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

Transcripción

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2 Muestreo de señales analógicas Principal requerimiento que surge al muestrear una señal continua: Definir el periodo de muestreo con suficiente exactitud. Ajustar el mismo a un valor adecuado de acuerdo al tipo de señal que se desea adquirir. 2

3 Teorema del muestreo Se puede reconstruir una señal analógica a partir de sus valores instantáneos equiespaciados (muestras). A partir de estos valores existen señales que pasan por esos puntos, pero si la señal original es de banda limitada y las muestras son tomadas con un periodo suficiente, entonces hay una única señal que se puede extrapolar de esas muestras (se determina unívocamente). Teorema del Nyquist Si una señal de banda limitada es muestreada a una frecuencia de por lo menos el doble de su máxima componente, ENTONCES es posible recuperarla unívocamente (a partir de sus puntos muestra) con un filtro pasabajos ideal. 3

4 Muestreo de señales analógicas El microcontrolador debería entonces adquirir un dato cada un delta de tiempo determinado. Cómo se hace esto en forma confiable? Con interrupciones: Las interrupciones son recursos o mecanismos del microcontrolador para responder a eventos, permitiendo suspender temporalmente el programa principal, para ejecutar una subrutina de servicio de interrupción (ISR por sus siglas en inglés Interrupt Service Routine); una vez terminada dicha subrutina, se reanuda la ejecución del programa principal. 4

5 Gestión de Interrupciones en un microcontrolador INICIO INICIO DE INTERRUPCIÓN CONFIGURACIÓN DE INTERRUPCIONES CICLO CONTINUO (EJECUCIÓN DEL PROGRAMA PRINCIPAL) ENTRADAS PROCESOS SALIDAS FIN DE INTERRUPCIÓN 5

6 Tipos de Interrupciones Interrupciones por software Tanto los PICs como los Atmega disponen de interrupciones por tiempo que podemos aprovechar para generar intervalos (dt) de una manera precisa. Cada vez que se dispare una interrupción tomaremos una muestra. Interrupción Interrupción 6

7 Interrupciones en Arduino Generación de dt para producir Interrupciones por software Tipos de Timers En los chips AVR Atmega 328 (Arduino UNO) se dispone de 3 timers, mientras que en los Atmega 2560 (Arduino MEGA) se cuenta con 6 timers. Timer 0: contador de 8 bits (contará como máximo hasta 255). Se utiliza en las funciones delay() y millis(). Timer 1: contador de 16 bits (contará como máximo hasta 65535). Es utilizado por la librería servo. Timer 2: contador de 8 bits. Similar al Timer 0. Es utilizado por la función tono. Timer 3, 4 y 5: son tres contadores de 16 bits similares al Timer 1, disponibles en la Arduino MEGA. 7

8 Interrupciones en Arduino Generación de dt para producir Interrupciones por software CLK 1/P > CLK Clock (del cristal) Prescaler N = N RESET? > ISR Timer (Contador operando en modo comparador) Disparo de interrupción (Interrupt Service Routine) Cuando el contador (Timer) operando en modo comparador, que cuenta a un ritmo de CLK/P llega al valor de N RESET, llama a la rutina de servicio de interrupción (ISR) asociada a dicho Timer. 8

9 Interrupciones en Arduino Generación de dt para producir Interrupciones por software Configuraremos el Timer 1 de la Arduino UNO ó MEGA 2560 para que cuente pulsos de una señal de clock cuya frecuencia se fija previamente. Ejemplo: La placa opera con un oscilador de 16MHz. Existe un divisor de frecuencia configurable por el usuario denominado prescaler que puede tomar los valores 1, 8, 64, 256 ó Por lo tanto la frecuencia de la señal de clock aplicada al Timer 1 será: F clock = 16MHz Prescaler 9

10 Interrupciones en Arduino Generación de dt para producir Interrupciones por software Por lo tanto dependiendo del valor dado al prescaler, se tendrá: F clock = 16MHz Prescaler Prescaler Período de la señal de clock Cantidad máxima de pulsos que puede contar por ejemplo el Timer 1 Tiempo máximo transcurrido 1 0,0625 us , ms 8 0,5 us ,7675 ms 64 4 us ,14 ms us ,04856 s us ,

11 Interrupciones en Arduino Generación de dt para producir Interrupciones por software Configuración del Timer 1 para adquisición de señales analógicas Debemos modificar los siguientes registros en memoria: TCCR1B (Timer Counter Control Register) Permite configurar el prescaler. TIMSK (Timer/counter Interrupt Mask Register) Permite configurar al Timer 1 en modo comparador. OCR1A (Output Compare Register) Permite configurar el valor de conteo (N RESET) para el cuál se disparará la interrupción. 11

12 Interrupciones en Arduino Configuración del Timer 1 para adquisición de señales analógicas 12

13 Interrupciones en Arduino Configuración del Timer 1 para adquisición de señales analógicas f clk = 16 MHz (frecuencia de clock proveniente del cristal) f conteo = f clk prescaler (frecuencia de clock del contador) T conteo = 1 f conteo (tiempo entre cada conteo) T s, f s = 1 T s (periodo o frecuencia de muestreo deseados) N max = Ts Tconteo 1 = f conteo f s 1 (valor máximo de reset del contador) 13

14 Muestreo de señales analógicas Alternativas para la transferencia de datos entre la placa y la PC Mientras la adquisición está en curso: es la alternativa que estuvimos analizando aprovecha el dt (una pausa) entre muestra y muestra para enviar los datos a la PC la tasa de muestreo dependerá además de la velocidad del conversor A/D, de la velocidad de la comunicación. Una vez finalizada la adquisición: es una alternativa que implica guardar los datos en la memoria de la placa para luego enviarlos a la PC la tasa de muestreo dependerá de la velocidad del conversor A/D pero la cantidad de datos a tomar de la memoria de la placa. 14

15 Frecuencia de Muestreo: Caso Arduino Tiempo de conversión del ADC muestreando un solo canal f clk = 100 khz T clk = s ciclo t conv 14 ciclos s ciclo = 1, s f s máx 7,1kHz 15

16 Frecuencia de Muestreo: Caso Arduino Tiempo de conversión del ADC muestreando un solo canal Esta frecuencia es por defecto, pero a través de un prescaler se puede duplicar trabajando a una resolución de 10 bits o superar aun más para resoluciones menores de operación. f clk = 100 khz T clk = s ciclo t conv 14 ciclos s ciclo = 1, s f s máx 7,1kHz 16

17 Tiempo para el envío de las muestras: Caso Arduino Tiempo de envío de datos Por cada canal muestreado, se envían 2 bytes en cada interrupción a una velocidad de baudios: t envio = 2 bytes canal bits s bits byte 1, s canal f s máx 5,7kHz 17

18 Aspectos a tener en cuenta para medir una señal alterna con la placa PIC o Arduino Limitaciones A TENER EN CUENTA 1. El rango de conversor A/D del PIC 18F2550 es: 0 V 5 V (tensión de alimentación) pero en nuestro caso, como hay unos diodos de protección la tensión de alimentación no es 5V sino unos 4,2V) 0V = 0 en el conversor 4,2V=1023 en el conversor 2. El rango de conversor A/D del Arduino es: 0 V 5 V (tensión de alimentación) 0V = 0 en el conversor 5V=1023 en el conversor 18

19 Aspectos a tener en cuenta para medir una alterna con la placa PIC o Arduino Limitaciones A TENER EN CUENTA 3. El PIC o el Arduino no pueden medir tensiones negativas. Debemos acondicionar la señal a medir para eliminar los valores negativos Circuito básico propuesto para superponer una continua de valor Vcc/2 a Vx: Vx Tensión en PIC

20 Guía de Ejercicios N 8 20

21 CÓDIGO ARDUINO 21

22 //DECLARACIONES // SALIDAS DIGITALES: const int D0=4; const int D1=5; const int D2=7; const int D3=9; // ENTRADAS DIGITALES: const int D4=2; const int D5=3; const int D6=6; const int D7=8; // ENTRADAS ANALÓGICAS: const int AN0=0; const int AN1=1; const int AN2=2; const int AN3=3; // VARIABLES char caracterentrada; int entradadigital, b0, b1, b2, b3, dato; byte vector1[2], vector2[10]; String canal; boolean estado; int contador; int dato1, dato2, dato3, dato4; 22

23 void setup() { //SETUP INSTRUMENTACIÓN AVANZADA // DECLARACIÓN DE SALIDAS DIGITALES: pinmode(d0, OUTPUT); pinmode(d1, OUTPUT); pinmode(d2, OUTPUT); pinmode(d3, OUTPUT); // DECLARACIÓN DE ENTRADAS DIGITALES: pinmode(d4, INPUT); pinmode(d5, INPUT); pinmode(d6, INPUT); pinmode(d7, INPUT); // CONFIGURACIÓN DEL PUERTO SERIE Serial.begin(115200); // INICIALIZACIÓN DE SALIDAS (se ponen en 0) digitalwrite(d0,0); digitalwrite(d1,0); digitalwrite(d2,0); digitalwrite(d3,0); // INICIALIZACIÓN DE CONTADOR contador = 0; estado = false; }// FIN DEL SETUP 23

24 void loop() {//CICLO PRINCIPAL if (Serial.available()) { // si llegó uno o más caracteres desde la PC caracterentrada = Serial.read(); // toma un nuevo byte // ATENCIÓN AL COMANDO 'A' (ESCRITURA DE SALIDAS DIGITALES) if (caracterentrada == 'A') { delay(5); caracterentrada = Serial.read(); // toma un nuevo byte digitalwrite(d0,caracterentrada); // escribe la salida digital D0 delay(5); caracterentrada = Serial.read(); digitalwrite(d1,caracterentrada); delay(5); caracterentrada = Serial.read(); digitalwrite(d2,caracterentrada); delay(5); caracterentrada = Serial.read(); digitalwrite(d3,caracterentrada); 24 }// FIN DE ATENCIÓN AL COMANDO 'A'

25 // ATENCIÓN AL COMANDO 'B' (LECTURA DE ENTRADAS DIGITALES) if (caracterentrada == 'B') { b0 = digitalread(d4); // lee la entrada D4 b1 = digitalread(d5); b2 = digitalread(d6); b3 = digitalread(d7); entradadigital = 1 * b0 + 2 * b1 + 4 * b2 + 8 * b3; Serial.write(lowByte(byte(entradaDigital))); // envía el estado de las // entradas en los 4 bits // menos significativos } // FIN DE ATENCIÓN AL COMANDO 'B' 25

26 // ATENCIÓN AL COMANDO 'C' (LECTURA DE UNA ENTRADA ANALÓGICA) if (caracterentrada == 'C') { delay(5); caracterentrada = Serial.read(); // toma un nuevo byte canal = caracterentrada + ""; // convierte el caracter en string dato = analogread(canal.toint()); // lee el canal analógico solicitado vector1[0] = lowbyte(word(dato)); // genera el primer byte vector1[1] = highbyte(word(dato)); // genera el segundo byte Serial.write(vector1,2); // envía los dos bytes en binario }// FIN DE ATENCIÓN AL COMANDO 'C' 26

27 // ATENCIÓN AL COMANDO 'I' (IDENTIFICACIÓN DE LA PLACA) if (caracterentrada == 'I') { Serial.write("ARDUINO MEGA 2560 R3"); }// FIN DE ATENCIÓN AL COMANDO 'I' 27

28 // ATENCIÓN AL COMANDO 'D' (LECTURA DE 4 CANALES ANALÓGICOS // 500 muestras por canal a una tasa de 2500 muestras/seg en cada canal) if (caracterentrada == 'D') { contador = 0; configurainterrupcion1(1,0,0,7999); }// FIN DE ATENCIÓN AL COMANDO 'D }// fin del if principal }// fin del loop 28

29 // FUNCIÓN configurainterrupcion1() void configurainterrupcion1(boolean b0, boolean b1, boolean b2, int dn) { cli(); // Deshabilita las interrupciones globales para configurar los registros // del Timer 1 TCCR1A = 0; // Se vacía el registro TCCR1B = 0; // Se vacía el registro OCR1A = dn; // Registro que se comparará constantemente con el timer TCCR1B = (1 << WGM12); // Se configura un preescalador: TCCR1B = (b0 << CS10); // Se pone a b0 el bit CS10 (Clock Select bit 10) TCCR1B = (b1 << CS11); // Se pone a b1 el bit CS11 (Clock Select bit 11) TCCR1B = (b2 << CS12); // Se pone a b2 el bit CS12 (Clock Select bit 12) TIMSK1 = (1 << OCIE1A); // Se configura el timer como comparador sei(); // Habilita las interrupciones globales para que funcionen las // interrupciones programadas } // fin de la función configurainterrupcion1() 29

30 // INTERRUPCIÓN 1 ISR(TIMER1_COMPA_vect) { dato1 = analogread(an1); dato2 = analogread(an2); //dato3 = analogread(an2); //dato4 = analogread(an3); vector2[0] = lowbyte(word(dato1)); vector2[1] = highbyte(word(dato1)); vector2[2] = lowbyte(word(dato2)); vector2[3] = highbyte(word(dato2)); //vector2[4] = lowbyte(word(dato3)); //vector2[5] = highbyte(word(dato3)); //vector2[5] = lowbyte(word(dato4)); //vector2[7] = highbyte(word(dato4)); Serial.write(vector2,4); // estado = ~estado; // digitalwrite(d3,estado); contador = contador + 1; if (contador == 500){ contador = 0; deshabilitainterrupcion1(); } //FIN DEL IF 30 }// FIN DE LA INTERRUPCIÓN 1

31 //FUNCIÓN deshabilitainterrupcion1() void deshabilitainterrupcion1(){ cli(); // Deshabilita las interrupciones globales para configurar los registros // del Timer 1 TCCR1A = 0; // Se vacía el registro TCCR1B = 0; // Se vacía el registro // deshabilita el clock del contador TCCR1B = (0 << CS10); // Se pone a 0 el bit CS10 (Clock Select bit 10) TCCR1B = (0 << CS11); // Se pone a 0 el bit CS11 (Clock Select bit 11) TCCR1B = (0 << CS12); // Se pone a 0 el bit CS12 (Clock Select bit 12) sei(); // Habilita las interrupciones globales }// fin de la función deshabilitainterrupcion1() 31

32 Otros tipos de Interrupciones Interrupciones externas Corresponden a eventos externos que generan un cambio del estado lógico de un pin de entrada digital. La transición se detecta por cambio en el nivel de tensión, por flanco ascendente o por flanco descendente. Se evita así el pooling, técnica ineficiente que consiste en sensar constantemente el estado de las entradas digitales del microcontrolador dentro de un bucle infinito. Ejemplo: 32

33 Interrupciones en PIC Generación de dt para producir Interrupciones por software Tipos de Timers En los PIC 18F2550 se dispone de 4 Timers. Timer 0: puede funcionar como temporizador o contador. Tiene16 bits (contará como máximo hasta 65535). Timer 1 y 3: pueden funcionar como temporizadores o contadores dependiendo del estado de unos registros de control asociados a ellos. Tienen16 bits. Se pueden utilizar para programar interrupciones por tiempo mediante unos módulos denominados CCP. Timer 2: contador o temporizador de 8 bits (contará como máximo hasta 255). Se puede utilizar para generar señales PWM también con CCP. 33

34 Interrupciones en PIC Generación de dt para producir Interrupciones por software Cada Timer del PIC 18F2550 cuenta pulsos de una señal de clock cuya frecuencia se fija previamente. Ejemplo: Si el PIC trabaja con un oscilador de 20MHz por medio de una elemento de hardware denominado PLL la frecuencia de reloj del sistema será de 48MHz. Existe un divisor de frecuencia configurable por el usuario denominado prescaler que puede tomar los valores 1, 2, 4 u 8. Por lo tanto la frecuencia de la señal de clock aplicada a un Timer será: 34

35 Interrupciones en PIC Generación de dt para producir Interrupciones por software Por lo tanto dependiendo del valor dado al prescaler, se tendrá: Prescaler Período de la señal de clock Cantidad máxima de pulsos que se pueden contar por ejemplo el Timer 1 Tiempo máximo transcurrido 1 0, us ,33 us 2 0, us ,67 us 4 0, us ,33 us 8 0, us ,67 us 35

36 Interrupciones en PIC Producido un dt disparamos una interrupción con el módulo CCP1 El módulo CCP1 El módulo CCP1 se puede asociar al Timer 1. (mediante un registro de control asociado a CCP1). Mediante ese mismo registro de control asociado a CCP1 se lo puede configurar en tres modos de funcionamiento. compare, capture, o PWM El CCP1 configurado en modo compare dispara una interrupción cuando el valor del Timer 1 iguala a un valor seteado en CCP1. 36

37 Ejemplo : se quiere leer con el PIC dos entradas analógicas 500 veces cada 0,5 ms (2000 muestras/s) continua 37

38 Ejemplo : se quiere leer con el PIC dos entradas analógicas 500 veces cada 0,5 ms 38

39 Guía de Ejercicios N 8 39