S.E.P. S.E.S. D.G.E.S.T. CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO TECNOLÓGICO cenidet DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA TARJETA PROGRAMABLE DE ADQUISICIÓN, PROCESAMIENTO DE DATOS Y CONTROL T E S I S PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS EN M E C A T R Ó N I C A PRESENTAN: FÉLIX VICENTE JÍMENEZ RÍOS JOAQUÍN RIVERO JUÁREZ DIRECTORES DE TESIS: M.C. JOSÉ LUIS GONZÁLEZ RUBIO SANDOVAL DR. RAÚL PINTO ELÍAS CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO FEBRERO DE 006
RESUMEN La automatización industrial se divide en fases: adquisición de datos, procesamiento o tratamiento de la información y control de elementos actuadores. Existen alternativas comerciales que permiten realizar una o todas las fases de automatización en un solo componente como tarjetas de adquisición de datos o controladores lógicos programables (PLCs). En este trabajo se presenta el diseño, construcción y prueba de una tarjeta programable capaz de realizar las funciones de automatización de un proceso con la capacidad de trabajar de forma autónoma. Se diseñó y fabricó una tarjeta de aplicación para la realización de las pruebas de los módulos de: entradas/salidas digitales, entradas analógicas, potencia para motores, comunicación con la computadora y memorias EEPROM. Además de las pruebas funcionales, se diseñaron, construyeron y probaron plantas mecatrónicas con la tarjeta programable. Las plantas son: un robot móvil seguidor de línea, un modelo a escala de una plataforma de seguimiento solar y una cámara térmica con temperatura controlada. ABSTRACT The industrial automation is divided in phases: acquisition of data, processing or treatment of information and control of actuator elements. There exist commercial alternatives to carry out one or all the automation phases in a single component such as cards of data acquisition or programmable logic controllers (PLCs). This work shows up the design, construction and test of a programmable card able to carry out the automation functions of a process with the capacity to work in an autonomous way. An application card was designed for testing the modules of: digital inputs/outputs, analog inputs, power for motors, communication between the computer and EEPROM memories. Besides the functional tests, there were designed, built and tested mechatronic plants with the programmable card. The plants are: a line follower mobile robot, a scale model of a solar tracer platform and a thermal camera with controlled temperature.
CONTENIDO LISTA DE FIGURAS...iv LISTA DE TABLAS...vi ACRONIMOS Y SIGLAS...vii NOMENCLATURA...x Capítulo. Introducción..... Antecedentes..... Descripción del problema..... Estado del arte de sistemas de procesos...... Transductores y sensores...... Acondicionadores de señales...4... Módulos de adquisición de datos...4..4. Controladores...7.4. Propuesta de solución...9.4.. Objetivos...9.4.. Metodología de solución...9.4.. Aportación o contribución...0.5. Organización de la tesis...0 Capítulo. Determinación de las características funcionales de la tarjeta programable..... Recursos requeridos por plantas o procesos..... Microcontroladores y controladores de señal digital...... Microcontroladores...... Controladores de señal digital...8... Herramientas de desarrollo..... Proceso de selección del microcontrolador con el que opera la tarjeta programable....4. Tiempo de procesamiento del microcontrolador del PIC8F45...6.4.. Temporizadores del microcontrolador...7.4.. Modulación de ancho de pulso generada por el microcontrolador...8.4.. Tiempo de conversión del conversor análogo/digital...9.5. Interfases de comunicación....5.. Interfaz de comunicación entre tarjetas....5.. Interfaz de comunicación entre la tarjeta y la computadora....6. Descripción de la tarjeta programable de adquisición, procesamiento de datos y control... Capítulo. Diseño electrónico de la tarjeta...4.. Descripción a bloques de la tarjeta programable...5.. Diagramas esquemáticos electrónicos de la tarjeta programable...6 i
.. Diagramas esquemáticos electrónicos de la tarjeta de aplicación...44.4. Diseño de las tarjetas de circuito impreso...45 Capítulo 4. Construcción y pruebas de las tarjetas electrónicas...47 4.. Construcción de las tarjetas electrónicas...48 4.. Emulación funcional de los módulos de la tarjeta programable...50 4... Prueba de E/S digitales...5 4... Prueba de entradas analógicas...5 4... Prueba de potencia para motores...5 4..4. Prueba de la pantalla de cristal líquido (LCD)...5 4..5. Prueba de comunicación con la PC...5 4..6. Prueba de memorias EEPROM...54 4..7. Prueba de E/S de 4-0 ma...55 Capítulo 5. Diseño y construcción de plantas...58 5.. Descripción de plantas a controlar...59 5.. Robot móvil seguidor de línea...60 5... Objetivo...60 5... Requerimientos de la planta...60 5... Diseño mecánico...60 5..4. Diseño eléctrico del robot móvil...6 5..5. Algoritmo de control...6 5.. Modelo a escala de una plataforma de seguimiento solar...6 5... Objetivo...6 5... Requerimientos de la planta...6 5... Diseño mecánico...65 5..4. Diseño eléctrico del modelo a escala de la plataforma de seguimiento solar..66 5..5. Algoritmo de control...68 5.4. Cámara térmica con temperatura controlada...70 5.4.. Objetivo...70 5.4.. Diseño mecánico...70 5.4.. Diseño eléctrico de la cámara térmica...7 5.4.4. Requerimientos de la planta...7 5.4.5. Algoritmo de control...7 Capítulo 6. Experimentación y análisis de resultados...76 6.. Pruebas y resultados de la tarjeta programable con el robot móvil seguidor de línea...77 6.. Pruebas y resultados de la tarjeta programable con el modelo a escala de la plataforma de seguimiento solar...78 6.. Pruebas y resultados de la tarjeta programable con la cámara térmica con temperatura controlada...79 Capítulo 7. Conclusiones...8 ii
7.. Conclusiones...84 7.. Trabajos futuros...85 REFERENCIAS...86 Anexo A. Circuitos esquemáticos de la tarjeta programable...88 Anexo B. Diseños de placas de circuito impreso...9 Anexo C. Programas de prueba de la tarjeta programable...04 Anexo D. Documentación de los programas de control de las plantas... Anexo E. Lista de componentes...46 iii
LISTA DE FIGURAS Figura. Módulo de adquisición de datos... 4 Figura. Diagrama a bloques de un sistema de adquisición, procesamiento de datos y control... 5 Figura. Comparación de microcontroladores en cuanto a frecuencia de operación... Figura. Comparación de microcontroladores en cuanto a número de terminales de E/S.4 Figura. Comparación de microcontroladores en cuanto a memoria de programa... 4 Figura.4 Circuito oscilador del microcontrolador... 6 Figura.5 Flujo de ejecución de instrucciones.... 7 Figura.6 Flujo paralelo de búsqueda/ejecución (pipelining).... 7 Figura.7 Salida PWM.... 8 Figura.8 Modelo de la entrada analógica... 0 Figura. Módulos que conforman la tarjeta programable.... 5 Figura. Circuito electrónico del módulo de entradas/salidas digitales.... 6 Figura. Circuito electrónico del módulo de entradas analógicas... 8 Figura.4 Circuito electrónico del módulo de alimentación.... 8 Figura.5 Circuito electrónico del módulo de memoria EEPROM... 9 Figura.6 Circuito electrónico del módulo de comunicación con la PC... 40 Figura.7 Circuito electrónico del módulo de comunicación I C.... 4 Figura.8 Circuito electrónico del módulo de potencia para motores... 4 Figura.9 Circuito electrónico del conector para pantalla de cristal líquido... 4 Figura.0 Circuito electrónico del módulo de procesamiento... 4 Figura. Circuito electrónico del módulo de E/S de 4-0 ma.... 44 Figura. Circuito electrónico de la tarjeta de aplicación... 45 Figura 4. Tarjeta principal.... 48 Figura 4. Tarjeta de procesamiento.... 49 Figura 4. Tarjeta de entrada/salida de 4-0 ma.... 49 Figura 4.4 Tarjeta de aplicación.... 50 Figura 4.5 Gráfica de respuesta del receptor de 4-0 ma... 56 Figura 5. Robot móvil seguidor de línea... 60 Figura 5. Robot móvil seguidor de línea... 6 Figura 5. Circuito electrónico del robot móvil seguidor de línea... 6 Figura 5.4 Diferentes acciones del robot de acuerdo al estado de sus sensores... 6 Figura 5.5 Circuito de potencia (puente H) para alimentar dos motores de 4 VCD.... 64 Figura 5.6 Circuito de operación simplificado del puente H... 64 Figura 5.7 Diseño mecánico del modelo a escala de la plataforma de seguimiento solar... 66 Figura 5.8 Vista superior del modelo a escala de la plataforma de seguimiento solar... 67 Figura 5.9 Fotografía del modelo a escala de la plataforma de seguimiento solar... 67 Figura 5.0 Circuito eléctrico del modelo a escala de la plataforma de seguimiento solar. 68 Figura 5. Referencia de giros e identificación de sensores... 69 Figura 5. Cámara térmica con temperatura controlada... 70 iv
Figura 5. Circuito generador de señal de referencia... 7 Figura 5.4 Señal de referencia.... 7 Figura 5.5 Circuito de control de CA.... 7 Figura 5.6 Diagrama eléctrico de la cámara térmica y la tarjeta programable... 7 Figura 5.7 Instrumento virtual de configuración y visualización de la cámara térmica... 74 Figura 6. Pista de prueba del robot móvil seguidor de línea.... 77 Figura 6. Prueba de controlador proporcional... 8 Figura 6. Prueba de controlador proporcional-integral.... 8 Figura A. Circuito esquemático de tarjeta principal... 88 Figura A. Circuito esquemático de tarjeta de procesamiento... 89 Figura A. Circuito esquemático de la tarjeta de 4-0 ma... 90 Figura A.4 Circuito esquemático de tarjeta de aplicación... 9 Figura B. Diseño de la cara superior de la tarjeta principal.... 9 Figura B. Diseño de la cara inferior de la tarjeta principal.... 9 Figura B. Capa de leyenda de componentes de la tarjeta principal... 94 Figura B.4 Diseño de la cara superior de la tarjeta de procesamiento... 96 Figura B.5 Diseño de la cara inferior de la tarjeta de procesamiento... 97 Figura B.6 Capa de leyenda de componentes de la tarjeta de procesamiento... 98 Figura B.7 Diseño de la cara inferior de la tarjeta de E/S de 4-0 ma.... 99 Figura B.8 Capa de leyenda de componentes de la tarjeta de E/S de 4-0 ma.... 00 Figura B.9 Diseño de la cara superior de la tarjeta de aplicación.... 0 Figura B.0 Diseño de la cara inferior de la tarjeta de aplicación... 0 Figura B. Capa de leyenda de componentes de la tarjeta de aplicación... 0 Figura D. Panel frontal.... 4 Figura D. Bloque de 4 del programa de monitoreo y control... 44 Figura D. Bloque de 4 del programa de monitoreo y control... 44 Figura D.4 Bloque de 4 y sub-bloque de del programa de monitoreo y control.... 44 Figura D.5 Sub-bloque de del programa de monitoreo y control... 45 Figura D.6 Sub-bloque de del programa de monitoreo y control... 45 Figura D.7 Bloque 4 de 4 del programa de monitoreo y control... 45 v
LISTA DE TABLAS Tabla. Características más importantes de las tarjetas de adquisición de datos... 5 Tabla. Sistemas comerciales de adquisición de datos.... 6 Tabla. Comparación de puertos de comunicación... 8 Tabla. Recursos requeridos por plantas o procesos... Tabla. Características técnicas de los microcontroladores.... 4 Tabla. Comparación de familia de controladores C000.... 9 Tabla.4 Comparación entre el PIC8F45 y el dspic0f.... 5 Tabla.5 Selección de capacitores... 6 Tabla.6 Especificación de la tarjeta programable... Tabla. Dimensiones físicas de las tarjetas electrónicas.... 46 Tabla 4. Pruebas de la tarjeta programable... 50 Tabla 4. Caracterización del receptor de 4-0 ma... 55 Tabla 4. Caracterización del transmisor de 4-0 ma.... 56 Tabla 5. Descripción de plantas fabricadas... 59 Tabla 6. Experimentación de voltaje eficaz y tiempo de recorte... 80 Tabla B.Ubicación de componentes en la tarjeta principal.... 95 Tabla C. Programas de las pruebas de la tarjeta programable... 04 Tabla D. Variables del programa de configuración y monitoreo.... 4 Tabla E. Lista de componentes de la tarjeta principal... 46 Tabla E. Lista de componentes de la tarjeta de procesamiento... 48 Tabla E. Lista de componentes de la tarjeta de E/S de 4-0 ma... 48 Tabla E.4 Lista de componentes de la tarjeta de aplicación... 49 Tabla E.5 Costo total de la tarjeta programable... 49 vi
ACRONIMOS Y SIGLAS A/D Analógico/digital ADC Analog-digital converter ( Convertidor analógico-digital ) ADCON0 Registro 0 de control del convertidor analógico-digital ADCON Registro de control del convertidor analógico-digital ADFM Bit selector de formato de resultado del convertidor analógico-digital ADRESH Byte alto del registro de resultado del convertidor analógico- digital ADRESL Byte bajo del registro de resultado del convertidor analógico- digital bms Bit menos significativo CA Corriente alterna CAN Controller Area Network ( Red de área de controlador ) CCP Terminal del módulo de captura, comparación y modulación por ancho de pulsos CCPCON Registro de control del módulo de captura, comparación y modulación por ancho de pulso CCPRL Byte bajo del registro de captura, comparación y modulación por ancho de pulso CD Corriente directa CMOS Complementary Metal-Oxide Semiconductor ( Semiconductor de oxido de metal complementario ) COP8 Control Oriented Processor ( Procesador orientado a control ) CP Contador de programa CPU Central processing unit ( Unidad central de procesamiento ) D/A Digital/analógico DAC Digital-analog converter ( Convertidor digital-analógico ) DIP Dual Inline Package ( Encapsulado doble en línea ) DSC Digital signal controller ( Controlador digital de señales ) DSP Digital signal processor ( Procesador digital de señales ) E/S Entradas y salidas EEPROM Electrically erasable programmable read-only memory ( Memoria de solo lectura programable eléctricamente borrable ) EIA Electronic Industries Association ( Asociación de industrias de electrónica ) FFT Fast Fourier Transform ( Transformada rápida de Fourier ) gcc Gnu c compiler ( Compilador C de gnu ) GNU GNU is not Unix ( GNU no es Unix ) GPIB General purpose input board ( Placa de entrada de propósito general ) HCMOS High-density Complementary Metal-Oxide Semiconductor ( Semiconductor de oxido de metal complementario de alta densidad ) ICD In-Circuit Debugger ( Depurador en circuito ) ICE In-Circuit Emulator ( Emulador en circuito ) IDE Integrated development environment ( Ambiente integrado de desarrollo ) IEEE Institute for Electrical and Electronics Engineers ( Instituto para ingenieros eléctricos y electrónicos ) IIC o I C Inter Integrated Circuit ( Interconexión de circuitos integrados ) vii
IrDA Infrared Data Association ISA Industry Standard Architecture ( Arquitectura de estándar industrial ) ISP In System Programming ( Programación en sistema ) khz KiloHertz LCD Liquid Crystal Display ( Pantalla de cristal líquido ) LED Light-Emitting Diode ( Diodo emisor de luz ) LPT Line Print Terminal ( Terminal de línea de impresora ) ma MiliAmpere MHz MegaHertz MIDI Musical instrument digital interface ( Interfaz digital de instrumento musical ) MIMO Multiple Input, Multiple Output ( Múltiples entradas, múltiples salidas ) MIPS Millions of Instructions per second ( Millones de instrucciones por segundo ) MN Moneda nacional MOSFET Metal-Oxide Semiconductor field effect transistor ( Transistor de efecto de campo de semiconductor de oxido de metal ) nf Nanofaradio PC Personal Computer ( Computadora personal ) PCI Peripheral Component Interconnect ( Interconexión periférica de componentes ) PCMCIA Personal Computer Memory Card Internacional Association ( Asociación internacional de tarjetas de memoria de computadora personal ) PDA personal digital assistant ( Asistente digital personal ) pf Picofaradio PI Proporcional integral PIC programmable integrated circuit ( Circuito integrado programable ) PLC Programmable logic controller ( Controlador lógico programable ) PLCC Plastic-Leaded Chip Carrier ( Encapsulado de montaje superficial para circuito integrado ) PR Registro de período del temporizador PWM Pulse Width Modulation ( Modulación por ancho de pulso ) RAM Random access memory ( Memoria de acceso aleatorio RC Resistencia-capacitor RISC Reduced Instruction Set Computer ( Computadora con conjunto reducido de instrucciones ) ROM Read-only memory ( Memoria de solo lectura ) SCI Serial communications Interface ( Interfaz de comunicación serial ) SCL Serial clock ( Reloj serial ) SD Secure digital SDA Serial data ( Dato serial ) SISO Single Input, Single Output ( Una entrada, una salida ) spbrg Registro generador de baudios SPI Serial Peripheral Interface ( Interfaz periférica serial ) TCON Registro de control del temporizador TMR TI Texas Instruments TIA Thanks In Advance viii
TOSC TTL μc μf UPS μs USART USB VCD Wi-Fi Tiempo de oscilación Transistor-transistor logic ( Lógica transistor-transistor ) Microcontrolador Microfaradio Uninterruptible power supply ( Fuente de poder ininterrrumpible ) Microsegundo Universal synchronous/asynchronous receiver transmitter ( Transmisorreceptor universal síncrono/asíncrono ) Universal Serial Bus ( Bus serie universal ) Volts corriente directa Wireless Fidelity ( Fidelidad inalámbrica ) ix
NOMENCLATURA C C PIN C RETEN E(n) E(t) F f c F OSC h FE I B I B(max) I B(sat) I C(max) I C(sat) I f I FUGA I max K I K P R IC R R s R ss S S T ACQ T AMP T C T COFF T I VAIN V BE(on) V CC V CE(on) V CE(sat) V DD V ef V f V inst V p V T Δt max ω c Capacitor Capacitancia de entrada Capacitancia de muestreo y retención del DAC Error en tiempo discreto Error en tiempo continuo Frecuencia Frecuencia de corte Frecuencia de oscilador Ganancia de corriente Corriente de base Corriente máxima de base Corriente de base cuando el transistor esta en saturación Corriente máxima de colector Corriente de colector cuando el transistor esta en saturación Corriente del fotodiodo en polarización directa Corriente de fuga en la terminal debido a varias conexiones Corriente máxima Ganancia integral Ganancia proporcional Resistencia de interconexión Resistencia Impedancia de la fuente Impedancia del interruptor interno de muestreo Interruptor de muestreo Tiempo mínimo de adquisición Tiempo de establecimiento del amplificador Tiempo de carga del capacitor de retención Coeficiente de temperatura Voltaje analógico de entrada Voltaje entre base y emisor cuando el transistor esta en funcionamiento Voltaje de alimentación Voltaje entre colector y emisor cuando el transistor esta en funcionamiento Voltaje entre colector y emisor cuando el transistor esta en saturación Voltaje del dispositivo Voltaje eficaz Voltaje de diodo en polarización directa Voltaje instantaneo Voltaje pico Voltaje de umbral Aumento máximo de temperatura Frecuencia de corte x
Capítulo. Introducción CAPÍTULO. INTRODUCCIÓN
Capítulo. Introducción.. Antecedentes Los sistemas de adquisición de datos se utilizan cada vez más en laboratorios, industria y educación. Puede ser sólo para la lectura de las variables físicas (presión, nivel, temperatura y flujo por ejemplo), para visualizar el estado de un proceso o bien, para el procesamiento de estas variables con la finalidad de controlar un proceso. Con un sistema de adquisición de datos se puede obtener el valor de las variables físicas. También es posible llevar un registro de los valores de las variables del proceso. Muchos procesos industriales se monitorean y/o controlan con tarjetas de adquisición de datos y una computadora, además de graficadores y de registradores. La mayoría de estas aplicaciones usan módulos de adquisición de datos compatibles con la computadora para adquirir datos y transferirlos directamente a la memoria de la computadora. Estos módulos de adquisición de datos pueden conectarse de forma interna (PCI, PXI) o externa (PCMCIA, USB, IEEE 94 o RS) a la computadora por alguno de los puertos disponibles, por ejemplo los que se describen en la sección.. de Módulos de adquisición de datos... Descripción del problema La mayoría de las tarjetas de adquisición de datos comerciales son de aplicación específica, esto es, operan adquiriendo y enviando información por medio del puerto serie, paralelo, USB o por los puertos ISA y PCI, etc., a una computadora, pero no pueden operar de forma autónoma. El término tarjeta autónoma se refiere a que la tarjeta puede por sí misma (sin necesidad de la computadora), adquirir, procesar, calcular y enviar los valores de las acciones de control para la operación de algún mecanismo o proceso. El término programable a que permite que el programa de control de la tarjeta pueda ser modificado para la aplicación que se deseé monitorear y/o controlar. En el Departamento de Ciencias Computacionales del cenidet se requiere del uso de tarjetas de adquisición de datos que sean capaces de trabajar de forma autónoma para pruebas de interacción con el entorno empleando visión elemental, esto es, empleando sensores digitales; de proximidad, infrarrojos, de color, etcétera. De igual manera en algunos cursos de la Maestría en Mecatrónica se requiere de este tipo de tarjetas para la realización de prácticas. El grupo de visión artificial del cenidet está en condiciones de modelar y solucionar problemas de inspección elemental, pero no ha encontrado una tarjeta comercial de adquisición de datos económica que trabaje de forma autónoma y satisfaga las condiciones necesarias para poder aplicar los algoritmos de control e interactuar con un proceso.
Capítulo. Introducción.. Estado del arte de sistemas de procesos En esta sección se describen los diferentes sistemas empleados sólo para adquisición de datos o bien, para la adquisición, procesamiento de datos y control, así como las partes que los conforman. Se denomina sistema de adquisición de datos al conjunto de elementos empleados para medir una o varias señales analógicas o digitales. Las etapas de un sistema son: Transductores y sensores Acondicionadores de señal Módulo de adquisición de datos Controlador (controlador lógico programable o PLC, computadora, asistente digital personal, microcontrolador)... Transductores y sensores La adquisición de datos comienza con el fenómeno físico a ser medido. Este fenómeno físico podría ser la temperatura de un recinto, la intensidad de una fuente luminosa, la presión dentro de una cámara, la fuerza aplicada a un objeto, etcétera. Un sistema de adquisición de datos efectivo puede medir todos estos diferentes fenómenos. Un transductor es un dispositivo que convierte de un tipo de energía a otro. El sensor es un transductor que convierte una magnitud física a otra para facilitar su medición, específicamente a una señal eléctrica para módulos de adquisición de datos. La capacidad de un sistema de adquisición de datos para medir diferentes fenómenos depende de los sensores. Los sensores se clasifican de acuerdo al tipo de señal de salida en dos grupos: Sensores digitales Sensores analógicos Un sensor digital es aquel que entrega una salida del tipo discreta. Los sensores digitales entregan una salida de tipo binaria las cuales poseen dos estados posibles (0 y ). Los sensores digitales más comunes son: Interruptor, botón o pulsador. Microinterruptor. Sensores infrarrojos optoacoplados. o De reflexión. (utilizados para detectar la presencia de objetos) o De ranura. (utilizado en encoders)
Capítulo. Introducción Un sensor analógico es aquel que puede entregar una salida variable dentro de un determinado intervalo; por ejemplo, entre 0 y 5 Volts. Los sensores analógicos más comunes son: Resistencia variable. Sensor de temperatura. Fotorresistencia. (Mide la intensidad de la luz)... Acondicionadores de señales El problema de varios transductores es que generan señales demasiado difíciles o peligrosas de medir directamente con un módulo de adquisición de datos. Por ejemplo, cuando se trabaja con alto voltaje, en ambiente con ruido eléctrico, con señales extremadamente altas o bajas o para la medición simultánea de varias señales. Es por esto que es necesario acondicionarlas para que el módulo de adquisición de datos pueda medirlas con mayor precisión. Este proceso es conocido como acondicionamiento de señales e incluye funciones como amplificación, atenuación, filtrado, aislamiento eléctrico y multiplexeo.... Módulos de adquisición de datos La mayoría de los módulos de adquisición de datos tienen entradas, tanto analógicas como digitales y funcionan solamente con conexión a la computadora. Estos módulos operan únicamente en lazo abierto para el monitoreo de variables. Otros módulos con conexión a la computadora tienen tanto entradas como salidas (analógicas y digitales). Éstas no pueden ser programadas para calcular una acción de control. La activación de las salidas depende de las acciones de control provenientes de la computadora. Ver figura.. Señales de entrada Señales de salida Acondicionamiento de señales Señales enviadas a la PC Señales recibidas desde la PC Figura. Módulo de adquisición de datos. Algunos equipos pueden estar monitoreando las variables de un proceso y guardar los datos en una memoria de tipo Flash, poder sustituir esta memoria y conectarla en una computadora para descargar los datos almacenados. 4
Capítulo. Introducción Otros equipos de adquisición de datos pueden aplicar un procesamiento matemático a una señal de entrada (por ejemplo la transformada rápida de Fourier) pero esta característica es programada de fábrica y sólo puede ser configurada. Un sistema tiene: entradas y salidas (tanto analógicas como digitales), conexión opcional a un controlador y esencialmente cuenta con un controlador interno que permite el procesamiento de los datos de entrada y tomar decisiones sin la necesidad de un controlador externo. Ver figura.. Acondicio namiento de señales de entrada Señales de salida Opto acopla dores Controlador interno Opto acopla dores Señales enviadas a la PC Señales recibidas desde la PC Figura. Diagrama a bloques de un sistema. Respecto a los módulos de adquisición de datos, éstos pueden clasificarse en dos grandes grupos: las tarjetas internas, conectadas internamente a un bus de una computadora como el bus PCI; y los módulos externos, que se conectan a la computadora por medio de un puerto de comunicación como el puerto paralelo, el puerto serie RS, el puerto Firewire y el puerto USB, el cual es el más usado actualmente. Actualmente, las tarjetas de adquisición de datos se aplican en la industria, existen varias empresas que se dedican a la fabricación de dichas tarjetas en una amplia variedad de características y precios. Las características más importantes de las tarjetas de adquisición de datos son: Tabla. Características más importantes de las tarjetas de adquisición de datos. Número de entradas/salidas Tipo de entradas/salidas Resolución Intervalo Frecuencia de muestreo Puerto de conexión Cantidad de entradas/salidas disponibles. La señal que procesa puede ser analógica o digital. Valor mínimo que puede identificarse de una señal analógica. Los niveles de voltaje o corriente permitidos en la entrada/salida. La cantidad de muestras adquiridas en un segundo. El puerto por el que la tarjeta se conecta a la PC o a otra tarjeta. 5
Capítulo. Introducción En la tabla. se muestran algunas tarjetas comerciales de adquisición de datos. Tabla. Sistemas comerciales de adquisición de datos. USB-6008 Voltaje de alimentación (V) Memoria de programa (KBytes) USB -- Memoria de datos -- Entradas analógicas 8 Resolución de entrada (bits) Frecuencia de muestreo (muestras /segundo) 0,000 Intervalo de entrada (V) ± a ±0 Salidas analógicas Resolución de salida (bits) E/S digitales Intervalo de salida (V) 0 a 5 Puerto de comunicación con PC USB Precio (pesos mexicanos) $,600 Fabricante National Instruments T.P. Tarjeta programable -- No tiene USB-6009 USB -- -- 8 4 48,000 ± a ±0 0 a 5 USB $,700 National Instruments DT980 USB -- -- 8 0 5,000 0 a.44 -- -- 0 0 a 5 USB $,600 Data Translation DI-94RS RS -- -- 4 0 40 ± 0 -- -- -- -- RS $00 DATAQ Instruments DI-54RS RS -- -- 4 40 ± 0 -- -- -- -- RS $,650 DATAQ Instruments DI-58 USB -- -- 4 4,400 ± 0 4 0 a 5 USB $,00 DATAQ Instruments DI-48U USB -- -- 8 0 4,400 ± 0 -- -- 6 0 a 5 USB $550 DATAQ Instruments DI70 9-6 -- Tarjeta SD removible MB GB 6 4 4,800 ± 0 -- -- 8 0 a 5 USB/E THERNET $5400 a $8700 DATAQ Instruments 6
Capítulo. Introducción..4. Controladores Las funciones del controlador de un sistema de adquisición de datos son: Visualizar las variables provenientes de los sensores. Procesar las señales de entrada. Calcular una acción de control. Registrar y/o graficar las señales de entrada. Los principales controladores para sistemas de adquisición de datos son: Controlador lógico programable (PLC) Computadora Asistente digital personal (PDA) Microcontroladores..4.. Puertos para los módulos de adquisición de datos Los módulos de adquisición de datos pueden utilizar uno o varios puertos para comunicarse con un controlador o con otros dispositivos. En términos de computación, un puerto es una forma genérica de denominar a una interfaz por la cual diferentes tipos de datos pueden ser enviados y recibidos. La interfaz puede ser física o a nivel software (por ejemplo, los puertos que permiten la transmisión de datos entre diferentes computadoras). En la tabla. se muestran los puertos disponibles ordenados por medio de transmisión (alámbrico o inalámbrico), tipo de transmisión (paralelo o serie) y velocidad de transmisión. 7
Capítulo. Introducción Puerto Formato Tabla. Comparación de puertos de comunicación. [] Número máximo de dispositivos Longitud máxima (m) Velocidad máxima (bits/s) LPT Paralelo -9 8M Aplicación típica Impresoras, escaners, unidades de disco IEEE-488 (GPIB) Paralelo 5 8 8M Instrumentación RS- 0k (5k con Serial Modem, ratón, (EIA/TIA- 5-0 hardware asíncrono instrumentación extra) MIDI Lazo de Música, control de 5.5k corriente serial espectáculos Microwire Serial síncrono 8 M Comunicación entre microcontroladores Comunicación SPI Serial síncrono 8.M entre microcontroladores I C Serial síncrono 40 5.5.4M Comunicación entre microcontroladores USB Ratón, unidad de Serial.5M, M, 7 5 disco, modem, asíncrono 480M audio RS485 Sistemas de Serial cargas (TIA/EIA- 0 0M adquisición de asíncrono unitarias 485) datos y de control Ethernet Serial 04 490 0M/00M/G PC en red IEEE- Video, 94 (FireWire) Serial 64 4.5 400M almacenamiento masivo IrDA Bluetooth Wi-Fi (IEEE 80.x) Serial asíncrono infrarrojo Serial radiofrecuencia Serial radiofrecuencia.8 5k 0 7k Impresoras, asistente digital personal (PDA) Teléfonos celulares, PDAs, videocámara 60 M, 54M PC en red 8