UNIVERSIDAD CENTRAL DE VENEZUELA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA, COMPUTACIÓN Y CONTROL LABORATORIO DE PROYECTOS
PROF. SIMÓN MORALES
Implementación de un Sistema de Adquisición y Representación de Datos usando ArduinoUNO+MATLAB ArduinoUNO+MATLAB
José Luis Colmenares 19.710.456
Introducción
La realización de montajes y experimentos con circuitos eléctricos en un laboratorio es una actividad recurrente para todo estudiante de ingeniería eléctrica o carreras relacionadas con la electricidad y electrónica; y los estudiantes de la Escuela de Ingeniería Eléctrica no son la excepción. En distintas materias del pensum se exigen o se recomienda al estudiante realizar experimentos en el laboratorio para poder comprender el entendimiento de los fenómenos eléctricos bajo estudio. Ahora bien, se presentan varias complicaciones de carácter técnico y humano. En el aspecto técnico nos referimos a problemas de infraestructura y dotación de los laboratorios, es indudable que la cantidad de equipos de medición disponibles se ha reducido con el pasar de los años y la falta de recurso no ha permitido a la administración de la escuela adquirir equipos nuevos. En el aspecto humanos nos referimos a las complicaciones en las que se pueda ver envuelto el estudiante por no tener preparado algún montaje o porque el mismo no funcione, reduciendo el tiempo efectivo en el laboratorio lo cual va en detrimento de su rendimiento académico ya que no puede realizar la práctica completa ya que el tiempo en el que el laboratorio está abierto es limitado Este proyecto viene a solucionar los problemas antes mencionado ya que le permite al cualquier aficionado a la electrónica o estudiante de ingeniería eléctrica poder observar y estudiar las señales de voltaje en diversos puntos de su montaje de forma económica y siempre accesible, ya que sólo necesitan de un Arduino Uno y el software MatLab. Por lo que les permite estudiar sus experimentos realizándolos desde su propia casa. Objetivo General
Implementar un sistema de adquisición de datos de señales con una frecuencia de hasta 100Hz utilizando el hardware Arduino como tarjeta de adquisición y el software MatLab 2013b como sistema de análisis de señales. Objetivos Específicos
-
Definir cuál será el baudrate máximo de comunicación serial entre el Arduino UNO y el tipo de lenguaje de comunicación serial Programar el Arduino UNO como tarjeta de adquisición e impresión de datos en el puerto serial Realizar un código en MatLab utilizando lenguaje C que permite tomar los datos que se imprimen en el puerto serial y graficarlos Diseñar y hacer el montaje del circuito auxiliar que permita variar ampliar el rango de voltajes de entrada desde -5volts a 5volts Plantear el diseño una GUI en el entorno de MatLab
Marco Teórico
Adquisión de Datos La adquisición de datos o adquisición de señales, consiste en la toma de muestras del mundo real (señales analógicas) para generar datos que puedan ser manipulados por un ordenador u otros instrumentos electrónicos (señales digitales). Usualmente se requiere una etapa de acondicionamiento, que adecua la señal a niveles compatibles con el elemento que hace la transformación a señal digital. El elemento que hace dicha transformación es el módulo de digitalización o tarjeta de Adquisición de Datos (DAQ). Los componentes de los sistemas de adquisición de datos, poseen sensores adecuados que convierten cualquier parámetro de medición de una señal eléctrica, que se adquiriere por el hardware de adquisición de datos. Los datos adquiridos se visualizan, analizan, y almacenan en un ordenador, ya sea utilizando el proveedor de software suministrado u otro software De la misma manera que se toma una señal eléctrica y se transforma en una digital para enviarla al ordenador, se puede también tomar una señal digital o binaria y convertirla en una eléctrica. En este caso el elemento que hace la transformación es una tarjeta o módulo de Adquisición de Datos de salida, o tarjeta de control. La señal dentro de la memoria del PC la genera un programa adecuado a las aplicaciones que quiere el usuario y, luego de procesarla, es recibida por mecanismos que ejecutan movimientos mecánicos, a través de servomecanismos, que también son del tipo transductores. Un sistema típico de adquisición utiliza sensores, transductores, amplificadores, convertidores analógico - digital (A/D) y digital - analógico (D/A), para procesar información acerca de un sistema físico de forma digitalizada.
Bit de Resolución Número de bits que el convertidor analógico a digital (ADC) utiliza para representar una señal.
Rango Valores máximo y mínimo entre los que el sensor, instrumento o dispositivo funcionan bajo unas especificaciones.
Teorema de Nyquist En el campo del procesamiento de señales digital, el Teorema del Muestreo es el puente fundamental entre señales continuas (sistemas analógicos) y señales discretas (sistemas digitales). Estrictamente hablando, sólo es aplicables para la aquellas funciones matemáticas que cuya transformada de Fourier es cero afuera de una región finita de frecuencias, pero en la práctica se aplica a todo tipo de señales continuas El muestreo es el proceso de convertir una señal en una secuencia numérica; intuitivamente se espera que al pasar una función continua a una secuencia discreta
(también llamadas “muestras”), y se interpole o se regrese de nuevo a una función
continua, la fidelidad del resultado dependa de la densidad de las muestras originales. El Teorema de Muestreo introduce el concepto de que la frecuencia de muestreo que es suficiente para representar fielmente las funciones, el enunciado indica: “Si una función x(t) contiene frecuencia no mayores que B[Hz], estará completamente determinada por una serie ordenada de puntos espaciados por 1/2B segundos”. Es decir, que una frecuencia de muestreo suficiente será 2B[Hz].
MATLAB
MATLAB (Matrix Laboratory) es un entorno de cálculo numérico de multiple parámetros y lenguaje de programación de cuarta generación. Desarrollado por MathWorks, MATLAB permite manipulaciones matriciales, dibujo de las funciones y datos, implementación de algoritmos, la creación de interfaces de usuario y la interfaz con los programas escritos en otros lenguajes, incluyendo C, C + +, Java y Fortran. Aunque MATLAB está pensado principalmente para computación numérica, una caja de herramientas opcional utiliza el motor simbólico MuPAD, permitiendo el acceso a las capacidades de cálculo simbólico. Un paquete adicional, Simulink, añade gráfica de simulación multidominio y diseño basado en modelos para sistemas dinámicos y embebidos. En 2004, MATLAB tenía alrededor de un millón de usuarios en la industria y el mundo académico Los usuarios de MATLAB provienen de diferentes ámbitos de la ingeniería, la ciencia y la economía. MATLAB es ampliamente utilizado en las instituciones académicas y de investigación, así como las empresas industriales. Arduino Uno Arduino es un microcontrolador de una placa, la intención de hacer que la aplicación de objetos interactivos o entornos más accesibles. El hardware consiste en una placa de hardware de código abierto diseñado en torno a un microcontrolador de 8-bit Atmel AVR, o una de 32 bits de Atmel ARM. Los modelos actuales cuentan con una interfaz USB, 6 pines de entrada analógica, así como 14 pines de Entrada/Salida digitales que permiten al usuario conectar varios tableros de extensión, así como también con salidas de voltaje DC positivo para alimentar los circuitos. Introducida en 2005, la plataforma Arduino fue diseñado para proporcionar una manera barata y fácil para aficionados, estudiantes y profesionales para crear dispositivos que interactúan con su entorno por medio de sensores y actuadores. Los ejemplos más comunes para los aficionados principiantes incluyen robots sencillos, termostatos y sensores de movimiento. Viene con un sencillo entorno de desarrollo integrado (IDE) que se ejecuta en computadoras personales regulares y permite a los usuarios escribir programas para Arduino usando C o C + +. Para el proyecto se utilizará un Arduino UNO el cual sólo se puede utilizar con voltajes positivos que estén dentro del rango de 0v a 7v.
Osciloscopio Un osciloscopio es un tipo de instrumento de prueba electrónico que permite la observación constante de la variación del voltaje de uno o varias señales. Las señales no eléctricas (por ejemplo, sonido o vibración) pueden ser convertidas en tensiones y luego mostradas Los osciloscopios se utilizan para observa el cambio de una señal eléctrica a través del tiempo, de tal manera que la tensión y la forma se grafican de manera constante sobre un escala calibrada. La forma de onda observada puede ser analizada por propiedad tales como su amplitud, frecuencia, tiempo de subida, intervalo de tiempo, distorsión y otros. Instrumentos digitales modernos pueden calcular y visualizar directamente estas propiedades. La disposición básica de un osciloscopio es la siguiente
El proyecto que se realizó busca emular de la manera más cerca posible la respuesta del sistema a la obtenida mediante un osciloscopio, utilizando elementos sencillos y de un consto mucho más económico que el de lo que cuesta un osciloscopio comercial.
Integrado MAX232 El MAX232 es un circuito integrado de Maxim que convierte las señales de un puerto serie RS-232 a señales compatibles con los niveles TTL de circuitos lógicos. El MAX232 sirve como interfaz de transmisión y recepción para las señales RX, TX, CTS y RTS. El circuito integrado tiene salidas para manejar niveles de voltaje del RS-232 (aprox. ± 7.5 V) que las produce a partir de un voltaje de alimentación de + 5 V utilizando multiplicadores de voltaje internamente en el MAX232 con la adición de condensadores externos. Esto es de mucha utilidad para la implementación de puertos serie RS-232 en dispositivos que tengan una alimentación simple de + 5 V. La distribución de los pines en el chip es la siguiente:
-C1+: Conexión positiva del condensador C1 del
doblador de voltaje +v a +10V -C1-: Conexión negativa del condensador C1 del doblado de voltaje de +5V a +10V -C2+: Conexión positiva del condensador C2 del inversor de voltaje de +10V a -10V -C2-: Conexión negativa del condensador C2 del inversor de voltaje de +10V a -10V -V-: Conexión de salida del voltaje de -10V. -V+: Conexión de salida del voltaje de +10V. -T1in , T2in ,R1out ,R2out: Conexiones a niveles de voltaje de TTL o CMOS. -T1out , T2out ,R1in ,R2in: Conexiones a niveles de voltaje del protocolo RS-232. -VCC: Alimentación positiva del MAX232 -GND: Alimentación negativa del MAX232
Este chip será crucial para el funcionamiento del circuito ya que es con el que lograremos la alimentación de ±10volts necesaria para los amplificadores operacionales. El datasheet del MAX232 se adjunta en los anexos del informe allí se encontrará el circuito de aplicación en mayor detalle.
Integrado UA747CN El UA747CN es un amplificador operacional de uso general dual con capacidad de anular la tensión offset. Cada mitad es eléctricamente similar a un UA741. El rango de alta tensión de entrada en modo común y la ausencia de latch-up hacen de este amplificador ideal para aplicaciones seguidoras de voltaje. El dispositivo está protegido contra cortocircuitos y la compensación de frecuencia interna de garantizar la estabilidad y sin componentes externos. Este amplificador fue el elegido para realizar el circuito con el que se busca ampliar los voltajes de entrada permitidos por el dispositivo de adquisición de datos hasta valores negativos de voltaje, ya que el Arduino UNO sólo trabaja con voltaje positivos.
En la sección de Metodología se explicará en detalle el circuito diseñado así como el funcionamiento del mismo
Alcance y Limitaciones
Al comenzar el proyecto, las limitaciones al proyecto que fueron consideradas fueron orientadas principalmente hacia: - La velocidad máxima de comunicación entre el Arduino y la PC vía puerto USB. - El rango de voltajes con los que puede actuar el Arduino UNO - La velocidad de procesamiento de la PC - La velocidad de procesamiento del Arduino UNO Por esta razón el alcance de este proyecto será limitado, principalmente respecto a los rangos de frecuencia con los que se puede trabajar si lo comparamos con un osciloscopio. La velocidad de procesamiento y de comunicación serial del Arduino UNO viene limitada por el cristal que está acoplado al microprocesador ATmega328P, que es este caso será de 16MHz. La Table 19-12 que se encuentra en el datasheet del procesador muestra que si el ATmega328 está configurado para trabajar de forma asincrónica (U2Xn = 1) el equipo podrá comunicarse sin problemas para baudrates(bps) de hasta 76.8k
Por otra parte, el estándar USB 2.0 tiene una velocidad máxima de comunicación en la práctica de aproximadamente 280Mbit/s (o 35 MB/seg); dado que la comunicación USB codifica por paquetes de 1 bit, esta efectivamente sería la velocidad útil de transmisión. Por último, el proyecto espera ser ejecutado en una PC con procesador Intel Core i5™,
la cual tiene un velocidad de procesamiento más que suficiente para la aplicación que se le quiere dar.
De ésta forma quedan descartadas las tres primeras hipótesis acerca de las limitaciones del proyecto. La última hipótesis a considerar es la velocidad de procesamiento y de ejecución de las instrucciones programadas en el microprocesador por medio del IDE de Arduino, la cual es la limitación principal y de la que se hablará en mayor profundidad en la sección de Metodología de éste informe. El alcance de éste por sobretodo académico, pero busca que dar opciones económicas para que el estudiante venezolano pueda realizar experimentos donde se necesiten analizar las señales analógicas. Metodología Siguiendo los “pasos” indicados en los objetivos específicos, e n primer lugar se realizó
un montaje básico (mostrado en el Esquema 1), y se programó el microprocesador con una función cuyo objetivo fue probar la programación del Arduino UNO para que pudiera leer dos entradas analógicas e imprimirlas en el puerto serial.
En el IDE del Arduino se realizó el programa SerialCom.ino que se muestra más adelante. Utilizando el Monitor Serial que proporciona la IDE se pudo observar como al ejecutar la serie de instrucciones el Arduino leía los valores de los puertos y luego imprimía en formato decimal dicho valores, con números entre 0 y 1024, en la siguiente línea imprimía el tiempo „time‟ en el cual indicaba los microsegundos que le tomaba
realizar todo el lazo principal. El tiempo de ejecución rondaba entre 840uSeg y 915uSeg. Para efectos prácticos el tiempo que le toma al microprocesador realizar el programa de lectura y escritura en los puertos será de aproximadamente 1mSeg, lo cual implica que la frecuencia de trabajo límite dada únicamente por la velocidad de procesamiento será de
( )
>> // SerialCom.ino >> /* Protocolo para comunicación entre Arduino Uno y la PC: >> programa básico, sólo lee la entradas analógicas en los >> puertos por medio de AnalogRead y luego desde MatLab nos >> encargaremos de utilizar los datos obtenidos */ >> >> //definir variables >> int out1 = 0; >> int out2 = 0; >> unsigned long time; >> >> void setup() { >> >>
// inicializar puerto serie Serial.begin(9600);
>> } >> >> void loop() { >> >>
// leer pines time=micros();
>> >>
out1 = analogRead(A0); out2 = analogRead(A1);
>> >>
// imprimir valor de pines Serial.print(out1,DEC);
>> >>
Serial.print(",");
>> >>
// imprimir tiempo que tarda en ejecutar el programa Serial.println(time);
>>
// esperar
>> >> }
delay(20);
Serial.println(out2,DEC);
>> // una vez identificado el tiempo que le toma al programa ejecutar la >> // instrucción ‘Leer->Imprimir’, se eliminó el comando imprimir ‘time’
A pesar del cálculo de frecuencia crítica previo hay otro aspecto que influye en gran medida en los parámetros del proyecto. El Teorema del Muestreo indica que para recuperar una imagen correctamente la frecuencia de muestreo debe ser al menos el doble de la frecuencia de la señal original, eso implica que para éste caso la frecuencia de las señales de entrada debe ser inferior a 500[Hz]. Pero esta aproximación también es insuficiente, ya que a 500[Hz] solo se tendrían 2 muestras por periodo de la señal; una proporción que se toma en la práctica es que para muestrear correctamente una señal se tomen de 8 a 10 muestras por periodo, de ésta forma la frecuencia máxima de las señales de entrada deben ser menores a 125[Hz], para frecuencias mayores se podrá recuperar la señal pero no con precisión. La instrucción Serial.print utiliza codificación ASCII decimal para imprimir en el puerto serial, ésta codificación utiliza 7 bits por cada carácter, lo que implica que el baudrate que se tomó inicialmente sería al menor a 10kbps. Por esta razón se utilizará un BaudRate de 9600.
Seguidamente se procedió a configurar MATLAB para tomar los datos impresos en el puerto USB y imprimirlos y en pantalla. Para ello se realizó el siguiente programa: >> %SerialGraf.m >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >>
%borrar datos previos previos delete(instrfind({'Port'},{'COM21'})); %crear objeto serie s = serial('COM21','BaudRate',9600,'Terminator','CR/LF'); warning('off','MATLAB:serial:fscanf:unsuccessfulRead'); %abrir puerto fopen(s);
% parámetros de medidas tmax = 10; % tiempo de captura en s rate = 33; % resultado experimental (comprobar) % preparar la figura f = figure('Name','Captura'); a = axes('XLim',[0 10],'YLim',[-5.1 5.1]); %SE CAMBIO EL LIMITE A 5 l1 = line(nan,nan,'Color','r','LineWidth',1); l2 = line(nan,nan,'Color','b','LineWidth',1); xlabel('Tiempo (s)') ylabel('Voltaje (V)') title('Captura de voltaje en tiempo real con Arduino') grid on hold on u = 1; %Variable de reescritura de la pantalla while u<=50 % inicializar v1 = zeros(1,tmax); % Creamos los vectores 'v1' y 'v2' que se v2 = zeros(1,tmax); % llenaran luego con los datos medidos i = 1; t = 0; % ejecutar bucle cronometrado tic while t<=tmax t = toc; % leer del puerto serie a = fscanf(s,'%d,%d',400)'; %leemos data de puerto serial v1(i)=((a(1)*10/1024)-5.1); % La multiplicación *10/1024 % es un factor de escala v2(i)=((a(2)*10/1024)-5.1); % necesario para poder aprox % las mediciones % dibujar en la figura x = linspace(0,i/rate,i); set(l1,'YData',v1(1:i),'XData',x); set(l2,'YData',v2(1:i),'XData',x); drawnow
%Tomamos valores de % 'l1' y y '12' %y los graficamos % con 'drawnow'
>> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >> >>
% seguir i = i+1; end u = u+1; end % resultado del cronometro clc; fprintf('%g s de captura a %g cap/s \n',t,i/t); %% Limpiar datos tomados fclose(s); delete(s); clear s;
El programa SerialGraf.m imprime, en intervalos de 10seg, las dos señales de voltaje de entrada en una ventana plot. Estos datos se irán sobrescribiendo cada vez, para mostrar valores de manera „continua‟ como en el caso de un osciloscopio real. Durante la
simulación también se le permite al usuario hacer zoom sobre los datos, con un ajuste en el código se puede ampliar o reducir el rango de tiempo en el que se adqueriran datos.. A continuación se muestra un ejemplo de las señales tomadas por el programa
Seguidamente se procedió a diseñar un circuito con el cual poder ampliar el rango de voltajes de trabajo del Arduino. El objeto de esto es darle mayor rango de utilidad al dispositivo permitiendo trabajar con voltajes negativos de hasta -5volts. Se necesitaba que los amplificadores utilizados en el circuito pudieran trabajar con voltaje negativos de entrada y también de salida, por esta razón se eligió el chip UA747CN, el cual tiene alimentación diferencial.
El hecho de que los Op-Amp tuvieran una alimentación diferencial fue un problema ya que el Arduino UNO tiene únicamente fuentes DC de voltaje positivo. Para solucionar esto se necesitó del chip MAX232 el cual permite obtener salida de ±10 volts. El circuito diseñado se muestra a continuación
En él se puede observar cómo se utilizan dos topologías, un No Inversor y un Sumador No Inversor para lograr que la salida siguiera el voltaje correctamente. La respuesta que se obtiene tanto para voltajes de entrada tanto positivos como negativos se muestra a continuación. En las siguientes gráficas la señal de entrada será de color amarillo y la señal de salida respectiva será de color rojo Respuesta del sistema para un Entrada Señoidal / Amplitud = 2.5v / OffSet = 2.5v
Respuesta del sistema para un Entrada Señoidal / Amplitud = 2.5v / OffSet = -2.5v
Como se puede extrapolar de las dos gráficas anteriores, para un señal de Entrada Senoidal de Amplitud = 5v / OffSet = 0v el circuito logra transformarla a una Señal Senoidal sin Desfase, de Amplitud =2.5 / OffSet =2.5, evitando así que voltajes negativo llegue a los puertos analógicos del Arduino UNO, lo que podrían ocasionar dañor irreversible en el funcionamiento de la placa Como último punto se desde proponer el diseño de una GUI que permita a una usuario manejar de manera fácil y rápida todos los características de interés de las señales de entrada. Se exploraron tres opciones: -
Utilizar el Softscope que proporciona MatLab en su Data Acquisition Toolbox, pero dicho Toolbox no se encontraba disponible y no se pudo utilizar.
-
Utilizar el Instrument Control Toolbox para configurar la lectura de los puestos seriales, pero el Arduino no presenta una codificación del mismo estilo de la que usa MatLab y por eso no fueron compatibles
-
Diseña un GUI utilizando el GUIDE de MatLab, ésta opción fue bastante atractiva pero afectó grandemente el rendimiento del sistema, ya que no era capaz de procesar en tiempo real.
Sea cual sea el caso, como la idea es emular un osciloscopio el Softscope es la opción más atractiva de todas pero lamentablemente no estaba disponible y no pudo descargarse de forma alternativas.
A continuación se muestra la ventaja del Softscope, en caso de programar un GUI se buscará que tenga un disposición similar a la que brinda el Softscope
Resultados
Una vez realizado todo el montaje se fueron probando cada una de las etapas del circuito diseñado. En primer lugar se probó el circuito la etapa con la cual se obtendría la alimentación diferencial necesaria para alimentar el circuito del amplificador operacional. Dicho circuito presentó problemas ya que los voltaje de salida del MAS232 no alcanzaron el voltaje necesario ni fueron simétricos, por esta razón se tuvo que descartar este método como alimentación para las demás etapas del circuito y se utilizó una fuente externa del laboratorio de control para la obtener una alimentación de ±12volts y 5volts. Luego se procedió a realizar las pruebas del circuito de amplificadores operacional, alimentando toda ésta etapa con una fuente DC del laboratorio. Este circuito funcionó tal y como se esperaba y como se observó en la simulación, el único inconveniente es que presentó algo de ruido y distorsión en la salida final, pero el circuito fue capaz de ampliar el rango de voltajes de trabajo del sistema de adquisición de datos Por último se ejecutó en MatLab el programa diseñado, una muestra de la señal obtenida se muestra al final de ésta sección. Puede observarse como la distorsión que introdujo el circuito de amplificadores operacionales afectó la calidad de la señal leída por el Arduino y por ésta razón se observan picos e saltos en los valores de la señal. Sin embargo a pesar de estos pequeñas fallas el resultado del proyecto fue satisfactorio ya que se pudo cumplir con todos los objetivos planteados.
Mejoras
Aunque el sistema parece bastante completo sería conveniente diseñar el PCB de una placa de extensión que sea compatible con el Arduino y que ocupe mucho menos espacio el que ocupa en el protoboard. Cronograma de Actividades
El proyecto se desarrolló en el transcurso de 10 semanas, en las cuales se Realizaron las actividades definidas en la metodología. Se distinguen varias fases del proyecto Sem01 Sem02 Investigación
Sem03
Sem04
Sem05
Sem06
Sem07
Sem08
Sem09
Sem10
Programación Arduino Uno Programación en MatLab Pruebas y Ajustes Diseño de Circuito OffSet Montaje y Ajustes Adicionales Redacción Informe
