TARJETA DE ADQU ISICION DE DATOS PARA EL SISTEMA DE DESARROLLO JlSIST-51. Rafael 8 Surga Resumen: El presente trabajo trata sobre el diseño y puesta a punto de una tarjeta de adquisición de datos para anexarla al sistema de desarrollo con microcontrolador llamado ¡lSist-51, de manera de permitir que este sistema pueda amplificar, muestrear y convertir señales analógicas para poder ser procesadas digitalmente, además de anexar salida analógica para poder hacer control de sistemas de lazo cerrado o abierto Palabras clave: Tarjeta de adquiSICión de datos/S1stema de Desarrollo ¡lSISt-51 /Señales Analógicas/Sistema de lazo cerrado/Sistema de lazo abierto.

DATA ACQUISITION CARO FOR TH E !lSIST-51 DEVELOPMENTSYSTEM Abstract.- This research shows the des1gn and adjust1ng of a data acquis1t1on card to be incorporated in a J..iSIST-51 m1crocontroller development system which allows 1t to amphfy, sample, transform and d1gitally process analog s1gnals in orden to control e1ther closed-loop or open-loop systems Key w or ds: acquisit1on card 1 closed-loop system 1 data acquisition 1 development system/ ¡lSIST-51 , 1 open-loop system 1 systems control

l.-INTRODUCCIÓN En las distintas umversidades del país que poseen as1gnaturas referentes a microprocesadores, se diseñan los laboratonos con eqwpos didácticos basados en estos dlspos1t1vos y son llamados S1stemas de Desarrollo. Estos son equipos que poseen todo el material bás1co, tanto de hardware como de software, para el diseño , depuración y puesta a punto de una gran gama de aphcactones y proyectos controlados por microprocesadores ó Microcontroladores, sin embargo. tienen la desventaJa que la gran mayoría está hm1tada a procesamiento de señales d1g1tales, m1entras que algunos s1stemas de desarrollo con Microcontroladores poseen la pos1b1hdad de adquirir señales analógicas basados en. actualmente existen en la carrera de lngen1eria Electrónica del Vicerrectorado de Puerto Ordaz. las astgnaturas Microprocesadores l. Microprocesadores 11. Laboratorio de Microprocesadores, Electrómca de Potencia. Instrumentación Electrónica, Laboratono de Control Digital. Laboratono de S1stemas de Control y Proyecto, además de trabaJOS de Pre-grado y Post-grado. trabajos de ascenso, trabajos de investigación y otros, que tienen la neces1dad de trabajar en sus laboratonos con proyectos ó diseños de s1stemas basados en

Microcontroladores. Esto se logra usando un srstema de desarrollo ex1stente en la untversrdad denommado !JSIST-51 , que es un sistema basado en el Microcontrolador 8031 de la INTEL, muy dtdáct1co. pero con la limitante de no tener capacidad para recopilar y generar señales de naturaleza analógica, lo que d1smmuye sus usos en esta área BaJO esta cons1derac1ón se propone la creac1ón de una taqeta de expans1ón que pueda ser conectada al !JSIST-51 capaz de adqumr y em1t1r datos analógicos y que puedan ser procesados d1g1talmente por este s1stema de desarrollo, de manera que puedan ser útiles en las asignaturas antes nombradas para la Implantación de expenenc1as prácticas. además de la reahzac1ón de un software de baJO nivel que pueda ser usado por cualqwer usuano, de tal de tal forma de facthtar el desarrollo de sus expenenc1as de laboratono y de proyectos La 1mportanc1a de esta tarJeta radica en la expanSión de la potencialidad del s1stema de desarrollo ~slst51 , que es usado en el Laboratorio de Microprocesadores del Departamento de lngenteria Electrómca, así como tamb1én en proyectos de Investigación y de Post-grado

El Ingeniero Rafael Surga es Miembro del Centro de Automatización y Control y Profesor del Área de Microprocesadores de la UntverSJdad Nacional Experimental Pohtécntca "Antonio José de Sucre" Vice-rectorado Puerto Ordaz Tlf 086-613563 E matl rsurga@ telcel net ve

IIPII!HI•.A.•. CIII!ICI.A. 7 I II!CieaMt.Á. Año l. Número 2. Junio 1997.

pp. 37-·42

Para la depurac1ón de la ta~eta de adquisición de datos se desarrollaron dos aplicaciones: A) Un generador de señales, que puede ser utilizado en asignaturas de la carrera Ingeniería Electrónica, tales como, Laboratorio de Técnicas Digitales, Laboratorio de Microprocesadores y los Laboratorios de Electrónica 1y 11. B) Un control de temperatura de un hamo, que puede ser utilizado en las asignaturas Electonica de potencia y Control Digital ó para proyectos de investigación y de Postgrado El desarrollo experimental del presente trabajo, se realizó en su totalidad en las instalaciones de la UNEXPO Vicerrectorado Puerto Ordaz, utilizando equipos pertenec1entes a la universidad, obteniéndose en cada caso los objetivos planteados .

También se puede estudiar la posibilidad de anexar circuitos de visualización que permitan dar información sobre el estado de los componentes de la tar¡eta ó de su funcionamiento en determinado proyecto. Se recomienda estudiar la posibilidad de vender la ta~eta a todas aquellas universidades ó empresas que utilicen el sistema de desarrollo ~-tsist-51 incluyendo a la empresa Tecnum quién fué la que d1seño el sistema de desarrollo. También se recomienda diseñar la tarjeta de interface necesaria para acoplar la tarjeta de adquisición de datos a la computadora PC para ampliar el rango de uso de esta para proyectos que requieran control de sistema que requieran de lenguajes de alto nivel

11.- DESARROLLO

Este capítulo trata sobre la información necesana de la ta~eta de adquisición de datos, tanto de software como de hardware, para su materialización en las distintas aplicaciones que se requieran , así como sobre las características más importantes de los distintos componentes que la conforman. La ta~eta de adquisición de datos, como su nombre lo indica, es una tarjeta que permite adquirir señales analógicas de una o más fuentes y convertirlas en una secuencia de datos ó códigos digitales; cada una de ellas representa el valor particular de esas señales en un instante dado. Esta tarjeta será utilizada como una extensión del Sistema de Desarrollo msist51 , que se utiliza actualmente en el Laboratorio de Microprocesadores del Departamento de Ingeniería Electrónica, para realizar pruebas y depuración de equipos ó proyectos que utilizan este equipo, y trabajan con adquisición ó control de señales analógicas de una forma rápida y e~iciente . Adicionalmente, esta ta~eta fue diseñada para poder ser anexada a otro sistema con un microprocesador o microcontrolador comercial ó para ser utilizada como producto final de un diseño. Haciendo un estudio :ie los diferentes dispositivos en el mercado y basado en el funcionamiento, características, costo y posibilidad de repuestos, la ta~eta de adquisición de datos quedó conformada prinCipalmente por cuatro dispositivos: Conversor AnalógicoDigital ADC0848 , Conversor Digital-Analógico DAC0831 , Muestreador-Retenedor LF 198 y un Amplificador de Instrumentación AD521, los tres primeros fabricados por National Semiconductor y el último por Analog Devices, tal como se muestra en la Figura 1 con lo que se considera suficiente para adquirir y controlar datos analógicos de cualquier tipo. En la Figura 1, se observa un diagrama general de las conexiones entre el~-tsist-51 y la ta~eta de adquisición de datos.

2.1- Objetivo general. El objetivo fundamental de este trabajo, consiste en el diseño y puesta a punto de una ta~eta de adquisición de señales analógicas que se pueda anexar al Sistema de Desarrollo ~-tsist-51 y que permita a las asignaturas: Microprocesadores 1, Laboratorio de Microprocesadores, Instrumentación Electrónica, Electrónica de Potencia, Diseños de Sistemas de Computación, Proyecto y Laboratorio de Control Digital, la realización de prácticas y proyectos docentes más completos y a la vez facilitar el desarrollo de proyectos de investigación a nivel local e industrial, lo cual beneficiaria académicamente a la universidad.

2.2.- Posibilidades futuras De acuerdo a las ventajas que provee la ta~eta de adquisición de datos se puede recomendar su uso en todas aquellas asignaturas tanto del departamento de Ingeniería Electrónica como de cualquier otro departamento, que tengan que trabajar con sistemas que utilicen: Adquisición de Datos, Generación de Sel'\ales, Conversión de Señales Analógicas a Digitales y viceversa, Control de Procesos é Instrumentos de medición. Aprovechando los resultados obtenidos en este trabajo se puede estudiar en un futuro la posibilidad de diseñar una tarjeta de adquisición de datos con filtros, circuitos de compensación, circuitos de aislamientos ó temporizadores programables para aumentar aun más la potencialidad tanto de la ta~eta como del sistema de desarrollo ~-tsist-51 para 91 uso de sistemas cuyo ambiente esté expuesto a elementos que puedan producir ruido en las lecturas de los dispositivos de la ta~eta.

2.3.- Diseno de la Tarjeta:

Surga, R., Tarjeta de Adqui~ición de Datos para el Si~t~mn de De.'>a"ollo JLWST-51

Para el conversor 0 /A: - Las señales IOUT1 y IOUT2 para que el usuano ut11ice cualqUiera de las salidas en comente del conversor La señal RFB para uttllzar la res1stenc1a de realimentación del conversor. específicamente para el caso de ut11tzar un amplificador operac1onal externo de manera de obtener una salida en voltaJe del conversor

Para el amplificador de instrumentación:

F1gura 1 D1agrama general en bloques de la tarjeta de adquiSICión de datos

Se observa que el pstst-51 provee al extenor un conector denom;nado J7 que posee las lineas nacesanas para que a este ststema se le pueda anexar cualquter dtspostttvo compattble con mtcroprocesadores mapeado en memona Estas lineas son el bus de datos 00-07, el bus de dtrecctones AO-A12. el habtlltador de lectura /RO el habilitador de escntura /WR y las lineas de selecc1ón /CS2/C S7 Estas últ1mas se obttenen de un decodlftcador 74LS138 que posee Internamente este s1stema de manera de conectarse dtrectamente a las señales 1 CS de lOS dtSttntOS dtSpOSttiVOS a anexarse al mstst51 Se observa que para efecto de la tar¡eta de adqUISICión de datos sólo se necestta el bus de datos para transfenr y rec1b1r tnformactón de los conversores las señales /RO y /WR para habtlitar escntura y lectura en los mtsmos conversores y las señales de selecCión /CS5 y CS6 para selecctonar ambos conversores las restantes señales del Jumper J7 no son necesanas para la tarJeta y se obv1an Tamb1én se observa que en el conector al usuano de la tarJeta de adqutstctón de datos se ponen a dtspostctón las señales SIgUientes

Para el convers or AJO : - Las señales CH 1-CH8 para que el usuano utlitce cualqUiera de los 8 canales multiplexados que posee Internamente el dtspostttvo La señai/INTR para permtttr al usuano tener la opctón de 1nterrump1r cuando se produzca el f1n de converstón analóg1co-d1g1tal o stmplemente para ser encuestado La señal VREF para que el usuano varíe la tenSIÓn de referencta del conversor en cualqUier va lor entre 1 a 5V

Las señales RGAIN y RSCALE para conectar las reststenctas de gananc1a del amphftcador. - La señal OUTPUT que es la salida del ampllftcador Las señales INPUT+ e INPUT- para conectar la señal de dtferencta a ampltftcar por el dtspostttvo Las señales V+ y V para la alimentactón del am pllftcador La señal VREF para conectar la referencta del dlspost!tvo - La señal OFFSET para vanar el ntvel de OFFSET del ampltftcador

Para el muestreador-retenedor: La señal INPUT para la entrada del muestreadorretenedor La señal OUTPUl para la salida del muestreadorretenedor - Las señales V+ y V para la alimentactón del muestreador-retenedor - Las señales LOGIC y REF para vanar el modo de trabaJo del muestreador -retenedor La taqeta de adqu1s1C1ón de datos presenta las stgUtentes postbllidades Converstón de señales d1ferenc1ales analógtcas Para ser uttltzadas por aquellos s1stemas que requteran trabaJar con la dtferencta de dos señales analógtcas usando el ampliftcador de 1nstrumentac1ón de la taqeta Convers1ón de señales analógtcas refendas a tterra Para aquellos ststemas que requteran trabaJar con señales analogtcas tales como s1nusotdales !roanguiares rampas etc usando el conversor analóglcodtgttal de la taqeta Converstón de señales dtgttales a analógtcas con salida en comente Para aquellos ststemas que reqUieran una saltda de control analógtca usando el conversor dtgttal-analóg1co de la tar¡eta Muestreo y retenc1ón de señales analógtcas vanantes en el t1empo Para aquellos s1stemas que adquteran señales vanantes en el tiempo usando el muestreador-retenedor de la tarJeta

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- Amplificación de señales de sensores de baja tensión. Para ser utilizado en aquellos sensores cuyas salidas son señales de baja tensión, tales como: Termopares, Termistores, etc., usando el amplificador de Instrumentación de la tarjeta. - Posibilidad de trabajar hasta 8 señales analógicas en el sistema: Para ser utilizados en aquellos sistemas que trabaJan con la adquisición y control de más de una señal analógica, usando el multiplexor analógico que posee interno el conversor analógicodigital de la tar:¡eta. - Posibilidad de interrupción para indicar el fin de conversión AJO: Para ser usados en sistemas cuyo procesamiento requiera atender el fin de conversión analógico-digital a través de interrupción. 3 .- Aplicaciones: Se presentará a continuación dos aplicaciones desarrolladas en los laboratorios de la UNEXPO para demostrar el funcionamiento óptimo de la ta~eta. 3.1.- Generador de sei'iales El objetivo de esta aplicación es el diseño de un generador de señales triangulares , cuadradas y sinusoidales que puede ser utilizado por las asignaturas Laboratorio de Electrónica, Laboratorio de Mediciones Eléctricas y el Laboratorio de Técnicas Digitales. Esta aplicación tiene como base un diseño realizado por la National Semiconductor de un generador de señales, al que se le han hecho modificaciones para hacerlo más versátil. En este diseño se utilizan los conversores AJO y D/A de la tarjeta de adquisición de datos, el primero para recibir la señal de un potenciómetro que controla la frecuencia de las señales de salida y el segundo para generar la salida analógica. El generador está diseñado para trabajar con una variación de amplitud de ± 15V y una frecuencia variable de 1OHz a 1O Khz para los tres tipos de señales que genera. En la Figura 2 se presenta un diagrama general del diseño, donde se observa que el conversor AJO de la ta~eta de adquisición de datos. toma un valor de un potenciómetro, el cual es utilizado para variar la frecuencia del sistema. El JlSist-51 por programa toma el valor y lo emite al conversor D/A de la ta~eta de adquisición de datos, el cual genera una señal triangular a través de un capacitar que se carga en forma lineal. Esta señal es usada como señal base para generar la ser'\al sinusoidal y la señal cuadrada, a través de unos convertidores de señal que utilizan como dispositivos bases unos amplificadores operacionales.

Figura 2 . Diagrama general del generador de senales

3.2.- Control de temperatura de un horno. El objetivo de esta aplicación es el diseño del control de temperatura de un horno, a través de un control por fase utilizando un controlador de t1po proporcional-integral . Esta aplicación posee elementos de control digital como el muestreo y el controlador, que se estudian en la asignatura Sistemas de Control Digital; posee elementos de potencia como el puente monofásico incompleto de tiristores y el control por fase, que son estudiados en la asignatura Electrómca de Potencia. La adquisición de datos que es estudiada en Instrumentación Electrónica y la visualización de datos por PC a través del programa de instrumentación LabWindows, muy utilizado tanto en la asignatura Proyecto como en trabajos de investigación. Además esta aplicación posee la facilidad de poder ser materializada en procesos industriales. En este diseño se utiliza el amplificador de instrumentación, el conversor AJO y el muestreadorretenedor de la tarjeta de adquisición de datos , para la adquisición y conversión de la temperatura del sistema. En la Figura 3 se observa un diagrama general del diseño, donde se observa que la temperatura del horno es tomada a través de una termocupla que tiene una salida de tipo diferencial a baja tensión. Esta tensión es aumentada a través del amplificador de instrumentación de la ta~eta de adquisición de datos y después es mantenida por el muestreador-retenedor de la ta~eta, para luego ser tomada por el conversor analógico-digital y finalmente leída por el JlSist-51 para inmediatamente ser procesada. El control de temperatura del horno es controlado por fase y se hace a través de un controlador proporcional-integral, que procesa las temperaturas leídas y de set-point que son introducidas por el usuario y luego emite pulsos de disparo por el puerto 1 del microcontrolador a un puente monofásico incompleto de SCR'S y diodos, que es la parte de potencia para controlar la temperatura en el homo.

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Surga, R., Tarjeta de Adquisición de Datos para el Sistema de Desa"ollo ¡JS/ST-51

3. La tarjeta permite el diseño de diferentes equipos de medición ó generac1ón de señales que pueden ser utilizados como equ1pos de laboratorio en otras asignaturas. 4. La tarjeta permite el diseño de proyectos de inves tigación que pueden ser usados en procesos de la industria ó simularlos ..

Figura 3. Diagrama general del control de temperatura del homo

En la Figura 4 se observa el controlador de teclado y display 8279 que es el encargado de la lectura del set-point, escrito por teclado matricial, y de visualizar este valor y el de la temperatura del horno a través de 6 displays de siete segmentos que se encuentran en el diseño. Aparte de esto, el sistema aprovecha la posibilidad de comunicación serial que tiene el microcontrolador para transmitir información al COM1 de la PC, para que un programa de alto nivel realizado en un programa de instrumentación denominado LAB-WINDOWS, visualice en la pantalla de la PC información sobre promedio, desviación standard, histogramas, diagramas en el tiempo, niveles de seguridad mínimo y máximo y alarmas del sistema. SETPOINT

TEMPERATURA

5. El diseño de la tarjeta permite la utilización individual o en conjunto de los distintos dispositivos que se encuentran en ella para los d1seños que con ella se trabaje. 6. La tarjeta permite trabajar simultáneamente con un máximo de 8 señales analógicas de entrada y con un tiempo de conversión analógico-digital máximo de 40 microsegundos 7. La tensión de salida máxima de señal analógica de la tarjeta es de ±15 voltios, siempre y cuando el voltaje de referencia del conversor digital-analógico varíe en este rango. 8. La tarjeta se puede anexar a otros s1stemas de de sarrollo que utilicen microprocesadores ó microcontroladores. 9. La tarjeta se puede anexar a un computador con una tarjeta de interface fácilmente diseñable, por lo tanto, la tarjeta podría ser controlada por un programa de alto nivel para otros tipos de aplicaciones.

V.-BIBLIOGRAFÍA 1)

2) Figura 4 . Diagrama general de las etapas de visualización y entrada de datos por teclado

3)

111.-CONCLUSIONES 4) De acuerdo a los resultados anteriores, se pueden establecer las siguientes conclusiones: 1. Es factible la construcción de una tarjeta de adquisición de datos para el Sistema de Adquisición de datos ¡.¡.sist-51 . 2. Con la tarjeta se expande la potencialidad del sistema de desarrollo ¡.¡.sist-51 para la aplicación de proyectos y laboratorios en asignaturas existentes en el departamento de Ingeniería Electrónica.

5)

6)

7)

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