que apure el proceso a costa de sacrificar el valor obtenido para los bits menos significativos.

Bajar el tiempo de adquisición: – Bajar el tiempo de adquisición:

• Cargando menos tiempo el capacitor, se obtendrá la conversión de una señal de un nivel ligeramente menor al de entrada.

Adquisición de Datos

• Adquisición de datos:

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Adquisición de Datos

• Una vez digitalizado, hay que procesar el dato

adquirido.

q

• Este procesamiento puede involucrar:

– operaciones aritméticas

• normalizaciones y escalados • interpolaciones

• aproximaciones

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– almacenamiento en memoria – transmisión a otros dispositivos – etc.

Adquisición de Datos

• En el caso de conversiones repetidas, hay que tomar en

cuenta:

– el tiempo de adquisición – el tiempo de conversión

– el hecho de que los ADC toman tiempo para volver a estar en condiciones de convertir

– los delays que puede introducir el hardware

– los tiempos requeridos por el software para procesar un dato t d l i i t

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antes de pasar al siguiente

• Estos factores limitan la tasa de muestreo de la señal

(recordar que hay que muestrear al doble de la

frecuencia más alta que se quiere conservar – Nyquist).

Adquisición de Datos

• Ejemplo: Sensor de temperatura…

Comparador analógico

• Funciona como un ADC de 1 bit.

• Compara un voltaje de entrada con un voltaje de

Compara un voltaje de entrada con un voltaje de

referencia.

– limpiar señales espurias (similar a un Schmitt trigger pero con un único umbral). testear el voltaje – testear el voltaje de una batería, la temperatura de un termostato, etc.

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Sensores

Sensores

• Sistema de adquisición de datos:

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Sensores

• Existe una gran cantidad de

transductores de entrada

(sensores).

• Al momento de utilizarlos hay

que conocer sus características

técnicas, el tipo de señal que

generan y las particularidades

propias de cada uno.

p p

• Veremos los principales tipos

de sensores existentes...

Sensores

• Sensores Analógicos

– Son más simples.p

– Emiten una variable eléctrica continua que hay que convertir para poder procesarla.

• Sensores Digitales:

– Suelen ser más precisos.

– Integran una lógica de control y conversión A/D. – Simplifican la conexión al sistema.

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Sensores

• Sensor binario:

– Devuelve 0 o 1.

– Ej: Sensores táctiles. Microswitches.

– Son inherentemente digitales (no requieren ADC).

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Sensores

• Microswitchs/bumpers:

– Esencialmente es una llave. – Permite sensar colisiones y opera

ante el contacto físico. – Es un sensor de posición

rudimentario.

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Sensores

• Fotorresistores (LDR):

– Construidos con un material semiconductor expuesto.p – Ante la luz, mejora la conductividad. Ante ausencia de luz,

incrementa su resistividad.

Sensores

• Sensores ópticos (reflexivos):

– Para sensar objetos y superficies. Transmisor + receptor.j y p p – Distancias muy cortas (unos pocos milímetros)

(13)

Sensores

• Sensores infrarojos:

– Son reflexivos pero no se midep el tiempo de retorno de la señal (los fotones son más rápidos). – Transmisor + arreglo de receptores. – En función de la distancia,

cambia la posición en la que se recibe la luz.

– Señal no lineal en función de

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Señal no lineal en función de la distancia.

– Hay versiones binarias más simples (hay obstáculo o no).

Sensores

• Shaft encoders:

– Suelen implementarse como feedback en control de motores.p – Magnéticos u ópticos. Digitales o analógicos.

– Incremental vs absoluto (posición absoluta y sentido de giro)

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Sensores

• Shaft encoders (con sensores ópticos)

– Para estimar velocidades angulares g en base a medición de frecuencias. – A partir de la velocidad de giro es

posible estimar: • velocidades • distancias • posiciones • etc.etc.

Sensores

• Sensores ultrasónicos

– Utilizados para mediciones simples dep p objetos a distancia hasta la obtención de diagnóstico por imágenes en medicina. – Principio reflexivo: transmisor y receptor.p – Se envía una ráfaga ultrasónica y se mide el eco.

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Sensores

• Sensores ultrasónicos

– Limitaciones:

• reflexiones/deflexiones • interferencias (varios sonares

operando a la vez): se resuelve enviando códigos en lugar de ráfagas fijas de ultrasonido

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Sensores

• Cámaras digitales

– Complejas de manejar: se aplicanp j j p técnicas de procesamiento de imágenes y visión por computadora.

– Resolución y frames por segundo (fps): condicionan la cantidad de datos a recibir y procesar.

– Sensores CCD y CMOS.

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– Típicamente interfaces paralelas. Soporte en software para manejar este tipo de dispositivos.

Sensores

• Cámaras digitales

– Mecanismos de buffering y buses de alta velocidad.

Sensores

• Cámaras digitales

– El formato de los datos de cada frame puede variar.p – Grayscale vs color.

– Patrones de muestreo y almacenamiento. – Demosaicing (promediado p/reconstrucción).

(15)

Sensores

• Otros sensores:

– Brújulas (sensores de orientación)j ( ) – Receptores de GPS

– Giroscopios – Acelerómetros – Inclinómetros

– Sensores de presión, humedad, temperatura, magnetismo (efecto hall), sonido, fuerza, etc.

Salida analógica o PWM

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• En todos los caso hay que conocer

– el principio de funcionamiento (para analizar su aplicabilidad al sistema que se está diseñando y sus contras).

– el tipo de señal que generan.

Referencias

• Atmel AVR ATmega328P Datasheet.

• Bräunl, T. Embedded Robotics: Mobile Robot Design and Applications with Embedded Systems 3rd Edition. Springer. 2008. ISBN: 978-3540705338. Capítulo 3.

• Ganssle, J. Embedded System - World Class Designs. Newnes. 2007. ISBN: 978-0750686259. Capítulo 11.

• Wilmshurst, T. Designing Embedded Systems with PIC

Microcontrollers: Principles and Applications. Newnes. 2006. ISBN: 978-0750667555. Capítulos 8 y 11.

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