Adquisición de Datos Conversión Analógico/Digital

Transcripción

1 CLASE 7: ADQUISICIÓN DE DATOS, CONVERSIÓN A/D Y SENSORES Sistemas Embebidos 2018 Departamento de Ciencias e Ingeniería de la Computación Universidad Nacional del Sur Conversión Analógico/Digital 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 (ADC). El proceso 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 1

2 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 (tensión) Puede tener ruido Etc. Conversión A/D Frecuencia de muestreo (muestras x unidad de tiempo) Profundidad de bits (proceso de cuantización) Conversión A/D Rango de voltaje de entrada (ajustar señal para aprovecharlo al máximo) La cantidad de bits define la resolución de la conversión 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... 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. Conversión A/D Conversor de rampa digital lento muy preciso Ej: voltímetros digitales 3

4 Conversión A/D Conversor de rampa digital lento muy preciso 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 Conversión A/D Conversor de doble rampa Menor influencia de las tolerancias de R y C (Vin y Vref pasan por el mismo integrador). 4

5 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 Conversión A/D Conversor flash (directo) Muy rápido Menos preciso Alto número de comparadores Ej: señales de alta velocidad como video o radar Conversión A/D Conversor flash (directo) Muy rápido Menos preciso Alto número de comparadores Ej: señales de alta velocidad como video o radar 5

6 Conversión A/D numerosa cantidad de técnicas de conversión y variantes: Delta encoded Sigma-delta De múltiples rampas Pipelined / subranging etc. El ADC Integrado al microcontrolador (exposición al ruido local, limita precisión en la conversión) Puede incorporarse al sistema mediante un ASIC del tipo requerido según la aplicación. Acondicionamiento y filtrado de la señal Amplificar voltajes pequeños Ajustar el DC offset para lograr una señal acorde al rango de entrada del ADC. Filtrar la señal: Eliminar altas frecuencias y lograr una conversión adecuada Tener en cuenta el criterio de Nyquist (muestrear al doble de la frecuencia más alta que se quiere preservar). 6

7 Multiplexado de la señal Construido en torno a switches basados en semiconductores. Para abaratar costos y soportar múltiples canales (único ADC y dispositivo sample & hold). El multiplexor puede integrarse en un único dispositivo con el Sample & Hold. 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. 7

8 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 utilizan todos los bits en la salida, mediante 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 acelere el proceso a costa de sacrificar precisión para los bits menos significativos. Bajar el tiempo de adquisición: Cargando menos tiempo el capacitor, se obtendrá la conversión equivalente a una señal de un nivel ligeramente menor al de entrada. 8

9 Adquisición de datos: Ejs. estructura del SW 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 Estos factores limitan la tasa de muestreo (de mínima hay que muestrear al doble de la frecuencia más alta que se quiere conservar Nyquist). Ejemplo: Sensor de temperatura 9

10 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. 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 de cada uno. 10

11 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). Sensor binario: Devuelve 0 o 1. Ej: táctiles. Microswitches. Son inherentemente digitales (no requieren ADC). Microswitch/bumper: 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. 11

12 ópticos (reflexivos): Para detectar objetos y superficies. Transmisor + receptor. Distancias muy cortas (unos pocos milímetros) infrarrojos: 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 utilizarse como feedback en control de motores. Magnéticos u ópticos. Digitales o analógicos. Incremental/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. 12

13 ultrasónicos Utilizados para mediciones simples de objetos a distancia hasta la obtención de diagnóstico por imágenes en medicina. Principio reflexivo: transmisor y receptor. ultrasónicos Limitaciones: Reflexiones/deflexiones Interferencias (varios sonares operando a la vez): se resuelve Enviando códigos en lugar de ráfagas fijas de ultrasonido Se envía una ráfaga ultrasónica y se mide el eco. 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. Interfaces paralelas o seriales de alta velocidad. Soporte en software para manejar este tipo de dispositivos. Ej. Raspberry Pi + Raspberry Camera Module (CSI) 13

14 Inertial Measurement Unit (Ej. MPU6050): Otros sensores: Receptores de GNSS Brújulas (sensores de orientación) Giroscopios Acelerómetros Inclinómetros Salida analógica o PWM / IMUs (digital) de presión, humedad, temperatura, magnetismo (efecto hall), sonido, fuerza, etc. En todos los casos hay que conocer: el principio de funcionamiento (analizar su aplicabilidad al sistema que se está diseñando y sus limitaciones). el tipo de señal que generan. Referencias 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