Electrnica Comunicacin USB.

Muchas compaas en la industria de la manufactura usan computadoras personales en sus plantas y laboratorios para probar sus productos, tomar mediciones y automatizar procesos. Al crear sistemas basados en

computador, los usuarios estn aprovechando las ventajas de las tecnologas de la computacin ms recientes tales como tarjetas de adquisicin de datos. La tcnica de instrumentos virtuales mediante tarjetas de adquisicin de datos, es cada vez ms utilizada en la industria. Esta metodologa consiste en realizar paneles de control en computador, tradicionalmente hechas por software que utiliza instrumentos virtuales como LabView. A travs de estos instrumentos

virtuales (Vis) se pueden supervisar en tiempo real las variables del proceso (Temperatura, Humedad, Presin, entre otros.) y controlar actuadores (vlvulas, termo resistencias, entre otros). Estos VIs brindan al usuario una gran

flexibilidad de operacin debido a que no requieren de ninguna circuitera para realizar complicados procedimientos de control, simulacin y supervisin. Actualmente la obtenci n de adquisicin (TAD) de datos en LabView, se realiza mediante tarjetas National Instruments desarrolla. Estas TAD

que

generalmente son muy costosas y de uso limitado, esto es, que no puede utilizarse en ningn otro software. El costo es la principal limitante que hace difcil adquirirlas por estudiantes, universidades y centros de investigacin. Considerando las problemticas planteadas anteriormente, en este artculo se presenta una metodologa para establecer la comunicacin va USB entre

LabView y un microcoontrolador.

Comunicacin entre la PC y el dispositivo USB

Existen tres maneras de establecer la comunicacin por USB (Bus Universal en Serie): Bulk Transfers: transferencia bidireccional masiva de informacin.

CDC:

clase

de

dispositivos

de

comunicacin (emulacin del

protocolo RS232). HID: dispositivos de interfaz humana (plug-and- play). En este trabajo se opto por la opcin Bulk Transfers, debido a que permite la transmisin de datos de alta velocidad (Full Speed) de 12Mb/s. Las

transferencias Bulk estn diseadas para soportar aquellos dispositivos que precisan enviar o recibir grandes cantidades de datos.

Fig. 1. Etapas de comunicacin entre la PC y el Dispositivo USB.

En el diagrama de la Figura. 1 se ilustra el flujo de datos USB software LabView que manipula

a

partir

del

al dispositivo USB a travs de la librera

mpusbapi. La librera realiza la transmisin de datos a la direccin del dispositivo que el host USB configur al usar el driver. El driver establece el puente entre la PC y el microcoontrolador. Dentro del microcoontrolador se ejecuta el firmware el cual se comunica con elementos de la TAD, que realizan algunas funciones tiles para el usuario o lo que se desea controlar. Una principales dispositivo procesos descripcin formal de los

o elementos que realizan la comunicacin entre el

USB y la PC. Interconexin El dispositivo USB dispone de 2 tipos de conectores (A y B) como se observa en la figura 2, que pueden ser a su vez macho o hembra [2].

Fig. 2. Conectores USB

De esta forma el tpico cable USB sera el modelo US09. La velocidad soportada por estos cables es de 12 Mbps, hasta 480Mbps en el caso de los cables para USB 2.0. El cable est compuesto por solo cuatro cables, Vbus, D+, D- y GND (Ver Tabla1). La informacin y los datos se mueven por los cables D+ y D-. TABLA 1.

A travs de esos cables se genera un tipo de seal diferencial.

La

transferencia de informacin lo realiza de manera bidireccional, pero no al mismo tiempo. En la misma seal diferencial entre D+ y D- se enva y se recibe las tramas de datos. Dentro de esta seal se observa una seal Sync, PID y Opcional, estas tres forman el paquete de trama donde va incluida la informacin que se desea trasmitir (VerFig. 3).

Fig. 3. Composicin de un paquete de informacin La seal Sync es utilizada por e l receptor para sincronizarse con el host. El PID es un paquete identificador, que definir cmo los bytes de informacin deben ser interpretados o tratados. Y, por ltimo, esta la opcional donde contiene los datos enviados y recibidos, que va desde 1 byte hasta 124 bytes.

Microcoontrolador PIC establecer la interfaz de comunicacin USB se seleccion el

Para

microcoontrolador PIC18F4550. Este dispositivo soporta la comunicacin va USB, es decir, incluye un controlador USB interno y cuenta con pines para

conectarse a la PC sin la necesidad de pull-ups o circuitera externa. En la Figura. 4 se observa la estructura interna del controlador de perifrico USB.

Fig. 4. Caracterstica del PIC18F4550

El

firmware que

se

implement

en

el

PIC18F4550 para establecer la

comunicacin USB con la PC, se realiz a travs de las siguientes instrucciones de programacin.

Fig.5. Diagrama de flujo del firmware

El firmware hace uso de las libreras USB de CCS C Compiler,

para

configurar el dispositivo y establecer la comunicacin entre la PC. Para que el host USB rena la informacin necesaria e identifique al dispositivo y lo configure, el firmware debe contener descriptores. Los descriptores contienen informacin bsica del dispositivo como el nmero de serie, la clase de dispositivo, el protocolo soportado, la capacidad de transmisin, las funciones del dispositivo, entre otros, con el propsito de que el sistema identifique al dispositivo y encuentre al driver que debe utilizar.

Driver del dispositivo

Cuando el dispositivo se conecta por primera vez a la PC, el sistema pedir el controlador (driver) correspondiente, en este caso el driver mchpusb creado por Microchip. Para que el dispositivo sea reconocido por el sistema, este driver debe contener los mismos descriptores que el firmware.

Seleccin de materiales

La seleccin de los materiales para la implementacin del instrumento se baso en la versatilidad de los componentes, su fcil obtencin, su rango de operacin y sus datos caractersticos para desarrollar un sistema estable en cuanto a control y adquisicin de la informacin, as como la transmisin y procesamiento de la misma.

Los materiales se describirn dependiendo de su accin a realizar y la dividiremos en 3: control mecnico, deteccin y adquisicin+procesamiento central.

La primera etapa que es el control mecnico est compuesta por dos bloques que son como se muestra en la figura 6.

Microcontrolador encargado de generar el PWM

Servomotor

A microcontrolador central

H21A1 sensor ptico de herradura

Figura 6.- diagrama a bloques del control mecnico.

Para la induccin de la velocidad angular en la parte mecnica se ha elegido el servomotor de giro continuo del fabricante Parallax (#900-00008) con las especificaciones tcnicas que se muestran en la figura 7.

Voltaje mximo 6 VDC. Velocidad de giro 60 rpm. Torque 3.45kg-cm. Tamao en milmetros. 40.5 x 20.0 x 38.0.

Figura 7.- Especificaciones del servomotor Parallax

El servomotor se controla mediante programacin PWM (modulacin por ancho de pulso). Para implementar el control se us el microcoontrolador PIC16F84A de Microchip Technology Inc. que es uno de los microcontroladores ms utilizados en proyectos electrnicos. A pesar de que este micro no posee, muchas de las caractersticas de los ms avanzados, stas pueden ser implementadas por software. El micro pertenece a la familia Microchip de Microcontroladores de rango medio de 8 bits con 18 pines como se muestra en la figura 3.2. Este tiene 13 lneas de entrada/salida con tecnologa TTL/CMOS, es decir, 5 V para un estado lgico 1 y 0 V para el estado 0. Requiere un oscilador externo de hasta 20 MHz, adems cuenta con un timer y un watchdog timer. Ver figura 8.

Figura 8.- Pines del PIC16F84A Para la distincin de un giro completo se tiene un switch ptico de ranura el cual con el indicador del cero en la placa retardadora, el programa sabr donde tomar los datos en principio y final de una vuelta. En este tipo de sensor, ambos elementos (LED y Fototransistor) se encuentran alineados a la misma altura

enfrentados a travs de la ranura. El fototransistor se encontrar activado siempre que no se introduzca ningn elemento que obture la ranura. Se utiliza el H21A1 debido a sus caractersticas de alimentacin y su respuesta en condiciones normales, logrando obtener una respuesta de 10 KHz. Ver figura 9.

Figura 9.- descripcin del Switch ptico de ranura H21A1. Etapa de deteccin

Se eligi un dispositivo OPT101, que consta de un sensor de luz y un amplificador. Dicho dispositivo funciona de manera tal que el valor del voltaje a la salida vara linealmente con la intensidad de luz que incide sobre l. El OPT101 opera como sensor de radiacin tipo fotodiodo y cuenta con amplificacin interna que genera una diferencia de potencial proporcional a la intensidad de la radiacin incidente sobre la superficie de su apertura. En la figura 10 tenemos el diagrama interno del OPT101 y su encapsulado.

Figura.-10. Diagrama interno del OPT101 y pines. Nota (1): localizacin de fotodiodo Adquisicin y procesamiento central.

Esta

etapa

est

compuesta

esencialmente

por

el

microcoontrolador

PIC18F4550 mencionado anteriormente el cual se encarga de la conversin analgica digital del la informacin adquirida en el OPT101, para despus ser transmitida en cadenas de datos al ordenador. Algunas caractersticas

fundamentales son la arquitectura RISC avanzada Harvard: 16- bit con 8- bit de Datos, hasta 64K bytes de programa (hasta 2 Mbytes en ROMless), multiplicador Hardware 8x8, hasta 3968 bytes de RAM y 1KBytes de EEPROM, frecuencia mxima de reloj 40Mhz, mltiples fuentes de interrupcin, perifricos de comunicacin avanzados (CAN y USB). En la figura se da un detallado de los pines de este microcoontrolador.

Figura 10.- Pines del PIC18F4550.

Diseo de la circuitera del sistema

Teniendo en cuenta los requerimientos del sistema y los componentes seleccionados, se dise la electrnica cuyo funcionamiento se puede observar en el esquema a bloques de la Figura 11. Ah, el bloque central ser el encargado de controlar el funcionamiento de los componentes mecnicos, adems de la adquisicin, la conversin anloga-digital y la trasmisin de la informacin ya digitalizada al ordenador para su tratamiento. El fotodetector enviar la informacin de la intensidad modulada, que estar siendo censana a la salida del

arreglo ptico. El PIC16F84A ser el encargado de generar el PWM del servomotor para mantener una velocidad angular constante en el sistema de engranes. En este mismo lazo se tiene el switch ptico de herradura que nos dar la informacin de un giro completo de la placa retardadora para tener una certeza de principio y final de obtencin de las muestras, para tener un buen anlisis de la informacin.

OPT101

PC

CONTROL CENTRAL PIC18F4550

16F84

Engranes

SENSOR OPTICPO DE RANURA

Figura 11. Diagrama a bloques de la parte electrnica. En la Figura. 12 se observan las conexiones entre los microcontroladores, el fotodetector, el sensor de herradura, el conector USB y el servomotor. Como se puede ver en la simulacin se tienen los elementos electrnicos que compondrn la interfaz USB, donde podemos ver cada uno de los elementos necesarios, para que esta funcione de la manera ms eficiente y no nos envi informacin inservible para las mediciones. Como se puede observar, no se tienen las libreras para la simulacin del fotodetector y el switch de herradura, para los cuales se realiz un circuito equivalente que tiene el mismo comportamiento de los elementos reales. Tambin se puede observar las conexiones entre los microcontroladores y la conexin con el adaptador USB.

Figura.12. Sistema completo.

Interfaz usuario instrumento mediante LabView

La interfaz es la forma en que los usuarios pueden comunicarse con una computadora, y comprende todos los puntos de contacto entre el usuario y el equipo. Sus principales funciones son: Manipulacin de archivos y directorios Herramientas de desarrollo de aplicaciones Comunicacin con otros sistemas Informacin de estado Configuracin de la propia interfaz y entorno Intercambio de datos entre aplicaciones Control de acceso Implementacin en LabView

LabView, de la multinacional National Instruments, permite recoger, analizar y monitorizar los datos dentro de un entorno de programacin grfico en el que se ensamblan objetos llamados instrumentos virtuales (Vis) para formar el programa de aplicacin con el que interactuar el usuario y que se denomina instrumento virtual.

El instrumento virtual permitir manejar ese hardware mediante una interfaz grfica de usuario (IGU) que se asemejar al panel de mandos de los aparatos habituales. Mediante le representacin en pantalla de los elementos grficos de visualizacin y control que servirn de interfaz con el usuario, este observar los estados de las entradas seleccionadas en la pantalla e interactuar con las salidas directamente, o mediante la ejecucin de las rutinas que se programen.

Bsicamente, el software se encargar de comunicar la interfaz de usuario del ordenador con el hardware de adquisicin de datos dotando a la aplicacin de la funcionalidad requerida.

Requerimientos

Para el desarrollo de la interfaz grafica necesitamos saber cules son los datos que obtendremos y como los obtendremos, para ello veremos que son los datos que se presentaran al usuario en el panel frontal que se desarrollara ms adelante, para ello los dividiremos en tres bloques los cuales veremos a continuacin.

El primer bloque est compuesto por los controles que permitirn el inicio de la toma de intensidades por separado, el inicio del giro continuo en los elementos pticos, o estos dos al mismo tiempo, adems de detener el sistema. Tambin tendremos el control de poder guardar los datos de las mediciones en tiempo real por tiempos definidos por el usuario manual o automticamente en archivos de texto o tablas de nmeros para un anlisis

a futuro. Adems, se tiene el control de seleccionar la mejor ubicacin para el guardado de los datos. En el segundo bloque se tienen los indicadores numricos, los cuales nos mostrarn los parmetros de la luz que estamos estudiando, estos datos por mencionar sern: el grado de polarizacin, grado de polarizacin lineal, grado de polarizacin circular, ngulo de orientacin de la elipse de polarizacin y la elipticidad de la misma y los elementos del vector de Stokes caractersticos de la luz analizada. Con esto se presenta una informacin detallada acerca de las propiedades del haz de luz que se analizar y se presentara en tiempo real. En el ltimo bloque tenemos los indicadores grficos, los cuales nos mostrarn de una manera ms agradable los datos numricos en el tiempo y como estos cambian para poder tener un detallado de las mediciones. Las grficas que se presentarn son : la seal modulada entrante en el sistema, el ngulo de orientacin y la elipticidad de la elipse de polarizacin, los elementos del vector de Stokes y, por ltimo, la representacin del estado de polarizacin mediante la esfera de Poincar.

Desarrollo de panel frontal.

Como ya se mencion en los requerimientos se desarrolla un panel frontal con la capacidad de poder mostrarnos en tiempo y forma los datos que se obtendrn mediante el anlisis de la seal obtenida.

Nuestro panel frontal se muestra en las Figura 13 donde se puede observar que tendremos pestaas y controles que permitirn elegir la visualizacin de cada indicador grfico independiente o agrupado, adems de exhibir numricamente los parmetros de polarizacin y de tener la grfica de las intensidades que se analizarn.

En la Figura 13.a se puede observar la pestaa principal donde se muestra una grfica que nos muestra las intensidades moduladas obtenidas del fotodetecor y las cuales sern tratadas para obtener los parmetros en la polarizacin.

Figura 13.a. Grafica de intensidades.

En la figura 13.b. tenemos los controles para la ubicacin de los archivos que contendrn la informacin de los parmetros de polarizacin, adems se tienen los controles para iniciar con el guardado y los indicadores numricos de todos los parmetros de polarizacin.

Figura 13.b. Parmetros.

Ahora en la Figura 13.c mostramos la elipse de polarizacin del haz incidente, adems se tiene un control para mostrarla y as evitar el uso innecesario de memoria RAM del ordenador, con esto hacemos tenemos menos prdida de tiempo en el proceso de las mediciones.

Figura 13.c.Elipse de polarizacin.

Para poder entender el comportamiento de los parmetros que influyen a la elipse de polarizacin se muestran las grficas con respecto al tiempo de los parmetros: elipticidad y el ngulo de orientacin de la elipse de polarizacin mostrada en la pestaa anterior.

Figura 13.d. Elipticidad y ngulo de orientacin.

La pestaa siguiente contiene las grficas de los elementos del vector de Stokes S1, S2 y S3, las cuales son importantes en el estudio de de la luz polarizada, tambin se puede observar que se tiene un botn de ver para dibujar las graficas cuando se requiera (figura 13.e).

Figura 13.e. Elementos del vector de Stokes.

En la ltima pestaa (Figura 13.f) se muestra la grfica de la esfera de Poincar, una manera de ver el comportamiento de la luz polarizada, son su control para empezar a mostrar la grfica, cabe resaltar que los controles de inicio del opt101, servo, inicio y detener el instrumento estn en todas las pestaas ya que son controles principales.

Figura 13.f. Esfera de Poincar.

Detallado de parte posterior La descripcin del panel posterior de la interfaz grfica, est constituida de algunas funciones predeterminadas de LabView, para el tratamiento de la seal adquirida mediante la electrnica desarrollada. En la Figura 14 se puede observar a grandes rasgos los componentes principales del programa principal el cual con los Subvis sealados ms adelante complementarn el desempeo ptimo del sistema.

Figura 14.- Programa principal. La subrutina llamada Segunda parte es la encargada del clculo con la cadena de datos que es enviada desde la funcin match pattern. A esta subrutina slo se le ingresa la cadena de datos previamente convertida en un arreglo de datos para su manejo eficiente en la subrutina y la cual entregar los datos que se ven en la Figura 4.15.

Figura. 4.15 SubVi encargado del anlisis matemtico de la seal muestreada. El Subvi est conformado por tres etapas principales que se describirn a continuacin. Primera etapa: arreglo con las mediciones de intensidad y determina el valor mximo para normalizar. Realiza los clculos solicitados: Series de Fourier Truncadas (figura 4.16). Segunda etapa: Calcula los valores S0, S1, S2 y S3, con los coeficientes de la serie de Fourier de las intensidades ya normalizadas.(figura 4.17) Tercera etapa: Calcula la orientacin, Polarizacin y Elipticidad, y su envi a las salidas del Subvi. (figura 4.18).

Figura 4.16 Primera etapa del Subvi.

Figura 4.17 Segunda etapa del Subvi.

Figura 4.18 Tercera etapa del Subvi.

Los resultados obtenidos de la subrutina son los que se tratan en la ltima etapa del programa donde sern enviados a indicadores numricos y grficos para su observacin en la parte frontal del panel. Adems de los indicadores tambin tenemos los dataloggers en los cuales se guardarn estos resultados para un anlisis posterior.

Figura 4.19 Indicadores grficos.

Figura 4.20 Indicadores numericos.

Figura 4.21. Datalogger en extensin .txt.

Figura 4.22. Datalogger en extensin .xls.

Referencias [1] GABRIUNAS V. Apuntes de Electrnica. Universidad Distrital Francisco Jos de Caldas. 1999 [2] RONCANCIO H., VELASCO. H. Una Introduccin a Labview. Semana de Ingenio y Diseo. Universidad Distrital "Francisco Jos de Caldas". 2000. Ing. Ramos Guillermo, Ing. Hernndez Jorge, Ing. Castao Juan Andrs. Curso Prctico de Electrnica Industrial Y Automatizacin: Proyectos, Tomo 3. CEKIT S.A. 2002 Pereira Colombia. Pg.: 193-196.

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