INSTRUMENTACIÓN AVANZADA Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de Mar del Plata

Transcripción

1 Ing. Guillermo Murcia Ing. Jorge Luis Strack

2 Guía 3 INSTRUMENTACIÓN AVANZADA Problema a resolver El objetivo es aprender a comandar una placa ARDUINO desde LabVIEW. En esta primera clase introductoria se propone realizar un semáforo de 1 tiempo controlado y monitoreado desde la PC. Se eligió el mismo por tratarse de un ejercicio que reúne numerosos comandos, estructuras y funciones. 2

3 Desarrollo de una solución con ARDUINO La cátedra suministrará a los alumnos placas ARDUINO UNO, MEGA 2560 e Intel Galileo, con placas de expansión (SHIELDS) que cuentan con 4 pulsadores, 4 leds, 1 potenciómetro y peines de conexión para acceder a sus pines. ARDUINO UNO R3 ARDUINO MEGA 2560 INTEL GALILEO GEN 1 3

4 Placa ARDUINO UNO: INSTRUMENTACIÓN AVANZADA COMUNICACIÓN I2C V REF. AN. GND COMUNICACIÓN ICSP 14 ENTRADAS ó SALIDAS DIGITALES 0-13 COMUNICACIÓN SERIE (RX TX) CONECTOR USB TIPO B HEMBRA BOTÓN DE RESET LED PIN 13 LED DE ENCENDIDO PROGRAMACIÓN ICSP JACK DE ALIMENTACIÓN EXTERNA (7 a 12V) PIN RESERV. V REF. I/O RESET 5V (300 ma máx.) 3.3V (50 ma máx.) GND Vin +7-12V 6 ENTRADAS ANALÓGICAS A0-A5 MICROCONTROLADOR ATMEGA 328 4

5 Placa ARDUINO MEGA 2560: CONECTOR USB TIPO B HEMBRA LED PIN 13 INSTRUMENTACIÓN AVANZADA COMUNICACIÓN I2C V REF. AN. GND 55 ENTRADAS ó SALIDAS DIGITALES 0-54 COMUNICACIÓN ICSP 4 PUERTOS DE COMUNICACIÓN SERIE (RX TX) LED DE ENCENDIDO BOTÓN DE RESET JACK DE ALIMENTACIÓN EXTERNA (7 a 12V) PROGRAMACIÓN ICSP ALIMENTACIÓN 16 ENTRADAS ANALÓGICAS A0-A15 MICROCONTROLADOR ATMEGA

6 Placa de expansión: 12 PINES DIGITALES I/O (P2-P13) POTENCIÓMETRO DE LA ENTRADA ANALÓGICA A0 Configuración de los pines digitales: INSTRUMENTACIÓN AVANZADA P13 D3 D7 A0 P2 D0 D4 A5 LEDs DE LAS 4 SALIDAS DIGITALES (D0, D1, D2, D3) BOTONES DE LAS 4 ENTRADAS DIGITALES (D4, D5, D6, D7) 6 ENTRADAS ANALÓGICAS (A0 A5) PINES P0 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 SETEO - - D4 D5 D0 D1 D6 D2 D7 D FUNCIÓN RX TX Comun. con la PC In Int. Ext. In Int. Ext Out Out pwm In Out In Out pwm Comunicación con Shields 6

7 Características de memoria: La placa cuenta con tres tipos de memoria: FLASH: en ella se almacenan los programas conocidos como sketchs. SRAM: (Memoria Estática de Acceso Aleatorio), allí se crean y manipulan variables durante la ejecución del sketch. EEPROM: memoria en la que se pueden almacenar datos a largo plazo. Las memorias Flash y EEPROM son no volátiles, es decir, la información no se pierde o volatiliza con la falta de energía. Por el contrario, la memoria SRAM es volátil, es decir, sus datos se borran al desenergizar la placa. Las placas ARDUINO UNO y MEGA 2560 tienen las siguientes capacidades de memoria: Memoria ARDUINO UNO ARDUINO MEGA 2560 FLASH 32K bytes 256 K bytes SRAM 2K bytes 8K bytes EEPROM 1K byte 4K bytes Para requerimientos mayores de memoria, por ejemplo, para guardar registros de mediciones, existen SHIELDs o Tarjetas de Expansión que permiten conectar memorias SD y micro SD a la placa Arduino y, leer y escribir datos en ellas a través de librerías existentes en el Entorno de programación de Arduino. 7

8 Conexionado de entradas y salidas Entrada digital por interruptor o pulsador - Conexión pullup - Conexión pulldown - Entrada analógica por potenciómetro Manual de Arduino. Programación y conceptos básicos. Raul Diosdado MakerZona. 8

9 Conexionado de entradas y salidas Salidas digitales - Salida de baja corriente (< 40 ma - Salida de potencia a través de mosfet o por pin y < 200 ma en conjunto) transistor (salida de estado solido) - Salida de potencia a través de relé (salida con contacto móvil) Manual de Arduino. Programación y conceptos básicos. Raul Diosdado MakerZona. 9

10 Construir dos programas que permitan ESCRIBIR las SALIDAS DIGITALES D0 a D3 desde la PC que sean compatibles con el programa realizado en el PIC la clase anterior. Programa en PC Tendríamos que Programa en ARDUINO Que escriba el carácter A en el puerto COM que actúe de instrucción para ARDUINO. Seguida a esa instrucción se podría enviar al COM virtual otros cuatro caracteres que sean 1 o 0 según se quiera encender o apagar las salidas D0 a D3 del ARDUINO. Que lea un caracter en el buffer de recepción COM virtual Es la instrucción? SI NO Que lea los cuatro caracteres 1 o 0 Que escriba los 1 o 0 en D0 a D3 10

11 Luego Estos programas también deberían permitir LEER las ENTRADAS DIGITALES D4 a D7 desde la PC. Programa en PC Que escriba el carácter B en el puerto COM que actúe de instrucción para ARDUINO. Que lea los 1 o 0 recibidos para conocer el estado de las entradas digitales. Programa en ARDUINO Que lea un caracter en el buffer de recepción COM virtual Es la instrucción? Que lea las cuatro entradas digitales Que envíe a la PC los 1 o 0 correspondientes a D4, D5, D6 y D7. SI NO 11

12 Por último Los programas también deberían permitir LEER las ENTRADAS ANALÓGICAS A0 a A5 desde la PC. Programa en PC Que escriba el carácter C en el puerto COM que actúe de instrucción para ARDUINO. A continuación debería escribir el nº de entrada o canal analógico a consultar. Que lea un nº de 10 bits enviado en 2 bytes para conocer el valor de la entrada analógica. Programa en ARDUINO Que lea un caracter en el buffer de recepción COM virtual Es la instrucción? Que lea el nº de canal y adquiera el valor del mismo a través del ADC. SI Que envíe a la PC el valor medido. NO 12

13 Veamos como se programa un microcontrolador de la familia ARDUINO Generar un programa en un lenguaje conocido Crear un código de máquina Cargar el código en la placa ARDUINO Existen varios programas para generar el código. Miniblock, Ardublok, Amici, Mind+, Modkit, VirtualBreadBoard, VBB Jarvis, Eclipse, IDE ARDUINO, etc. Una vez creado el programa (proyecto) en lenguaje conocido se genera un archivo que contiene el proyecto en código de máquina (*****.hex). Una vez creado el archivo.hex se lo graba en el microcontrolador a través de un cable USB gracias al bootloader que ya viene grabado en el microcontrolador de fábrica. 13

14 Veamos como se programa un microcontrolador de la familia ARDUINO Generar un programa en un lenguaje conocido Para estas dos tareas usaremos el propio IDE (Entorno de Desarrollo Integrado) de ARDUINO. El IDE es portable, totalmente libre, y su última versión r2 descargada de la web se encuentra en la carpeta ARDUINO del DVD de la Asignatura. Crear un código de máquina Cargar el código en la placa ARDUINO Guardamos la carpeta en la raíz del disco local y creamos un acceso directo del archivo ejecutable arduino.exe. 14

15 Paso 1 para resolver el ejercicio propuesto: instalamos el driver ARDUINO Los desarrolladores de ARDUINO ya desarrollaron un driver para cada modelo,en nuestro caso UNO y MEGA 2560, que tienen cargado un BootLoader para que puedan ser conectados al puerto USB y sean reconocidos como un nuevo dispositivo a través de un puerto COM virtual. De esta forma podemos enviar o recibir caracteres a ese puerto y así comunicarnos con la placa. Por lo tanto, al igual que con el PIC: Programaremos la placa ARDUINO. Enviaremos y recibiremos caracteres como si fuera una impresora, mouse, instrumento, etc. Permitiendo comandar la placa a través de programas como LabVIEW, Matlab, Python, Visual Basic, etc. 15

16 Paso 1 para resolver el ejercicio propuesto: instalamos el driver ARDUINO Los drivers de todos los modelos están en la carpeta ARDUINO del DVD de la Asignatura: 16

17 Paso 1 para resolver el ejercicio propuesto: instalamos el driver ARDUINO Conectamos nuestra placa ARDUINO didáctica. Debería aparecer la siguiente pantalla. Luego de unos minutos Windows debería haber encontrado e instalado los drivers en forma automática. 17

18 Podemos comprobar si la instalación fue exitosa yendo a Panel de control y localizando la pestaña Administrador de dispositivos. Allí podemos detectar el número de puerto COM virtual asignado por el sistema. INSTRUMENTACIÓN AVANZADA Paso 1 para resolver el ejercicio propuesto: instalamos el driver ARDUINO 18

19 Paso 1 para resolver el ejercicio propuesto: instalamos el driver ARDUINO 19

20 Paso 1 para resolver el ejercicio propuesto: instalamos el driver ARDUINO Si Windows no pudo instalar los drivers en forma automática, se debe ingresar en forma manual la ruta de la carpeta en la que se encuentran los mismos yendo a Panel de Control Administrador de dispositivos Puertos (COM y LPT) seleccionar el puerto y hacer click derecho Propiedades Controlador Actualizar controlador 20

21 Cómo funciona el conjunto Bootloader + driver en nuestro ARDUINO? Cuando conectas la Placa Arduino didáctica al puerto USB se energiza el microcontrolador Cuando se energiza el microcontrolador desde la PC o desde el jack de alimentación externa se ejecuta el programa que le hayamos cargado Si queremos modificar el programa, vamos al IDE, programamos, compilamos y cargamos el mismo desde el puerto USB. La operación del bootloader ya está automatizada en el IDE. 21

22 Paso 2 para resolver el ejercicio propuesto: abrimos el IDE Aquí editaremos, compilaremos y cargaremos en la placa el programa brindado por la cátedra. 22

23 Paso 2 para resolver el ejercicio propuesto: abrimos el IDE Una vez conectada la placa a la PC, en primer lugar creamos un archivo nuevo y configuramos el modelo de placa (UNO o MEGA 2560) y seleccionamos el correspondiente puerto COM. 23

24 Paso 2 para resolver el ejercicio propuesto: abrimos el IDE Editamos el programa copiando el código provisto en la Guía de Ejercicios nº 3, lo compilamos presionando Ctrl + R. Si la compilación fue exitosa, lo cargamos presionando Ctrl + U. Nuestra placa ya está lista y el programa se está ejecutando esperando a que le enviemos comandos desde LabVIEW. 24

25 Paso 3 para resolver el ejercicio propuesto: probamos los comandos desde un gestionador de comunicaciones por el puerto serie. Instalamos el programa Docklight, configuramos el puerto COM y editamos los comandos que enviaremos a ARDUINO a fin de probar el programa cargado en el mismo y entender mejor el flujo de datos desde y hacia la PC. 25

26 Paso 4 para resolver el ejercicio propuesto: instalamos el NI-VISA (sólo en el caso de no haberlo instalado la clase anterior) VISA (Virtual Instrument Software Architecture) es una librería desarrollada por varios fabricantes de equipos que proporciona un estándar para las operaciones de lectura-escritura en instrumentación. NI-VISA es la implementación de National Instrument de este estándar, y a través de él LabVIEW puede establecer comunicaciones con dispositivos GPIB, serie o Ethernet. 26

27 Paso 4 para resolver el ejercicio propuesto: instalamos el NI-VISA NI-VISA está en la carpeta donde se encuentra LabVIEW2011 del DVD de la Asignatura También lo instalamos si es que ya no lo hicimos 27

28 Paso 4 para resolver el ejercicio propuesto: instalamos el NI-VISA Si bien hay muchos VIs dedicados a VISA utilizaremos en general los siguientes: Configure Serial Port Write Read Bytes at port Clear y Close 28

29 Paso 4 para resolver el ejercicio propuesto: instalamos el NI-VISA No es estrictamente necesario su uso para un COM virtual Escribe caracteres en el puerto COM especificado en VISA resource name 29

30 Paso 4 para resolver el ejercicio propuesto: instalamos el NI-VISA Lee caracteres en el puerto COM especificado en VISA resource name Limpia los buffers de entrada y salida del dispositivo conectado al puerto COM especificado en VISA resource name 30

31 Paso 4 para resolver el ejercicio propuesto: instalamos el NI-VISA Cierra el puerto COM especificado en VISA resource name 31

32 Paso 5 para resolver el ejercicio propuesto: programamos la PC Una vez que lleguemos al ejercicio 3.4 el programa en la PC realizado en LabVIEW tendrá que: 1. Abrir una comunicación al puerto COM. 2. Enviar el caracter A que actúa como instrucción para entrar en la rutina de escribir salidas digitales según el código programado en ARDUINO. 3. Enviar cuatro caracteres que sean 0 o 1 para encender o apagar los LEDs respectivos. 4. Enviar el carácter B que actúa como instrucción para entrar en la rutina de leer las entradas digitales según el código programado en ARDUINO. 5. Leer el estado de activación de las entradas (los 4 bits menos significativos). 6. Enviar el carácter C que actúa como instrucción para entrar en la rutina de leer una entrada analógica y enviar el carácter 0 para ordenar el nº de canal conectado al potenciómetro. 7. Leer el valor de 10 bits entregado por el ADC que llega en 2 bytes. 8. Limpiar los buffers de entrada y salida. 9. Cerrar la comunicación al puerto COM abierto en 1. 32

33 Guía de Ejercicios N 3 33