TÍTULO PRÁCTICA: ADQUISICIÓN, CONVERSIÓN ANALÓGICA DIGITAL Y COMUNICACIÓN SERIAL DE UNA SEÑAL SENOIDAL

FORMATO DE GUÍA DE PRÁCTICA DE LABORATORIO / TALLERES / CENTROS DE SIMULACIÓN – PARA DOCENTES [pic 2]

CARRERA: INGENIERÍA ELÉCTRONICA.

ASIGNATURA: TEORÍA DE CONTROL III

NRO. PRÁCTICA:

01

TÍTULO PRÁCTICA: ADQUISICIÓN, CONVERSIÓN ANALÓGICA DIGITAL Y COMUNICACIÓN SERIAL DE UNA SEÑAL SENOIDAL

OBJETIVO GENERAL: Diseñar e implementar una comunicación serial para transmitir la conversión analógica digital de una señal senoidal.  

OBJETIVO ESPECÍFICO:  

1. Diseñar y comprobar el funcionamiento de una conversión analógica digital con resolución mínima a 10 bits.
2. Diseñar y comprobar el funcionamiento de una comunicación serial USB y como mínimo RS232 a 115 Kbps.
3. Diseñar una interface en Labview para el monitoreo de señales.
4. Establecer criterios técnicos y/o conclusiones. 

INSTRUCCIONES:

1. Diseñe, arme y compruebe el funcionamiento de una conversión analógica-digital de un microcontrolador, con resolución mínima a 10 bits.  

2. Diseñe, arme y compruebe el funcionamiento de la comunicación serial USB y como mínimo comunicación RS232 a 115 Kbps.  

3. Diseñe una interface en Labview que por ahora permite únicamente el monitoreo de señales; sin embargo considerar que en un futuro se deberán registrar gráficamente la señal de referencia, la señal de control y la variable controlada, pudiendo ser necesaria también la señal de error, por otro lado debería permitir la transmisión de datos ya sea de parámetros de configuración, o señales de control directamente desde Labview-Matlab.

4. Para comprobar el funcionamiento integral de la práctica, se deben aplicar señales senoidales que varíen desde 1Hz a 1KHz y observar que se reproduzcan con alta fidelidad-calidad en la interface gráfica.

5. Elabore un informe con los resultados, cálculos, análisis, gráficas y marco teórico, requeridos para el desarrollo de la práctica.

ACTIVIDADES DESARROLLADAS

1.Marco teórico

• PIC16F877A

Es un microcontrolador perteneciente a la familia PIC (Peripheral Interface Controller) con gama media de 8 bits, uno de los principales fabricantes es Microchip Technology Inc. [1]

A este dispositivo se lo conoce por ser un dispositivo programador que posee memoria EEPROM Flash mejorada, haciendo que el diseño de los circuitos empleados se los realice en menores dimensiones empleando menor tiempo.  [1]

Los pines del este microcontrolador lo podemos observar en la figura 1.

[pic 3]

• CONVERTIDOR ANALÓGICO DIGITAL.

Un convertidor análogo digital tiene como entrada un nivel de voltaje (valor analógico) y produce en su salida un número binario de n bits proporcional al nivel de la entrada (valor digital). Los convertidores de señal análogo a digital abrevian ADC o A/D.

Uno de los parámetros que definen al A/D es la resolución como la mínima variación de voltaje en la entrada que produce cambio del valor digital en la salida. Por ejemplo, un convertidor de 10 bits tiene un total de 210 valores (1024 valores de 0 a 1023). [2]

La fórmula para calcular la resolución es la que podemos observar en la siguiente ecuación:

[pic 4]

El módulo convertidor Análogo Digital (A/D) del PIC 16F877A tiene 8 canales de entrada. La conversión de la señal analógica aplicada (a uno de los canales) se plasma en número binario de 10 dígitos. El módulo A/D posee voltajes de referencia que pueden ser seleccionados para emplear las tensiones VDD, VSS del microcontrolador. [2]

Especificaciones de una DAC.

• Resolución: La resolución porcentual de un DAC depende única y exclusivamente del número de bits. Por esta razón, en las fichas técnicas se detalla de esta manera. Un DAC de 10 bits tiene una resolución más sensible (mayor exactitud) que uno de 8 bits. Este dato es extrapolable a las especificaciones de lectores de CD o equipos integrados. [3]
• Precisión: Los fabricantes de DAC tienen varias maneras de establecer la precisión o exactitud. A las dos más comunes se las llama Error de Escala Completa y Error de Linealidad (o en ocasiones, directamente linealidad), que normalmente se expresan como un porcentaje de la salida de escala completa del convertidor (%FS). [3]
• Tiempo de respuesta: La velocidad de operación de un DAC se explica como tiempo de respuesta, que es el periodo que se requiere para que la salida pase de cero a escala completa cuando la entrada binaria cambia de todos los ceros a todos los unos. Los valores comunes del tiempo de respuesta variarán de 50 ns a 10 ms. [3]
• Voltaje de balance: En teoría, la salida de un DAC será cero voltios cuando en la entrada binaria son todo ceros. En la práctica, habrá un voltaje de salida pequeño producido por el error de balance del amplificador del DAC. [3]

Aplicaciones de las DAC.

Los DAC se utilizan siempre que la salida de un circuito digital tiene que ofrecer un voltaje o corriente analógicos para impulsar o activar un dispositivo analógico. Algunas de las aplicaciones más comunes se describen a continuación:

• Control: La salida digital de una computadora puede convertirse en una señal de control analógica para ajustar la velocidad de un motor o para controlar casi cualquier variable física.
• Análisis automático: Los ordenadores personales pueden ser programados para generar las señales analógicas (a través de un DAC) que se necesitan para analizar circuitos analógicos. La respuesta de salida analógica del circuito de prueba normalmente se convertirá en valor digital por un ADC. [3]
• Control de amplitud digital: Un DAC multiplicativo se puede utilizar para ajustar digitalmente la amplitud de una señal analógica. Recordemos que éste genera una salida que es el producto de un voltaje de referencia y la entrada binaria.
• Convertidores A/D: Varios tipos de convertidores A/D utilizan unos DAC que son parte de sus circuitos. [3]

• Adquisición de datos.

La adquisición de datos o adquisición de señales consiste en la toma de muestras del mundo real (sistema analógico) para generar datos que puedan ser manipulados por un ordenador u otros dispositivos electrónicos (sistema digital). consiste en tomar un conjunto de señales físicas, convertirlas en tensiones eléctricas y digitalizarlas de manera que se puedan ser procesadas por una computadora o PAC. Fig. 2 [4]

[pic 5]

Figura 2. Adquisición de Datos [4]

Tasa de muestreo

La velocidad a la cual un sistema de adquisición de datos recopila datos. La velocidad se expresa normalmente en muestras por segundo. Para los dispositivos de adquisición multicanal, la tasa de muestreo se da típicamente como la velocidad del convertidor analógico-digital (A/D). Para obtener la tasa de muestreo de un canal individual, es necesario dividir la velocidad del A/D entre el número de canales que se están muestreando.

Resolución.

Se indica el número de bits que utiliza el conversor ADC para cuantificar los niveles de señal analógica es decir cuanto mayor sea el número de bits del ADC, mayor será el número de niveles de señal que se pueda representar. [8]

Niveles de muestreo.

Son los límites de entrada de tensión. Es muy común diferenciar entre señales unipolares y bipolares es decir las unipolares admiten solo niveles de tensión positivos mientras que loa bipolares admiten las dos polaridades. [8]

• SISTEMAS MUESTREADOS.

Un sistema se dice que es muestreado Fig. 3 cuando alguna de la señales a él asociadas sufre el proceso de muestreo. Uno de los elementos que más frecuentemente exige un muestreo de señales es el captador; por ejemplo, la temperatura de un sistema físico o la velocidad angular de un motor; éstas serán transformadas de señal analógica a una secuencia de valores discreto. [5]

[pic 6]

Figura 3. Muestreo Digital. [5]

¿Qué se obtiene tras muestrear una señal?

• La naturaleza analógica de las señales hace imposible su manipulación mediante sistemas digitales. Por este motivo previamente se digitalizan.
• El muestreo es la primera etapa que se realiza cuando digitalizamos señales [6].

• Una señal de audio muestreada es igual a la señal de audio original en aquellos puntos donde se toma cada muestra.
• En el caso de una imagen estática (la que tomamos con una cámara de fotos), el muestreo produce una matriz bidimensional de muestras recogidas en diferentes puntos espaciales.
• Para una señal de vídeo muestreamos tanto en el dominio del espacio como en el del tiempo. Así lo que obtendríamos sería una secuencia de imágenes como las del caso anterior.

• Software Labview.

LabVIEW simplifica la integración de hardware, así usted puede adquirir y visualizar juegos de datos rápidamente desde prácticamente cualquier dispositivo de E/S, ya sea de NI o de terceros. Combinado con una sintaxis de programación gráfica que reduce el tiempo de programación, LabVIEW 2017 simplifica el desarrollo de sistemas complejos con herramientas e IP a la vanguardia de la tecnología de hoy en día. [7]

Librerías de adquisición de datos con NI-DAQ

El número de la adquisición y generación de señales tanto analógicas como digitales con NI-DAQ se ha reducido drásticamente y principalmente solo se utilizará dos funciones que son las siguientes: [8]

• DAQmx Read.vi
• DACmx Write.vi

• Comunicación RS232.

Consiste en un conector tipo DB-25 de 25 pines, aunque es normal encontrar la versión de 9 pines DB-9, más barato e incluso más extendido para cierto tipo de periféricos (como el ratón serie del PC).En cualquier caso, los PCs no suelen emplear más de 9 pines en el conector DB -25. Las señales con las que trabaja este puerto serial son digitales, de +12V (0 lógico) y -12V (1 lógico), para la entrada y salida de datos, y a la inversa enlas señales de control. El estado de reposo en la entrada y salida de datos es -12V. [4]

• Comunicación USB.

El Bus Universal en Serie (BUS) (en inglés: Universal Serial Bus), más conocido por la sigla USB, es un bus estándar industrial que define los cables, conectores y protocolos usados en un bus para conectar, comunicar y proveer de alimentación eléctrica entre computadoras, periféricos y dispositivos electrónicos.[5]

Su desarrollo partió de un grupo de empresas del sector que buscaban unificar la forma de conectar periféricos a sus equipos, por aquella época poco compatibles entre sí, entre las que estaban Intel, Microsoft, IBM, Compaq, DEC, NEC y Nortel. La primera especificación completa 1.0 se publicó en 1996, pero en 1998 con la especificación 1.1 comenzó a usarse de forma masiva. [6]

• Conversión USB  a SERIAL

El material disponible para realizar la comunicación serial no tuvo ningún problema de forma parcial, los cables se consiguieron con una gran facilidad, pero sólo una de las PC’s contaba con el puerto serial, ya que la tecnología sigue su rumbo y los dispositivos para el envío y recepción de datos han evolucionado, como por ejemplo, al puerto USB que maneja protocolos diferentes, así como su dispositivo de entrada. Por lo tanto, a falta de un puerto serial en una computadora, volteamos a buscar nuevas alternativas para formarla comunicación, se encontró un convertidor USB a serial, el cual hacía un buen manejo de los protocolos para crear la compatibilidad. El convertidor transforma el dispositivo de conexión USB al conector serial macho DB9, proporcionando dos puertos seriales a la computadora, pero sólo funciona uno a la vez, este dispositivo es muy usado en las nuevas laptop’s que no tienen un puerto serial, pero se quiere conectar un joystick, un scanner, una cámara digital, etc.

2.Procedimiento

1. Realizamos las líneas de cogido para la adquisición de datos mediante el pic y posteriormente hacer la conversión analógica digital. Las líneas de código podemos observar en el anexo 0.2 que se encuentran en la parte final del informe.
2. Realizamos las respectivas conexiones en la tableta del protoboard una vez ya que se haya gravado el programa en el pic siguiendo las conexiones que observamos en el anexo 0.1
3. Enviamos la señal digital del pic al software LabVIEW para poder realizar el muestreo respectivo de la señal que obtenemos de la conversión. Realizamos una programación por bloques como se observa a continuación.

[pic 7]

1. Una vez realizada podemos observar las señales que obtenemos de salida la una normal y la otra muestreada como se observa a continuación.

[pic 8]

3.RECURSOS

• Datasheet PIC 16F877A
• Bibliografía recomendada
• Protoboard
• PIC16F877A
• LABVIEW.
• Generador de funciones.
• Osciloscopio.
• DAC.
• LCD

4.BIBLIOGRAFIA

[1]http://www.programarpicenc.com/articulos/circuito-de-un-reloj-digital-con-pic16f877a/

[2]H1ttps://krizthian.wordpress.com/2014/04/27/practica-4-manejo-de-convertidor-analogico-digital/

[3]http://www.revistacec.com/didactica/3101-convertidor-digital-analogico-dac-3101.html

[4]https://es.wikipedia.org/wiki/Adquisici%C3%B3n_de_datos

[5]http://serbal.pntic.mec.es/srug0007/archivos/radiocomunicaciones/3%20SE%D1ALES%20DIGITALES/Muestreo%20digital.pdf

[6] https://w3.ual.es/~vruiz/Docencia/Apuntes/Signals/Sampling/index.html

[7] http://www.ni.com/es-cr/shop/labview.html

[8] Joaquín del rio Fernández/Sharam sharit-P. LabVIEW. Programación para sistemas de instrumentación.

5.ANEXO 0.1 DIAGRAMA ELECTRICO

6. ANEXO 0.2 CODIGO DEL PIC (Respetar el tipo de letra que aparece en micro C)

7. ANEXO 0.3 CONEXION DEL PIC EN EL PROTOBOARD.

8. ANEXO 0.4 CALCULO DE LA FRECUENCIA DE MUESTREO.

RESULTADO(S) OBTENIDO(S):

• En la práctica realizada se ha podido verificar que para convertir una señal analógica a digital se necesita dos registros en este caso le podemos transformar a código ASCII
• Se observó que no se puede reconstruir la señal a no más de 5 Hz por la cantidad exagerada de muestras que se produce en esta frecuencia.
• Para poder observar la gráfica muestreada en el osciloscopio es necesario utilizar una DAC.

CONCLUSIONES:

• Cuando se realiza adquisición de datos mediante las tarjetas disponibles, es importante tener en cuenta que al momento en que la tarjeta realiza la medición y almacenamiento de los datos se lleva a cabo un proceso de muestreo y por lo tanto no es aconsejable volver a muestrear esta señal, para ello se realiza un proceso de reconstrucción antes de realizar el proceso de muestro.

• Cuando se realiza la reconstrucción de una señal a una frecuencia diferente de la que se muestro se presenta traslape entre las muestras, y por lo tanto es muy poco probable que se reconstruya la señal original.

• Se puede observar la importancia que tiene realizar este análisis por qué se necesita en muchos campos de la industria porque nos permite adquirir datos en tiempo real y poder apreciar el proceso que se está llevando a cabo y poder realizar cualquier mantenimiento que sea posible en cualquier momento.

• Lo que se ha realizado en esta práctica con el pic es un sustituto de la DAC que es un instrumento muy avanzado y muy necesario pero cada quien tiene sus ventajas y desventajas por lo que para usarlo hay que analizar el problema en donde se va a utilizarlo.

RECOMENDACIONES: 

• Haciendo una comparación entre los dos tipos de reconstrucción es más preciso reconstruir la señal por medio del retenedor de orden cero.