DISEÑO, IMPLEMENTACIÓN Y VERIFICACIÓN DE UN SISTEMA DE HARDWARE RECONFIGURABLE PARA APLICACIONES DE CONTROL. Javier Ernesto Santos Estepa Universidad Distrital Francisco José De Caldas 2015. Bogotá-Colombia Abstract El presente artículo es la documentación de un proyecto, que se pretende mejorar de tal forma que se tenga una aplicación y mejoría notable en la comunicación de su parte de software y su parte de hardware. Mediante el uso de unas estructuras de software preestablecidas las cuales permitirán la configuración de parámetros físicos encargados del control. Palabras Clave- adquisición de datos, Instrumentación, Control de caudal, Control de flujo, micróntroladores, comunicación. I. RESUMEN En la actualidad el desarrollo de sistemas que sean capaces de reproducir modelos exactos de simulación son muy pocos pero los modelos desarrollados para simular sistemas e introducir variables físicas que se puedan presentar en el campo de aplicación son muchos, por lo cual se pretende utilizar algún tipo de software que permita tanto la simulación como la comunicación en tiempo real con sistemas de potencia encargados de realizar la modificación de las variables físicas. La variación de los sistemas físicos corresponderá con lo mostrado en la simulación emulando un sistema que se comunicara en tiempo real la variación de realizada en los sistemas físicos. II. INTRODUCCION Cuando se analizan sistemas que tienen por objetivo generar patrones de números y constantes las cuales deben ser aplicadas más adelante en algún sistema que tenga por objetivo mediciones o variaciones de alguna variable física se debe tener en cuenta patrones de ruido y señales parasitas que hacen que el sistema que se diseñó no funcione de Fig. 1. Ventana de demos de Matlab. Manera ideal si no por el contrario empieza e presentar fallas, puesto que los modelos que se desean sintetizar no funcionan de manera adecuada por lo cual se pretende el desarrollo y aplicación de un sistema que emule completamente los factores modificados y permita la variación de parámetros de control sin problemas muy complejos. [15],[16], [17], [18],[19], [20]. III. Posibles softwares Los sistemas encargados de generar simulación basados en modelos matemáticos son abundantes, tanto en el ámbito académico con en el industrial, pero el software Matlab. Gracias a la versatilidad del software Matlab y de las herramientas que contiene, como Simulink, este es usado para distintas aplicaciones en los proyectos, entre las más destacadas se encuentran la interfaz gráfica, cálculo, diseño y simulación de sistemas [1]. Al revisar los artículos encontrados se encuentra la utilización de Matlab por distintos autores, para distintas funciones,
por ejemplo los autores Domínguez, Rodríguez y Ruíz en su diseño de un sistema de digitalización de señal, utilizan el System Generator de Xilinx junto con Simulink para generar el código necesario para implementar la FPGA en el proyecto [7], [20], [24], [25], [26]. En el diseño del sistema embebido para el procesamiento de señales ultrasónicas, los autores Cabrera y Velazco utilizaron Matlab para simular el comportamiento de las señales ultrasónicas desde el momento en que son emitidas hasta el momento de la recepción por el sistema. Para la implementación de dicho sistema los autores utilizaron PSoC, una tecnología desarrollada por Cypress Semiconductor enfocada al desarrollo de los microcontroladores, creando una integración entre un bloque análogo y un bloque digital, los cuales pueden interactuar y dar así una mayor variedad de opciones a la hora de programar [19], los autores en este caso utilizan específicamente el bloque análogo de PSoC para el acondicionamiento de la señal permitiendo así tener una mayor facilidad de incorporar mejoras en el sistema ya que el tratamiento de la señal se hace prácticamente en su totalidad dentro del PSoC[11],[12], [13], [14], [27]. Fig. 2. Ventana de demos de Matlab. Con el uso de System Generator, los autores lograron generar que el código del programa tuviera un nivel de abstracción más alto, así como la reducción de tiempo en la generación de dicho código; adicionalmente los autores aprovecharon el software Matlab para la creación de la interfaz gráfica [21]. Paralelamente los autores Gómez y Cerquéis usan Matlab/Simulink para la creación de la interfaz de usuario para su simulador de radar, así como el desarrollo de los cálculos matemáticos necesarios para el tratamiento de las señales que intervienen en el radar, con la utilización de Matlab los autores lograron la reducción de los tiempos de simulación ya que la interfaz les permite tomar los datos necesarios en un periodo comprendido en el rango de los milisegundos [22], [23].. IV. MICROCONTORLADOR Debido a que el sistema físico de control debe poder comunicarse con el software se elegirá un dispositivo con estas cualidades y que además sea accesible tanto en conocimiento como en herramientas de diseño como en variables físicas que pueda manejar variables como corriente y voltaje. Fig. 3. Ventana de demos de Matlab. V. ADQUISICIÓN DE DATOS Como el sistema debe comunicar el software con el hardware la comunicación juega un papel importante puesto que será la encargada tanto de comunicar datos como de reconfigurar el hardware, basándonos en sistemas que permitan tener diferentes protocolos de comunicación se utilizara una herramienta que posee el software java en el cual descargara la información generada por medio de Matlab y la aplicara al sistema Psoc. Esta herramienta es la encargada de transmitir los datos vía cable de comunicaciones al hardware PSoC.
Fig. 4. Ventana de demos de Matlab. VI. COMUNICACIÓN FISICA Si se tiene en cuenta que los datos transmitidos desde Matlab o cualquier otro software de desarrollo similar, hacia el hardware debe seguir cierto protocolo de transmisión se decide buscar que tipos de comunicación son más viables para comunicar Matlab con PSoC, por lo cual se elige la comunicación por protocolo RS232 el cual permite el intercambio de datos de manera binaria entre un equipo y un terminal, la escogencia del tipo de conector que comunicara el software con el hardware se definirá en etapas de desarrollo siguientes, de pendiendo cual será la más conveniente tanto por tamaño como por velocidad de transmisión. programación en el software Matlab, ya que este será el encargado de generar todo el procedimiento para la reconfiguración del hardware [1],[2], [3], por lo cual se investiga a fondo los potenciales de Matlab en el desarrollo de software capaz de generar etapas de control de diferentes tipos, junto con un grupo de herramientas que este posee en el campo de las comunicaciones por diferentes protocolos de comunicación, de esta manera se la primera línea de trabajo se desarrolla completamente en entender el entorno tanto grafico como de diseño en Matlab. Fig. 6. Ventana de demos de Matlab. Fig. 7. Ventana de demos de Matlab. Fig. 5. Ventana de demos de Matlab. VII. Metodología Se propone para desarrollar el proyecto una metodología de trabajo donde se pueda hacer un desarrollo paso a paso de todas y cada una de las etapas propuestas, por lo cual la primera línea de trabajo se enfocara en el desarrollo de la Siguiendo con las líneas de trabajo se profundiza la búsqueda de herramientas propias de Matlab[4], [5], que faciliten el trabajo tanto en el desarrollo como en la descarga y reconfiguración del microcontrolador PSoC por lo tanto se encuentra en la herramienta de Simulink toda una librería dedicada a la aplicación de módulos PID completos, de tal manera que se escoge un módulo que sea en tiempo continuo y además que puede reconfigurarse de manera muy sencilla. En la segunda etapa la cual será física se escoge que la comunicación entre Matlab y PSoC puede facilitar
tanto en el tiempo, como la conexión, de esta manera un cable que cumpla los protocolos rs232 y USB permite una fácil reconfiguración del hardware a partir de estructuras predefinidas en Matlab. http://www.mathworks.com/products/matlab/. [3] J. Aracil and F. Gomez, Introducción a Matlab y Simulink, pp. 1 24, 2007. [4] I. The MathWorks, Simulink - Simulation and Model-Based Design, 2012. http://www.mathworks.com/products/simulink/. [Accessed: 26-Sep-2012]. Fig. 8. Ventana de demos de Matlab. En la tercera etapa se desarrolla el estudio completo de toda la planta de nivel con la cual se verificaran todas las etapas anteriores. Donde se comunicara la interfaz grafica desarrollada en Matlab a partir de su entorno de desarrollo llamado comúnmente como GUI. [8], [9], [10], [5] A. Montbrun, SIMULINK, 1997. http://www.eldish.net/hp/automat/simulink.htm. [Accessed: 21-Oct-2012]. [6] C. Marrero Exposito, Interfaz Gráfica de Usuario, Aproximación semiótica y cognitiva, 2006. [7] D. O. Barragán Guerrero, Manual de Interfaz Grafica de Usuarion en Matlab, 2008. [8] I. The MathWorks, MATLAB GUI. http://www.mathworks.com/discovery/matlabgui.html. [Accessed: 27-Oct-2012]. [9] I. The MathWorks, Simulink Coder. http://www.mathworks.com/products/simulinkcoder/index.html. [10] Procesamiento de señales, 2010. Fig. 9. Ventana de demos de Matlab. En la quinta y última etapa de desarrollo se conecta tanto la planta de nivel y control [6] de flujo junto con el circuito de protección que permitirá la comunicación entre Matlab y la planta verificando de esta manera todos los objetivos planteados. VIII. REFERENCES [1] E. Palacios, F. Remiro, and L. J. Lopez, Microcontrolador PIC16F84 Desarrollo de proyectos. 2006. [2] I. The MathWorks, MATLAB - The Language of Technical Computing, 2012. [11] I. Acosta Cuadros, Que es PSOC? http://psocenespanol.blogspot.com/2011/09/que-espsoc.html. [12] Á. Paula and O. Joan, INTRODUCCIÓN AL PSOC, pp. 1 59, 2010. [13] I. Acosta Cuadros, Los bloques de PSoC. http://psocenespanol.blogspot.com/2011/10/losbloques-de-psoc.html. [14] I. Acosta Cuadros, Características de los bloques Analógicos y Digitales. http://psocenespanol.blogspot.com/2011/10/caracteri
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