INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

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1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD ZACATENCO Diseño y Construcción de un Sistema de Adquisición de Datos Multicanal con Conectividad USB TESIS Que para obtener el título de: INGENIERO EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA PRESENTA: Edgar Eleazar Chávez Rosas DIRECTOR DE TESIS: Dr. Raúl Peña Rivero MÉXICO, D.F. JUNIO2011.

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3 Introducción teórica INTRODUCCIÓN TEÓRICA ANTECEDENTES DE LA INSTRUMENTACIÓN Desde que el ser humano tuvo la necesidad de crear patrones de comparación para cuantificar sus bienes ó tomar referencia para hacer sus construcciones, se considera el nacimiento de la metrología ya que se establecieron los patrones de medición que permiten generalizar las comparaciones. Paralelamente se da origen a la instrumentación que es la aplicación de conocimientos científicos que son utilizados para desarrollar aparatos de medición que cumplan con los patrones establecidos. Existen diferentes tipos de instrumentación como la mecánica, la electrónica, la industrial, etc. y cada una ha tenido su apogeo en diferentes épocas. La instrumentación además de ser desarrollada por la tecnología, también ha sido pilar para el avance de la misma. Así como la instrumentación mecánica, la instrumentación electrónica ha tenido muchas evoluciones. En un principio los sistemas de medición eléctricos eran difíciles de transportar, además de que se requería de una especialización para configurarlos e interpretar los resultados. Como consecuencia de ello, un grupo reducido de usuarios contaban con la posibilidad y capacidad para emplearlos. Con el paso de los años, gracias a la consolidación de la instrumentación electrónica, el diseño fue enfocado a la simplificación del uso, mayor precisión, portabilidad, ofrecer control y además comunicación con sistemas computacionales. Realizar la medida de un fenómeno físico no es sólo colocar el instrumento de medición y realizar una lectura, es más bien realizar una serie de lecturas y ver las variaciones y en su 3

4 Introducción teórica caso relacionarlas con factores como el tiempo, las condiciones climáticas o la interacción con otros fenómenos físicos. Al decir que se necesita una serie de lecturas, entonces estas deben de ser periódicas y se necesitan varias de estas, tarea que para una persona, si bien no es pesada, si resulta una tarea tediosa; esta acción podría ocasionar errores o desincronización; para evitar esto, se han implementado logaritmos ejecutados por un sistema de cómputo que se encarga de controlar la frecuencia y la duración de la toma de lecturas de la medición y gracias a estos avances, la metrología ha tomado fuerza al contar con instrumentos de medición que son cada vez más exactos y precisos. 4

5 Introducción teórica PRÓLOGO En el presente trabajo de tesis se expone el diseño y la construcción de un sistema de adquisición de datos multicanal, que se desarrolla con base en la necesidad de una tarjeta que permita tomar lecturas en campo, que sea flexible para el uso en cualquier equipo de cómputo y que pueda almacenar información para posteriormente procesarla. Este sistema cuenta con una interface de comunicación USB, con un programa de control de fácil manejo, que despliega la información de manera gráfica y numérica, además de contar con la función de almacenar las lecturas para un posterior análisis en cualquier programa matemático. La adquisición de datos es un proceso que se compone de al menos cinco pasos, la interpretación del fenómeno físico, acondicionamiento de la señal, procesamiento digital de la señal, interface de comunicación y el procesamiento de la información. Durante el desarrollo del trabajo se explica cada uno de ellos y se plantea la mejor solución para el diseño en base a las necesidades reflejadas en los objetivos. Una vez diseñado y construido el trabajo, se realizaron pruebas de funcionamiento donde se corroboró que el sistema marchara correctamente, además de establecer los alcances del mismo y de esta manera se demuestra que este sistema es de utilidad y posee la flexibilidad necesaria para que pueda ser utilizado en un amplio campo de mediciones. En la parte de anexos el trabajo cuenta con una explicación de la comunicación USB y un manual de usuario que contiene información de cómo instalar el sistema, las partes de la tarjeta de adquisición de datos y el programa de control. 5

6 Introducción teórica OBJETIVO GENERAL Diseñar y construir un sistema de adquisición de datos multicanal que pueda comunicar y transmitir la información adquirida a una computadora de escritorio o portátil a través de una Interface USB, y en la cual se almacene y procese la información. OBJETIVOS PARTICULARES El sistema podrá conectarse y trabajar en cualquier equipo de cómputo donde sea posible instalar el controlador de la tarjeta de adquisición de datos y el software para su manipulación y el procesamiento de datos. La tarjeta de adquisición de datos contará con: 8 entradas de sensores que representen la medida en tensión eléctrica y cuyo intervalo sea acondicionado de 0 a 5 volts. Conexión USB 2.0. Luz indicadora del estado de la tarjeta. Una fácil conexión y desconexión de sensores. Botón para el restablecimiento. El software para la manipulación de la tarjeta y procesamiento de datos deberá tener las siguientes características: Interface gráfica de fácil manejo. Posibilidad de programar el tiempo de muestreo. 6

7 Introducción teórica Generar un documento con los datos adquiridos de las mediciones. Mostrar gráficas de los datos obtenidos. Permitir la selección de canales para el muestreo. 7

8 Introducción teórica JUSTIFICACIÓN Para realizar una medición a un fenómeno físico no basta con colocar un instrumento de medición y tomar una lectura, lo correcto es colocar el instrumento de medición y realizar una serie de lecturas que ayuden a comprender el fenómeno. Por ejemplo, para realizar la medida de tensión eléctrica en un tomacorriente se puede colocar un voltímetro y realizar una lectura de la tensión, pero esto no basta, porque si se mide la tensión tiempo después, es muy probable que ésta sea diferente a la primera. Y es que todos sabemos que en el tomacorriente debería de medirse 127 Vrms, pero debido a diferentes factores como la sobrecarga esta puede variar. Otro caso que ejemplifica la importancia de realizar diversas lecturas en una medición, es la medición de temperatura en una habitación. Si se quisiera tomar la temperatura real de una habitación se necesitaría un instrumento de medición que pudiera captar la variación de temperatura en diversas partes de la habitación, ya que la temperatura puede ser diferente arriba, abajo o en áreas donde intervengan otros factores físicos como la humedad. Además de requerir una serie de lecturas para una buena medición, también es indispensable que éstas sean periódicas y dependiendo del fenómeno a medir es la frecuencia requerida para las lecturas. Bajo estas características se pensó en la construcción de un sistema que ayude al desarrollo de toma de mediciones para laboratorios y procesos industriales, el cual pueda realizar lecturas de forma segura y que facilite la medición. 8

9 Introducción teórica En la actualidad, hay diversas firmas que poseen sus propios diseños de sistemas de adquisición, estos están compuestos por una tarjeta, una interface de comunicación y una computadora, en ésta se encuentra instalado un software que requiere recursos abundantes en la computadora, además de tener un alto costo y poseer interfaces de comunicación, en muchos casos exclusivos para equipos de cómputo de escritorio dejando de lado los equipos portátiles. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Las tarjetas que existen en el mercado ocupan exclusivamente programas de simulación o de instrumentación virtual, sin la posibilidad de utilizar algún otro programa de control. Al usuario le resulta complicado utilizar equipo de cómputo distinto al propio o en el cual no esté instalado todo el paquete del simulador virtual. Este problema se puede presentar con mayor facilidad cuando el usuario quiera realizar mediciones de campo y la computadora disponible para las mediciones no tenga cargado todo el programa de control. Debido a esto se observó la necesidad de desarrollar una tarjeta de adquisición de datos que permita trabajar en cualquier computadora de la actualidad y que el programa de control que requiere el sistema se pueda almacenar en cualquier dispositivo de almacenamiento portátil o hasta en una cuenta de correo para que el usuario tenga fácil acceso a este, y que además los datos que se obtengan se puedan almacenar en la computadora con la extensión de archivo que se desee para su posterior análisis en programas especializados como lo son los paquetes matemáticos. 9

10 Introducción teórica ORGANIZACIÓN DEL TRABAJO DE TESIS Este trabajo de tesis se encuentra organizado de la siguiente manera: En el capítulo 1 se define la adquisición de datos, se plantea la justificación de este trabajo de tesis y se puntualiza el objetivo general y el objetivo particular. En el capítulo 2 se explica a detalle cada parte del proceso de la adquisición de datos con el objeto de aclarar la asignación de roles para cada parte del proceso ya que es importante dejar en claro las actividades de cada sección para definir las características del sistema y posteriormente definir el diseño. Dentro del mismo capítulo en la sección de interface de comunicación se describen las características de algunas interfaces y se justifica el uso de la comunicación mediante USB. En el capítulo 3 capítulo se proyectan los objetivos particulares en características técnicas, de la tarjeta de adquisición de datos, el programa para la tarjeta y el programa de control del sistema. En el capítulo 4, el diseño, se plantea el camino que se tomó para desarrollar las diferentes partes que componen el sistema, como la implementación del modulo USB, la construcción de la tarjeta, los diagramas de flujo que describen el programa de control y el que se ejecuta en el microcontrolador. En el capítulo 5 se describen las tres pruebas que se realizaron para especificar las características del sistema de adquisición de datos, los resultados de estas pruebas ayudan a determinar la exactitud, ancho de banda y capacidad del sistema. 10

11 Contenido CONTENIDO Introducción teórica 3 Prólogo.. 5 Objetivo general. 6 Objetivos particulares.. 6 Justificación. 8 Planteamiento del problema. 9 Organización del trabajo de tesis 10 Índice de Figuras 14 Índice de Diagramas de flujo Siglas y Abreviaciones Capítulo 1. FUNDAMENTOS DE LA ADQUISICIÓN DE DATOS Capítulo 2. ELEMENTOS DE LA ADQUISICIÓN DE DATOS Sensores y transductores (Interpretación del fenómeno físico) Acondicionamiento de señal Importancia del acondicionamiento de señal Conversión de la señal Convertidor analógico-digital Resolución Interface de comunicación Interface de RS Interface PCI Interface USB Interface ethernet Elección de interface para la comunicación del sistema Almacenamiento de datos y despliegue de información 32 Capítulo 3. REQUISITOS DE DISEÑO Requisitos de diseño en general del sistema Diagrama a bloques general del sistema 34 11

12 Contenido 3.3 Características para el diseño electrónico Tarjeta de adquisición Requisitos para convertidor analógico-digital(a/d) Sensores Interface USB Características para el diseño del programa. 37 Capítulo 4. DISEÑO DEL SISTEMA Selección de microcontrolador Diseño de la TAD Selección de puertos Material necesario para la implementación del modulo USB en el PIC18F Diagrama de la TAD Definición de la información de identificación de la TAD Implementación del convertidor analógico-digital Diagrama de flujo del algoritmo que rige la TAD Construcción de la TAD Material Diseño del PCB Controlador de la TAD Diseño del programa de control.. 53 Capítulo 5. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO Y ANÁLISIS DE RESULTADOS Pruebas de laboratorios Material Procedimiento y resultados Primera prueba Segunda prueba Prueba utilizando un sensor de temperatura Material utilizado Procedimiento y resultados Tercera prueba. 72 Capítulo 6. CONCLUSIONES Conclusiones Trabajos futuros.. 78 REFERENCIAS

13 Contenido ANEXO A Comunicación por el Bus Serial Universal. 80 1A.1 Introducción a la interface USB. 80 1A.2 Especificaciones técnicas de la USB 80 1A.3 Comunicación host-endpoint A.3.1 Definición de términos comunes en la comunicación USB 82 1A.3.2 Identificación de dispositivos. 83 1A.3.3 Asignación de direcciones a los endpints A.3.4 Paquetes A.3.5 Tipo de transmisión de datos. 85 1A.3.6 Descripción. 86 1A.3.7 Proceso de enumeración 87 ANEXO B MANUAL DE USUARIO. 89 1B Características del sistema 90 2B Hardware del sistema B.1 Descripción detallada. 93 3B Software de control del sistema. 93 3B.1 Descripción detallada. 95 4B Instalación del sistema B.1 Instalación manual del controlador Instalación manual del programa de control B Modo de operación

14 Contenido ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2.1 Diagrama a bloques del proceso de adquisición de datos. 21 Figura 2.2 Gráfica del comportamiento del termistor.. 24 Figura 2.3 Circuito linealización termistor, por puente de Wheatstone con R paralela 24 Figura 2.4 Comportamiento de los diferentes tipos de termopares.. 25 Figura 2.5 Diagrama de aplicación del sensor LM Figura 3.1 Diagrama de flujo de un sistema de adquisición de datos 34 Figura 4.1 Distribución de las terminación en el PIC18F Figura 4.2 Ruta a seguir para que el oscilador primario, un cristal de 12MHz, opera a 4MHz.. 42 Figura 4.3 Conexión del capacitor de desacoplamiento y del capacitor para el regulador. 43 Figura 4.4 Diagrama eléctrico de la TAD, realizado en el programa ISIS de Proteus Figura 4.5 Representación gráfica del vector por el cual se envía la información mediante el bulk transfer.. 46 Figura 4.6 Imagen 3D de la TAD Figura 4.7 Imagen del layout de la TAD 51 Figura 4.8 Fotografía de la TAD una vez armada.. 52 Figura 4.9 Interface gráfica que controla la TAD.. 58 Figura 5.1 Diagrama eléctrico de la prueba de laboratorio.. 60 Figura 5.2 Sistemas de prueba en laboratorio 61 Figura 5.3 Medición con el osciloscopio de la señal senoidal.. 61 Figura 5.4 Señal obtenida en la TAD Figura 5.5 Forma de onda y oscilograma de una señal senoidal de 3 Hz obtenida con la TAD 64 Figura 5.6 Forma de onda u oscilograma de una señal senoidal de 3 Hz obtenida usando un osciloscopio 64 Figura 5.7 Medición hecha con el sistema de adquisición a una señal senoidal de 8Hz. 65 Figura 5.8 Medición hecha con el osciloscopio a una señal senoidal de 8Hz. 66 Figura 5.9 Medición hecha con el sistema de adquisición a la señal triangular de 1.5Hz.. 66 Figura 5.10 Medición hecha con el osciloscopio a una señal triangular de 14

15 Contenido 1.5Hz.. 67 Figura 5.11 Medición hecha con el sistema de adquisición a una señal triangular de 8Hz. 68 Figura 5.12 Medición hecha con el osciloscopio a una señal triangular de 8Hz 69 Figura Medición hecha con el sistema de adquisición a una señal cuadrada de 4Hz. 69 Figura 5.14 Medición hecha con el osciloscopio a una señal cuadrada de 4Hz Figura 5.15 Medición hecha con el sistema de adquisición a una señal cuadrada de 8Hz 71 Figura 5.16 Medición hecha con el osciloscopio a una señal cuadrada de 8Hz 71 Figura 5.17 Conexiones del sistema y del termómetro digital para realizar las pruebas de medición de temperatura Figura 5.18 Muestra los dos sensores listos para realizar la medición 73 Figura 5.19 Medición de temperatura, recién introducidos los sensores. 74 Figura 5.20 Medición de temperatura realizada con el SAD, haciendo uso de un sensor LM Figura 5.21 Mediciones de temperatura.. 75 Figura A1 Dimensiones de los conectores USB. 82 Figura A2 Ejemplo de codificación de datos en NRZI 83 Figura B1 Partes de la TAD. 93 Figura B2 Estructura de la ventana del programa de control. 95 Figura B3 Ventana administrador de dispositivos.. 99 Figura B4 Ventana propiedades de la TAD.. 99 Figura B5 Ventana actualizar software de control TAD. 100 Figura B6 Ruta del controlador 100 Figura B7 Ventana de alerta Figura B8 Confirmación de instalación del controlador. 101 Figura B9 Crear acceso directo del programa de control TAD USB 102 Figura B10 Conexión del sensor. 103 Figura B11 Selección de canal. 103 Figura B12 Selección de sensor Figura B13 Selección de factor de ajuste Figura B14 Selección de tiempo de muestreo. 105 Figura B15 Muestreo en proceso Figura B16 Botón para generar archivos. 106 Figura B17 Archivo generado con los datos del muestreo

16 Contenido ÍNDICE DE DIAGRAMAS DE FLUJO Figura 2.1 Diagrama a bloques del proceso de adquisición de datos. 21 Diagrama 3.1 Diagrama de flujo de un sistema de adquisición de datos.. 33 Diagrama 4.1 Diagrama de flujo de declaración de variables y funciones en el programa del µc 47 Diagrama 4.2 Diagrama de flujo del programa principal en el µc. 48 Diagrama 4.3 Estructura de la función recibir desde PC.. 49 Diagrama 4.4 Estructura de las funciones canal X:ANY la cual envía la información del Diagrama 4.5 canal X a la computadora.. 49 Declaración de funciones de cabecera y variables del programa de control. 53 Diagrama 4.6 Diagrama de flujo del programa principal 54 Diagrama 4.7 Función iniciar 55 Diagrama 4.8 Función selección de tiempo.. 55 Diagrama 4.9 Función selección de sensor 56 Diagrama 4.10 Función timer 1 56 Diagrama 4.11 Función comunicación. 57 Diagrama 4.12 Función parar. 57 Tabla A1 Configuración de terminales USB

17 Contenido SIGLAS Y ABREVIACIONES µc Microcontrolador µf Microfaradio A/D Analógico-digital ADC Analogic-digital converter (convertidor analógico digital) AN Analógico(a) ANX Entrada analógica X ANY Entrada analógica Y D.F. Diagrama de Flujo EEPROM Electrically Erasable Programable Read-only Memory (Memoria de solo lectura programable eléctricamente borrable ) ETHERNET Estándar de redes de computadora HID Human Interface Divice (Dispositivo de Interface Humana) Hz Hertz, unidad de media de la frecuencia Layout Diseño LED Light-Emitting Dido (Diodo Emisor de Luz) ma Miliampere MBps Mega Bytes por segundo Mbps Mega bits por segundo NA Normalmente abierto(a) P.P. Programa Principal PC Personal Computer (Computadora Personal) PCB Printed Circuit Board (Tarjeta de Circuito Impreso) PCI Peripherial Component Interconnect (Interconexión de Componentes Perifericos) pf Picofaradios PIC Programmable Intergrated Circuit (circuito integrado programable) PID Pruduct ID (Identificación del Producto) PLL Refiere a la función del los fuses para ajuste del reloj principal PLLX Refiere a la función del los fuses para ajuste del reloj principal con el divisor X RAM Random Acess Memory (memoria de acceso alterno) Reset Restablecer ROM Read Only Memory (memoria de solo lectura) RS-232 Recommended Standard 232 (Estándar Recomendado 232) SAD Sistema de Adquisición de Datos TAD Tarjeta de Adquisición de Datos 17

18 Contenido USB VID Vpp Vrms VUSB Wi-Fi Universal Serial Bus (Bus Serial Universal) Vendor ID (Identificación del Vendedor) Volts pico-pico Volts root mean square (volts en media cuadrática) Refiere al regulador de tensión en el microcontrolador Wirless Fidelity (Fidelidad inalámbrica) 18

19 Capítulo 1. Fundamentos de la adquisición de datos CAPÍTULO 1 FUNDAMENTOS DE LA ADQUISICIÓN DE DATOS La adquisición de datos se define como la toma de mediciones mediante un instrumento que permita recopilar muestras, almacenar y procesar la información, y tiene su desarrollo en la electrónica y en la computación en hardware y software. En hardware se incorpora la captación, el acondicionamiento de la señal e interface de comunicación con la computadora. En el software se incorpora la programación de la interface desde la tarjeta de adquisición y la computadora, el procesamiento y el despliegue de información, además de la coordinación del sistema. Entonces la adquisición de datos se conforma por un sistema que permite realizar la medición de un fenómeno mediante una tarjeta que toma lecturas y las comunica a la computadora donde se procesa, almacena y muestra la información. El proceso de la adquisición de datos es el siguiente: 1. La interpretación del fenómeno físico. En esta parte se hace uso de un sensor que transforma un parámetro del mundo exterior (temperatura, presión, sonido, etc.) en parámetros eléctricos ya sea corriente o voltaje. 2. Acondicionamiento de señal. Ya que normalmente las señales que envía el sensor son muy pequeñas o no están dentro de los parámetros para que el instrumento pueda interpretarlo, en esta etapa se ajusta la señal, amplificándola o19 reduciéndola, para que pueda ser interpretada correctamente. 19

20 Capítulo 1. Fundamentos de la adquisición de datos 3. Procesamiento digital de la señal. Parte fundamental en la adquisición de datos, consiste en convertir la señal analógica proveniente del fenómeno físico a medir en cierto número de valores binarios. Se considera la resolución del convertidor analógico digital y la velocidad de muestreo. 4. Interface de comunicación tarjeta-computadora. La interface se utiliza para transportar la información de la medición de manera digital a la computadora. Existen diferentes maneras de realizar la comunicación entre dispositivos electrónicos y la computadora, tales como puerto paralelo, puerto serial, PCI, ETHERNET, USB, etc., cada uno tiene diferentes ventajas por las cuales es utilizado. 5. Procesamiento de la información. Una vez que fué transportada la información a la computadora, se procesa estadísticamente, se almacena y se muestra de manera gráfica para su interpretación. 20

21 Capítulo 2. Elementos de la adquisición de datos CAPÍTULO 2 ELEMENTOS DE LA ADQUISICIÓN DE DATOS Como se mencionó en el capítulo anterior, el proceso de la adquisición de datos tiene al menos cinco etapas. Cada una de estas etapas implica una interrelación con las demás, es decir cada una debe de estar acoplada con la etapa anterior y la posterior. En este capítulo se describe el funcionamiento de cada elemento. Figura 2.1 DIAGRAMA A BLOQUES DEL PROCESO DE ADQUISICIÓN DE DATOS En la figura 2.1 se muestra el diagrama a bloques de un sistema de adquisición de datos con los cinco bloques básicos más el de almacenamiento. 21

22 Capítulo 2. Elementos de la adquisición de datos 2.1 SENSORES Y TRANSDUCTORES (INTERPRETACIÓN DEL FENÓMENO FÍSICO) Se denomina transductor a un elemento o dispositivo que convierte una señal en una forma física a otra, donde la señal a la salida de un transductor es proporcional en magnitud a la de entrada. Dado que hay seis tipos de señales: mecánicas, térmicas, eléctricas, ópticas y moleculares (químicas), entonces cualquier dispositivo que convierta una de estas señales en cualquiera de las cinco restantes es considerado un transductor. Para los fines de la instrumentación electrónica los transductores que se utilizan son los que transforman la señal de entrada en señal eléctrica. El uso de estos transductores presenta los siguientes beneficios: 1. Existen en la actualidad una amplia gama de transductores comerciales que hacen sencilla su implementación. O si así se desea se pueden construir sensores para tareas especificas esto gracias al estudio de la física y las disciplinas electromagnética, electrónica, mecánica, etc. 2. Una vez que se obtiene la señal eléctrica se puede amplificar si es que esta es muy pequeña, es decir se puede acondicionar la señal mediante electrónica para su posterior análisis, incluso hay transductores comerciales que ya cuentan con esta etapa integrada. 3. Fácil transmisión de información, es más versátil la transmisión de datos de manera electrónica que por ejemplo la transmisión de señales mecánicas, hidráulicas o neumáticas. Aunque para tareas específicas en donde no hay manera de realizar comunicación eléctrica o electromagnética, como es el caso de lugares 22

23 Capítulo 2. Elementos de la adquisición de datos con condiciones de atmósfera volátil, se acude a sistemas neumáticos o hidráulicos. Es importante destacar que para cada tipo de señal podemos encontrar diferentes tipos de sensores con campos de acción específicos. Es tarea del usuario del sistema de adquisición de datos encontrar el sensor adecuado y acondicionarlo para el área donde se desea implementar. 2.2 ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL Los acondicionadores de señal son los elementos del sistema que reciben la señal de salida del sensor y proveen un nivel o amplitud de señal apta para permitir un procesamiento posterior. Consiste normalmente en equipos electrónicos que ofrecen entre otras funciones amplificación o atenuación, filtrado, acoplamiento de impedancias y modulación o demodulación. 2.3 IMPORTANCIA DEL ACONDICIONAMIENTO DE LA SEÑAL Si se quisiera medir temperatura se tienen diferentes sensores a los cuales se pueden acudir por ejemplo termistor, termopar, sensor semiconductor LM35. Los tres mencionados se pueden utilizar como sensores de temperatura pero cada uno trabaja de manera diferente. Primer caso termistor El termistor presenta una variación de su resistencia como respuesta a la variación de la temperatura, si es de coeficiente positivo (PTC) al aumentar la temperatura a la que es sometido aumenta su resistencia. Cuando disminuye la resistencia interna del termistor 23

24 RESEITENCIA (KHOM) Diseño y construcción de un Sistema de Capítulo 2. Elementos de la adquisición de datos al aumentar la temperatura se dice que es de coeficiente negativo (NTC). Con este sensor se pueden tomar medidas de 0 a 100º C. Pero esto no es todo, además la variación de la resistencia del termistor no es lineal, así que se tiene que acudir a un método de linealización del termistor o acudir a la interpretación matemática de Stenhart-Hart para termistores. 30 CARACTERIZACIÓN TEMPERATURA ( C) Figura 2.2 Gráfica del comportamiento del termistor Existen diferentes maneras de linealizar el termistor, algunas de ellas son mediantes diferentes topologías del puente de Wheatstone, la desventaja de estés es que se pierde precisión en la medición y la linealidad es por pocos grados centígrados. Debido a que la temperatura es interpretada como resistencia en el termistor se utiliza un puente de Wheatstone para convertir las variaciones de resistencia en variaciones de tensión. Para linealizar el efecto del termistor se puede aplicar el método de resistencia paralela con respecto al sensor. Figura 2.3 Circuito linealización del termistor, por puente de Wheatstone con R paralela 24

25 Capítulo 2. Elementos de la adquisición de datos Para el método matemático se puede hacer uso de un micro controlador, que evalúe el valor de resistencia del termistor en la ecuación de Stenhart-Hart para termistores, ecuación 2.1, esta requiere de solo tres mediciones de resistencia con sus respectivos valores de temperatura conocidos para que se pueda aplicar, es decir no hay que caracterizar por completo al termistor. 3 T ( A B(ln( R) C(ln( R)) ) Segundo caso termopar El termopar es un dispositivo compuesto por la unión de dos metales diferentes que produce una tensión al someterse al calor. Se utiliza en la instrumentación, para procesos industriales, los termistores comerciales tienen conectores estándar y son capaces de medir un amplio intervalo de temperatura. Existen diferentes tipos de termistores por ejemplo los tipo K, con un intervalo de C hasta 1 C; el tipo J con un intervalo de -40 C a 750 C; tipo N superior a los 300 C. Figura 2.4 Comportamiento de los diferentes tipos de termopares. Como se observa en la imagen 2.4 el comportamiento en los termopares es más lineal que el comportamiento de los termistores. 25

26 Capítulo 2. Elementos de la adquisición de datos Gracias a la linealidad aparente de los termopares, su acondicionamiento de señal se lleva a cabo fundamentalmente mediante el empleo de un amplificador de instrumentación con una ganancia modo diferencial grande que permite amplificar la señal de interés y una ganancia en modo común pequeña que elimina el ruido de la señal, obteniendo a la salida una señal de medición óptima para su procesamiento. Tercer caso sensor semiconductor El sensor de temperatura LM35, es un circuito integrado de precisión que permite tomar medidas directas de temperatura dando una salida en voltaje, es completamente lineal con una sensibilidad de 10mV/ ºC. Dependiendo de la configuración a la que se someta puede tener un intervalo de temperatura de -55 C a 150 C, utilizando dos fuentes y con una sola fuente se puede medir desde 2ºC hasta 150 ºC, y se puede alimentar con una tensión de 0.2V hasta los 35V. Figura 2.5 DIAGRAMA DE APLICACIÓN DEL SENSOR LM35 El acondicionamiento de la señal en el caso de utilizar un sensor de este tipo y haciendo uso de un microcontrolador, se puede llevar a cabo multiplicando por 100 el valor que dé a su salida el transductor. El objeto de realizar la breve comparación de los tres casos de implementación de sensores es mostrar que: 26

27 Capítulo 2. Elementos de la adquisición de datos Primero: Que aunque haya varios sensores que midan la misma variable, sus campos de aplicación son diferentes, pues cada uno tiene características de intervalo de temperatura y sensibilidad que los distinguen de los demás. Segundo: El tratamiento de la señal de salida del transductor en cada caso es distinto ya que también cada uno proporciona una señal a la salida diferente en tipo y en magnitud. 2.4 CONVERSIÓN DE LA SEÑAL La conversión de señal como su nombre lo dice consiste en transformar la señal que detecta el sensor que es una señal analógica a una señal digital. Cuando se miden magnitudes eléctricas, por ejemplo intensidad de corriente, o bien magnitudes no eléctricas como la temperatura, se obtienen a menudo el valor medido en forma analógica. Pero para poder transmitir, almacenar o tratar datos obtenidos en la medición, estos datos se requieren en forma digital. Para ello se necesita un convertidor analógicodigital CONVERTIDOR ANALÓGICO-DIGITAL Existen diversos tipos de convertidores y técnicas de conversión para tener una señal digital que represente los datos analógicos medidos, en algunos de ellos se efectúa la conversión directa por comparación contra una tensión de referencia, en otros se efectúa una transformación a una variable intermedia, como es el tiempo; por tanto, siempre se obtienen distintas características de precisión, rapidez de conversión y costo. 27

28 Capítulo 2. Elementos de la adquisición de datos RESOLUCIÓN En general el convertidor analógico digital establece una relación entre su entrada (señal analógica) y su salida (digital) dependiendo de su resolución. Esta resolución se determina relacionando el valor máximo que se permite a la entrada, también conocida como la tensión de referencia, y la cantidad de bits del convertidor utilizado. 2.5 INTERFACE DE COMUNICACIÓN La comunicación en el sistema es esencial ya que es la parte que transmite la información de la tarjeta a la computadora. Para realizar la transmisión hay diversas formas de hacerlo, utilizando la interface RS-232, ethernet, PCI, USB, etc. A continuación se presenta una descripción general de algunas interfaces de comunicación y posteriormente se enuncian los criterios de elección de la forma de trasmisión más adecuada. Es importante mencionar que el sistema que se utilice debe funcionar apropiadamente en un sistema operativo de uso común INTERFACE RS-232 La interface RS-232 está constituido por un cable de 25 conductores con un conector compatible con DB25. La capacitancia de carga de terminal en este cable se especifica como 2500pF. La impedancia en el extremo del cable debe ser de 3000 a 7000Ω, y la impedancia de salida se especifica como mayor de 300Ω. Con estas especificaciones eléctricas, y para una frecuencia máxima de bits de 20 Kbps, la longitud máxima de la interface es de 30m. Aunque la interface RS-232 no es más que un cable con dos conectores, la norma también especifica limitaciones para los valores de voltaje que puede mandar o recibir del cable del DTE (Equipo de Comunicación de Datos) y el DTE (Equipo Terminal de Datos). 28

29 Capítulo 2. Elementos de la adquisición de datos Ventajas: La transmisión de información es muy segura, gracias a su sistema de corrección de errores, además permite la conexión con los equipos terminales a una distancia de hasta 30m. Desventajas: Es una interface de comunicación lenta, solo permite la comunicación punto a punto y está en desuso INTERFACE PCI PCI (Perripherial Component Interconnect) es una interface que permite conectar dispositivos directos a la tarjeta madre de la computadora, sus principales características son: la máxima tasa de transferencia es de 132Mbps, no requiere del sistema DMA, es decir tiene acceso directo a memoria, el protocolo de transferencia esta optimizado para trasmitir datos en forma de bloques, se pueden conectar hasta 256 dispositivos, la interface PCI es plug and play es decir se conecta con el equipo apagado, al encender el equipo la nueva tarjeta es reconocida por el BIOS de la PC y una vez iniciado se puede comenzar a trabajar con el software correspondiente. Ventajas: Permite conectar una gran cantidad de dispositivos, es una interface plug and play y además es una interface rápida gracias a que accesa directamente a memoria sin necesidad de pasar por el CPU. Desventaja: No es una interface que se caracterice por su portabilidad, ya que está destinada en su mayoría a tarjetas madre de computadoras de escritorio INTERFACE USB La interface USB es una de las interfaces más utilizadas en la actualidad, sirve para conectar a la computadora una gran variedad de dispositivos que funcionan como complementos para la misma. Se pueden conectar a un puerto USB de la computadora hasta 127 dispositivos con ayuda de hasta 5 hubs, cantidad limitada por el direccionamiento y la cantidad de corriente que provee cada puerto que como límite es 500mA. 29

30 Capítulo 2. Elementos de la adquisición de datos Está compuesto por 4 conductores, uno de Vcc (5V), uno de tierra y dos de comunicación. La longitud máxima antes de requerir un repetidor es de 5m, su impedancia característica es de 90Ω, puede transmitir a tres velocidades diferentes, dependiendo de la configuración de los dispositivos, las velocidades son baja velocidad (1.2Mbps), velocidad completa (12Mbps) y alta velocidad (480Mbps). Es una conexión plug and play, es decir se puede conectar los dispositivos que cuenten con esta interface a la PC y hacer uso inmediato del dispositivo, una vez ya instalados los controladores. Ventajas: Es una interface con velocidad de trasferencia adaptable según la aplicación, además de que en modo de alta velocidad la transferencia es rápida; la interface tipo plug and play, provee de energía a los dispositivos terminales y está presente en todos los equipos de computo de la actualidad. Desventaja: Está limitado a una extensión de solo 5m como máximo INTERFACE ETHERNET Ethernet es un estándar que se utiliza para la conexión de computadoras de área local LAN, es decir ethernet define el protocolo de cableado y la señalización de nivel físico. Esta interface se compone de: tarjeta de red, repetidores, puentes, conmutadores, etc. Se compone de 8 conductores en par trenzado, su capacidad de transferencia es de hasta 100Mbps, utiliza cable UTP CAT 5, con una longitud máxima de 100m; antes de hacer uso de repetidores, la comunicación puede ser half-duplex o full-dúplex. Ventaja: Permite una extensión de hasta 100m, es compatible con la mayoría de los equipos de computo de la actualidad. Desventaja: Es una interface de comunicación insegura, ya que se puede perder información al no revivir respuesta de alguno de los puertos de comunicación. la 30

31 Capítulo 2. Elementos de la adquisición de datos ELECCIÓN DE INTERFACE PARA LA COMUNICACIÓN DEL SISTEMA Para seleccionar el tipo de interface para el sistema se consideraron características, ventajas y desventajas propias de cada interface y se compararon con las características que se requieren en los objetivos de este proyecto, que en esencia son dos: Se requiere de una interface que esté presente en la mayoría de los equipos portátiles. Las interfaces antes mencionadas tienen presencia en cualquier equipo de cómputo de tipo escritorio, pero no así en los equipos portátiles de la actualidad. En el caso de RS- 232, no está presente de manera directa pero se puede aplicar un adaptación mediante la interface USB; en el caso de PCI, definitivamente no está presente este tipo de interface; para el caso de USB, la mayoría de los equipos de computo tienen en promedio 3 puertos de este tipo; en el caso de ethernet todas las computadoras tipo LAP-TOP, cuentan con este, en el caso de las computadoras tipo tablets o tabletas ya no cuentan con dicho puerto. Se requiere que cuente con una tasa de transferencia considerable para realizar las mediciones. Para el caso de RS-232 es de 20Kbps; para PCI es de 132MBps; En el caso de USB puede ser de 1.2 Mbps, 12Mbps y 480Mps; para ethernet es de 1000Mbps. Estas dos características principales para el proyecto permiten ver que la opción más viable para la implementación de interface es la USB. Por su presencia en las computadoras y su mayor ancho de banda, además de características como proveer de energía eléctrica a los dispositivos y ser plug and play. Con respecto a las desventajas que presenta la interface USB con respecto a las otras interfaces que se compararon, como la cantidad de dispositivos que se conectan a una PC y la longitud del cableado son despreciables para los fines del proyecto, debido a que solo 31

32 Capítulo 2. Elementos de la adquisición de datos se desea conectar una sola tarjeta a la PC y se piensa que menos de 5 metros son suficientes para realizar las mediciones. 2.6 ALMACENAMIENTO DE DATOS Y DESPLIEGUE DE INFORMACIÓN Los últimos pasos en la adquisición de datos son el despliegue y el almacenamiento de la información. Una vez que se tomó la lectura, lo que prosigue es desplegarla y/o almacenarla. El despliegue se puede hacer de manera numérica o mediante una gráfica. Para realizar el almacenamiento existen diversas formas de hacerlo desde almacenar las mediciones en una memoria flash o en el disco de la computadora y aprovechar para procesar matemáticamente la información haciendo uso de alguna aplicación especializada. El cómo se realicen estos pasos dentro de la adquisición de datos depende de las necesidades de cada diseño. 32

33 Capítulo 3. Requisitos de diseño CAPÍTULO 3 REQUISITOS DE DISEÑO En este capítulo se plantean las condiciones de diseño que debe cumplir el sistema de adquisición de datos conforme a los objetivos planteados en el primer capítulo de este trabajo. Se busca interpretar las características de una forma técnica para posteriormente plantear la solución del sistema. 3.1 REQUISITOS DE DISEÑO EN GENERAL DEL SISTEMA Para que el sistema presente la mayor funcionalidad posible deberá contar con lo siguiente: Permitir medir hasta 8 variables independientes. Se puedan conectar diversos sensores, uno para cada entrada si es que así se requiere. Que la tarjeta de adquisición de datos se comunique a una computadora mediante una interface USB. Que el programa de control de la adquisición de datos sea amigable. Que en la computadora se puedan visualizar en tiempo real las mediciones adquiridas. Que se tengan rutinas programables para la adquisición de datos. Que se puedan almacenar los datos obtenidos en una PC. 33

34 Capítulo 3. Requisitos de diseño 3.2 DIAGRAMA A BLOQUES GENERAL DEL SISTEMA SENSOR Y ACONDICIONAMIENTO DE SEÑAL TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS PROGRAMA DE CONTROL Diagrama 3.1 Diagrama de flujo de un sistema de adquisición de datos En el diagrama 3.1 se muestra el diagrama a bloques del sistema de adquisición; comienza con el sensor que convierte la señal física a medir en una señal eléctrica, continúa el acondicionamiento donde se adecua la señal para que pueda ser procesada por la tarjeta de adquisición. El siguiente bloque es el de la TAD, esta se encarga de trasformar la señal analógica en digital y transmitirla a la PC, cada vez que esta lo ordena mediante el programa de control. El último bloque en el sistema es el programa de control que se ejecuta desde la PC, en este, se configura el tiempo de muestreo, se despliegan las mediciones y además se almacena la información. 34

35 Capítulo 3. Requisitos de diseño 3.3 CARACTERÍSTICAS PARA EL DISEÑO ELECTRÓNICO En esta parte del trabajo se interpretan los requisitos reflejados en el apartado 3.1 ahora de manera técnica, para el caso de la tarjeta de adquisición, sensores, convertidor A/D e Interface USB Tarjeta de Adquisición Para realizar las acciones de una tarjeta de adquisición de datos, tales como tomar medidas en forma analógica, decodificar la información a digital y transmitirla a la PC, se requiere de un sistema basado en un controlador, el cual se pueda programar para controlar los diferentes módulos y así realizar las funciones de la adquisición. Los módulos elementales que debe poseer este subsistema son los siguientes: CPU, memoria flash, memoria RAM, ROM, puertos, convertidor analógico-digital y el módulo de comunicación USB Requisitos para el convertidor analógico-digital (A/D) La resolución es el cambio más pequeño que pueda detectar el instrumento de medición, y de esta se encarga el convertidor analógico-digital, está dado en volts y es inversamente proporcional a la cantidad de bits del ADC, por ende entre más bits tenga el convertidor analógico digital mayor resolución tendrá el sistema. 35

36 Capítulo 3. Requisitos de diseño Para fines del proyecto se propuso que el sistema tuviera un convertidor A/D de al menos 8 bits para realizar las pruebas de medición. Se especificó que la alimentación de la TAD fuera de +5 volts, ya que es la tensión que provee la interface USB; entonces esta tensión se definió como la de referencia para el convertidor analógico digital Sensores Debido que existe una gran variedad de sensores y cada uno interpreta la medida de manera diferente tal como se mostró en los tres casos del apartado 2.3 de este trabajo, se pretende que la TAD solo cuente con sus entradas A/D, para no limitar el acondicionamiento de la señal para cada tipo de sensor. De esta manera el acondicionamiento de la señal a su salida deberá de expresar la medición en un intervalo de 0 a 5V, valores correspondientes a la entrada del convertidor Interface USB Las características principales de la USB ya están estandarizadas como es la tensión de 500mA en la parte eléctrica, la forma de comunicación está regida por el protocolo USB. Solo resta definir qué tipo de transferencia se va a utilizar. En el ANEXO A, se explica con mayor detalle las características y el funcionamiento del protocolo USB, en el mismo se explican las características de cada modo de trasferencia (bulk transfer, interrump transfer, isochronous transfer y control transfer). Debido a que el modo bulk tranfer presenta mayores ventajas respecto a la máxima tasa de trasferencia y la fiabilidad en la transmisión de datos se seleccionó este modo de transmisión. 36

37 Capítulo 3. Requisitos de diseño Para bulk tranfer hay dos diferentes velocidades de transmisión, full speed (12Mbps) y high speed (480Mbp). Para full speed la capacidad de transferencia va de los 8 hasta los 64 paquetes, en forma de tren o vector, cada paquete es de 1 byte. Para alta velocidad (high speed) la transmisión es de 512 paquetes. Resumen TAD Hasta 8 convertidores Analógico-Digital. Módulo USB. De al menos 8 bits. Voltaje de referencia de 5V. SENSORES Que su medida la interpreten en un intervalo de 0 a 5V. USB Cumplir con los requisitos del protocolo. Usar el modo de transferencia bulk. Especificar que la máxima corriente proporcionada por el puerto es de 500mA. 3.4 CARACTERÍSTICAS PARA EL DISEÑO DEL PROGRAMA Como se mencionó anteriormente para el buen funcionamiento del sistema de adquisición debe de haber una coordinación entre etapas y los encargados de esta son el software de la tarjeta (TAD), el software instalado en la computadora y el programa de control. El software de la tarjeta debe administrar sus puertos de entrada, realizar la lectura, convertirla de analógica a digital y enviarla a la PC por petición del programa de control. 37

38 Capítulo 3. Requisitos de diseño El programa de control debe de contar con una función de selección de canales, una de programación de tiempo para el muestreo, una función que despliegue la medición de manera gráfica y una función que pueda generar un archivo de las mediciones con cualquier extensión. Además es importante definir cada canal de entrada con un color característico, para la fácil identificación. Para cumplir esta serie de requisitos de diseño es importante implementar una interface de computadora gráfica para el fácil manejo y comprensión. El algoritmo del programa de control puede ser ensamblado en un lenguaje visual como por ejemplo visual basic, visual C#, visual c, etc. Cualquiera de los lenguajes anteriores poseen las características para desarrollar las funciones ya mencionadas. Solo resta definir que el sistema operativo para el cual va a estar orientado el sistema de adquisición es WINDOWS ya que es el sistema operativo más utilizado en México, además de que para este sistema existe un entorno de desarrollo integrado que permite compilar varios lenguajes visuales, este entorno es Microsoft Visual Studio. 38

39 Capítulo 4. Diseño del sistema CAPÍTULO 4 DISEÑO DEL SISTEMA En este capítulo se explica el procedimiento del diseño y la construcción del sistema, conforme a los requisitos de diseño planteados en el capítulo 3. El diseño se divide en dos partes, la primera es el diseño de la TAD (Tarjeta de Adquisición de Datos), que comprende el circuito impreso, la programación de los puertos, del modulo USB y el controlador de la tarjeta, es decir la conjunción de hardware con software. La segunda, el diseño del programa de control desde la computadora, es decir el software que dirija a todo el sistema. 4.1 SELECCIÓN DE MICROCONTROLADOR El primer paso para el diseño de la tarjeta fue determinar qué microcontrolador se utilizaría, según los requisitos de diseño este debería de contar con el módulo USB integrado. Se encontró que en el mercado ya existía una familia de microcontroladores de la firma Microchip que cuenta con modulo USB 2.0. La familia PIC18FXX5X es una familia de microcontroladores que ofrece cuatro diferentes encapsulados de 28 o 40 terminales, dentro de sus características principales están: La compatibilidad con USB V2.0. Soportan las cuatro formas de transmisión (Bulk, Control, Isocrhonous, Interrumpt). Tienen hasta 32K bytes de memoria Flash. Memoria RAM de 2048 bytes. 39

40 Capítulo 4. Diseño del sistema Memoria EEPROM 256 bytes. Convertidor Analógico/Digital de hasta 10 bits. Su alimentación va de 2.0V hasta 5.5V. Cuenta con regulador de voltaje para el uso del modulo USB. 1 Una vez ya conocidas las características principales de la familia conformada por los cuatro PIC s, se determinó cual se utilizaría. Los cuatro PIC s cumplen sin problema con las características de diseño, pero se buscó cual de los cuatro se ajustaba más a lo requerido. Los criterios fueron: que la cantidad de canales fuera la más cercana a 8 y que el circuito fuera compacto. Estos criterios convierten en opción al PIC18F2450 y el PIC18F2550, por sus 10 canales A/D en sus 24 puertos de entrada y salida. Así que se utilizó el PIC18F2550, debido a la disponibilidad de éste en el mercado. Se analizó también la posibilidad de emplear microcontroladores de la firma Texas Instruments, ya que cuenta con una línea de microcontroladores de bajo consumo, se consultó en el mercado y se encontró que el modulo USB para esta firma se encuentra fuera del microcontrolador, es decir para emplear la comunicación USB se requiere del encapsulado del microcontrolador y aparte el encapsulado del módulo de comunicación. Debido a esto se confirmó el uso del microcontrolador PIC. 1 Datos Obtenidos de la Hoja de Datos PIC18F2455/2550/4455/

41 Capítulo 4. Diseño del sistema 4.2 DISEÑO DE LA TAD Dentro del diseño de la TAD se considera la organización y operación de los puertos del microcontrolador y la implementación modulo USB, que abarca desde la selección de elementos pasivos, la definición (ID) de la Tarjeta, la determinación de la resolución y el diagrama de flujo del algoritmo. Todo el conjunto de criterios de diseño e implementación del protocolo de comunicación Serial Universal se organiza y ejecuta mediante el algoritmo que se graba en la memoria del PIC y que a su vez es controlado por el usuario mediante el programa de control que se ejecuta desde la computadora SELECCIÓN DE PUERTOS Una vez seleccionado el microcontrolador se determinó la configuración de las terminales del mismo. El PIC18f2550 tiene 3 puertos, A, B y C. De los cuales el A y el B pueden ser utilizados como puertos de entrada y salida, en donde también están los canales del convertidor analógico-digital (A/D). En el puerto C se encuentran las terminales del módulo USB 2.0. Figura 4.1 Distribución de las terminales en el PIC18F

42 Capítulo 4. Diseño del sistema Según los criterios de diseño se requieren al menos 8 canales A/D, así que se escogieron cuatro canales en el puerto A (AN0, AN1, AN3, AN4) y cuatro en el puerto B (AN8, AN9, AN10, AN11). Además de los canales analógicos, se eligió la terminal RA4 como entrada o salida digital auxiliar. El resto de las terminales que no se ocupan en el programa se eligieron como salidas para evitar perturbaciones. Las terminales para la ya están determinadas por el fabricante en el puerto C (VSUB, D+, D-) MATERIAL NECESARIO PARA LA IMPLEMENTACIÓN DEL MODULO USB EN EL PIC18F2550 Partiendo de las especificaciones que da el fabricante para implementar el módulo de comunicación universal serial, se tomaron los siguientes criterios de selección acompañados del material adquirido: Se requiere de un oscilador que puede ser un cristal de cuarzo cuyo valor sea de 4Mhz o un múltiplo de este, con la facilidad de ajustar en el programa del µc mediante la instrucción PLLX, que divide la frecuencia del cristal y así se pueda ajustar a los 4Mhz que se requieren. Cabe destacar que dicha frecuencia es la que necesita el protocolo USB. En este caso, para cumplir con los requisitos de las especificaciones se usó un cristal de 12Mhz. Figura 4.2 Ruta a seguir para que el Oscilador primario, un Cristal de 12MHz, opere a 4Mhz. 42

43 Capítulo 4. Diseño del sistema Se requieren dos capacitores para el oscilador cuyo valor dependen del cristal que se utilice, los valores van de 33pF a los 15pF. Como lo muestra la tabla 2-2 de la hoja de especificaciones del microcontrolador. Se adquirieron 2 capacitores de 15pF. También se requiere un capacitor de 47µF, para el regulador de voltaje VUSB, que se conecta de la terminal VUSB a la referencia cuando la energía para el µc va a ser proporcionada por el Bus. Figura 4.3 Conexión del capacitor de desacoplamiento y del capacitor para el regulador. Es necesario un capacitor de desacoplamiento de 0.001µF. Un conector USB tipo B hembra y un cable USB A-B macho. Para mayor referencia consultar el ANEXO A. En el apartado se especifica la lista de materiales que se utilizaron para la construcción de la tarjeta de adquisición DIAGRAMA DE LA TAD La Figura 4.4 muestra el diagrama eléctrico de la tarjeta de adquisición de datos, con la configuración de puertos antes descrita, los elementos pasivos antes sugeridos, además de un led indicador y restablecimiento. la configuración de un botón pulsador para el Los canales de la TAD y los puertos ANx se asignaron según la posición de los conectores en el PCB. 43

44 Capítulo 4. Diseño del sistema PC USB VCC D+ D- GND C3 0.47uF U1 RC0/T1OSO/T1CKI RA0/AN0 RC1/T1OSI/CCP2/UOE RA1/AN1 RC2/CCP1 RA2/AN2/VREF-/CVREF RC4/D-/VM RA3/AN3/VREF+ RC5/D+/VP RA4/T0CKI/C1OUT/RCV RC6/TX/CK RA5/AN4/SS/LVDIN/C2OUT RC7/RX/DT/SDO RA6/OSC2/CLKO RB0/AN12/INT0/FLT0/SDI/SDA RB1/AN10/INT1/SCK/SCL RB2/AN8/INT2/VMO OSC1/CLKI RB3/AN9/CCP2/VPO RB4/AN11/KBI0/CSSPP VUSB RB5/KBI1/PGM RB6/KBI2/PGC RE3/MCLR/VPP RB7/KBI3/PGD PIC18F OSC2/CLKO Canal 1: ROJO Canal 2: AZUL Canal 3: NEGRO Canal 4: PURPURA Canal 8:DORADO Canal 7: NARANJA Canal 6: CYAN Canal 5: MAGENTA R1 10k 12MHZ OSC2/CLKO R3 1k (R2) (1k) CRYSTAL C2 15pF C1 15pF D2 LED-RED D1 LED-GREEN Figura 4.4 Diagrama eléctrico de la TAD, realizado en el programa ISIS de Proteus DEFINICIÓN DE LA INFORMACIÓN DE IDENTIFICACIÓN DE LA TAD La información de identificación de la TAD, son los números hexadecimales que van a identificar a la tarjeta de los demás dispositivos conectados mediante USB en la computadora. Estos son, el VID (ID del vendedor) y el PID (ID del producto). Para mayor información consultar ANEXO A. Se definió como VID el número 0x04D8, que es el número asignado a la empresa Microchip y se usa en este caso con el fin de desarrollo del prototipo, ya que el solicitar un VID propio se usa con fines de producción y además tiene un costo anual como lo marca el membership aplication (solicitud de afiliación) en la página de la organización. 2 Como PID se definió el numero 0x0033, número elegido arbitrariamente

45 Capítulo 4. Diseño del sistema La importancia de definir estos datos desde antes del diseño de algoritmos radica en que aparecerán en el programa de la TAD, en el controlador de la TAD y el programa de control en la PC IMPLEMENTACIÓN DEL CONVERTIDOR ANALÓGICO-DIGITAL Como parte del diseño del software de la TAD se definió la forma de operación del convertidor analógico digital que abarca la resolución y la tensión de referencia. Como se planteó en el apartado 3.3.2, se considera un convertidor A/D de 8 bits, que es como se ajusta el ADC del microcontrolador, ya que a pesar de que el PIC18F2550 tiene un convertidor de hasta 10 bits, se definió de 8 bits debido a que la información bulk transfer se envía en vectores de 20 casillas para full speed (máxima velocidad del microcontrolador 2550) y cada casilla tiene 8 bits de capacidad, de esta forma la comunicación permite enviar la información de un canal en una casilla individual. Como se muestra en la figura 4.5. La tensión de referencia que se utiliza para el convertidor A/D es de 5V, tensión utilizada como alimentación para la TAD. Es importante recordar que el ADC funciona con juego de circuitos comparadores, donde cada comparador tiene un nivel que es proporcional a la tensión de referencia. Entonces la tensión de entrada es comparada con la tensión del juego de comparadores y según el valor de entrada tendrá un nivel, que después es decodificado y al final se obtiene un valor entero llamado lectura del ADC. Una vez conocido a cuantos bits se ajusta el ADC y la tensión de referencia, se puede determinar la resolución, que al multiplicarse con la lectura del ADC, da la tensión a la entrada. Para hacer el cálculo de la Resolución se hace uso de la Ecuación Donde, N: Cantidad de bits a la cual es ajustada el convertidor A/D. 45

46 Capítulo 4. Diseño del sistema Sustituyendo valores en la ecuación 4.1 tenemos que: 4.2 La ecuación 4.3 muestra cómo convertir la lectura ADC a la medición del sistema haciendo uso de la resolución DIAGRAMA DE FLUJO DEL ALGORITMO QUE RIGE LA TAD 4.3 Una vez definidas las terminales de entrada y el material necesario para implementar la comunicación, se presenta el diagrama de flujo que representa el algoritmo del programa que se ejecuta en el microcontrolador y que hace funcionar la TAD. Como ya se mencionó, la comunicación se organizó mediante paquetes. Es decir, cada vez que se envía información se hace por medio de vectores o trenes de 20 casillas, las diez primeras se reservan como casillas de control y las diez siguientes se reservan como casillas de información, como se muestra en la figura 4.5. SECCIÓN DE CONTROL SECCIÓN PARA ENVIÓ DE INFORMACIÓN Figura 4.5 Representación gráfica del vector por el cual se envía la información mediante el bulk transfer En la figura 4.5 se muestra la representación del vector mediante el cual se organizan las casillas para la comunicación. La casilla 1 se reserva para el comando que se envía del programa de control, mediante éste se indica que canal o canales están 46

47 Capítulo 4. Diseño del sistema activados. Las casillas del 11 al 20 están asignadas para transportar la información de los canales, esto se hace con ayuda de la selección de canal, es decir la casilla 1. Inicio PIC18F2550 Se activan y calibran los #Fuses para configurar al PIC. Es importante ajustar el reloj a 4MHz Ajuste de retardo a Ajuste de ADC a 8 Bits Desactivación de USB HID y activación de comunicación Bulk Se declara un buffer de 20 EP1[20] Se manda llamar funciones para el módulo USB del PIC usb.c Se manda llamar a la función Control USB que contiene los descriptores entre los cuales están el VID: 04d8 y PID: 0084 Se declara el vector dato[20] mediante el cual se leerá y escribirá la información. P.P. Diagrama 4.1 Diagrama de flujo de las declaraciones de variables y funciones en el programa del microcontrolador. 47

48 Capítulo 4. Diseño del sistema P.P. AN0, AN1, AN2, AN4, AN8, AN9, AN10, AN11: ON Encendido Espera de enumeración Encendido Sí 1=1 Bucle infinito SI Enumeración lista? NO SI SI Llamado del Host Recibir NO Dato[1]:CANAL Canal 1 AN0 Canal 2 Canal 2: AN1 Canal 3 Canal 3: AN2 Canal 4 Canal 4: AN4 Canal 5 Canal 5: AN11 Canal 6 Canal 7 Canal 8 Canal 6: AN9 Canal 7: AN8 Canal 8: AN10 Diagrama 4.2 Diagrama de flujo del programa principal en el microcontrolador. 48

49 Capítulo 4. Diseño del sistema Recibir Recibir Información EP1=Dato[1] determina el canal a trabajar FIN Diagrama 4.3. D.F. de estructura de la función Recibir desde la PC. Canal X: ANY Dato[Y]=Lectura Enviar información ) FIN Diagrama 4.4. Diagrama de flujo de estructura de las funciones Canal X: ANY la cual envia la informacion del canal X a la computadora. El diagrama 4.1 muestra la declaración de las funciones de cabecera y de los ajustes de comunicación, ajuste del reloj a 4MHz, el retardo a 48M, la declaración de modo de transferencia Bulk, ajuste del ADC a 8 bits y la declaración del vector dato con 20 casillas. En el diagrama 4.2 se muestra el diagrama de flujo del programa principal que inicia con la declaración de los canales analógicos a utilizar, después enciende la luz indicadora roja como señal de espera de enumeración, la luz cambia a verde cuando el proceso de enumeración fue finalizado por parte del Host o la computadora. Después inicia el bucle infinito que permite que la parte del programa que a continuación se describe se repita una y otra vez. Se pregunta si es que la TAD está conectada a la computadora, de ser así ahora se pregunta si hay algún paquete para la TAD, si es que hay paquete, se ejecuta la función Recibir descrita en el diagrama 4.3 que lee el dato que está en la casilla 1 del vector dato. 49

50 Capítulo 4. Diseño del sistema En casilla 1 del vector dato se encuentra un número entero (del 1 al 8) que indica qué canal es requerido por el usuario. Dependiendo del canal se ejecutará la función que tome lectura del ADC y que lo envié en las casillas del 11 al 18, como lo muestra la figura 4.5, esta función esta descrita por el diagrama 4.4. Es importante mencionar que hasta aquí lo que se envía a la PC es el dato de la lectura del ADC, que es de un entero de tipo Byte, y que hasta el programa de control se traduce a tensión. El desarrollo del algoritmo para la TAD se lleva a cabo en el programa C CCS (PIC C Compiler), ya que cuenta con las funciones para la comunicación USB y hace más sencilla la programación. El código se generó en lenguaje C CONSTRUCCIÓN DE LA TAD Según los requisitos de diseño, esta tarjeta debe de tener dimensiones compactas y contar con conectores estándares para que sea práctico el conectarla a la PC y a una amplia gama de sensores. Siguiendo estos requisitos se diseño, construyó y armó la tarjeta para adquirir datos, utilizando los materiales que a continuación se enlistan: MATERIAL 1 PIC18F Conectores tipo bornera 1 Cristal de 12MHz 2 Capacitores de 15pF 1 Capacitor de 47µF 1 Capacitor de 1nF 1 LED bicolor (Tres Terminales) 1 Resistor de 1KΩ 1Resistor de 10kΩ 1 Push Botton NA 1 Conector UBS hembra tipo B 50

51 Capítulo 4. Diseño del sistema DISEÑO DEL PBC Se realizó el diseño de la tarjeta en el programa Circuit Wizard, posteriormente se construyó la placa por el método serigráfico debido a que es confiable y económico para la elaboración de una tarjeta de estas dimensiones, finalmente se ensamblaron los elementos y se soldaron a la placa de manera manual. A continuación se muestra la imagen simulada de la TAD, el layout y una fotografía de la tarjeta terminada. Figura 4.6Imagen 3D de la TAD. Figura 4.7 Imagen del layout de la TAD. 51

52 Capítulo 4. Diseño del sistema 4.3 CONTROLADOR DE LA TAD Figura 4.8 Fotografía de la TAD una vez armada. El driver o controlador de la TAD consta de una serie de al menos cuatro archivos que se instalan en el S.O. de la PC. La función de estos archivos es que el sistema operativo reconozca a la TAD cada vez que esta sea conectada. La identificación de dispositivos la hace gracias a los datos VID y PID contenidos en el archivo mchpusb.inf, además de que en el mismo archivo se pueden declarar todas las características del dispositivo como nombre, clase, fabricante, etc. datos que se visualizan desde las propiedades en el administrador de dispositivos del SO. Para generar el controlador de la TAD se partió de uno estándar que proporciona Microchip y que ya contiene los cuatro archivos: Ioctls.h, mchpusb.inf, mchpusb.cat y mchpusb.sys, posteriormente se sustituyó el archivo mchpusb.inf haciendo uso del programa INF Enumeración Datos uc PIC-USB v3.1 donde se declararon el VID, PID, nombre, ubicación y fabricante. 52

53 Capítulo 4. Diseño del sistema 4.4 DISEÑO DEL PROGRAMA DE CONTROL Para realizar la compilación del algoritmo de control se hizo uso del Programa Visual Studio 2008, se utilizó el lenguaje C# y para la gráfica se hizo uso de la aplicación ZedGRaph. El algoritmo se muestra en los siguientes diagramas de flujo: Inicio Windows, mpusbapi Se declara VID: 04d8 y PID: 0084 acorde con los declarados en el µc Dato[20], Lectura[9], Voltaje[9], Resolución=0.0196, Medición[9], Muestra Se declaran los Pipes de entrada y de salida CARGAR DLL P.P. Diagrama 4.5 Declaración de funciones de cabecera y variables del programa de control. 53

54 Capítulo 4. Diseño del sistema P.P. Selección de canales CH1 CH2 CH3 CH4 CH5 CH6 CH7 CH8 TAD conectada Información TAD Selección por CLIC en botón Botón Inicio Iniciar Botón Parar Parar Botón Generar Archivo Generar Archivo Botón x Cerrar Programa Diagrama 4.6 Diagrama de Flujo del programa principal del programa de control. 54

55 Capítulo 4. Diseño del sistema Iniciar Limpieza de Graficas Limpieza de Mediciones y Registro Selección de Sensor Selección Tiempo Iniciar Timer 1 y Timer 2 Diagrama 4.7 Diagrama de flujo de la función Iniciar. Selección de Tiempo Tiempo muestro= Definido Usuario Sensor hrs Tiempo muestro= Tiempo muestro * min seg Tiempo muestro= Tiempo muestro *60000 Tiempo muestro= Tiempo muestro *1000 Se ajusta Timer 2 a Tiempo muestro Fin Diagrama 4.8 Diagrama de flujo de la función Selección de Tiempo. 55

56 Capítulo 4. Diseño del sistema Selección de Sensor Sensor LM35 Factor de Ajuste =100 LIBRE Factor de Ajuste =Definido Usuario o Factor de Ajuste =1, para voltaje Fin Diagrama 4.9 Diagrama de flujo de la función Selección de Sensor. Timer 1 SI Fin Timer 1? Parar No COMUNICACIÓN Dato[2]=Canal Muestra=Muesta+1 Barra Indicadora Lectura[x]=Dato[x] Voltaje[x]=Lectura[x]* Resolución Medición[x]=Voltaje[x]*Factor de Ajuste Graficar Medición Diagrama 4.10 Diagrama de flujo de la función Timer 1. 56

57 Capítulo 4. Diseño del sistema Comunicación Abrir Pipes Recibir Paquete Asignar Información de Buffer a Dato Enviar Paquete Cerrar pipes FIN Diagrama 4.11 Diagrama de flujo de la función Comunicación. Timer 2 Parar Fin Timer 2? NO Desactivar Timer 1 y Timer 2 Parar SI FIN Diagrama 4.12 Muestra el D.F. de la función Timer 2. Diagrama 4.13 Diagrama de flujo de la función Parar. 57

58 Capítulo 4. Diseño del sistema En el diagrama 4.5 se muestra la declaración de las funciones de cabecera y las variables que se utilizan en el desarrollo del programa de control, en el diagrama 4.6 se muestra el diagrama de flujo del programa principal. Para que comience la operación del sistema basta accionar la función iniciar, el diagrama de dicha función se muestra en el diagrama 4.7. La función inicio comienza con la inicialización de la gráfica, la mediciones y el registro de muestras, continua con la ejecución de la función selección de sensor, que se encarga de asignar el valor del factor de ajuste que es asignado por el usuario, este factor ayuda a interpretar la medición voltaje a la variable que se está midiendo. Después se ejecuta la función selección de tiempo que asigna el valor a la variable tiempo de muestreo, es decir que el usuario mediante este valor determina el tiempo de muestreo, tal como lo muestran los diagramas 4.9 y 4.8 respectivamente. Una vez determinados los valores del factor de ajuste y el tiempo de muestreo, se inician los timer o temporizadores 1 y 2. El primero se encarga de ejecutar la función de comunicación, la interpretación de lectura hasta medición y la gráfica la medida cuantas veces lo permita el timer 2, quien es el encargado de llamar a la función parar, esto una vez transcurrido el tipo de muestreo indicado por el usuario. También puede hacerlo si así lo desea el usuario, llamando a la función parar dando clic. Como lo muestran los diagramas 4.12 y Es importante mencionar que la descripción de funcionamiento del programa de control se complementa con el Manual de Usuario del ANEXO B, en donde se describe la operación del sistema desde el ambiente gráfico. Figura 4.9 Interface gráfica que controla la TAD. 58

59 Capítulo 6. Conclusiones CAPÍTULO 5 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO Y ANÁLISIS DE RESULTADOS En este capítulo se muestran las tres pruebas que se le aplicaron al sistema para verificar su funcionamiento, comparando las mediciones del sistema de adquisición de datos con un instrumento de medición para cada tipo de variable. Las dos primeras pruebas se realizaron para determinar la exactitud y el ancho de banda del sistema, estas se llevaron a cabo en el laboratorio donde se le aplicaron una serie de señales al sistema de adquisición de datos y a un osciloscopio. La tercera prueba consistió en conectar al sistema un sensor LM35 y realizar mediciones de temperatura y compararlo con un termómetro digital. 5.1 PRUEBA DE LABORATORIO En este apartado se verificar el funcionamiento de sistema de adquisición de datos, se determina la exactitud del sistema comparando el valor de tensión en la lectura del sistema de adquisición con los del osciloscopio y se realiza un barrido de frecuencia para cada tipo de señal para determinar el ancho de banda del sistema MATERIAL 1 Generador de Funciones, HP 3311A. 1 Osciloscopio Digital, Tektronix TDS3032. El Sistema de Adquisición de Datos: 59

60 Capítulo 6. Conclusiones o Computadora portátil TOSHIBA SATELLITE TD115D, con el Programa de control y el Controlador (Driver) del Sistema de Adquisición de Datos instalados. o La Tarjeta de Adquisición de Datos. 1 Punta de prueba atenuada y compensada. Cables para conexiones PROCEDIMIENTO Y RESULTADOS Se conectó el generador de funciones al canal 1 del sistema de adquisición y al canal 1 del osciloscopio digital tal como lo muestra el diagrama de la figura 5.1 y la fotografía de la figura 5.2. CH1 Osciloscopio Senoida PC USB 1 VCC 3 D+ 2 D- 4 GND C3 0.47uF U1 11 RC0/T1OSO/T1CKI RA0/AN0 12 RC1/T1OSI/CCP2/UOE RA1/AN1 13 RC2/CCP1 RA2/AN2/VREF-/CVREF 15 RC4/D-/VM RA3/AN3/VREF+ 16 RC5/D+/VP RA4/T0CKI/C1OUT/RCV 17 RC6/TX/CK RA5/AN4/SS/LVDIN/C2OUT 18 RC7/RX/DT/SDO RA6/OSC2/CLKO RB0/AN12/INT0/FLT0/SDI/SDA RB1/AN10/INT1/SCK/SCL RB2/AN8/INT2/VMO 9 OSC1/CLKI RB3/AN9/CCP2/VPO RB4/AN11/KBI0/CSSPP 14 VUSB RB5/KBI1/PGM RB6/KBI2/PGC 1 RE3/MCLR/VPP RB7/KBI3/PGD PIC18F SW1 Canal 1: ROJO Canal 2: AZUL SW-ROT-3 Canal 3: NEGRO Canal 4: PURPURA OSC2/CLKO Canal 8:DORADO Canal 7: NARANJA Canal 6: CYAN Canal 5: MAGENTA Triangular CUadrada R1 10k 12MHZ OSC2/CLKO R3 1k (R2) (1k) CRYSTAL C2 15pF C1 15pF D2 LED-RED D1 LED-GREEN Figura 5.1 Diagrama eléctrico de la prueba de laboratorio. 60

61 Capítulo 6. Conclusiones PRIMERA PRUEBA Figura 5.2 Sistema de prueba en laboratorio. Se ajustó el generador de funciones a una señal senoidal de 2.7 V pp y a una frecuencia baja de tal forma que el sistema pudiera registrar la señal sin deformaciones. También se consideró que el sistema solo podría medir la parte positiva de la señal ya que su intervalo de operación es de 0 a 5V. Figura 5.3 Medición con el osciloscopio de la señal senoidal. La figura 5.3 muestra la medición de la señal senoidal. La tensión del semiciclo positivo se midió haciendo uso de la función cursor del osciloscopio. Se tomó como referencia el nivel de tierra en donde se colocó el primer cursor, y el segundo cursor se colocó en el 61

62 Capítulo 6. Conclusiones centro de la cresta positiva de la señal, y la tensión medida del semiciclo positivo fué de 6.6V Figura 5.4 Señal obtenida en la TAD. En la figura 5.4 se presenta la gráfica que se obtuvo utilizando el SAD, misma que muestra el semiciclo positivo de la señal senoidal, donde el valor máximo de tensión es de V. Con los datos de tensión obtenidos y tomando como referencia el valor dado por el osciloscopio se determinó el error relativo del sistema, utilizando la ecuación 5.1. (5.1) Donde: Error Relativo: Error porcentual de la medición del Sistema comparada con la del Osciloscopio. Tensión Osc: Tensión medida por el Osciloscopio. Tensión SAD: Tensión medida por el Sistema de Adquisición de Datos. 62

63 Capítulo 6. Conclusiones (5.2) Con el resultado del Error Relativo se puede determinar la exactitud de la medición utilizando la ecuación SEGUNDA PRUEBA (5.3) Se midieron tres tipos de señales del generador de funciones. Para cada caso se realizó un barrido de frecuencia y se definió de manera cualitativa hasta qué frecuencia la señal mostrada por el sistema de adquisición no presentaba deformaciones, es decir que el muestreo fuera suficiente para mostrar una señal lo más fiel comparada con la que se observa en el osciloscopio. Se realizó el barrido de frecuencia para una señal senoidal de 2.7V pp, 1.66V de tensión en el semiciclo positivo. Gracias al barrido se determinó que la frecuencia máxima para que el sistema pudiera medir la señal senoidal sin distorsión fué de 3Hz, como se muestra en la figura

64 Capítulo 6. Conclusiones Figura 5.5 Forma de onda y oscilograma de una señal senoidal de 3 Hz obtenida con la TAD. Figura 5.6 Forma de onda u oscilograma de una señal senoidal de 3 Hz obtenida usando un osciloscopio. En la figura 5.6 se muestra una señal de referencia, la señal medida por el osciloscopio; en la figura 5.5 se muestra la señal medida por el SAD, y muestra una señal uniforme en amplitud y con una forma muy parecida a la de referencia, esto quiere decir que el sistema responde correctamente a esta frecuencia. 64

65 Capítulo 6. Conclusiones Después de la señal de 3 Hz se continúo con el barrido de frecuencia y se corroboró que a una frecuencia mayor se comienza a distorsionar la señal hasta descomponerse por completo. La figura 5.7 muestra una señal completamente distorsionada, esta es la medición de una señal de 1.66V de tensión en el semiciclo positivo, a una frecuencia de 8Hz. En dicha imagen se muestra una gráfica con una irregularidad en la amplitud, con amplitudes picos irregulares, además de ser completamente diferente a la señal de referencia. Figura 5.7 Medición hecha con el sistema de adquisición a una señal senoidal de 8Hz. 65

66 Capítulo 6. Conclusiones Figura 5.8 Medición hecha con el osciloscopio a una señal senoidal de 8Hz. Se realizó el barrido de frecuencia para una señal triangular de 2.7V pp, 1.66V de tensión en el semiciclo positivo. Gracias al barrido se determinó que la máxima frecuencia para que el Sistema pudiera medir la señal triangular sin distorsión es de 1.5Hz, como lo muestra la figura 5.9. Figura 5.9 Medición hecha con el sistema de adquisición a una señal triangular de 1.5Hz. 66

67 Capítulo 6. Conclusiones Figura 5.10 Medición hecha con el osciloscopio a una señal senoidal de 1.5Hz. En la figura 5.10 se muestra una señal triangular que se usa como referencia, la cual se obtuvo con un osciloscopio, en la figura 5.9 se muestra la señal medida por el SAD, en esta se muestra una señal uniforme en amplitud y con una forma muy parecida a la de referencia, esto quiere decir que el sistema responde correctamente a esta frecuencia. Después de la señal de 1.5 Hz se continúo con el barrido de frecuencia y se corroboró que a una frecuencia mayor se comienza a distorsionar la señal hasta descomponerse por completo. La figura 5.11 muestra una señal completamente distorsionada, esta es la medición de una señal de 1.66V de tensión en el semiciclo positivo, a una frecuencia de 8Hz. En dicha imagen se muestra una gráfica con una irregularidad en la amplitud, con 67

68 Capítulo 6. Conclusiones picos unos más grandes que otros, además de ser completamente diferente a la medición hecha con el osciloscopio, figura Figura 5.11 Medición hecha con el sistema de adquisición a la señal triangular de 8Hz. Figura 5.12 Medición hecha con el osciloscopio a una señal triangular de 8Hz. 68

69 Capítulo 6. Conclusiones Se realizó el barrido de frecuencia para una señal cuadrada de 2.7V pp, 1.66V de tensión en el semiciclo positivo. Gracias al barrido se determinó que la máxima frecuencia para que el sistema pudiera medir la señal cuadrada sin distorsión es de 4Hz, como lo muestra la figura Figura 5.13 Medición hecha con el sistema de adquisición a una señal cuadrada de 4Hz. Figura 5.14 Medición hecha con el osciloscopio a una señal cuadrada de 4Hz. 69

70 Capítulo 6. Conclusiones De la misma manera que las dos veces anteriores, se realizó el barrido de frecuencia para determinar hasta qué frecuencia puede medir el sistema, pero ahora con una señal cuadrada. En la figura 5.14 se muestra la medición tomada en el osciloscopio, en la gráfica de la figura 5.13 se muestra la forma de onda tomada por el SAD. Después de la señal de 4 Hz se continúo con el barrido de frecuencia y se corroboró que a una frecuencia mayor se comienza a distorsionar la señal hasta descomponerse por completo. La figura 5.15 muestra una señal completamente distorsionada, esta es la medición de una señal de 1.66V de tensión en el semiciclo positivo, a una frecuencia de 8Hz. En dicha imagen se muestra una gráfica con una aparente regularidad en la magnitud, pero una irregularidad más notable en el ancho de los pulsos. Figura 5.15 Medición realizada con el sistema de adquisición a una señal cuadrada de 8Hz. 70

71 Capítulo 6. Conclusiones Figura 5.16 Medición hecha con el osciloscopio a una señal cuadrada de 8Hz. 5.2 PRUEBA UTILIZANDO UN SENSOR DE TEMPERATURA En este apartado se verifica el funcionamiento de sistema de adquisición de datos haciendo uso de un sensor LM35. Se compara la medición con un termómetro digital, para determinar si el muestreo del sistema permite hacer mediciones de temperatura de una forma confiable MATERIAL UTILIZADO 1 Multímetro con función de Termómetro STEREN MUL Termopar tipo K. El Sistema de Adquisición de Datos: o Computadora portátil TOSHIBA SATELLITE TD115D, con el Programa de control y el Controlador (Driver) del Sistema de Adquisición de Datos instalados. o La Tarjeta de Adquisición de Datos. 1 Sensor LM35. 71

72 Capítulo 6. Conclusiones 1 Fuente de alimentación de 5V. 1 Vaso con aceite precalentado PROCEDIMIENTO Y RESULTADOS TERCERA PRUEBA El primer paso fue conectar la TAD a la PC mediante su cable USB, después se conectó el sensor de temperatura LM35 al canal 3 de la TAD y a la fuente de alimentación. Para el caso del termómetro digital, se conectó el termopar al multímetro. Figura 5.17Conexiones del sistema y del termómetro digital para realizar las prueba de medición de temperatura. Para tomar la comparativa de mediciones entre el sistema y el termómetro se colocaron los sensores de cada instrumento de medición lo más cercano posible de tal forma que la temperatura que detectaran fuera prácticamente en la misma zona. 72

73 Capítulo 6. Conclusiones Figura 5.18 Muestra los dos sensores listos para realizar la medición. Una vez hecho el ajuste de los sensores como lo muestra la figura 5.18, se procedió a introducirlos en un vaso con aceite precalentado, la prueba se realizo con aceite ya que es un líquido que presenta mayor estabilidad térmica a la hora de transmitir el calor en comparación con el agua. Figura 5.19 Medición de temperatura, recién introducidos los sensores. 73

74 Capítulo 6. Conclusiones La figura 5.20 es la gráfica de la adquisición de datos que se obtuvo durante la prueba de funcionamiento con el sensor de temperatura. El muestreo duró 3 minutos 19 segundos, lo cual permitió obtener 1634 muestras. Figura 5.20 Medición de temperatura realizada con el SAD, haciendo uso de un sensor LM35 Durante las primeras 73 muestras hechas por la TAD (los primeros 11 segundos) la temperatura se mantuvo en C, mientras que el termómetro medía 61 C como lo muestra la figura De la muestra 74 a la 125 se presentó el primer cambio de temperatura por parte del sensor LM35, la medición cambió de C a 59.7 C. La muestra 125 se tomó a los 16 segundos. A partir de la muestra 800 (minuto 1 con 22 segundos) se extrajo el juego de sensores del aceite, como lo muestra la figura Debido a esto, en la gráfica se muestra una pendiente de caída pronunciada durante las muestras 800 a la 832 donde cae la temperatura a C, después a C en 10 segundos, a C en 9 segundos, a C en 13 segundos y a C en 11 segundos. En estos últimos cuatro cambios de temperatura la caída es con mayor suavidad y en forma de escalones. 74

75 Capítulo 6. Conclusiones Figura 5.21 Medición de temperatura En la muestra 1130 (en el minuto 2 con 12 segundos) se introdujo de nuevo el juego de sensores al aceite, como primer incremento de temperatura se mostró C en 1 segundo, el segundo incremento de temperatura a C se dio en 3 segundos, el último incremento se dio en 14 segundos con una temperatura de C. Se puede observar en la gráfica de la figura 5.20 que al extraer los sensores se generaron caídas de temperatura en forma de escalones, estos se pueden comparar con los escalones que se formaron debido al incremento de temperatura cuando se introdujeron de nuevo los sensores al aceite. La forma y los valores de temperatura en ambos casos son muy similares, estos evidencian la linealidad del sensor LM35, y muestran que el sistema de adquisición de datos puede interpretar las pequeñas variaciones de temperatura que mide el sensor de temperatura. 75

76 Capítulo 6. Conclusiones CAPÍTULO 6 CONCLUSIONES 6.1 CONCLUSIONES El resultado final del desarrollo de este trabajo de tesis, es un Sistema de Adquisición de Datos que permite realizar mediciones haciendo uso de una amplia gama de sensores y además el Sistema puede trabajar desde cualquier computadora con sistema operativo Windows de 32 bits, mediante el puerto de comunicación USB. El Sistema de Adquisición de Datos consta de una tarjeta y un programa de control. La tarjeta cuenta con ocho canales de entrada, es compacta y es ideal para mediciones de laboratorio o de campo ya que es compatible para equipo de cómputo de escritorio o portátil. Mediante el programa de control el usuario puede seleccionar los canales para el muestreo, puede seleccionar el tipo de sensor, programar el tiempo de muestreo y visualizar en tiempo real las mediciones mediante el despliegue de gráficas y del valor numérico de las mediciones. El programa de control también cuenta con la función para guardar los datos tomados mediante el muestreo, la extensión del archivo la puede definir el usuario al igual que el destino. Al poder guardar las mediciones en cualquier extensión y cualquier dispositivo de almacenamiento conectado a la computadora, se puede utilizar la información generada por el sistema para procesarla con cualquier tipo de programas, como por ejemplo los paquetes matemáticos MATLAB, MAPLE, MATHEMATICA, etc. 76

77 Capítulo 6. Conclusiones Las ventajas de este sistema con respecto a otros es que se puede utilizar en cualquier equipo de cómputo que cuente con un puerto USB, dejando de lado la limitación de utilizar el sistema de adquisición porque no se cuenta con los recursos necesarios que demanda un programa de instrumentación virtual. Gracias a que el programa de control del sistema solo requiere de solo 2.56 MB se puede tener respaldo de este hasta en una cuenta de correo electrónico, y ejecutarlo desde cualquier computadora, no dejando de lado un procesamiento de información con un paquete potente como lo es MATLAB. El Sistema de Adquisición de Datos cuenta con las siguientes características técnicas: Exactitud de 99.18%. Resolución de 19.6mV. Tienen un intervalo de operación de 0V a5v. Ancho de banda medido para: Señal Senoidal de 3Hz. Señal Triangular de 1.5Hz. Señal Cuadrada de 4Hz. 4 Cifras significativas después del punto. El sistema tiene un límite de 20,000,000 muestras para graficar, después de este límite el sistema solo continuará el despliegue numérico y el registro de calores para Generar el Archivo. 77

78 Capítulo 6. Conclusiones 6.2 TRABAJOS FUTUROS Este trabajo de tesis abre la posibilidad de nuevos proyectos de tesis para ampliar las aplicaciones del sistema, agregar más elementos que demande el usuario además de contribuir con otros trabajos de tesis. Algunos de los trabajos posibles que involucran este sistema de adquisición de datos son: o Realizar un complemento de programa que permita realizar el control en lazo cerrado de procesos, partiendo de la medición. sistemas y de esta manera también poder controlar o Implementar una interface de comunicación inalámbrica como BLUETOOTH o Wi-Fi, para extender la aplicación del sistema a SMARTPHONES. o Ampliar el ancho de banda del sistema para poder manejar sensores de mayor velocidad implementando una nueva generación de microcontroladores y optimizando las funciones de muestreo. o Ampliar la versatilidad de la Tarjeta de Adquisición de Datos, realizar experimentos para que la tarjeta pueda ser también controlada mediante LABVIEW, para que los usuarios que cuentan con el paquete, puedan gozar de los beneficios propios de este SAD como los de LABVIEW. 78

79 REFERENCIAS REFERENCIAS [1] Dogan Ibrahim. ADVANCED PIC MICROCONTROLLER PROYECTS IN C from USB to ZIGBEE with the PIC 18F Series, Newnes, Estados Unidos, *2+ John Hyde. USB Design by Example: A Practical Guide to Building I/0 Devices, Intel Press, Estados Unidos, [3] Wayne Tomasí. SISTEMAS DE COMUNICACIÓN ELECTRÓNICAS, Pretice Hall, México, [4] Jagoba Arias Pérez, José Luis Martín González. Electrónica Digital, Delta Publicaciones, España, *5+ Yolanda Cerezo López, Olga Peñalba Rodríguez y Rafael Caballero Roldan INICIACIÓN A LA PROGRAMACIÓN C# EN UN ENFOQUE PRÁCTICO, Delta Publicaciones, España 2007 [6] Hoja de especificaciones de microcontrolador PIC18F2550, *7+ Programa para enumeración [8] Condiciones y características del protocolo de comunicación USB 79

80 Anexo A. Comunicación por el bus universal serial ANEXO A COMUNICACIÓN POR EL BUS SERIAL UNIVERSAL 1A.1 INTRODUCCIÓN A LA INTERFACE USB La interface Universal Serial Bus (USB) es una de las interfaces más utilizadas en dispositivos electrónicos de la actualidad, como en cámaras fotográficas, dispositivos GPS, reproductores MP3, impresoras, por mencionar solo algunos. La interface USB fue originalmente desarrollada por COMPQ, MICROSOFT, INTEL y después por HP, LUCENT y PHILIPS. Como su nombre lo indica el objetivo de esta interface era crear una manera de conexión que apareciera en cualquier dispositivo y manejara el mismo protocolo de comunicación en todos los casos, dándole a ésta una compatibilidad con cualquier computadora, y que trabajara a una velocidad superior a las interfaces seriales ya existentes. 1A.2 ESPECIFICACIONES TÉCNICAS DE LA USB Es una interface plug and play, es decir con tan solo conectarla al la computadora (host), previamente instalado el controlador, puede comenzar a trabajar. La conexión USB necesita de un host y por lo menos un dispositivo terminal (endpoint), el primero tiene la capacidad de controlar las tuberías (pipes), enviar datos a los dispositivos terminales y solicitar información a estos. El bus de la USB permite conectar a él hasta 127 dispositivos, cada uno de estos tendrá una dirección formada con 7 bits, es decir hay 128 direcciones. Es importante mencionar que la dirección 0 se utiliza para un propósito especial. La capacidad de conexión a esta cantidad de equipos terminales es gracias a los hubs, los cuales son extensiones del bus, el cual puede tener 4, 8 o hasta 16 terminales. 80

81 Anexo A. Comunicación por el bus universal serial La conexión se compone por 4 cables y un blindaje, la longitud de estos cables como máximo es de 5 metros antes de necesitar un repetidor, el calibre del cable puede ser desde 20 a 16 AWG, la impedancia característica es de 90Ω. Las especificaciones del bus más usadas actualmente son dos versiones, la versión, USB 1.1 que soporta una tasa de transferencia de hasta 11Mbps, mientras que la versión USB 2.0, permite tener una tasa de transferencia de hasta 480Mbps, la más reciente y que está siendo implementada en los nuevos equipos de computo es la versión USB 3.0 que soporta hasta 4.8Gbps. Hasta antes de la versión 3.0, se clasificaban las velocidades como: Low speed: 1.5Mbps. Full speed: 12Mbps. High speed: 480Mbps. La máxima corriente que se le puede demandar a un puerto USB es de 5V. Los conectores estandarizados para el uso del bus universal, son variados, aunque los principales son: el conector estándar tipo A, estándar tipo B, mini A y mini B. Figura A1 Dimensiones de los conectores USB. Act.:mm 81

82 Anexo A. Comunicación por el bus universal serial Tabla A1 Configuración de terminales USB No. Terminal Nombre Color V Rojo 2 D- (Dato-) Blanco 3 D+ (Dato+) Verde 4 Negativo o Común Negro Las terminales D+ y D- corresponden a un par trenzado, para reducir el ruido. La transmisión se hace con la técnica de codificación NRZI, sin retorno a cero invertido, por sus siglas en ingles. Esta técnica trabaja de la siguiente manera, cuando el dato a transmitir es 0 se realiza un cambio de nivel lógico y cuando el dato es 1 no hay cambio de nivel lógico. Para ejemplificar se muestra la Figura A2. Figura A2 Ejemplo de codificación de dato en NRZI Esta técnica se aplica con el fin de detectar algún error en la transmisión y asegurar que el dato obtenido en el destino no es erróneo. 1A.3 COMUNICACIÓN HOST ENDPOINT 1A.3.1DEFINICIÓN DE TÉRMINOS COMUNES EN LA COMUNICACIÓN USB Host: Dispositivo, que se encarga de llevar el control en la comunicación. Endpoint: Dispositivo conectado al bus, y con direccion asignada según el protocolo USB. 82

83 Anexo A. Comunicación por el bus universal serial Pipe: Es la conexión lógica entre el host y el endpoint, a través de la cual fluye la comunicación entre los dispositivos. En otras palabras es la via que abre el host para enviar o exigir al endpoint el flujo de información. 1A.3.2 IDENTIFICACIÓN DE DISPOSITIVO En cada dispositivo terminal o endpoint hay una resistencia de 1.5KΩ conectada en pull-up a la terminal D+ o D- y a +3.3V. En el caso de low-speed está conectada a D- y en full-speed esta conectada a D+. Cuando no está conectado ningún dispositivo, el host ve a D+ y D- como nivel bajo, o como 0. Al conectar un dispositivo al bus, el host ve un nivel alto, o sea 1, en D+ o D- según sea el caso, gracias al resistor en pull-up. De esta manera sabe que hay un dispositivo conectado al bus. 1A.3.3 ASIGNACIÓN DE DIRECCIONES A LOS ENDPOINTS Como se ha mencionado con anterioridad en la comunicación USB, el host dicta las órdenes a los endpoints para que reciban o transmitan información. A cada dispositivo en el bus, le es asignada una dirección única, por la cual será llamado cada vez que el host pregunte por él. Cada vez qué el host transmite un paquete, lo hace para cada dispositivo conectado al bus. Todos los dispositivos reciben la información, pero solo uno de ellos, tiene acceso a la información, solo el dispositivo destinatario. De esta manera el dispositivo sabe que el paquete es para él. Cuando recién es conectado un nuevo dispositivo al host, este le asigna la dirección temporal 0, la dirección reservada, para que le sea asignada una dirección propia, el 83

84 Anexo A. Comunicación por el bus universal serial host interroga al dispositivo, este tiene que identificarse con el nombre de fabricante, tipo de dispositivo y la información propia del mismo. 1A.3.4 PAQUETES En USB la información es transmitida por el bus en paquetes. Estos paquetes están compuestos de la siguiente manera: 1. El paquete comienza con un patrón de sincronía que permite sincronizar el reloj para recibir o enviar la información. 2. El identificador de paquete, que permite distinguir entre los paquetes del token, de datos, y handshake. 3.Dirección del paquete. 4.Número del endpoint, para distinguir al dispositivo destinatario. 5. Verificador de errores, sirve para saber si durante la transmision hubo pérdidas o cambios de estado, en caso de haber error el remitente solicita el reenvío de ese paquete. 6. Al final de la información se envía una señal que indica el fin del paquete. Donde: Token: Es una bandera que puede distinguir entre la transmisión de host al dispositivo (de salida) o del dispositivo al host (de entrada). Datos o información: bandera que distingue el tipo de información que transmite. Handshake: bandera que notifica si el dispositivo destinatario aceptó el paquete o no. 84

85 Anexo A. Comunicación por el bus universal serial 1A.3.5 TIPO DE TRANSMISIÓN DE DATOS La información en USB puede ser transmitida en cuatro formas diferentes: bulk transfer, interrump transfer, isochronous transfer y control transfer. Bulk transfer, con este tipo de transmisión de datos se tiene la mayor capacidad de transferencia de información libre de errores. La cantidad de información que se puede mandar en bulk en cada transmision va desde los 8 hasta los 64 paquetes como full speed, y 512 paquetes como alta velocidad (high speed). Cada paquete es de 8 bytes. Cabe mencionar que en este tipo de transferencia no se puede reaizar intercambio de datos a baja velocidad. Interrrumpt transfer, es usada para la transferencia de pequeñas cantidades de información con un amplio ancho de banda, en donde la información es transmitida tan rápido como sea posible sin retrazo. Se utiliza en dispositivos que interactúan con el humano (son llamados también HID, dispositivo de interface humana por sus siglas en inglés) y deben de tener atención periódica, un ejemplo de este tipo de transmisión lo podemos encontrar en el mouse de la computadora. La cantidad de informacion que se puede mandar en Interrump en cada transmisión va desde 1 byte hasta 8 bytes en baja velocidad, desde 1 byte hasta 64 bytes en full speed, y en velocidad alta hasta 1024 bytes. Isochronous transfer, tiene la garantía de ancho de banda amplio, pero no se asegura que sea una transferencia de infomación libre de errores. Este tipo de transferencia es generalmete usada en aplicaciones, transferencia de audio y video comprimidos, donde la transferencia rápida de información es de vital importancia pero no así la pérdida o deformación de pequeñas proporciones de información. 85

86 Anexo A. Comunicación por el bus universal serial La cantidad de información que se puede mandar en Isochronous en cada transmisión pude ser de hasta 1023 bytes, para full speed o hasta 1024 bytes para high speed, no hay low speed para este tipo de transmisión. Control transfer, es una transmisión bidireccional como lo pueden ser las tres primeras, a diferencia que esta es normalmente utilizada para inicializar la configuración de un dispositivo mediante el host. La transferencia de control normalmente transmite los estados de setup, datos y estatus. Se utiliza para configurar el periférico al conectar la USB, aunque también se utiliza en algunos casos para controlar los propios dispositivos; siempre se utiliza en el punto terminal 0, todos los dispositivos USB lo soportan. La cantidad de información que se puede mandar en control transfer en cada transmisión pude ser de hasta 8 bytes en baja velocidad, de 8 a 64 bytes en full speed, y 64 bytes en alta velocidad. 1A.3.6 DESCRIPTORES Todos los dispositivos USB tienen jerarquía de descriptores que describe varias características propias de los dispositivos, tal como: Identificación (ID) del fabricante, la version de USB, el tipo de dispositivo, si es que requiere energizarlo, etc. Los descriptores más comunes son: Tipo de dispositivo. Configuración. Tipo de interface si es USB o emulador RS232-USB o sea CDC. Tipo de Transferencia. Descripción del endpoint. 86

87 Anexo A. Comunicación por el bus universal serial Es importante especificar el VID o número de identificación del fabricante, este número es propio del micro controlador o módulo sobre el que se desarrolle la interface, no puede ser modificado por el diseñador de la interface USB ya que existe un registro oficial. El PID o número de identificación del dispositivo, sí puede ser elegido a gusto del diseñador de la interface USB. Ambos datos están compuestos por cuatro números en hexadecimal. La importancía radica en que el programa que se utilice en la computadora para controlar el dispositivo también tendrá los mismos valores de VID y PID, así que se podrá establecer la comunicación sin problema y evitar que el programa controle un dispositivo ajeno. 1A.3.7 PROCESO DE ENUMERACIÓN Cuando un dispositivo es conectado al bus de la USB, a este dispositivo le asigna un número de endpoint gracias al proceso de enumeración que tiene los siguientes pasos. Cuando un dispositivo es conectado al bus, el host se entera gracias al nivel lógico en una de las lineas de D+ o D-. El host envía una señal de reset al dispositivo, para que este se posicione en un estado conocido. El dispositivo contesta al reset en la dirección 0, la dirección reservada. El host cuestiona al dispositivo ubicado en la dirección 0 acerca de su descriptor, con el orden Get Descriptor. El dispositivo responde enviando su descriptor. El host envía de nuevo un reset. El host le asigna una dirección única al dispositivo, y le envía la orden de Set Address, mientras que el dispositivo asume la dirrección. El host envía el comando Get Device Descriptor, el dispositivo contesta a esta petición con el descriptor completo, a diferencia de la primera petición del 87

88 Anexo A. Comunicación por el bus universal serial descriptor. El dispositivo devela el ID del fabricante, ID del dispositivo y la máxima capacidad de transferencia. El host envía el comando get configuration descriptors, el cual pide al dispositivo la configuración de potencia requerida y la cantidad de interfaces que soporta. El host puede pedir algun decriptor adicional al dispositivo. 88

89 Anexo B. Manual de usuario ANEXO B MANUAL DE USUARIO Sistema de adquisición de datos que permite realizar mediciones haciendo uso de una amplia gama de sensores y que además puede trabajar desde cualquier computadora mediante el puerto de comunicación USB. 89

90 Anexo B. Manual de usuario 1B CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA El sistema de adquisición de datos está formado por una tarjeta de adquisición y un programa de control. El sistema tiene las siguientes características: 8 Canales de entrada. Cuenta con alimentación para sensores 200mA. Comunicación USB 2.0. Es compatible con Windows XP, Windows Vista (32 bits), Windows 7 (32 bits). En el programa de control el usuario puede activar desde 1 hasta los 8 canales, si así lo desea el usuario puede continuar con la activación o desactivación de los canales aun cuando ya haya comenzado el muestreo. El usuario puede programar el tiempo de muestreo e interrumpirlo cuando desee. El usuario puede seleccionar el tipo de sensores a utilizar, se pueden utilizar hasta cuatro sensores diferentes al mismo tiempo. Además el usuario puede digitar factor de ajuste, para que la medida sea desplegada como valor de la medición (temperatura, presión, humedad, etc.) y no de voltaje. El usuario puede visualizar la medición por medio de la gráfica y del valor de la medición que aparece en la parte superior de la gráfica; cada canal es representado por un color diferente tanto en la gráfica como en el despliegue de valores. El programa de control tiene la función de Generar Archivo, que le permite al usuario, crear un archivo con los datos que obtuvo el sistema de Adquisición y que se muestran en el registro de muestras. El usuario puede cambiar el destino y el formato del archivo que desee generar. 90

91 Anexo B. Manual de usuario En la gráfica no se especifican las unidades de las mediciones, es importante que el usuario tome nota de las variables medidas en cada canal para su posterior relación en el archivo. El programa de control despliega el estado de la TAD donde se especifica si la TAD está o no conectada CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS EXACTITUD de 99.18%. RESOLUCIÓN de V. INTERVALO DE OPERACIÓN de 0 a 5V. ANCHO DE BANDA MEDIDO PARA: Señal Senoidal de 3 Hz. Señal Triangular de 1.5 Hz. Señal Cuadrada de 4 Hz. 4 CIFRAS SIGNIFICATIVAS después del punto. El sistema tiene un límite de 20,000,000 muestras para graficar, después de este límite el sistema solo continuará el despliegue de valor y con el registro para Generar el Archivo. 91

92 Anexo B. Manual de usuario 2B HARDWARE DEL SISTEMA El hardware del sistema de adquisición de datos está compuesto por la tarjeta de adquisición de datos o TAD, en esta se conectan los sensores y envía la información de la medida a la PC mediante comunicación USB. Cuenta con ocho canales de entrada analógica distribuidas en 9 borneras de tornillo que permite una rápida y firme interconexión de sensores y sistema de acondicionamiento de señal, esto se muestra en la figura B1 con los números 2 y Conector USB 2. Canales del 1 al Canales del 5 al Luz indicadora. 5. Reset. Figura B1 Partes de la TAD. 92

93 Anexo B. Manual de usuario 2B.1 DESCRIPCIÓN DETALLADA 2B.1.1 Conector USB La alimentación de la TAD la proporciona la PC mediante el conector USB tipo B hembra, y es de 500mA y debemos considerar que si el sensor y el acondicionamiento conectados a la tarjeta requieren de mayor corriente, será necesario conectar una fuente externa. 2B Canales de entrada En los canales de entrada se conectan los sensores o el circuito de acondicionamiento de señal. El intervalo de operación de cada canal es de 0 a 5V. El usuario debe de considerar este intervalo para el diseño del acondicionamiento según el sensor. Ver factor de ajuste en el capítulo 2 en este manual de usuario. 2B.1.4. Luz indicadora La luz indicadora permite saber el estado que guarda la tarjeta con la PC, aparecerá de color rojo cundo esté conectada a la PC pero no esté instalado el controlador de la TAD. El color verde indica que la TAD está lista para trabajar. 1B.1.5. Reset Representa el botón de reset, que permite restablecer la TAD. 3B. SOFTWARE DE CONTROL DEL SISTEMA El software de control es el programa que se instala en la computadora, mediante el cual se programa u ordena el comienzo y duración del muestreo, en este también se puede visualizar la medición, además de poseer otras funciones como el generar un archivo con las mediciones. 93

94 Anexo B. Manual de usuario 1. Selección de canales. 2. Selección de sensores y factor de ajuste. 3. Selección de tiempo de muestreo. 4. Barra indicadora de capacidad del canal Botones para Iniciar o parar el muestreo. 6. Lista del registro de muestreo. 7. Generar archivo. 8. Gráficas de mediciones. 9. Datos de la TAD. 10. Estado de la TAD. 11. Número de muestras. Figura B2 Estructura de la ventana del Programa de Control. 94

95 Anexo B. Manual de usuario 3B.1 DESCRIPCIÓN DETALLADA 3B.1.1 Selección de canales. En esta sección se seleccionan los canales que se desean activar, basta dar un clic en el recuadro que acompaña el nombre del canal; además está especificado el color propio del canal. Se pueden utilizar los canales en el orden que se deseen. 3B.1.2 Selección de sensores y factor de ajuste. La selección de sensores se divide en cuatro grupos, el primero canal 1 y 2, el segundo canal 3 y 4, el tercero canal 5 y 6 y el último canal 7 y 8. Esto quiere decir que se pueden conectar hasta cuatro tipos diferentes de sensores en la tarjeta y que cada grupo de canales comparten los factores de ajuste. La sección de selección de sensor y factor de ajuste, consta de dos casillas. La primera es tipo de sensor en donde se puede seleccionar qué tipo de sensores están conectados, hay dos opciones LM35, que significa que el sensor a utilizar es un LM35 y LIBRE, y significa que el usuario utilizará un sensor diferente al mencionado anteriormente. En el grupo canales 1 y 2 en automático esta seleccionado LM35 y en el resto aparece seleccionado en automático LIBRE. La segunda casilla se llama factor de ajuste, en esta se escribe el factor para que la tención que detecta la tarjeta sea interpretada como la medición que se despliega en la gráfica. 3B.1.3. Selección de tiempo de muestreo. En selección de tiempo de muestreo, como su nombre lo dice, se escribe cuanto se desea que dure el muestreo, puede estar dado el tiempo en horas, minutos o segundos. 95

96 Anexo B. Manual de usuario 3B.1.4. Barra indicadora de capacidad del canal 1. Es una barra de nivel acompañada de una cantidad dada en porcentaje, estas dos están referenciadas al canal 1 y sirven de apoyo para saber a qué nivel de su capacidad está trabajando la tarjeta, ideal para verificar el funcionamiento del acondicionamiento de señal. En automático el tiempo de muestreo es de 1 hora. 3B.1.5. Botones para Iniciar o parar el muestreo. El botón de iniciar, se presiona para dar comienzo al muestreo, si se desea finalizar antes de que concluya el tiempo de muestreo programado, solo se presiona el botón parar. 3B.1.6. Lista del registro de muestreo. En esta lista aparecen en tiempo real los datos de la adquisición y son de la siguiente manera: Nombre del canal- hora de medición- valor de la medición. 3B.1.7. Generar Archivo. Con esta función el usuario puede generar archivos de las mediciones adquiridas, en automático el sistema presenta la siguiente dirección: C:\Program Files\Datos de Medición de la TAD.xls El usuario puede modificar la dirección así como la extensión del archivo como lo desee. 3B.1.8. Gráficas de Mediciones. En esta área el usuario pude visualizar la grafica en tiempo real de la medición, además esta área cuenta con las funciones de acercamiento y alejamiento por secciones de la gráafica para un mejor detalle. En la parte superior de la grafica aparecen los valores de las mediciones con el nombre y el mismo color de las gráficas para la fácil identificación. 96

97 Anexo B. Manual de usuario 3B.1.9. Datos de la TAD. Aparece la información de identificación del sistema de adquisición de datos. 3B Estado de la TAD. En esta sección el programa de control muestra cuando está o no conectada la tarjeta. 3B Número de Muestras. En esta sección aparece en tiempo real el número de muestras que se están tomando, y al final del muestreo aparece cuantas muestras se tomaron. 4B INSTALACIÓN DEL SISTEMA 4B.1 INSTALACIÓN MANUAL DEL CONTROLADOR A continuación se presentan los pasos para instalar el sistema en la computadora con Sistema Operativo Windows 7 32 bits, también funciona para Windows XP y Windows Vista 32 bits o anteriores: 1. Conectar la TAD a la computadora mediante el cable USB A-B. 2. Ir a Inicio y dar clic derecho en Equipo, seleccionar Propiedades, después dar clic en Administrador de dispositivos, aparecerá una ventana con el mismo nombre donde se tiene que localizar TAD en el árbol Otros dispositivos, dar clic derecho en TAD después seleccionar Propiedades, tal como lo muestra la figura 3B. 97

98 Anexo B. Manual de usuario Figura B3 Ventana Administrador de dispositivos Figura B4 Ventana Propiedades de la TAD 3. Dar clic en Actualizar controlador, después seleccionar la opción Buscar software de controlador en el equipo. 98

99 Anexo B. Manual de usuario Figura B5 Ventana Actualizar software de controlador: TAD 4. Después dar clic en Examinar para seleccionar la dirección de la unidad de almacenamiento donde se tenga guardado el controlador, SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS y DRIVER como lo muestra la figura B6. Figura B6 Ruta del controlador 5. Una vez seleccionada la ruta dar clic en Aceptar, después dar clic en Siguiente de la ventana, posteriormente aparecerá una ventana en forma de advertencia, en donde se elige la opción Instalar este software de controlador de todas formas. 99

100 Anexo B. Manual de usuario Figura B7 Ventana de alerta Figura B8 Confirmación de instalación del controlador 6. Resta esperar a que se instale el controlador, finalmente aparecerá una ventana de confirmación de instalación del controlador como lo muestra la figura B8. Al momento que aparece la ventana de confirmación se enciende la luz verde de la Tarjeta, que indica que está lista para trabajar. 4B.2 INSTALACIÓN MANUAL DEL PROGRAMA DE CONTROL Para la instalación del programa de control basta copiar la carpeta Programa de control USB en la siguiente dirección: C:\Archivos de Programas, después abrir esta carpeta y dar clic derecho sobre TAD USB 1.0, finalmente arrastrar este al escritorio. seleccionar Crear acceso directo y 100

101 Anexo B. Manual de usuario Figura B9 Crear acceso directo del programa de control TAD USB 5B MODO DE OPERACIÓN Para realizar una medición con el Sistema de Adquisición de Datos se deben de seguir los siguientes pasos: 1. Conectar la TAD a la computadora con el Controlador y el Programa de control TAD USB previamente instalado. 2. Abrir el programa TAD USB desde el acceso directo del escritorio. 3. Maximizar la pantalla, para tener una mejor visualización. 4. Seleccionar el Canal donde se desea conectar el sensor. 101

102 Anexo B. Manual de usuario 5. Conectar el sensor a la tarjeta. Viendo la bornera de frente de lado izquierdo se conecta la entrada de señal, de lado derecho se conecta la referencia, para conectar una fuente externa de alimentación se puede conectar la referencia de esta a cualquier entrada de referencia de la tarjeta. Nota Importante: primero se conecta el sensor a la tarjeta y después se enciende o conecta la fuente de alimentación al toma corriente. Figura B10 Conexión del Sensor sensor. 6. En el programa de control seleccionar el (los) Canal(es) donde se conectó el Figura B11 Selección de Canal 7. Seleccionar el tipo de sensor a utilizar, para el caso de LM35 aparece en automático el factor de ajuste 100, que para este caso no se puede cambiar. 102

103 Anexo B. Manual de usuario Figura B12 Selección de Sensor LIBRE, quiere decir que el usuario determina que sensor desea utilizar, en automático aparece el factor de ajuste 1, que permite visualizar como medición el voltaje a la entrada. En este caso si se puede modificar el factor de ajuste, este puede ser entero, decimar, positivo o negativo, pero nunca cero. Figura B13 Selección de Factor de Ajuste El factor de ajuste, es el factor que elije el usuario para adaptar el voltaje a la entrada de la tarjeta como una medición a la hora de graficar. Este factor se obtiene caracterizando el sensor. Ejemplo: El factor de ajuste del sensor LM35 es de 100, debido a que el sensor entrega una tensión en centésimas, la tensión multiplicada por el factor de ajuste da como resultado una medición en enteros. Si la tensión que entrega el sensor es 0.22 el sistema multiplica este valor por 100 y da como resultado 22, valor que el usuario interpreta como grados Celsius. 8. Seleccionar el tiempo de muestreo, este paso consta de digitar un número entero y seleccionar la unidad de tiempo que se desee. 103

104 Anexo B. Manual de usuario Figura B14 Selección de Tiempo de muestreo 9. Energizar la fuente de alimentación. 10. Dar clic en inicio, para comenzar el muestreo. Figura B15 Muestreo en Proceso Durante el muestreo se visualiza en tiempo real la gráfica, el valor de medición que se encuentra en la parte superior de la gráfica, la barra indicadora que muestra el nivel de operación del canal 1 y el registro de muestras. Nota: La gráfica en su escala no muestra unidades en específico, es importante que el usuario tome nota del canal y la variable que está midiendo para que posteriormente referencie la medida con una unidad en específico. 11. Para detener el muestreo antes de que termine el tiempo programado, se da clic en el botón Parar. 104

105 Anexo B. Manual de usuario 12. Para generar el archivo de los datos muestreados, basta con editar la dirección y la extensión de almacenamiento si así se desea, y dar clic en el botón generar archivo. Figura B16 Botón para generar archivo Figura B17 Archivo generado con los datos del Muestreo 105