instrumento de medición múltiple con microcontrolador

Instrumento de Medición Múltiple conMicrocontrolador

Murdocca, Roberto Martin; Kiessling Duran, Roberto AnibalLaboratorio de Electrónica, Investigación y Servicios

Facultad de Ciencias Físico, Matemáticas y Naturales / Universidad Nacional de San LuisSan Luis, Argentina

e-mail: mmurdocc, [email protected]

Resumen - El trabajo consiste en la realización de un instrumentodestinado a la medición de magnitudes eléctricas, de bajo costo yamplia funcionalidad, para uso intensivo en las prácticas delaboratorios de circuitos digitales. El instrumento diseñadopermite medir tensiones continuas, frecuencia y niveles lógicos.Además permite inyectar señales en circuitos digitales, entreellas, trenes de pulsos, caracteres ASCII y pulsos libres derebotes. Se incorporan algunas funciones para verificar elfuncionamiento de ciertos componentes electrónicos. Esteinstrumento, además de ser una herramienta de trabajo en elaula, es también un caso de estudio de codiseño HW/SW desistemas embebidos con microcontrolador.

Palabras clave - Microcontrolador, instrumentación, sistemasdigitales, Compilador C, Maquina de Estado, portátil, bajocosto.

I. INTRODUCCIÓN

A la hora de diseñar un sistema digital, el diseñador poseeherramientas software que le permiten obtener una simulacióndel comportamiento de dicho sistema casi de forma real, peroaun así algunas situaciones no son factibles de simular, no sonvisibles, o no se presentan en forma real en un simulador. Losconocimientos y habilidades obtenidos al poner enfuncionamiento un circuito real no se pueden adquirirmediante simulaciones. Para desarrollar este tipo de enseñanzabasada en proyectos, es necesario contar con varios tipos deinstrumentos en número suficiente para todos los alumnos.

Muchas veces es necesario medir frecuencias para saber siuna determinada etapa de un circuito recibe la señal correcta osi dicha señal es generada como se esperaba al momento deldiseño. Otra medición relacionada con esta es tener laposibilidad de contar eventos.

Al realizar la comunicación entre sistemas se suele utilizar(aun hoy en día) el estándar RS-232 para la transmisión serie.Contar con un dispositivo que permita enviar una cadena decaracteres y que permita ajustar la velocidad de transmisión esuna gran ayuda en estos casos.

Otra herramienta muy útil es el generador de pulsos, estepermite introducir pulsos libres de rebotes en el sistema digital

y también permite generar un tren de pulsos de frecuenciapredeterminada.

Para determinar el nivel lógico presente en un punto de uncircuito se suele utilizar una punta lógica. Esta indica no soloel estado lógico, sino también si en un pequeño intervalo detiempo se produjo un pulso no perceptible en forma directa ocon un voltímetro.

También suele ser necesario contar con un voltímetrodigital que permita medir tensiones de CC. Esto, por logeneral, se utiliza para verificar que las tensiones dealimentación de las distintas etapas del sistema sean lasadecuadas.

Contar con un único instrumento capaz de realizar la casitotalidad de las medidas necesarias en un sistema digital, conMicroprocesador, Microcontrolador, CPLD, FPGA, etc., esuna gran ayuda para el diseñador de estos sistemas [1].

Comercialmente los instrumentos de medición actuales delmercado Argentino permiten la medición de unos pocosparámetros de los descriptos aquí. Por ejemplo, se puedenhallar multímetros digitales que incorporan algunas de lasfunciones de medida pero con rangos acotados, por ejemplolos rangos de medida de frecuencia son siempre muy bajos,del orden de 2MHz máximo. Por otro lado se puedenencontrar instrumentos avanzados que son verdaderosanalizadores lógicos portátiles, permitiendo medir muchosparámetros de laboratorio pero su precio es muy elevado.Cabe aclarar que no se encontró ningún instrumento manualque reúna las características antes mencionadas.

Por otro lado, el desarrollo de un instrumento de bajo costopermite equipar un laboratorio con el número suficiente paraque cada alumno tenga acceso a uno y maximizar elaprendizaje en las prácticas de laboratorio.

Además, la practicidad del instrumento es un elementomotivador para que los alumnos adquieran los conocimientosnecesarios para entender su funcionamiento y posteriormentearmar uno propio.

Es por esas razones que se decidió encarar la elaboración deun instrumento que reúna estas características para ser

IV Congreso Microelectrónica Aplicada (uEA 2013) 22

Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional Bahía Blanca RED_UIE

utilizado en el Laboratorio de Electrónica, Investigación yServicios de la UNSL y en los Laboratorios de Electrónica dela carrera Ingeniería Electrónica con Orientación en SistemasDigitales, Técnico Universitario en Electrónica y Profesoradoen Tecnología Electrónica.

II. HARDWARE

Para el desarrollo del instrumento se utilizó elMicrocontrolador PIC16F886 de Microchip [2] debido a lascaracterísticas de hardware que incorpora.

Las principales características de este Microcontroladorson: 8K de memoria FLASH de programa, frecuencia detrabajo hasta 20MHz, 368 Bytes de memoria RAM, 256Bytes de memoria EEPROM, 13 fuentes de interrupción,Perro Guardián (WDT), Debugger In-Circuit, 14 canalesAnalógicos de 10 bits, 3 Temporizadores/contadores, 2módulos de captura/comparación/PWM., USART, etc.

El PIC16F886 se fabrica en encapsulados de 28 pines enformatos PDIP, SOIC, SSOP y QFN. Se utilizó para elprototipo la versión en formato PDIP y para la versióndefinitiva se utilizó el encapsulado SOIC.

Inicialmente se comenzó el proyecto con el PIC16F873, elcual posee similares características pero limita su memoria deprograma a 4K. Al ir incorporando funciones de medida, sesuperó esta capacidad por cual se migró al PIC16F886.

El diagrama en bloques del instrumento se muestra en laFig. 1. Allí se puede observar que se incluye poco hardwareadicional al Microcontrolador. Para realizar interfaceinstrumento-usuario se incorporó un display LCD inteligentede 16x2, 3 LEDS, un teclado formado por 3 pulsadores tipotac switch y un buzzer piezoeléctrico.

Fig. 1. Diagrama de bloques del instrumento.

A. Metodología de diseño y herramientas utilizadas.

Para la implementación del instrumento se utilizaronherramientas de simulación software-hardware. Para realizarla programación del Microcontrolador se utilizó la herramientaMPLAB 8.6 junto con el Programador/Debugger PICKit 3 quepermite la programación ICSP (In Circuit SerialProgramming) [3] facilitando así la tarea de realizar cambioscontinuos en el Firmware. El lenguaje de programaciónutilizado es el C por sus características de portabilidad decódigo, estandarización, librerías disponibles, y ademásporque permite incorporar código en ensamblador.

B. Acondicionamiento de Entrada

Debido a que se deben utilizar varios terminales delMicrocontrolador para implementar las distintas funciones demedición, se tuvo que buscar la forma de poder combinartodas estas líneas. Una alternativa era colocar distintasentradas externas e ir cambiando de posición la punta demedida, lo cual resulta ser poco práctico. Otra alternativaconsistía en utilizar varios relés para ir conmutando la entradaen función de la medición seleccionada, pero surgió delanálisis que también se tornaba poco práctico ya que seincrementaba mucho el consumo, el costo y las dimensionesdel PCB escapaban de las especificaciones de diseño.

Observando la hoja de datos del Microcontrolador utilizado,más precisamente en la sección donde se detalla laarquitectura de los puertos se ve que poseen la capacidad depoder configurarlos en alta impedancia (flotantes). Entonces,se optó por realizar la combinación de las señales a través desimples resistencias a un punto común: la punta de medida.

La interface con el circuito de medida se realiza por mediode una única punta de entrada/salida. Cada función de medidareconfigura los terminales necesarios para poder unificar lafunción hacia una única punta de medida.

En la Fig. 2 se muestra el esquema de acondicionamientode la entrada.

Fig. 2. Circuito del acondicionamiento de entrada.



Al seleccionar una determinada función de medida, solo sehabilitan los terminales necesarios para esta medida, los demáspermanecen en “alta impedancia” [4]. Además, se reconfiguranlos periféricos necesarios para dicha medida: Timers,contadores, Módulos CCP, etc. Por ejemplo para realizar lafunción medida de frecuencia se utiliza el esquema de la Fig. 3.

C. Funciones de Medida

Para la función frecuencímetro se utilizan dos terminales deentrada, el RA4/T0CKI y el RA5/AN4. Se fija un nivel lógicobajo en la entrada configurando el terminal RA3 como salida ycolocando un cero lógico en esta salida.

El terminal RA5/AN4 está unido con RA4/TCKI, esto serealiza de esta forma para lograr mayor precisión al momentode medir frecuencia ya que dicho pin se usa como habilitaciónde lectura del contador además de permitir generar unasecuencia de pulsos para obtener el valor del pre-divisor delTimer 0 ya que este pre-divisor no permite su lectura directa.

Para medir frecuencia se usa un contador que cuenta elnúmero de pulsos (N) de la señal de entrada durante un periodode tiempo conocido, denominado tiempo de puerta. El tiempode puerta se obtiene a través del Timer 2 y una variable. Losvalores empleados para el tiempo de puerta se muestran en laTabla 1.

Se utiliza el Timer 0 [5] como contador de pulsos externos,configurado con un prescaler de 256. Con el valor del prescalery el registro TMR0 se obtiene un dato de 16 bits. Este datodividido por el tiempo de puerta, nos da el valor de lafrecuencia de entrada [6]. En la Fig. 4 se muestra un diagramade bloques del funcionamiento del frecuencímetro.

Fig. 3. Configuración para la función frecuencímetro.

Fig. 4. Diagrama en bloques de la función frecuencímetro.

TABLA 1. DEMORAS GENERADAS POR EL TIMER 2 PARA EL RETARDO DEPUERTA

Rango deFrecuencia

Retardo de Puerta(Gate)

Resolución

40MHz…10MHz 1mS ±1KHz10MHz…5MHz 5mS ±2KHz5MHz…1MHz 10mS ±200Hz

1MHz…500KHz 50mS ±20Hz500KHz…50KHz 100mS ±10Hz

50KHz…10Hz 1S ±1Hz

En la Fig. 5 se muestra un diagrama en bloques de lafunción punta lógica. El detector de pulsos se realiza con elTimer 0 funcionando como contador de pulsos externos. Si enun intervalo de tiempo de 500nS se incrementa el contadorentonces se tiene un pulso a la entrada. Luego a través delensanchador de pulsos que comanda un LED se indica lapresencia de pulsos. El ensanchador de pulsos consistebásicamente de un monoestable que al ser disparado (detectorde pulsos) activa su salida por 250mS para activar el LEDindicador.

El comparador de ventana se implementa con el canal 0del conversor AD. Se mide la tensión presente en la entrada yse compara con dos umbrales cargados según la lógicaseleccionada. Cuando la punta se encuentra al aire (flotante) oconectada en un circuito de alta impedancia, un divisor detensión fija una tensión de aproximadamente 2.023V, valorque se encuentra en la zona no válida. Esto se hace para noforzar un estado lógico cuando la punta se encuentra al aire.

Para implementar la función voltímetro se utilizó tambiénel canal 0 del conversor AD, terminal RA0/AN0. Con estaentrada se mide una tensión de 5V FE. Para la función de 50VFE se agrega un divisor de tensión con un factor de 10 a travésde un microrele.

Los modos Generador de Pulsos/PulsadorLógico/Generador Señal para Prueba de Servos/PWMcomparten el mismo hardware, solo se configura el pinRA0/ANO en modo salida digital, como se ilustra en la Fig. 6.Cada una de estas tres funciones ajsutará el Timer 0, el Timer2 y/o el módulo CCP2 para generar las correspondientesseñales según la selección del usuario. En la Fig. 7 se muestrael diagrama en bloques de la función “Pulsador Lógico”. Estapermite generar trenes de pulsos angostos (ancho 400nS) condistintos rangos de frecuencia o pulsos libres de rebotes enmodo manual.

Fig. 5. Diagrama en bloques de la función punta lógica.



Fig. 6. Configuracion para los Modos generadores de señales.

III. FIRMWARE

A. Interfaz gráfica de usuario

El firmware fue desarrollado en lenguaje C [7], usando uncross-compilador y se añadieron secciones de código enlenguaje ensamblador.

Se agregó código en lenguaje ensamblador para podertener un control de la reconfiguración de los terminalesRC6/TX/CK y RC7/RX/DT los cuales son usados por laUSART en el modo Generador de Baudios. El compilador Cposee la directiva #USE RS232, la cual permite configurar losparámetros de comunicación serie muy fácilmente pero alutilizar esta directiva el compilador ignora todas las funcionesde reconfiguración de los terminales asociados a esteperiférico, es decir, las funciones TRISX (). Por ello se omitióesta directiva y se decidió utilizar lenguaje ensamblador paraesta sección del código usando la directiva #ASM.

El código se organizó a través de una Maquina de EstadosFinito.

El firmware del proyecto posee un conjunto de parámetrosde configuración del Microcontrolador, los cuales son cargadosde la EEPROM al momento del encendido, es decir, el usuariorecupera la función de medida de la última vez que utilizó elinstrumento.

Al energizar el equipo se realizan una serie de tareasdestinadas a configurar el funcionamiento inicial delinstrumento, ellas son: recuperación de la última configuración,configuración de los puertos del Microcontrolador, se inicializa elmódulo LCD, se muestra un mensaje de presentación y se espera unaorden de usuario.

La interface con el usuario está formada por trespulsadores. Dos pulsadores permite desplazarse por el menúprincipal, y sub menús, uno desplaza hacia izquierda el otrohacia derecha. Un tercer pulsador permite confirmar una ordeno salir. En la Fig. 8 se muestran las funciones de estospulsadores. En la Fig. 9 se muestran algunos de los menús delinstrumento.

Fig. 7. Diagrama en bloques de la función Pulsador Lógico.

El diagrama funcional del menú completo se presenta en laFig. 10. Allí se puede ver el detalle de la navegación por losdistintos sub menús [8]. Por ejemplo, si se ingresa en el menúPUNTA LOGICA, se debe seleccionar con las teclas <1> y<2> la lógica a utilizar y luego presionar la tecla <3> paravalidar.

Se eligió este formato ya que ofrece un rápido acceso a lafunción de medida requerida por el usuario a la vez que puedeoperarlo con solo tres pulsadores [9] y manipulando elinstrumento con una sola mano [10].

Fig. 8. Funciones de los pulsadores.

Fig. 9. Algunos menus del instrumento.



Fig. 10.Diagrama funcional del menu completo del instrumento.

IV. RESULTADOS OBTENIDOS

Para realizar el análisis de los resultados obtenidos por elinstrumento, se utilizaron instrumentos patrones provisto por elLaboratorio de Electrónica, Investigación y Servicios (LEIS).Todas las pruebas y Mediciones se realizaron en Laboratorio,lugar de uso del instrumento, bajo temperatura ambiente de25ºC.

Los instrumentos utilizados para efectuar las medidas ycalibraciones son: Osciloscopio Digital Rigol Modelo 1052(Clase I), Multímetro Digital de Precisión HP 34401A (Clase I)y Contador Universal HP 5315A (Clase I).

Todos estos instrumentos son Clase I, es decir, precisiónpara uso en laboratorios.

Los resultados obtenidos de contrastar mediciones delinstrumento desarrollado con los instrumentos patrones, seresumen en la Tabla 2. Los errores indicados en la tabla son losmáximos. Cada función de medida posee generalmente variasescalas. Se ha tomado el peor caso en cada una de lasfunciones. Por ejemplo en el caso del frecuencímetro sepresenta un error máximo de 1.3%, pero este corresponde a unamedida de 10Hz (Escala 10Hz a 50KHz). Mientras que porejemplo a los 100Hz el error es de 0.85% llegando a 0.038% alos 10MHz.

TABLA 2.RESUMEN DE ERRORES MAXIMOS.

En cuanto a la implementación del PCB [11], en la versiónfinal se diseñó con dimensiones reducidas para poder utilizaruna caja del tipo punta lógica. En la Fig. 11 se muestra la carasuperior del circuito impreso del instrumento, en la Fig. 12 lacara inferior y en la Fig. 13 la serigrafía.

Fig. 11. Cara superior del circuito impreso (Top Layer).

Fig. 12. Cara inferior del circuito impreso (Bottom Layer).

Función Rango / Escalas Error(Máx.) Resolución Impedancia

E/S

VoltímetroEscala Baja 5V 1.5% 5mV 100KΩ

VoltímetroEscala Alta 50V 2% 50mV 1.250MΩ.

Probador deDiodos 5V 2.74% 5mV 560Ω

Punta Lógica TTL, CMOS 5VLógica 3.3V 0.62% 5mV 4.047KΩ

PulsadorLógico

1Hz, 10Hz,100Hz, 1KHz,

10KHz1.9% 20Ω

Medidor deFrecuencia

40MHz…10MHz10MHz…5MHz5MHz…1MHz

1MHz…500KHz500KHz…50KHz

50KHz…10Hz

1.3%

±1KHz±2KHz±200Hz±20Hz±10Hz±1Hz

100KΩ

Contador deEventos 50Mhz - 1 dígito 100KΩ

Generador deonda cuadrada 1Hz…10KHz 0.86% 20Ω

Generador decaracteres

ASCII

1200, 2400, 4800,9600, 19200,34800, 56700,

115200

- - 6K8

Señal 500Hz –500mV 500Hz 0.56% 100KΩ

Gen SeñalPWM 6KHz 0.21% 100KΩ

GeneradorSeñal Prueba

Servos

50Hz – 1mS50Hz – 1.5mS50Hz – 2mS

0.127% 20Ω

Display LCD 16x2 Matriz 5x8, 3 LEDs

Backlight Si

Alimentación Bateria Alkalina 9V

Consumo 18mA (Min.) / 52.5mA (Max.)



Fig. 13. Serigrafía del circuito impreso.

V. CONCLUSIONES

En el presente trabajo se logró obtener un instrumentosimple, con las funciones de medida más comunes para eldiseñador de sistemas digitales, a un bajo costo, y con unainterface instrumento-usuario muy amigable.

Se logró reunir varias funciones de medida en un soloinstrumento utilizando un único Microcontrolador y reducidohardware externo.

Si bien el instrumento final no es de alta precisióncomparado con instrumentos profesionales de laboratorio, losresultados obtenidos muestran que es más que suficiente paralas pruebas rápidas y prácticas de laboratorio. El costo delequipo desarrollado es lo suficientemente bajo como parapoder equipar un laboratorio con un instrumento por alumno.

VI. POSIBLES MEJORAS Y TRABAJOS FUTUROS

Actualmente se está trabajando en el agregado de nuevasfunciones como así también en mejorar las existentes.

Dentro de las mejoras en marcha se tiene laimplementación de comunicación serie con dispositivos I2C,SPI y 1 Wire para verificar su funcionamiento, funciones dedetección y lectura de señales infrarrojas para pruebas defotodiodos, controles remotos, etc.

Además se está reemplazando el fusible por una alternativaelectrónica de bajo ruido.

Finalmente se plantea como mejora una batería recargablede menor dimensión e incorporar el circuito de recarga en elinstrumento.

REFERENCIAS

[1] AN689 - Engineers Assistant Using a PIC16F84A, MicrochipTechnology Inc, 1998.

[2] Hoja de datos PIC 16F886 - Microchip Technology Website.[3] In-Circuit Serial Programming (ICSP™) Guide. Documentos técnicos

de Microchip Corporation, http://www.microchip.com[4] Pérez García M. A., Antón Álvarez JC., Campo Rodríguez,

Instrumentación electrónica, THOMSON, 2004.[5] Angulo Usategui J. M., Angulo Martínez Ignacio, Microcontroladores

PIC, Prentice-Hall, 2005.[6] AN592- Frequency Counter Using PIC16C5X, Microchip Technology

Inc, 1997.[7] García Breijo Eduardo, Compilador C CCS y Simulador Proteus para

Microcontroladores PIC, Afaomega, 2008.[8] Harprit Singh Sandhu, Making PIC Microcontroladores Instruments and

Controllers, ElcGraw Hill, 2009.[9] Martin Bates, Interfacing PIC Microcontroladores, Elsevier, 2006.[10] Lucio Di Jasio, Dogan Ibrahim, John Morton, Martin Bates, PIC

Microcontrollers: Know It All, Elsevier, 2008.[11] EAGLE - Manual Version 6. CadSoft Computer, manual pdf

http://www.cadsoft.de/



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