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

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1 Sistemas Embebidos 1º Cuatrimestre de 2015 Clase 6:, Conversión A/D y Prof: Sebastián Escarza Contenido Conversión Analógico-Digital g Acondicionamiento y filtrado de la señal Multiplexado de canales Muestro y mantenimiento de la señal: Sampling & Holding Comparadores analógicos Diversos tipos de sensores y características Dpto. de Ciencias e Ingeniería de la Computación Universidad Nacional del Sur Bahía Blanca, Buenos Aires, Argentina Dispositivos y E/S Anteriormente vimos: la utilización de dispositivos internos del microcontrolador (dispositivos que no implementan interfaces). la utilización de dispositivos mediante puertos/interfaces digitales. En esta clase abordaremos la integración de dispositivos analógicos en los sistemas embebidos. Conversión Analógico/Digital Prof: Sebastián Escarza 1

2 Cualquier variable a medir en el entorno, puede transformarse en una señal eléctrica mediante un transductor adecuado. Micrófonos de temperatura, humedad, presión, posición, etc. Antenas y receptores de señales La señal eléctrica debe digitalizarse para su procesamiento: Conversión Analógico/Digital. g El proceso completo se denomina adquisición de datos. por qué una señal digital? mayor tolerancia a la degradación (técnicas de detección y corrección de errores) mayor flexibilidad en su procesamiento (software) almacenamiento más adecuado La conversión A/D no es la única tarea a realizar para obtener una señal digital a partir de una analógica: la señal puede ser débil puede estar fuera de rango (voltaje) puede tener ruido etc. Sistema de adquisición de datos: Conversión A/D Frecuencia de muestreo (muestras por unidad de tiempo) Profundidad de bits del conversor (proceso de cuantización) Prof: Sebastián Escarza 2

3 Conversión A/D Rango de voltaje de entrada (ajustar señal para aprovecharlo al máximo) La cantidad de bits define la resolución de la conversión Conversión A/D Rango de voltaje de entrada (ajustar señal para aprovecharlo al máximo) La cantidad de bits define la resolución de la conversión... y el error en la cuantización de la señal. Conversión A/D Varios tipos: doble rampa aproximaciones sucesivas convertidor flash etc. Conversión A/D Velocidad de conversión: los ADC lentos suelen ser más precisos sólo pueden convertir señales de baja frecuencia (criterio de muestreo de Nyquist para evitar el aliasing). Interface digital: serial o paralela Voltaje de referencia: el ADC trabaja con un voltaje de referencia para determinar el valor digital asociado a una muestra analógica. a mayor estabilidad y precisión en este voltaje, más precisa resulta la conversión. Prof: Sebastián Escarza 3

4 Conversión A/D Conversor de rampa digital lento muy preciso Conversión A/D Conversor de rampa digital lento muy preciso Ej: voltímetros digitales Ej: voltímetros digitales Conversión A/D Conversor de rampa simple lento más preciso utiliza un integrador en lugar de un DAC para generar la rampa Conversión A/D Conversor de doble rampa lento más preciso también utiliza un integrador para generar la rampa dos fases: integración y desintegración de la señal Prof: Sebastián Escarza 4

5 Conversión A/D Conversor de doble rampa Ej: TC500/A/510/514 Menor influencia de las tolerancias de R y C (Vin y Vref pasan por el mismo integrador). Conversión A/D Aproximaciones sucesivas a.k.a. registro de aproximaciones sucesivas (SAR) velocidad media aproxima bit a bit el resultado Conversión A/D Aproximaciones sucesivas (SAR) velocidad media aproxima bit a bit el resultado Prof: Sebastián Escarza 5

6 Conversión A/D Conversor flash (directo) muy rápido menos preciso alto número de comparadores Conversión A/D Conversor flash (directo) muy rápido menos preciso alto número de comparadores Ej: señales de alta velocidad como video o radar Ej: señales de alta velocidad como video o radar Conversión A/D numerosa cantidad de técnicas de conversión y variantes: delta encoded sigma-delta de múltiples rampas pipelined / subranging etc. El ADC viene integrado al microcontrolador (exposición al ruido local, limita precisión en la conversión) o puede incorporarse al sistema mediante un ASIC del tipo requerido según la aplicación. Sistema de adquisición de datos: Prof: Sebastián Escarza 6

7 Acondicionamiento y filtrado de la señal Amplificar voltajes pequeños Ajustar el DC offset para lograr una señal acorde al rango de entrada del ADC. Sistema de adquisición de datos: Filtrar la señal para eliminar altas frecuencias y lograr una conversión adecuada teniendo en cuenta el criterio de Nyquist (muestrear al doble de la frecuencia más alta que se quiere preservar). Multiplexado de la señal construido en torno a switches basado en semiconductores. para abaratar costos y soportar múltiples canales (único ADC y dispositivo sample & hold). Sistema de adquisición de datos: El multiplexor puede integrarse en un único dispositivo con el Sample & Hold. Prof: Sebastián Escarza 7

8 Muestreo, retención de la señal y tiempo de adquisición: muchos ADC no son capaces de convertir señales variables con precisión. la etapa de sample & hold permite alimentar al ADC con una señal estable en el tiempo: Muestreo, retención de la señal y tiempo de adquisición: Lleva tiempo alcanzar un nivel de señal cercano a la entrada (carga del capacitor). Dicho tiempo se calcula en función de la aplicación. El error introducido debe ser menor al equivalente a medio LSB. Sistema de adquisición de datos: Ej: ADC PIC16F87XA (aprox. sucesivas) Prof: Sebastián Escarza 8

9 Ej: ADC ATmega328P (aprox. sucesivas) Adquisición de datos: tareas típicas del software 2 tiempos críticos: tiempo de adquisición (sample & hold) tiempo de conversión (según el tipo de ADC). Balance entre velocidad y precisión. Es posible: Acelerar la conversión: Si no se piensan utilizar todos los bits en la salida, es posible utilizar el clock normal durante un período en el cual se definen los bits más significativos del contador (tanto por aprox. sucesivas como usando rampas digitales o analógicas) y luego de eso, pasar a un clock de mayor frecuencia que apure el proceso a costa de sacrificar el valor obtenido para los bits menos significativos. Bajar el tiempo de adquisición: Cargando menos tiempo el capacitor, se obtendrá la conversión de una señal de un nivel ligeramente menor al de entrada. Adquisición de datos: estructura del SW Prof: Sebastián Escarza 9

10 Una vez digitalizado, hay que procesar el dato adquirido. Este procesamiento puede involucrar: operaciones aritméticas normalizaciones y escalados interpolaciones aproximaciones almacenamiento en memoria transmisión a otros dispositivos etc. En el caso de conversiones repetidas, hay que tomar en cuenta: el tiempo de adquisición el tiempo de conversión el hecho de que los ADC toman tiempo para volver a estar en condiciones de convertir los delays que puede introducir el hardware los tiempos requeridos por el software para procesar un dato antes de pasar al siguiente i Estos factores limitan la tasa de muestreo de la señal (recordar que hay que muestrear al doble de la frecuencia más alta que se quiere conservar Nyquist). Ejemplo: Sensor de temperatura Comparador analógico Funciona como un ADC de 1 bit. Compara un voltaje de entrada con un voltaje de referencia. limpiar señales espurias (similar a un Schmitt trigger pero con un único umbral). testear el voltaje de una batería, la temperatura de un termostato, etc. Prof: Sebastián Escarza 10

11 Sistema de adquisición de datos: Existe una gran cantidad de transductores de entrada (sensores). Al momento de utilizarlos hay que conocer sus características técnicas, el tipo de señal que generan y las particularidades propias p de cada uno. Veremos los principales tipos de sensores existentes... Analógicos Son más simples. Emiten una variable eléctrica continua que hay que convertir para poder procesarla. Digitales: Suelen ser más precisos. Integran una lógica de control y conversión A/D. Simplifican la conexión al sistema. Interfaces paralelas o seriales (sincrónica o asincrónica). Prof: Sebastián Escarza 11

12 Sensor binario: Devuelve 0 o 1. Ej: táctiles. Microswitches. Son inherentemente digitales (no requieren ADC). Microswitchs/bumpers: Esencialmente es una llave. Permite sensar colisiones y opera ante el contacto físico. Es un sensor de posición rudimentario. Fotorresistores (LDR): Construidos con un material semiconductor expuesto. Ante la luz, mejora la conductividad. Ante ausencia de luz, incrementa su resistividad. ópticos (reflexivos): Para sensar objetos y superficies. Transmisor + receptor. Distancias muy cortas (unos pocos milímetros) Prof: Sebastián Escarza 12

13 infrarojos: Son reflexivos pero no se mide el tiempo de retorno de la señal (los fotones son más rápidos). Transmisor + arreglo de receptores. En función de la distancia, cambia la posición en la que se recibe la luz. Señal no lineal en función de la distancia. Hay versiones binarias más simples (hay obstáculo o no). Shaft encoders: Suelen implementarse como feedback en control de motores. Magnéticos u ópticos. Digitales o analógicos. Incremental vs absoluto (posición absoluta y sentido de giro) Shaft encoders (con sensores ópticos) Para estimar velocidades angulares en base a medición de frecuencias. A partir de la velocidad de giro es posible estimar: velocidades distancias posiciones etc. ultrasónicos Utilizados para mediciones simples de objetos a distancia hasta la obtención de diagnóstico por imágenes en medicina. Principio reflexivo: transmisor y receptor. Se envía una ráfaga ultrasónica y se mide el eco. Prof: Sebastián Escarza 13

14 ultrasónicos Limitaciones: reflexiones/deflexiones interferencias (varios sonares operando a la vez): se resuelve enviando códigos en lugar de ráfagas fijas de ultrasonido Cámaras digitales Complejas de manejar: se aplican técnicas de procesamiento de imágenes y visión por computadora. Resolución y frames por segundo (fps): condicionan la cantidad de datos a recibir y procesar. CCD y CMOS. Típicamente interfaces paralelas. Soporte en software para manejar este tipo de dispositivos. Cámaras digitales Mecanismos de buffering y buses de alta velocidad. Cámaras digitales El formato de los datos de cada frame puede variar. Grayscale vs color. Patrones de muestreo y almacenamiento. Demosaicing (promediado p/reconstrucción). Prof: Sebastián Escarza 14

15 Referencias Otros sensores: Brújulas (sensores de orientación) Receptores de GPS Giroscopios Acelerómetros Salida analógica o PWM Inclinómetros de presión, humedad, temperatura, magnetismo (efecto hall), sonido, fuerza, etc. En todos los caso hay que conocer el principio de funcionamiento (para analizar su aplicabilidad al sistema que se está diseñando y sus contras). el tipo de señal que generan. Atmel AVR ATmega328P Datasheet. Bräunl, T. Embedded Robotics: Mobile Robot Design and Applications with Embedded Systems 3rd Edition. Springer ISBN: Capítulo 3. Ganssle, J. Embedded System - World Class Designs. Newnes ISBN: Capítulo 11. Wilmshurst, T. Designing Embedded Systems with PIC Microcontrollers: Principles and Applications. Newnes ISBN: Capítulos 8 y 11. Prof: Sebastián Escarza 15

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