XXII JORNADAS EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN OSCILADOR CONTROLADO POR VOLTAJE ENBASE A UN MICROCONTROLADOR CON SELECCIÓN DE FRECUENCIAS PARA EL

DEPARTAMENTO DE GEOFÍSICA.

Roberto Toapanta, Ing.Sandro E. Jua Vivar, Ing

Departamento de GeofísicaEscuela Politécnica Nacional

1. RESUMEN

A pesar de la disponibilidad de equipos demonitoreo volcánico y de la tecnología con quese cuenta en la actualidad; el Instituto Geofísicoaún cuenta con estaciones analógicas de períodocorto. Las empresas que desarrollan estosequipos, han migrado de la tecnología analógicaa la digital, descontinuando así la fabricación deestos equipos de forma permanente. En elpresente proyecto se desarrolla un sistema paratransmitir uno de los parámetros másimportantes de la vigilancia volcánica: lasismicidad del suelo. Se diseña un osciladorcontrolado por voltaje (VCO1), en base a ungenerador de tonos controlado por unmicrocontrolador PIC18F2550. El generador detonos produce una frecuencia central, que esmodulada por la señal adquirida del geófono2.

La información es modulada en frecuencia ytransmitida por medio de un radio transmisoranalógico al Instituto Geofísico de la EscuelaPolitécnica Nacional. Los datos sísmicosadquiridos, ayudan a realizar estudios sobre lasplacas tectónicas; sismos relacionados convolcanes; ubicación del hipocentro y elepicentro de un sismo, etc. Proporcionando asíinformación rápida y precisa, que ayudan a losorganismos de coordinación de emergencias adar las alertas tempranas de evacuación.

2. INTRODUCCIÓN

El Ecuador se encuentra localizado en una delas regiones tectónicamente más activas delplaneta, debido a la subducción de dos placas; laplaca nazca con la placa sudamericana. Estasituación ha causado la presencia de importantesactividades tanto sísmicas como volcánicas, lascuales han generado terremotos y erupcionesque han afectado frecuentemente al territorioecuatoriano. Actualmente la actividad sísmica yvolcánica son estudiadas y monitoreadasutilizando instrumentos que permiten registrardiferentes parámetros físicos; y a través de otros

1 Oscilador Controlado por Voltaje.2

Los geófonos son transductores de desplazamiento,velocidad o aceleración que convierten el movimiento delsuelo en una señal eléctrica.

medios, almacenarlos en un centro deadquisición de datos para su análisis. Lasseñales sísmicas registradas son analizadas entiempo casi real y permiten conocer lalocalización de la fuente sísmica, como: eltamaño del evento, el tipo de fracturamiento quelo generó y la historia de la ruptura. El estudiode las señales sísmicas, es la principalherramienta tecnológica para la vigilancia de losvolcanes activos.

Uno de los métodos más importantes en elmonitoreo volcánico; son el empleo de lasestaciones sísmicas analógicas de período corto.Estas se encargan de tomar la señal eléctrica deun geófono; realizar el acondicionamiento;modular en frecuencia, y transmitir vía enlacede radios analógicos al Instituto Geofísico (IG).Se componen principalmente de las siguientespartes: un sensor sísmico, VCO, batería, panelsolar, radio transmisor, y antena.

3. SISTEMA DE MONITOREO

El sistema está constituido principalmente deuna estación sísmica, localizada en un lugarespecífico del volcán o del país; y una estaciónbase como es el Instituto Geofísico o elObservatorio Volcán Tungurahua (OVT). Laestación sísmica y la computadora o losregistradores de la señal sísmica, tambiénforman parte del sistema.

Los registradores son instrumentos portátilesque graban las trazas sísmicas. Están ubicadasen los observatorios, utilizan papel ahumadopara imprimir las trazas de forma continua enlas 24 horas del día.

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Figura N. 1. Imagen Sismógrafo PS – 2. Tamborde registro analógico.

Además, los observatorios cuentan concomputadoras adecuadas, que aceptan los datosde las estaciones sísmicas analógicas. Con losdatos adquiridos por la computadora, se hacenuso de programas que realizan los cálculos paralos indicadores de actividad volcánica, y laslocalizaciones de eventos sísmicos.

4. ESTACIÓN SÍSMICA.

Una estación de monitoreo sísmico analógica,básicamente está conformada por los siguienteselementos: el geófono de periodo corto, el VCO,el radio transmisor, la antena transmisora, y elsistema de alimentación; que son las baterías ypaneles solares.

Figura N. 2. Diagrama de una estación sísmicaanalógica – Estación de campo.

5. SENSOR SÍSMICO

El geófono empleado es electromagnético,consiste simplemente de una bobina que semueve en un campo magnético suspendida deun sistema de resortes. El sistema más sencilloes una masa suspendida de un resorte. Elmovimiento relativo de la masa dentro delcampo magnético constante, (generado por unelectroimán), convierte la energía mecánicaproveniente de las ondas sísmicas en señaleléctrica.

Figura N. 3. Sensor sísmico de período cortomodelo L4 – C.

Se utiliza un geófono modelo L4 – C; es unsensor electromagnético de periodo corto,versátil, y portátil. Está diseñado para seraplicado en una gran variedad del ámbitosísmico, y bajo condiciones ambientalesadversas. Se caracteriza por su alta sensibilidad,material duro y su resistencia al agua. Mide 7.6cm de diámetro por 13 cm de longitud. Pesa:2.15 kg. Tiene una frecuencia nominal de 1.0 ±0.05 Hz.

6. DISEÑO DEL VCO.

Se diseña un oscilador controlado por voltaje enbase a un generador de tonos, controlado por unmicrocontrolador PIC18F2550. El generador detonos produce una frecuencia central, que esperturbada por la señal adquirida del geófono.Realizándose así la modulación en frecuencia.

Para diseño del VCO se toman en cuenta laspartes importantes constitutivas como son: elacondicionamiento de la señal, la digitalización,el control, y la generación de la onda sinusoidal.

Figura N. 4. Diagrama de bloques del VCOprogramable en base a generador de tonos.

6.1. ACONDICIONAMIENTO

La señal proveniente del geófono se encuentraen el orden de las milésimas de voltio, ésta señalse acondiciona con la ayuda de un amplificadorde instrumentación (AI); el AD620. Permitefijar las ganancias de 1 a 1000, solo se requiere

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de una resistencia externa RG , que puede sercalculada con la siguiente fórmula:

RG = 49.4 KΩG − 1La Figura N. 5, es el acondicionamiento para elsensor sísmico en base a un amplificador deinstrumentación y filtro a la entrada de la señal.

12

P1

?? KR1

D2

1

2

3

45

6

7

8

U4AD620AN

R4

-5 V

R5

+2.5V

CH1

R2

R3

C3

0.047uFC1

C2 RG1RG2

+12 V

1uFC29

ENTRADASISMICA

Figura N. 5. Acondicionamiento de la señal delgeófono electromagnético.

La entrada está protegida con un diodo supresorde transitorios de voltaje, y también se haimplementado un filtro para atenuar lainterferencia por radio frecuencia.

6.2. DIGITALIZACIÓN

En esta etapa se emplea el AD7706, que es unconversor de señal analógica a digital de 16 bits.Posee tres canales de entrada pseudodiferenciales, con valor de voltaje de entradamáximo de +/- 2.5V. Para la comunicación conmicrocontroladores posee la interfaz SPI3.

Otras de las características más relevantes delAD7706 es que posee selección de frecuenciade muestreo hasta 500 mps4, filtro digital, auto-calibración y amplificador de gananciaprogramable hasta 42dB.

6.3. GENERACIÓN DE LA ONDASINUSOIDAL.

El ML2035 es un generador de onda sinusoidalcompacto, cuya salida es programable desde DChasta 25 kHz. La frecuencia de la onda generadapor el chip, es programable mediante un valorde 16 bits. El ML2035 es compatible con lainterface SPI del microcontrolador.

3Interfaz periférico serial.

4Muestras por segundo.

+5 V

SCK

-5 V

SIDLATI

1uFC11

1uFC10 SALIDASCK2 VSS1

SID3

LATI4

CLK IN 8

GND 7

V OUT 6

VCC 5

U7

ML2035

OUTPUT

Figura N. 6. Diagrama de conexiones delgenerador de tonos.

6.4. CONTROL.

El PIC18F2550 es el encargado de monitoreartodas las variables de entrada y salida delsistema, ejecutando comandos necesarios parael funcionamiento del VCO. Realiza tareas delectura de datos del conversor AD7706.Interpretar los valores por medio de unalgoritmo, y envía una serie binaria al ML3025para la generación de la onda sinusoidal yfrecuencia deseada. También, realiza lacorrección del offset en la frecuencia portadora.

CLEAR

SCKSIDLATI

SCLKDOUT

DIN

+5 V

4.7uFC24

RA0/AN0 2

RA1/AN1 3

RA2/AN2/VREF-/CVREF 4

RA3/AN3/VREF+ 5

RA4/T0CKI/C1OUT/RCV 6

RA5/AN4/SS/HLVDIN/C2OUT 7

RB0/AN12/INT0/FLT0/SDI/SDA 21

RB1/AN10/INT1/SCK/SCL 22

RB2/AN8/INT2/VMO 23

RB3/AN9/CCP2/VPO 24

RB4/AN11/KBI0 25

RB5/KBI1/PGM 26

RB6/KBI2/PGC 27

RB7/KBI3/PGD 28

RC0/T1OSO/T13CKI11

RC1/T1OSI/CCP2/UOE12

RC2/CCP113

VUSB14

RC4/D-/VM15

RC5/D+/VP16

RC6/TX/CK17

RC7/RX/DT/SDO18

VSS8

VSS19

MCLR/VPP1

OSC1/CLKI9

OSC2/CLKO/RA610

VDD 20

U6

PIC18F2550

DRDY

LEDR

PGCPGD

RESET

22pFC22

22pFC23

12

Y1

19.6608 MHz F2F1F0

FD

Figura N. 7. Microcontrolador PIC18F2550.

7. CONFIGURACIÓN DEL VCO

7.1. SELECTOR DE GANANCIA

Cuenta con un dip-switch de 12 posiciones parala selección de los diferentes valores deganancia para la señal del sensor sísmico. Estasganancias son elegidas de acuerdo al tipo deterreno donde se instala el sensor sísmico.

7.15KR183.32KR191.6KR20794R21392R22198R2398.8R2449.9R2524.7R2612.4R276.2R28

18 dB24 dB30 dB36 dB42 dB48 dB54 dB

72 dB

60 dB66 dB

78 dB

Ganancias

2423

12

1

223456789

101112

212019181716151413

DIP SW 1

DIP SW

joint_1 joint_2

RG1 RG2

GND

Figura N. 8. Selector de Ganancias.

7.2. FRECUENCIA PORTADORA YFILTRO DIGITAL

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Los VCO pueden generar una o variasfrecuencias portadoras que pueden serseleccionadas de acuerdo a la necesidad. Elequipo tiene esa opción mediante un dip-switchde 4 posiciones; tres de ellas son para laselección de la frecuencia de la portadora y unapara la selección del filtro digital. En la Tabla 1y Tabla 2, se detallan la frecuencia y el filtrodigital.

+5 V

100KR10100KR11100KR12

F0F1F2

SELECTOR FRECUENCIA Y FILTRO DIGITAL

100KR13FD

FRECUENCIA 0FRECUENCIA 1FRECUENCIA 2FILTRO DIGITAL

87

12

1

634 5

DIP SW 2

DIP SW

Figura N. 9. Selector de Frecuencia y FiltroDigital.

8. PROGRAMA PARA EL PIC18F2550

El programa para el microcontrolador, se puederealizar en cualquier lenguaje de programaciónen texto como son: ANSI C, BASIC,FORTRAN, etc. Esto es posible debido a queexisten empresas que proveen del softwareconocido como: compilador. Por la facilidad enel desarrollo de programas para losmicrocontroladores se eligió el lenguaje deprogramación ANSI C, y el compilador es elPICC-18™ PRO para la familia de PIC18 de laempresa australiana HI-TECH Software.

El programa principal del microcontroladorcomienza con la configuración de los puertoscomo entradas o salidas; inicializa la función delSPI y el Timer 1. A continuación lee los dip-switch’s para asignar al VCO la frecuencia de laportadora, y al ADC5 la frecuencia de muestreo.

Tabla N. 1. Selección de la frecuenciaportadora. Tres posiciones del dip-switch.

SelectorF2 F1 F0

Frecuencia portadoraseleccionada [Hz]

0 0 0 6800 0 1 10200 1 0 13600 1 1 17001 0 0 20401 0 1 23801 1 0 27201 1 1 3060

Tabla N. 2. Selección del filtro. Una posicióndel dip-switch.

5 Conversor de señal analógica a digital.

SelectorFD

Filtro Digital seleccionado

0 fc = 11.79 Hz (-3dB); 45 mps1 fc = 24.104 Hz (-3dB); 92 mps

Continuamente el programa esta monitoreandouno de los pines del ADC, el DATA READY,para verificar si dispone de datos listos para serleídos. Los datos adquiridos del ADC sonprocesados mediante un algoritmo, que generaun valor en base a la configuración del sistemapara luego ser transmitidos al generador detonos. A continuación se presenta el diagramade flujos del programa principal delmicrocontrolador.

(a)

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(b)

Figura N. 10. Diagramas de Flujos: (a)Programa principal del PIC18F2550, (b)Atención a la interrupción del timer 1.

9. RESULTADOS

9.1. ESPECTRO DE LA FRECUENCIAPORTADORA

En la siguiente figura se puede observar la señaly el espectro de una de las 8 frecuenciasportadoras generada por el VCO diseñado. Paraeste caso se ha seleccionado una frecuenciaportadora de 680 Hz.

Figura N. 11. Gráfica de la frecuencia portadoraa 680 Hz. El gráfico se obtiene utilizando el

programa PicoScope Oscilloscope.

9.2. PRUEBA DE GANANCIA: 42 dB-7,2mV; 48 dB-3,6 mV

En estas pruebas, se debe obtener la mismaamplitud para diferentes valores de señal yganancia. Para una señal sinusoidal de 7.2 mV yganancia 42 dB se obtiene el mismo resultadoque para una entrada de 3.6 mV con ganancia de48 dB.

Figura N. 12. Pruebas de Ganancia-Amplitud.

9.3. PRUEBA DE LA CORRECCIÓN DELOFFSET

El VCO diseñado realiza la corrección del offseto desviación de la portadora, por medio de unasubrutina que se ejecuta cada 24 Hrs. Lasecuencia de corrección del offset es notoriadebido a que el VCO envía una señal cuadradapara identificar el momento de la corrección.

Como prueba se configuró el programa delmicrocontrolador para que la calibración serealice cada 5 segundos. En las siguientesfiguras se puede observar las pruebas decalibración.

(a)

(b)

Figura N. 13. Corrección del Offset, (a) señalcon baja ganancia, (b) señal sísmica con 42 dB

de ganancia.

9.4. TRAZAS SÍSMICAS EN EL TAMBORDE REGISTRO ANALÓGICO

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Estas trazas sísmicas se obtuvieron en unperiodo de prueba de un día. En el cual se puedeobservar los movimientos captados por el sensorde periodo corto L4 – C.

Figura N. 14. Gráfica de las trazas grabadas porlos registradores de señal sísmica PS – 2.

10. CONCLUSIONES

El sistema es de bajo costo, y proporcionaventajas sobre VCO’s analógicas. En un soloVCO se pueden seleccionar 8 frecuenciasdiferentes; se auto-calibra; realiza la correccióndel offset; posee dos opciones de filtro digital yes de bajo consumo de corriente (28 mA).

Se ha demostrado mediante múltiples pruebas yensayos reales, que el equipo implementadofunciona correctamente, y presentacaracterísticas equivalentes a las de un equipoutilizados actualmente; significando un ahorroconsiderable en costos de adquisición de unnuevos equipos.

Con el nuevo VCO diseñado, se puedesimplificar las labores de mantenimiento en lasestaciones sísmicas. Puede ser colocado acualquier frecuencia, dependiendo de la tarjetadiscriminadora que se tenga en la estación base,donde se recibe las señales de las estacionessísmicas.

En el IG se construyeron VCO’s; siguiendo losdiseños de la USGS6. Estos equipos sonconstruidos con componentes electrónicosanalógicos. Se obtuvieron buenos resultados,pero, la frecuencia central de la portadora sufríacambios y desviaciones con respecto a lareferencia. La degradación de la señal dificultael análisis de los datos de las estacionessísmicas. Con el nuevo equipo diseñado secorrigen estos inconvenientes.

Respecto al programa desarrollado en lenguajeC para el microcontrolador, se puede asegurar

6 United States Geological Survey.

que lleva a cabo todas las funciones para las quefue diseñada, estableciendo así un interfacepráctico para usuario.

Se obtuvo experiencias en la utilización delmicrocontrolador de la familia PIC18, para enun futuro posterior hacer uso de esosconocimientos adquiridos.

11. BIBLIOGRAFÍA

Libros:

[1]. ORTIZ Ramón, GARCÍA Alicia, ASTIZMar, Instrumentación en Vulcanología.Madrid. 2001. 347 pág.

[2]. McCHESNEY P.J., Manual del McVCO.USA. 1999. 57 págs.

[3]. A. Trnkoczy, J. Havskov, L. Ottemöller,Seismic data acquisition. Hannover. 2002.

[4]. OGATA Katsuhiko, Modern ControlEngineering. USA. 1980. 1013 págs.

Tesis:

[1]. MACÍAS Carlos, Desarrollo de un arreglosísmico en base a microcontroladoresRfPIC. Tesis (Tecnólogo en Electrónica yTelecomunicaciones). Quito, Ecuador.Escuela Politécnica Nacional, Escuela deFormación Tecnológica. 2006. 93 págs.

[2]. PAZOS Antonio, Estación Sísmica Digital– Tratamiento Digital de Señales. Tesis(Doctoral). Cádiz, España. Universidad deCádiz, Departamento de Física Aplicada.2004. 226 págs.

[3]. JUA Sandro, Tarjeta de adquisición dedatos aplicado a la medición detemperatura. Tesis (Tecnólogo enElectrónica y Telecomunicaciones). Quito,Ecuador. Escuela Politécnica Nacional,Escuela de Formación Tecnológica. 2004.81 págs.

Páginas Web:

[1]. http: //www.analog.com.

[2]. http://www.htsoft.com.

[3]. http://www.microchip.com.

Datasheets:

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[1]. Analog Devices, Inc. AD620. Datasheet.Low Drift, Low Power InstrumentationAmp with set gains of 1 to 10000. 1999.

[2]. Analog Devices, Inc. AD7706. Datasheet.3 Channel Pseudo Differential, 16 bitsSigma-Delta ADC. 1998.

[3]. Analog Devices, Inc. OP77. Datasheet.Ultralow offset voltage operationalamplifier. 2002.

[4]. Micro Linear. ML2035. Datasheet. SerialInput Programmable Sine Wave Generator.1997.

[5]. Microchip. PIC18F2550. Datasheet.28/40/44 - Pin High-Performance,Enhanced Flash USB Microcontrollerswith nanoWatt Technology. 2004.

BIOGRAFÍAS

Roberto Carlos Toapanta Guamán

Nació en Quito el 15 deJulio de 1984, curso susestudios secundarios en elInstituto TecnológicoSuperior Sucre obteniendoel título de BachillerTécnico Industrial enElectrónica. Sus estudios

superiores los realizó en la Escuela PolitécnicaNacional en la Escuela de Formación deTecnólogos obteniendo el titulo de Tecnólogoen Electrónica y Telecomunicaciones.Desde 2008 trabaja el Departamento deGeofísica de la Escuela Politécnica Nacionalrealizando tareas como: desarrollo de hardwarey software orientado al monitoreo sísmico-volcánico; mantenimiento de la red desismógrafos del Ecuador (RENSIG),Inclinometría, AFMs (Acoustic FlowMonitoring) y apoyo en mantenimiento de la redde sensores de Banda Ancha de la Agencia deCooperación Internacional de Japón (Jica).

Sandro E. Jua Vivar

Bachiller en HumanidadesModernas, especialidadFísico - Matemáticas delcolegio Don Bosco, MacasMorona-Santiago.Estudió Física en LaFacultad de Ciencias De

Escuela Politécnica Nacional (EPN), 2002. Segraduó de tecnólogo en Electrónica y

Telecomunicaciones - EPN, 2004. Es egresadode Ing. en Electrónica y Control – EPN, 2009.Realizó trabajos de automatización deexperimentos físico para el Proyecto deMetrología Física, Facultad de Ciencias - EPN(2 años). Trabajó durante 5 años para el InstitutoGeofísico – EPN, en el diseño de sistemas demonitoreo volcánico y mantenimiento deestaciones sísmicas e inclinométricas.Actualmente trabaja en el CIDAE (Centro deInvestigación y Desarrollo Aeroespacial), comoconsecuencia de un convenio firmado entre laFAE y la EPN.