NUEVO MÉTODO DE CONEXIÓN DE SENSORES GENERADORES A MICROCONTROLADORES SIN UTILIZAR CONVERTIDORES ANALÓGICO A DIGITAL.

Custodio, Ángel

Dr. Ángel Custodio: Profesor Agregado en el Dpto. de Ingeniería Electrónica de la UNEXPO, Vicerrectorado Puerto Ordaz, Coordinador de la Maestría en Ingeniería Electrónica y del Centro de Instrumentación y Control de la misma universidad, telefax 58-286-9621205, correo electrónico acustodio@poz.unexpo.edu.ve

Resumen: En este trabajo se presenta el desarrollo de una interfaz electrónica para la conexión directa de un sensor generador de voltaje a un microcontrolador sin utilizar convertidor analógico a digital. Se realiza un análisis de los sistemas de instrumentación antiguos y modernos, se implementa el desarrollo de una interfaz compacta en hardware y con software realizado bajo el microcontrolador 12C671, se explica el funcionamiento de la interfaz y se exponen los resultados, para la comparación y análisis de los errores. El diseño propuesto e implementado reduce los errores significativamente y otorga ventajas a nivel económico y en tiempo de desarrollo. La instrumentación moderna propone la implementación de instrumentos que puedan manejar automáticamente procedimientos de linealización, autoescala, compensación de errores y variación de resoluciones. el diseño propuesto cumple estos objetivos. Los resultados que se obtuvieron en la prueba de este dispositivo muestran que los errores cometidos son de un 0,03% máximo, para condiciones normales de funcionamiento y ofrece compensación contra las variaciones en los elementos pasivos del circuito de hasta un 30% máximo, por lo que ofrece grandes ventajas en su utilización y posible comercialización.

Palabras clave: Adquisición de datos/ Conexión de sensores a microcontroladores/ Conversión Digital Directa/ Instrumentación Inteligente / Microcontroladores / Sensores Generadores

NEW METHOD FOR CONNECTING GENERATING SENSORS TO MICROCONTROLLERS WITHOUT USING ANALOGICAL TO DIGITAL CONVERTERS

Summary: The development of an electronic interface for the direct connection of a voltagegenerating sensor to a microcontroller without using an analogical to digital converter is presented in this work. An analysis of old and modern instrumentation systems is carried out; the development of a compact interface in hardware with software carried out under the microcontroller 12C671, is implemented; the operation of the interface is explained, and the results are showed, for the comparison and analysis of errors. The design proposed and implemented reduces errors significantly and offers advantages of economic nature and in the development time. Modern instrumentation proposes the implementation of instruments that can automatically handle procedures of linealization, self-scale, compensation of errors and variation of resolutions. The design proposed achieves these objectives. The results that were obtained in the test of this device show that errors made are of a maximum 0.03%, for normal operating conditions, and offers compensations against the variations in the passive elements of the circuit up to a maximum 30%, and on this basis offers great advantages in its utilization and possible commercialization.

Keywords. Connection of sensors to microcontrollers / Data collection / Direct Digital Conversion / Generating Sensors/ Intelligent Instrumentation / Microcontrollers.

Finalizado el 2005/04/14   Recibido el 2005/05/05   Aceptado el 2005/10/03.

I. INTRODUCCIÓN

En la actualidad los sensores forman parte importante en un sistema de control, ya que mediante ellos se realiza una medición de una variable física y se da como respuesta una variación ya sea física o eléctrica. La calibración, ajuste y puesta en marcha de estos dispositivos ha sido uno de los puntos de mayor interés en el desarrollo de nuevos instrumentos que permitan obtener medidas más cercanas a la realidad [1].

La evolución se remonta a dispositivos basados en principios mecánicos, hasta otros que combinan la electrónica moderna con estos principios. El primer sensor inteligente nació como una solución al problema de compensación de temperatura. Lo desarrolló Honeywell en los años 60, para el sistema de aire en los aviones DC-9 [2]. Estaba formado por dos piezoresistores que medían la presión y dos capacitores para crear un desplazamiento de fase. Estos elementos estaban realimentados y conectados a un inversor para crear un oscilador. La frecuencia de salida era proporcional a la constante de tiempo RC y por ende, a la presión.

Con el creciente auge de la electrónica se desarrollaron instrumentos basados en sistemas que poseen un sensor, un amplificador adecuado o acondicionador de señal, un dispositivo de conversión analógica digital y un sistema de transmisión. Estos sistemas son muy costosos cuando se desea aislamiento, ecualización, filtrado, etc. y ocuparían demasiado espacio para formar un tarjeta de adquisición de datos.

Los sistemas modernos basados en sensores inteligentes poseen muchas ventajas: son muy económicos, reducidos y de fácil manipulación. Están formados por un sensor, un dispositivo de amplificación y un microcontrolador; éste último se encarga de procesar la señal, linealizarla, transformarla en datos digitales y transmitirla según los requerimientos del equipo receptor [3]. Actualmente hay cuatro grandes tendencias en el diseño de sensores inteligentes:

1. Desarrollo de sensores inteligentes integrados. Consiste básicamente en integrar todo el dispositivo junto al sensor, como el desarrollado por Xi [4], Watanabe [5], o Meijer [6].

2. Usar sistemas de conversión integrados y dejar todo el procesamiento y parte del acondicionamiento en una computadora conectada a la red, como el propuesto por Scheriber [7] y Pailoor [8].

3. Desarrollo de sistemas de medida integrados como el AD654 (convertidor V/F) de Analog Devices, que permite acoplar termopares y galgas directamente.

4. Desarrollo de sensores inteligentes de bajo costo no integrados. En el ámbito discreto se han planteado algunas técnicas de conversión a frecuencias más económicas que las anteriores. Un circuito muy simple formado por dos inversores y un comparador [9], puede alcanzar los 9 bits de resolución y al proveer una salida, que es la relación entre un voltaje de referencia y el voltaje de interés, permite reducir algunas fuentes de error. Otro circuito simple de Mochizuki y Watanabe, para sensores resistivos en puente [10], utiliza un oscilador de relajación, cuya salida realimenta a la alimentación del puente. Se obtiene una resolución de 0,05 %, y una excelente linealidad.

Los sensores inteligentes permiten la calibración, linealización, corrección de errores al igual que variaciones de resolución que dan medidas acordes para un determinado proceso en particular, tomando en cuenta diversos factores y teniendo así todo el control sobre el instrumento de medida. Esto trae como consecuencia directa mejoras sustanciales en los tiempos de respuesta de los procesos productivos, ganancias y desarrollo tecnológico directo. El objetivo primordial de este trabajo es el desarrollo de una interfaz electrónica, capaz de permitir la conexión de un sensor generador de voltaje a un sistema manejado por un microcontrolador sin necesidad de utilizar un convertidor analógico a digital, permitiendo así la reducción de errores, la linealización y manejo de la señal en distintas resoluciones y campos. Se ha organizado la información en cuatro partes: descripción del hardware diseñado, descripción del software implementado, desarrollo experimental, y análisis de resultados

II. DESARROLLO

1. Descripción del experimento

En este apartado se explicará el desarrollo experimental de la interfaz electrónica propuesta para sensores generadores. El proceso se desarrolla en dos etapas básicas, tratamiento de la señal proveniente del sensor generador que es realizada mediante un amplificador de instrumentación, (esta etapa será simulada mediante una fuente de tensión que variará entre 0 y 5V), y la etapa de procesamiento digital que es quizás la más importante, porque mediante ella se compensan muchos errores y se ofrece un tratamiento de tensión que da como resultado una salida en PWM, equivalente a la resolución programada para una conversión analógica-digital directa mediante un microcontrolador.

1.1. Hardware

El diseño propuesto se basa en la interfaz digital directa basada en modulación por ancho de pulso de período variable (PWMVP) [11], ver Figura 1.

La técnica PWM-VP se basa en comparar la señal de interés (f) con un tren de señales rampa cuyo período (P) dependerá de su interrelación con dicha señal. Luego se genera un tren de pulsos (sg) de ancho variable (d), con una amplitud fija (A). Independientemente del período, el ancho del pulso siempre llevará la información. Por tanto no hacen falta señales de sincronismo, simplificando la electrónica de implementación. El diseño propuesto se implementó con el circuito de la Figura 2. Las medidas son tomadas desde la salida del comparador; la señal medida proporcionará variaciones en el ancho y en el período de duración de los pulsos. Dichas variaciones serán directamente proporcionales a las variaciones de temperatura, que su vez producen variaciones de tensión a la entrada del comparador.

La duración, al igual que el número de pulsos, dirá el resultado de la conversión que queda almacenado en unos registros de propósitos generales para posteriores tratamientos, ya sean de visualización o de transmisión. El circuito está formado por un amplificador de instrumentación que se encarga de llevar los niveles de tensión de la salida del termopar a niveles que puedan ser manejados por el microcontrolador, (simulados mediante una fuente de tensión de 0 a 5 V). A continuación se tiene un comparador, que es el encargado de verificar cuál de las dos tensiones de entrada es la mayor: la tensión de la red RC o la proveniente de la etapa de amplificación. En función del estado del comparador, el microcontrolador genera una salida que se encarga de polarizar la red RC y a su vez almacena en un registro especial el resultado de la conversión en formato digital.

1.2. Software

El software implementado se muestra en la Figura 3. Es muy sencillo ya que se desarrolló con el fin de que pudiera ser implementado con el microcontrolador PIC12C671, que es muy pequeño y de poca capacidad. Se seleccionó este micro por la necesidad de desarrollar una implementación sencilla y práctica, tratando de conseguir un tamaño reducido y un costo reducido. El software consiste en la generación de un algoritmo de comparación entre la señal de entrada proveniente del sensor y la correspondiente detección de nivel alto en el microcontrolador.

Luego se va generando un conteo interno en el microcontrolador, de tal forma que al alcanzar o detectar el nivel alto en el pin correspondiente del procesador, se obtendrá una cuenta que será proporcional al nivel de tensión de entrada. Una vez con la cuenta guardada en los registros respectivos, se procede a presentar los datos en una señal equivalente a la señal de entrada para el correspondiente cálculo de errores.

2. Resultados y análisis

En la Figura 4 se presentan las formas de onda observadas en el pin de entrada del microcontrolador. Se utilizó para la medida un osciloscopio digital de la serie TECKTRONIC con una excelente impedancia de entrada, con el fin de evitar la posible perturbación sobre el sistema de medida. Se muestran dos señales obtenidas para dos tensiones de entradas diferentes. La (1) corresponde a una señal de entrada de 1 V, y la (2) corresponde a una señal de entrada de 1,5 V. Puede apreciarse claramente que el sistema funciona al medir los cambios en la señal generada. De la gráfica se concluye el adecuado funcionamiento del sistema, es decir, ante cambios de la variable medida, se observan cambios en el ancho del pulso generado por el sistema.

En la Figura 5 se muestra el valor medido por el microcontrolador en función de la tensión de entrada.

El experimento se realizó para dos comparadores diferentes: el LM324 y el LT1016. El objeto de este proceso era observar la influencia de un inadecuado proceso de comparación a la entrada del microcontrolador. El LM324 se comporta en forma adecuada al compararlo con el valor Ideal o teórico. En la Figura 6 se procede a realizar la linealización de la señal obtenida con el LM324.

Puede observarse una deriva muy pequeña con relación al valor ideal. La pendiente de la gráfica linealizada es de apenas 0,998 con una deriva de dos centésimas. El error tabulado se muestra en la Figura 7. El error máximo de nolinealidad apenas llega al 0,030 %, lo cual se traduce en un error mejor que 12 bits de resolución. Este valor es muy significativo, ya que demuestra el comportamiento correcto del dispositivo diseñado, con errores muy bajos.

Seguidamente se procedió a evaluar la inmunidad del circuito contra cambios del elemento pasivo existente, el condensador (Figura 8)

Nuevamente se observa que ante cambios del elemento pasivo utilizado (300 %), la señal de salida del sistema apenas varía un 0,4 % máximo en todo el margen de medida. Esto significa que el método de procesamiento simple utilizado elimina las perturbaciones de los elementos pasivos externos utilizados por el sistema.

En el proyecto se ha utilizado el microcontrolador para realizar exclusivamente las operaciones descritas. Sin embargo, el microcontrolador no tiene que pasar todo el tiempo adquiriendo señales, sino sólo cuando se requiera o programe. El resto del tiempo podría estar corriendo otra aplicación diferente o asociada. En este caso, la rutina tiene un tiempo variable que depende de la magnitud de la señal medida, pero cuyo valor máximo no supera el milisegundo. Como el microcontrolador tiene una memoria pequeña, el software podría guardarse en una memoria externa.

III. CONCLUSIONES

1. El diseño propuesto trabaja específicamente sobre sensores generadores, que propone acondicionamiento de su señal y tratamiento mediante un microcontrolador para obtener una señal con errores muy pequeños y controlados y con una resolución de hasta 16 bits.

2. De las gráficas se concluye el adecuado funcionamiento del sistema, es decir, ante cambios de la variable medida, se observan cambios en el ancho del pulso generado por el sistema.

3. El error máximo de nolinealidad apenas llega al 0,030 %, lo cual se traduce en un error mejor que 12 bits de resolución.

4. Este valor es muy significativo ya que demuestra el comportamiento correcto del dispositivo diseñado, con errores muy bajos.

5. El diseño propuesto maneja variaciones en la capacitancia de hasta un 300%, lo que quiere decir que no ofrecerá variaciones considerables en la salida ante cambios bruscos en la temperatura de entrada.

6. Esto significa que el método de procesamiento simple utilizado elimina las perturbaciones de los elementos pasivos externos utilizados por el sistema.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo fue financiado parcialmente por FUNDACITE GUAYANA y la UNEXPO Puerto Ordaz

IV. REFERENCIAS

1. Pallas-Areny, R., “Sensores y Acondicionadores de Señal”, Barcelona, España, Marcombo, , 2001, p. 350.        [ Links ]

2. Peake, E., "Solid State Digital Pressure Transducer," IEEE Trans. on Electron Devices, ED-16(10): 870-876. 1969.        [ Links ]

3. Custodio, A., “Aporte a la Interfaz de Señal en Sensores Inteligentes”, Tesis de Doctorado Universidad Politécnica de Cataluña, Barcelona, España, 2001, p. 425.        [ Links ]

4. Xi, Y., "Dual D Flip-Flip forms VCO," Electronics Design: 89. 1992.        [ Links ]

5. Llamada, M., Watanabe, K., "A Capacitive Pressure Sensor Interface Using Oversampling Delta Sigma Demodulation Techniques," IEEE Trans. Instrum. Meas, 46(1): 3-7. 1997.        [ Links ]

6. Li, X., Meijer, G., “A Novel Low-Cost Noncontact Resistive Potentiometric Sensor for the Measurement of Low Speed,” IEEE Trans. Instrum. Meas, 47(3): 776-781. 1998.        [ Links ]

7. Schreiber, R., “Air Flow Control Using Fuzzy Logic,” Application Note AN600, Microchip Technology. 1997, p 4.        [ Links ]

8. Pailoor, R., “Smart Sensor,” Sensor Interface, Microchip Technology Inc. 1997, p. 3.        [ Links ]

9. Walne, M., "Simple ADC is Surprisingly Accurate," EDN: 154. 1994.        [ Links ]

10. Mochizuki, K., Watanabe, K., “A High-Resolution, Linear Resistance-to-Frequency Converter,” IEEE Trans. Instrum. Meas, 45(3): 761-764. 1996.        [ Links ]

11. Daugherty, K., Analog to Digital Conversion: a Practical Approach. New York, McGraw Hill, 1994, p. 232.        [ Links ]