ADQUISICIÓN Y MANILUPACIÓN DE DATO PROTOCOLO Fechas Mes/año Clave 1-EI-CI-03 Semestre Elaboración dic/2013 Nivel Licenciatura X Maestría Doctorado Aprobación Ciclo Integración Básico Superior X Aplicación Colegio H. y C.S. C. y T. X C. y H. Planes de estudios del que forma parte: Ingeniería en Sistemas Electrónicos Industriales (ISEI) Propósito(s) general(es) : El estudiante implementará sistemas electrónicos de lectura de datos desde una interfaz y sensores en general. Estos sistemas facilitarán la representación, análisis e interpretación de la información en aplicaciones tales como control de sistemas, monitoreo de variables o para el diseño de experimentos. Carácter Modalidad Horas de estudio semestral (16 semanas) Seminario Taller Con Teóricas 96 Indispensable Autónomas Teóricas 32 Docente Curso Curso-taller X Prácticas Prácticas Carga horaria semanal: Carga horaria Optativa * X Laboratorio X Clínica 6 x 16 = 96 semestral: 118 Asignaturas Previas Análisis de señales (1-CT-IG-02) Amplificación y acondicionamiento de señales (1-CT- EI-03) Comunicaciones y electrónica (1-CT-EI-06) Procesamiento digital de señales (1-CT-EL-10) Microprocesadores y periféricos (1-CT-EI-09) Asignaturas Posteriores: Automatización de procesos (1-EI-CI-05)
Conocimientos: Análisis de señales. Manejo de los distintos tipos de señales electrónicas de voltaje y de corriente. Manejo de operaciones y transformaciones sobre seales. Amplificación y acondicionamiento de señales. Conocimiento sobre técnicas y circuitos para el acondicionamiento de señales eléctricas. Requerimientos para cursar la asignatura Comunicaciones y electrónica. Conocimiento sobre técnicas y circuitos para la transmisión de señales. Conocimiento sobre estándares para el manejo de puertos de comunicación. Procesamiento digital de señales. Conocimiento sobre el diseño de filtros y la programación de algoritmos digitales. Microprocesadores y periféricos. Capacidad para programar microprocesadores para el manejo de periféricos y etapas de potencia eléctrica. Habilidades: Manejo de software especializado para la programación de ecuaciones y funciones de transferencia. Interpretación física de gráficas de señales de comportamiento. Perfil deseable del profesor: Un grado académico de nivel de Maestría en Ingeniería en electrónica, su equivalente o superior, con amplios conocimientos de la materia Tener como mínimo la capacitación docente que se requiere para el acondicionamiento de señales. Conocimientos actualizados en lo que respecta a los temas que conforman el curso. Manejo de herramientas computacionales (simulación). Academia responsable del programa: Academia de Ingeniería Diseñador (es): Dr. Daniel Noriega Pineda
ADQUISICIÓN Y MANIPULACIÓN DE DATOS (1-EI-CI-03) Introducción. El curso de Adquisición y Manipulación de Datos (1-EI-CI-03) permite al estudiante aplicar los conocimientos y habilidades adquiridas en cursos previos (véase la sección de Asignaturas Previas del protocolo) para resolver problemas relativos al manejo de información con fines ya sea de monitoreo, control o experimentación. Para tal fin, el estudiante de la carrera de Ingeniería en Sistemas Electrónicos Industriales (ISEI) evaluará la tecnología a emplear más conveniente, esto es, sistemas basados en electrónica analógica, basados en microprocesadores o basados en tarjetas de adquisición de datos. Este conocimiento se aplicará en cursos posteriores de la opción terminal de Control e Instrumentación, principalmente el curso de Automatización de Procesos (1-EI-CI-05). Panorámica de su estructura y contenidos: El curso se encuentra dividido en cinco temas. El primer tema busca ubicar al estudiante en la clase de problemática que será tratada en el curso: la adquisición, manipulación y presentación de información; Al mismo tiempo busca explicar la importancia de definir la tecnología más conveniente para su implementación. En el segundo tema se establecen las condiciones de muestreo y cuantificación de la información que más convienen de acuerdo al tipo de señales que se desea manejar. El siguiente tema trata sobre las etapas básicas del proceso de adquisición: acondicionamiento de señal, conversión de señal y análisis del error. El cuarto tema se refiere a los distintos procesos de manipulación de la señal, su tratamiento y su presentación final. El tema cinco permitirá al estudiante desarrollar sistemas de adquisición y manipulación de la señal, basados en computadoras personales y tarjetas de adquisición de datos. Propósitos generales del curso. El estudiante implementará sistemas electrónicos de lectura de datos desde una interfaz y sensores en general. Estos sistemas facilitarán la representación, análisis e interpretación de la información en aplicaciones tales como control de sistemas, monitoreo de variables o para el diseño de experimentos. Contenidos organizados. 1. Conceptos Generales El estudiante identificara el tipo de problemática que debe resolver para adquirir y manipular información proveniente de sensores o de instrumentos de medición. 1.1. Fundamentos de la adquisición y distribución de señales 1.1.1. Transducción 1.1.2. Conversión analógica a digital
1.1.3. Acondicionamiento de señal 1.2. Arquitecturas para adquisición y distribución de señales 1.3. Ideas generales sobre el diseño de sistemas de adquisición y distribución de señales 1.3.1. Software y hardware para la adquisición de señal 1.3.2. La PC y los sistemas basado en microprocesador 1.3.3. Comunicación de señales 1.4. Objetivos de la etapa de procesamiento de señal 2. Muestreo, cuantificación y codificación De acuerdo a la naturaleza de la seña a tratar, el estudiante determinará las características de muestreo, cuantificación y codificación que un instrumento o equipo debe cumplir para lograr una adecuada adquisición de la información. 2.1. Muestreo de señales 2.1.1. Muestreo natural 2.1.2. Muestreo ideal uniforme 2.1.3. Muestreo de señales pasabanda 2.1.4. Muestreo repetitivo secuencial 2.2. Cuantificación 2.2.1. Cuantificación uniforme 2.2.2. Cuantificación no uniforme 2.3. Codificación 2.3.1. Códigos binarios unipolares 2.3.2. Códigos binarios bipolares 3. Adquisición de datos El estudiante conocerá las ventajas y desventajas de implementar las etapas de un sistema de adquisición de datos mediante sistemas basados en tecnologías analógicas, sistemas basados en microprocesador o combinación de ambos. 3.1. Introducción 3.1.1. Señales eléctricas para transmisión de señal 3.1.2. Circuitos para la adquisición de datos 3.1.3. Estándares industriales 3.2. Problemas de adquisición de señal 3.2.1. Errores en el acondicionamiento de señal 3.2.2. Multiplexado por división de tiempo 3.3. Acondicionamiento de señal 3.3.1. Amplificación 3.3.2. Aislamiento 3.3.3. Filtrado 3.3.4. Linealización 3.4. Conversión analógica a digital (A/D) y digital a analógica (D/A) 3.4.1. Técnicas de conversión A/D y D/A 3.4.2. Circuitos para la conversión A/D y D/A
3.5. Análisis de errores 3.5.1. Tipos de errores 3.5.2. Fuentes de errores 3.5.3. Alternativas de corrección 4. Procesamiento de señales El estudiante manipulará la señal adquirida para resolver problemas de análisis y de tratamiento de la señal. 4.1. Objetivos generales 4.2. Operaciones con señales 4.2.1. Operaciones con señales analógicas 4.2.2. Operaciones con señales digitales 4.3. Calibración de instrumentos 4.3.1. Linealización analógica 4.3.2. Corrección de derivas 4.3.3. Demodulación síncrona 4.4. Filtrado 4.4.1. Uso de la transformada rápida de Fourier 4.4.2. Filtrado de señal 4.5. Conversiones de código y despliegue de datos 5. La PC como plataforma para la adquisición de datos El estudiante utilizará la computadora personal, tarjetas de adquisición de datos y software especializado, para diseñar e implementar sistemas de adquisición y manipulación virtuales. 5.1. Tarjetas de adquisición de datos 5.1.1. Canales de entrada y de salida 5.1.2. Resolución, rango dinámico y precisión 5.1.3. Taza de muestreo 5.1.4. Entradas simples y diferenciales 5.2. Adquisición de datos basada en microprocesadores 5.3. Software para adquisición y manipulación de datos 5.4. Introducción a los sistemas SCADA Metodología del curso. A continuación se presentan algunas sugerencias en relación con la metodología a utilizar por el profesor: Estudio previo de los temas por parte del estudiante. Es fundamental que el estudiante investigue los temas previamente a cada sesión ya sea mediante búsquedas bibliográficas o por internet. Clase teórica. Las sesiones de clase tendrán como propósito dar coherencia a los temas investigados por el estudiante y delimitar la profundidad y el alcance de los mismos.
Clases de problemas: Enunciar y plantear en los días anteriores a cada clase diversos problemas para que el alumno piense posibles soluciones. Se recomienda que las soluciones de los problemas planteados sean validados mediante simulación por computadora o mediante prácticas de laboratorio siempre que sea posible. Es importante considerar las habilidades que el estudiante debe desarrollar con respecto del manejo de los dispositivos y del equipo de laboratorio. Estas habilidades se deben desarrollar por medio de Prácticas de laboratorio: Enfocadas a que el estudiante compruebe en la práctica el material estudiado en el aula de clases. Practicas de simulación: Enfocadas a que el estudiante aplique el material estudiado en clase apoyándose en software especializado. Evaluaciones. Evaluación diagnóstica: Se aplicará un examen escrito que explore el dominio del estudiante de los distintos temas señalados en la sección Requerimientos para cursar la asignatura del protocolo. La ponderación de los reactivos de dichos exámenes se realizará en función de la complejidad del ejercicio a resolver, el número de reactivos deberá ser adecuado para un tiempo máximo de solución (por el estudiante) de una hora y media. Evaluaciones formativas. Con el fin de dar seguimiento al aprovechamiento del estudiante se recomienda la realización de cuatro evaluaciones formativas de manera escrita. La primera se aplicará al término del tema 1 para corroborar que el estudiante es capaz de dimensionar el problema a resolver. La segunda evaluación abarcará los temas 2 y 3 donde los estudiantes demostrarán su capacidad para adquirir señales. La tercera evaluación establecerá la capacidad del estudiante de manipular la información adquirida. La cuarta evaluación se enfocará en la capacidad del estudiante de diseñar un sistema de adquisición y manipulación de datos basado en PC. Al término de cada una de las evaluaciones formativas se hará saber al estudiante sus deficiencias en los temas relacionados y en consecuencia se propondrán estrategias para subsanar tales fallas, como por ejemplo el estudio de lecturas recomendadas, la realización de ejercicios de laboratorio o de simulación para reforzar o clarificar los conocimientos y las asesorías por parte de los profesores del área. Evaluación para certificación: En el instrumento de certificación se evaluarán los conocimientos adquiridos por el estudiante sobre todos los temas tratados durante el curso. Este instrumento se compone de un examen escrito y un trabajo de laboratorio: El primero busca evaluar los conocimientos teóricos generales indicados en el programa del curso, la segunda parte
es una evaluación de las capacidades del estudiante para implementar un sistema de adquisición y manipulación funcional. De acuerdo al objetivo del programa y al contenido del temario el examen de conocimientos tendrá un peso no mayor al 40% de la calificación de certificación, en tanto que el trabajo de laboratorio debe ponderarse con un máximo del 60% de la calificación. Bibliografía: [1] Proakis, J., Manolakis, D.; Tratamiento digital de señales. 4ta ed., Pearson [2] Hans-Petter H., Data Acquisition in LabView. Falculty of Technology, Telemark University College. [3] King, Robert, Introduction to Data Adquisition with LabView. McGraw-Hill, 2012. [4] Fornetti Francesco, Instrumentation control, data acquisition and processing with Matlab. Explore RF Ltd. 2013. Otros recursos didácticos. El curso deberá apoyarse en lo siguiente: Simulación digital: Computadoras personales, software de simulación especializado (se recomienda MATLAB y LabView) Sesión de clase: Computadora personal y cañón de proyección. Laboratorio: Plantas de entrenamiento, osciloscopios, generadores de señal, fuentes de alimentación de CD.