Formato Iee Proyecto de Grado

8/17/2019 Formato Iee Proyecto de Grado

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Resumen— Diseño e implementación de un sistema deadquisición de datos y monitoreo de señales analógicas usandouna Raspberry pi. La presente investigación se basó en eldesarrollo de un sistema de información para la adquisición dedatos y monitoreo de las señale análoga en la facultad deelectrónica en la universidad de investigación y desarrollo (UDIespec!ficamente para el seguimiento" control y monitoreo de lasseñales análoga que se interact#an en el estudio de laasignatura de control análogo con la finalidad de lograr elme$or desempeño y agili%ar los procesos" garanti%ando un me$ormane$o de adquisición de datos y aprovec&amiento de lossistemas embebido.

'l proyecto estuvo enmarcado en el tipo de investigaciónproyectiva" fundamentada a nivel comprensivo con un diseño de

fuente mita.

)e emplearon una serie de t*cnicas e instrumentos derecolección de datos" espec!ficamente el análisis de fuentesdocumentales" la observación directa. +ara la elaboración delsistema y el cumplimiento de los ob$etivos planteados seutili%aron como parámetro una estructura operativa mita"combinando la metodolog!a de Reingenier!a de +rocesos y,ascada +ura. -dicionalmente" para el desarrollo de laaplicación se utili%aron diversas tecnolog!as y lengua$e , elcopilado directo de Linu" para el mane$o y control de la tar$etaRaspberry pi. De esta manera se pudo determinar que con laimplementación de un sistema de adquisición y monitoreo deseñales se genera una me$or comprensión de las variaciones deseñales analógicas que se estudian en la asignatura control

análogo.

Palabras clave— )eñales analógicas (analog signals"seguimiento (tracing " control análogo (similar control), proceso(process), sistema de adquisición (acquisition system), señal (signal).

I. I NTRODUCCIÓN

a presente investigación se refiere al sistema deadquisición de datos y monitoreo de seales an!logas"

#$ste tra%a&o 'a sido apoyado por nuestros padres a quienes les damos las gracias por su apoyo económico.

como a porte al fortalecimiento acad(mico de los estudiantes

de ingenier)a electrónica de la universitaria de investigacióny desarrollo *UDI+, el cual consiste en la toma de muestras de par!metros reales *sistema analógico+ para generar datos que puedan ser manipulados por la tar&eta de desarrollo Rasp%erry pi *sistema digital+.Consiste, en tomar un con&unto de seales f)sicas, convertirlasen tensiones el(ctricas y digitali-arlas de manera que se

puedan procesar en una tar&eta Rasp%erry pi. e requiere unaetapa de acondicionamiento, que adecua la seal a nivelescompati%les con el elemento que 'ace la transformación aseal digital. $l elemento que 'ace dic'a transformación es elmódulo de digitali-ación o tar&eta de /dquisición de Datos$l inter(s por desarrollar este sistema es acad(mico con elfin de estudiar el comportamiento de los diferentes fenómenos

f)sicos, enfocado en convertirse en una 'erramienta muyimportante ya que esto ayuda a esta%lecer un monitoreo delos factores de cam%io como lo son las magnitudes f)sicas.$ste proyecto est! fundamentado al fortalecimientoacad(mico y ala con sección e implementación de lossistemas em%e%idos, para el tratamiento de seales, con unacople de sensores de temperatura, alco'ol y CO.e emplearon una serie de t(cnicas e instrumentos derecolección de datos, espec)ficamente el an!lisis de fuentesdocumentales, la o%servación directa. 0ara la ela%oración delsistema y el cumplimiento de los o%&etivos planteados seutili-aron como par!metro una estructura operativa mi1ta,com%inando la metodolog)a de Reingenier)a de 0rocesos unade las grandes limitaciones de este tra%a&o fue delimitar los

patrones de referencia y acople de los sensores en eltratamiento de las seales.

II. O23$TI4O

OBJETIVO GENERALDesarrollar o construir un sistema de detección de datos ymonitoreo de seales an!logas en la universidad deinvestigación y desarrollo *UDI+ para los estudiantes decontrol an!logo de la facultad de ingenier)a electrónica por medio de una tar&eta de instrumentación Rasp%erry pi.

andra 2eltran, $milio C!rdenasSantander, Universitaria de Investigación !esarr"##"

[email protected]

[email protected]

DI$5O $ I60"$6$NT/CIÓN D$ UNIT$6/ D$ /D7UIICIÓN D$ D/TO 86ONITOR$O D$ $5/"$ /N/"Ó9IC/

U/NDO UN/ R/02$RR8 0I *:; mayo +

:

https://es.wikipedia.org/wiki/Digitalizarmailto:[email protected]:[email protected]://es.wikipedia.org/wiki/Digitalizar


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OBJETIVOS ES$E%&'I%OS:. Consultar información del sistema Rasp%erry pi

y su naturale-a en el desarrollo de transmisión yadquisición de datos.


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garant)a+ ,M un procesador gr!fico *90U+ 4ideo Core I4, y ;:<6i2 de memoria R/6 *aunque originalmente al ser lan-adoeran 6i2+. $l diseo no incluye un disco duro ni unidadde estado sólido, ya que usa una tar&eta D para elalmacenamiento permanente tampoco incluye fuente dealimentación ni carcasa. $l


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B( 1UESTREO !E SE2ALES ANAL3GI%AS* 0arao%tener datos digitales a partir de seales analógicas,la seal de%e ser muestreadaQ $sto significa tomar elvalor instant!neo de la seal en un momento determinado>.0ara una seal continua, las muestras se toman a intervalosregulares, generalmente con un periodo de muestreo fi&oentre medidas. 0ara recoger información til, un factor clave es el ritmo o frecuencia con la que se toman lasmedidas. $n una aplicación de procesamiento de seal en la

que se determina que muestrear una seal contina cómose determina qu( la frecuencia de muestreo se de%eutili-arS $l teorema que define la m)nima frecuenciarequerida para representar de una manera precisa una sealanalógica se denomina Teorema de Nyquist.

%( TEORE1A !E N)4UIST* $l Teorema de Nyquistindica que la frecuencia de muestreo m)nima a utili-ar de%e ser mayor que < fma1, donde fma1 es la frecuenciam!1ima de la sealG. i la frecuencia de muestreo, esreproducir posteriormente la seal a partir de las muestrastomadas::. "a demostración matem!tica de este teorema se

puede %uscar en muc'os li%ros de f)sica.

Big. ;. 6uestreo 2!sico

$&emplo de la aplicación del Teorema de NyquistQ

$n los CD de msica, se almacena el sonido muestreado a. Biltro antialiasin

"a seal de entrada continua se pasa entonces a un circuitosample and 'old. $ste circuito toma muestras a un ritmo fi&oy mantiene el valor 'asta que se toma la muestra siguiente,dando como resultado una forma de onda escalonada.

Big. G. ample and old

"os valores muestreados se de%en convertir a'ora en nmerosque ya est!n listos para ser procesador. $ste proceso sedenomina cuantificación, y se reali-a mediante un conversor analógicodigital */DC+

Big. F. 6uestreo y Cuantificación

0ara cuantificar la seal, utili-amos un nmero de niveles querepresentan escalones de amplitud de entrada para cadamuestra /DC devuelve un valor que representa el nivel m!scercano al valor de la muestra. $sto implica inevita%lementeuna apro1imación llamada $rror de cuantificación.

Big. M. $rror de cuantificación

Cuantos m!s niveles de cuantificación se puede representar m!s e1actamente la seal analógica. i en un sistema D0, elconvertidor analógicodigital */DC+ tiene una resolución de:< d)gitos %inarios, en total %its, mientras que el tel(fono utili-a menos,t)picamente entre F y :? %its;.i se asume que la seal de entrada es senoidal, para calcular la m!1ima relación seal a ruido *NR+ teóricamente posi%lecon un nmero dado de %its, N, como sigueQNR *d2+ V := log:= *:,; ,=


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errores de redondeo en los c!lculos reali-ados por el procesador G.Tam%i(n se utili-a un filtro analógico de reconstrucción so%rela seal producida por el conversor digitalanalógico *D/C+

para eliminar las altas frecuencias de la seal, las cuales sede%en a los niveles discretos en la seal reconstruida que sonconstantes en un periodo de muestra completo, y despu(scam%ian r!pidamente entre los niveles discretos.

'( %UANTI'I%A%I3N NO UNI'OR1E* 0ara me&orar lacalidad de la seal digitali-ada para un nmero fi&o de %its

por muestra, una t(cnica usada a menudo es la cuantificaciónno uniforme. $sto es muy comn en aplicaciones de vo- yaudio


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genera una salida proporcional a la suma de los volta&esusados."os D/C multiplicadores son el tipo usado m!s comn, ytienen la venta&a de ser r!pidos. "a salida ser! generalmenteuna forma de onda escalonada que se suavi-a con un filtro dereconstrucción para eliminar las altas frecuencias."a desventa&a de los D/C multiplicador es que el volta&e o lacorriente generada para el %it m!s significativo *62+ de%enser muy e1actos, lo cual es e1tremadamente complicado en la

pr!ctica. D/C 2itstreamQ Un D/C 2itstream utili-a elmismo concepto descrito anteriormente para el /DC sigmadelta, con un nmero m!s pequeo de %its de salida para unafrecuencia de muestreo muc'o m!s alta.

J( !ISE2O !E SISTE1AS !E A!4UISI%I3N ) !ISTRIBU%I3N !E SE2ALES* 0ara el diseo de un /D'ay que seguir los principios generales de diseo de todosistema electrónico.$l diseo metódico de un sistema consta de cinco etapasQDefinición del pro%lemaDiseo sistem!tico Reali-ación del diseo 4erificación ycorrecciónDocumentación, mantenimiento y actuali-ación.

98 !e0inición de# /r"+#ema* "a definición del pro%lemaimplicaQ

G. Dar las caracter)sticas de un sistema que lo resuelva

F. $sta%lecer las condiciones de contorno o am%ientalesen que de%en mantenerse dic'as caracter)sticas

M. 3ustificar el tipo de sistema propuesto para lasolución, frente a otras posi%les alternativas.

:=. "a descripción del pro%lema de%e incluir el an!lisisdel conte1to t(cnico, funcional y económico en quede%e integrarse el sistema. $s decir, qu( es lo que'ay, cómo funciona, y cu!nto cuesta. $l diseador del sistema no tiene porqu( reali-ar dic'o an!lisis,

pero de%e conocer sus resultados.

::. "a especificación de las caracter)sticas del /Dde%e seguir las normas t(cnicas 'a%ituales para eltipo de sistema. De%e incluir lo siguienteQ

:


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al mayor nmero de cone1iones. /dem!s, consume mayor potencia y ocupa m!s espacio. /dem!s, por softare se pueden reali-ar varias tareas, mientras que el 'ardare esmuy r)gido.

=8 Rea#i.ación de# dise;"* "a reali-ación del sistemaincluye en general dos partesQ 'ardare y softare. "as tareasa reali-ar en cada caso dependen de la comple&idad delsistema y del nivel de diseo considerado.

$n el 'ardare digital lo m!s pr!ctico es emplear comocomponentes perif(ricos al microprocesador *Tar&etas+. i eldiseo consiste en aplicar tar&etas de circuito impreso, de%enser todas compati%les con el %us central del sistema. Convieneque el nmero de tensiones de Falimentación distintas sea elm)nimo. "a disposición de los elementos del sistema, sean loscomponentes de un circuito impreso, sean las tar&etas dentrode un c'asis modular, 'ay que 'acerla teniendo en cuenta lacompati%ilidad electromagn(tica entre los elementos.$n el diseo del softare la decisión central es qu( tipo delengua&e utili-ar. "a programación de lengua&e de altonivel *2/IC, BORTR/N, 0/C/"+ o intermedio*"engua&e C+ es m!s r!pida y f!cil de corregir y mantener

pero e1ige que se disponga de un compilador, que es el

traductor capa- de convertir las instrucciones en órdenesinteligi%les por el microprocesador utili-ado."os programas en lengua&es de alto nivel son adem!s m!sfia%les por cuanto incluyen muc'as menos instrucciones quelos programas en ensam%lador.Un inconveniente de los lengua&es de alto nivel es que sonmenos eficientes por lo que el código m!quina generado a

partir de ellos suele ser muc'o m!s largo que el generado a partir de un programa escrito en ensam%lador, de modo quenecesitan menos memoria. 0eor es, sin em%argo, el 'ec'o deque en muc'as aplicaciones el o%&etivo es sacar provec'o dedetalles espec)ficos de la arquitectura de un determinadomicroprocesador, o controlador, y ello no es posi%le conlengua&es de alto nivel. 0or ello la me&or solución suele ser utili-ar una com%inación de lengua&es de alto nivel conlengua&e ensam%lador. "os sistemas de desarrollo de softareactuales permiten com%inar am%os tipos de lengua&e.

>8 Veri0icación c"rrección de# dise;"* "a verificación yla corrección del sistema consisten en compro%ar si el sistemacumple con las especificaciones propuestas y tomar lasacciones necesarias para que las cumpla si no lo 'ace.

Normalmente se recurre a anali-ar la salida ante unascondiciones predeterminadas caso de que no cumpla con lo

previsto se va retrocediendo desde el punto en el que sedetecta el error 'asta encontrar su causa. i el sistema est!conce%ido de forma modular conviene verificar cada módulo

por separado una ve- est! completo, antes de verificar elsistema en su con&unto.

IE. IT$6/

Big. :=. Representación del sistema

$s un sistema que permite el monitoreo de las sealesanalógicas, est! compuesto por un módulo de sensores que

permiten la o%tención de las diferentes seales an!logas paraeste caso ser)an, Temperatura, alco'ol y monó1ido de car%onolas seales generadas est!n acondicionadas para que la tar&etaRasp%erry pi las adquiera con precisión."os datos que adquiere la Rasp%erry pi son visuali-ados enun "CD y adem!s como respaldo de esta información sealmacena una memoria tipo U2 con forme a lo deseado elsistema se representar)a de la siguiente manera.

T/2"/ I$"$CCIÓN D$ $NOR D$ T$60$R/TUR/

0I+1 D'

)'2)1R

-L,-2,' 3, ,1)01 ,-R-,0'R4)0I,-)

TermoAresistencia

*pt,:==. rtd+

A:;= a >== alto alta

e1actitud

termómetro de

mercurio

A:= a ?== %a&o manual y muy lento

lm?; A;; a :;= 6uy %a&o precisión cali%rada ideal e

interacción con mltiples

micro controladores

Dentro del estudio reali-ado para la correcta selección delsensor de temperatura se determinó que el sensor a tra%a&ar esel "6?; cuenta con unas caracter)sticas fundamentales parael desarrollo de este proyecto.

T/2"/ II$"$CCIÓN D$" $NOR D$ 6ONÓEIDO D$ C/R2ONO

0I+1 D'

)'2)1R

-L,-2,' 3, ,1)01 ,-R-,0'R4)0I,-)

G


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TermoAresistencia

*pt,:==. rtd+

A:;= a >== alto alta

e1actitud

termómetro de

mercurio

A:= a ?== %a&o manual y muy lento

lm?; A;; a :;= 6uy %a&o precisión cali%rada ideal e

interacción con mltiples

micro controladores

T/2"/ III

$"$CCIÓN D$" $NOR D$ /"COO"

0ara la selección del sensor de alco'ol se tuvo en cuenta elrango, y costo de dic'o sensor que se acerque de la me&or forma al proyecto, en esta ta%la se eligió el sensor 67? por que %rinda un gran alcance y es ideal a las e1igencias que un

proyecto de este nivel requiere

E. DI$5O 0R$"I6IN/R

$ste proyecto fue formulado en %ase a la adquisición ymonitoreo de seales analógicas utili-ando una tar&eta dedesarrollo Rasp%erry pi como elemento principal, el cual secentra en los siguientes componentes E#ement"s de# /r"ect"?• Tar&eta de desarrollo Rasp%erry pi *:+• 0antalla lcd de


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• 6ódulo comparador analógico con• Dos comparadores analógicos• Referencia de volta&e fi&a *=.>4+• Referencia de volta&e programa%le en el c'ip• 6ódulo 0Y6 incorporado• 6ódulo U/RT me&orado• oporta las comunicaciones seriales RA@F;, RA


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• Utili-a un circuito el(ctrico simple

• /plicacionesQ

• alco'ol)metros

• ;4 DC or /C circuit

• Requires 'eater volta&e• Operation TemperatureQ A:= to G= degrees C• eater consumptionQ less t'an G;=mY

Sistema de ca#i+ración de #"s sens"res

• Lm=C

"6?; *]C+ 4alor *m4+

= =


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$cuación de representación del sensor de alco'ol mq?V yV=,?;:ln*1+A:,>:;G.0atrón empleado en las mediciones.

T/2"/ 4D$T$CTOR D$ UN O"O 9/ 0U"/R W

Big. :>. 0atrón de cali%ración

$sta imagen se puede apreciar la correcta comunicación entreel sistema de comunicación entre el /DC y cada uno de lossensores.

Big. :G Tar&eta de acople

"a adquisición de datos */DC+ es el proceso de medir conuna Rasp%erry pi un fenómeno f)sico como temperatura,gases. Un sistema de adquisición de datos y monitoreo deseales analógicas consiste de sensores, 'ardare de medidasy una Rasp%erry pi con softare programa%le. Comparadoscon los sistemas de medidas tradicionales, los sistemas

%asados en Rasp%erry pi aprovec'an la potencia del procesamiento, la productividad, la visuali-ación y las'a%ilidades de conectividad est!ndares en la industria

proporcionando una solución de medidas m!s potente,fle1i%le y renta%le.

EI. $"/2OR/CIÓN D$ "/ T/R3$T/ D$ /CO0"$ D$ "O$NOR$

:. 0ara comen-ar se de%e reali-ar el diseo de la placa en cualquier programa que se acostum%reutili-ar, en este caso utili-aremos 0ROT$O,

. Do%lar los lados del papel 'acia atr!s y pegarlos concinta ad'erente calentar la planc'a al m!1imo yaplicarla so%re el papel alrededor de >= segundos

para fundir el tóner y ad'erirlo al co%re de la placa.

G. /rro&ar inmediatamente la placa al agua para'umedecer el papel y evitar que se enco&a al enfriarse

y el tóner se despegue.F. De&ar todo en remo&o por algunos minutos.

$ste es el aspecto del tra%a&o una ve- seco. e ven las fi%rasde papel transfer ad'eridas al tóner pero todas las pistas y elespacio entre ellas est!n marcados

Big. :F. Circuito impreso

0ipo de ;as CO


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Big. :M. istema de acople seales

Big.


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transmisión y acople de seales para el tratamiento y mane&ode los datos o%tenidos con la tar&eta rasp%erry pi/l incursionar de una manera m!s directa en el desarrollode aplicaciones so%re sistemas em%e%idos tales como latar&eta rasp%erry pi, fortalece el entendimiento ycomportamiento de este sistema frente las varia%les f)sicas amedir &unto con la caracteri-ación de los sensores a tra%a&ar / lo largo de este documento uno de los pro%lemas m!sfrecuentes para que un sistema no cumpla con el o%&etivo el

cual fue adquirido es la implementación del mismo no seae1itosa, y la mayor causa para que una implementaciónfracase es no tener en cuenta los par!metros de incidencia ylas pertur%aciones e1ternas del sistema."os conocimientos adquiridos durante la carrera de ingenier)aelectrónica de la universidad de investigación y desarrollo*udi+, servido como %ase en la construcción de un sistema deadquisición y monitoreo de seales an!logas, el cual permiteadquirir e1periencia en el mane&o de sistema de tratamientode seales an!logas.

R$CO6$ND/CION$

Una de las recomendaciones para los usuarios de este sistema es operar elequipo con muc'a precaución y cuidado ya que este sistema est! compuesto deuna estructura electrónica como lo es su e&e centralQ "a tar&eta Rasp%erry pi.$vitar la saturación en su totalidad de los sensores porque esto podr)a ocasionar lecturas erróneas en el sistema, como consecuencia de la so%re saturación. No manipular el equipo en -onas donde se encuentren temperaturas por encimade su valor nominal, esto podr)a ocasionar fallas irreversi%les dentro de suestructura.

No e1ponerlo al contacto directo con superficies 'medas ya que estas puedenocasionar un corto circuito y quemar el equipo ya que no est! protegido contrac'oques el(ctricos

/9R/D$CI6I$NTO

Damos gracias a Dios en primer lugar por darnos la

inteligencia, sa%idur)a, paciencia, entendimiento y lacapacidad para e&ercer este proyecto, a nuestros padres por todo su apoyo, comprensión y confian-a, a este equipo detra%a&o por el compromiso, dedicación y empeo que

pusimos cada uno de nosotros para sacar adelante este proyecto./l ingeniero "uis 7uintero por su constante ayuda y gu)a enel proyecto.

/9R/D$CI6I$NTO

Damos gracias a Dios en primer lugar por darnos lainteligencia, sa%idur)a, paciencia, entendimiento y lacapacidad para e&ercer este proyecto, a nuestros padres por

todo su apoyo, comprensión y confian-a, a este equipo detra%a&o por el compromiso, dedicación y empeo que pusimos cada uno de nosotros para sacar adelante este proyecto./l ingeniero "uis 7uintero por su constante ayuda y gu)a enel proyecto.

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