INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA ESIME UNIDAD CULHUACÁN PROYECTO DE INVESTIGACIÓN:

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1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA ESIME UNIDAD CULHUACÁN PROYECTO DE INVESTIGACIÓN: IMPLEMENTACION DE DIFERENTES METODOLOGIAS DE CONTEO DE FRECUENCIA EN FPGA s Y CPLD s. DIRECTOR DEL PROYECTO: M. EN C. JOSE GPE. TORRES MORALES. COORDINADOR DEL PROYECTO: DR. GUSTAVO MARTINEZ ROMERO. ANALISTA DEL PROYECTO: M. EN C. ROSARIO DEL PILAR GIBERT DELGADO. INDICE: RESUMEN INTRODUCCION. METODOS Y MATERIALES. RESULTADOS IMPACTO. PERIODO: ENERO DICIEMBRE 2006

2 Resumen. La medición de variables físicas, en procesos, como presión y temperatura se realiza con dispositivos que contienen transductores tales como osciladores de cristal de cuarzo, capacitivo e inductivos, que varían la frecuencia y periodo de su señal, en razón del parámetro que miden. Los circuitos implantados en circuitos FPGA, proporcionan soluciones eficientes de alto desempeño. Sin embargo su uso en el procesamiento de señales, implica la utilización de circuitos acondicionadores, que adapten la señal analógica, (grande o pequeña) a niveles TTL. En este proyecto se desarrollan circuitos de conteo de frecuencia para su implantación en FPGA s. La señal de entrada al circuito puede provenir de un transductor (de pequeña señal), o bien de un transductor que ya tiene integrado un acondicionador de señal, que entrega señal en niveles TTL. Los primeros tienen típicamente un costo menor a los últimos y debe de tomarse en cuenta, pues esto puede encarecer el costo de la aplicación. Una parte importante del diseño es el uso de un amplificador de respuesta logarítmica, con control automático de ganancia o atenuación, pues se adapta en forma automática al tamaño de la señal. El desarrollo del proyecto está orientado a su aplicación en variables de monitoreo en los pozos petroleros: presión y temperatura. Estas señales son de baja frecuencia y constituyen un objetivo ideal para su aplicación en FPGA.

3 Introducción El procesamiento de una señal en tiempo real requiere de la detección y transducción de la variable fisica, por medio de un elemento electrónico que la transforma en una señal eléctrica, este elemento es comúnmente llamado transductor. La información de la señal puede estar contenida en la amplitud e de la señal eléctrica que entrega el transductor (modulación por amplitud) o puede estar contenida en su frecuencia (modulación en frecuencia). En la modulación en amplitud, cualquier variación en la señal física se ve reflejada en la amplitud de la señal de salida del transductor. En la modulación de frecuencia. El diseño del transductor es un problema estrechamente relacionado con las propiedades de la variable física que se mide y puede ser relativamente sencillo o bien puede llegar a ser un proceso tecnológico complicado. En el caso del procesamiento de señales relacionadas con el proceso de explotación de pozos petroleros, las variables de interés tales como presión y temperatura, suelen ser bastante altas para los elementos electrónicos disponibles, que suelen ser de especificaciones militares. Esto hace que los transductores para estas aplicaciones tengan un costo elevado (superior a los dólares) por transductor. La señal de salida del transductor debe ser acondicionada, es decir, normalizada a rangos mínimos y máximos de amplitud, si la amplitud de la señal es muy pequeña, se debe amplificar y si, por el contrario, es muy grande, se debe atenuarse. El circuito debe ser suficientemente adaptable para amplificar las señales que son demasiado pequeñas y atenuar las que son demasiado grandes.

4 Una vez que la señal ha sido debidamente acondicionada para ser procesada, se debe convertir a forma digital para su procesamiento. Si la información esta contenida en su amplitud, es necesario convertirla a valores discretos de amplitud, por medio de un circuito convertidor analógico - digital, si la información esta contenida en la frecuencia es necesario utilizar un circuito de conteo. Un circuito de conteo es un circuito lógico secuencial que muestrea la señal de entrada, abriendo ventanas de tiempo con una frecuencia de referencia. El hecho de que el circuito de conteo por frecuencia sea digital lo hace candidato para ser construido con lógica programable, porque tienes varias ventajas, como: Un circuito programable provee un alto grado de integración, disminuyendo así el tamaño y el consumo de potencia. El circuito puede construirse por programación en lenguaje VHDL. Disminuyen los tiempos de desarrollo. El circuito puede ser rediseñado con solo cambiar el programa.

5 Métodos y materiales. El procedimiento teórico - metodológico empleado, se conoce como la metodología Investigación Acción Participativa (IAP), que consta de las siguientes fases: Etapa de reconocimiento.- Se busca los elementos de desarrollo del proyecto y se designan actividades. Etapa diagnóstico.- Se aplica la técnica de revisar, analizar y sintetizar la información. Etapa experimental.- Se obtienen resultados y evaluaciones. Etapa de evaluación.- Se integran resultados y se elaboran reportes para su difusión. Como resultado de la ejecución de la metodología, se obtuvieron los siguientes elementos a desarrollar. Los dos primeros se implementan en circuitos programables de alta escala de integración FPGA y el tercero se diseña para acondicionar la señal proveniente del transductor. 1) Medición de Frecuencia Diagrama de bloques básico del contador convencional en su modo de medición de frecuencia.

6 El principio usado para medir la frecuencia de entrada es el siguiente: la base de tiempo es un oscilador de frecuencia mucho mayor que la señal de entrada. El divisor de tiempo se selecciona por un switch o decodificador. De esta manera la salida del slip flor de tiempo abre una ventana, durante el cual los pulsos provenientes de la señal de entrada (ya en niveles digitales), alimentan a un contador binario que totalizará el número de pulsos de entrada durante el pulso de apertura de la ventana de tiempo. 2) Medición de Periodo El principio usado para medir el periodo de la señal de entrada es el siguiente: la base de tiempo es la misma que en el caso anterior, un oscilador de frecuencia mucho mayor que la señal de entrada. La señal de entrada se usa ahora para abrir la ventana de tiempo. El registro de conteo totalizara el numero de pulsos de la frecuencia de referencia y nos permitirá conocer fácilmente el periodo. Diagrama de bloques básico de un contador convencional en su modo de medición de período.

7 3) Acondicionamiento de la señal Se diseña una tarjeta electrónica acondicionadora de señal bajo el esquema del circuito que se muestra en la figura siguiente: Para la realización de esto, se evaluaron distintos dispositivos que realizaran esta función seleccionándose específicamente un circuito compresor que cumplió con el propósito de controlar automáticamente la señal de entrada a una señal constante, lo que equivale a decir que si se presenta un nivel pequeño a la entrada de este nivel lo eleva a la salida y si tiene un nivel grande lo reduce. El circuito seleccionado es el NE570 y a este se le agregan otros circuitos adicionales para conformar la señal de salida a Niveles de 0 volts a 5 volts conocido como niveles TTL (Lógica Transistor Transistor) y adicional a ello un circuito con Histéresis para eliminar algún nivel de distorsión, y algunos otros elementos mas. Así como equipo de prueba para su evaluación, se realizaron algunas simulaciones en programas conocidos como Matlab, Spice entre otros.

8 Resultados. A continuación se describen los que fueron alcanzados: Se emplearon los FPGA de la marca XILINX y ALTERA, desde la programación en lenguaje VHDL (Very High Speed Integrated Circuits Hardware Description Language). Se realizó el sistema en forma esquemática en el sistema de desarrollo. Se ofrece en la ciudad de Cancún Quintana Roo una plática o curso introductorio de FPGA. Se desarrolla un circuito acondicionador de entrada de la señal al circuito de alta escala de integración (FPGA). Se participa en dos congresos como ponentes en uno Nacional (Cd. de México D.F.) y otro Internacional (Acapulco Guerrero). El trabajo desarrollado se inició en Febrero con el lanzamiento del proyecto, asignación de responsabilidades y tareas. En los meses de marzo y abril se definieron los requerimientos del problema a resolver, obteniendo especificaciones y alcances; de mayo a octubre se trabajo con el diseño del circuito de acondicionamiento, y programas básicos para la comprensión del lenguaje de programación VHDL y el esquemático integrado en el Kit de desarrollo de Xilinx y Altera, en los siguientes meses se evaluaron programas y se realizaron algunas pruebas. El trabajo desarrollado cumplió satisfactoriamente ya que, además de conseguir los objetivos, se empleó el lenguaje de programación VHDL y se realizaron simulaciones en Matlab y Spice.

9 Impacto. Este proyecto se planteó originalmente en la industria petrolera, para ser utilizado en la medición con sensores de presión y temperatura en pozos petroleros, con la perspectiva de desarrollar un equipo de bajo costo, portátil y de bajo consumo de energía. En el curso que se integró en Cancún, se planteó como una herramienta útil para caracterizar señales utilizadas en el sector aeronáutico, en las comunicaciones que se desarrollan entre Controlador de Transito Aéreo y Piloto Aviador. En el sector educativo se prevé tener un mayor impacto, pues se espera que en las carreras de la ESIME, se incremente el uso de programación en VHDL y el trabajo con circuitos de alta escala de integración. FPGA Field programmable gate array (Arreglo de compuertas programables de campo). CPLD Complex programmable logic devices (Dispositivos lógicos programables complejos).