sistema de adquisición de datos de 12 bits para pc. a 12

SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS
DE 12 BITS PARA PC.
Surga, Rafael
Poth, Antonio
Agostini, Giovanni
Resumen: El presente trabajo trata sobre la construcción y puesta en marcha de un sistema
de adquisición de datos con resolución de 12 bits que pueda adaptarse a un computador
de manera de adquirir datos digitales y analógicos del medio para poder ser procesados
digitalmente, además de poseer salidas digital y analógica en caso de querer controlar un
proceso.
Palabras Clave: Interrupción en PC/Resoluc1ón 12 Bits/Sistema de adqu1s1c1ón de datos/
Tratamiento digital de señales.
A 12-BITS DATA ACQUISITION SYSTEM FOR
PERSONALCOMPUTERS
Abstract: The present work deals with the building and set up of a data acquisition system
with a 12-bits resolution, capable of adapting itself toa computer so that it acquires digital
and analog data from the system for digital processing. lt also possesses digital and analog
output in case a process control is required.
Key words: Data Acquisition System/Digital Treatment of Signals/ PC lnterruption/12-Bits
Resolution.
l. INTRODUCCION
Actualmente, los proyectos que se realizan en el
Opto. de Ingeniería Electrónica de la Universidad
Nacional Experimental Politécnica "Antonio José de
Sucre" . Vicerrectorado de Puerto Ordaz, están
orientados hacia el estudio y desarrollo de la
automatización de procesos industriales. La aplicación
de computadores personales como herramienta para
el manejo y control de los procesos constituye una
buena solución. Sin embargo, es necesario que exista
una mterface entre la planta y el sistema que lo
controlará, función que ejercen las tarjetas de
adquisición y control de datos.
Con la impldntación de este sistema, se resuelve el
problema de la puesta a punto de la interface entre el
proceso estudiado y el controlador (PC's) utilizado para
la automatización del proceso en sí, problema que
afecta a los estudiantes en el momento de realizar
sus proyectos. Con la tarjeta, se pueden realizar
proyectos con mayor prec1sión y envergadura en el
área de control.
11. OBJETIVOS
2.1. Objetivo general:
Construcción de la tarjeta de adquisición de datos
para el Bus ISA de 12 Bits para adaptarla a un
computador personal.
2.2. Objetivos específicos:
• Diseño de la tarjeta de adquiSICión de datos de 12
bits de propósitos generales.
·Diseño del circuito 1mpreso de la tarjeta de
adquisición de datos en base a s1stemas CAD
• Realización de las pruebas necesarias para la puesta
Manuscnto finalizado el30/09/97, recibido el24/10/97, en su forma final (aceptado) el 07/05/98. Ellng. Rafael Surga es m1embro del Centro
de Automatización y Control y Profesor del área de Microprocesadores y Control de Procesos por Computadoras de la Universidad Nacional
Experimental Politécnica "Antonio José de Sucre", VICerrectorado Puerto Ordaz Telef.086~13563 . E-mail [email protected]. Los Bachilleres
Antonio Poth (E-mail: [email protected]) y Giovanní Agostini, son estudiantes de la carrera de lngenierla Electrónica en la misma universidad.
- - - - - -··IYI!MIIÁI, CII!.CI.Á. 7II!C.elMI.&. Volumen 2. Número 6. Junio 1998. pp.
en funcionamiento de la tarjeta de adquisición de
datos en el computador.
• Diset'lo del programa software que permita la
interface entre la tarjeta y el computador
111. DESARROLLO
3.1. Tarjeta de adquisición de datos.
La tarjeta de adquisición de datos es un dispositivo
especializado capaz de controlar el intercambio de
información entre el microprocesador y el exterior (o
viceversa). En general, la tarjeta realiza dos funciones,
una que rige la comunicación entre el microprocesador
y el mundo exterior (conversión digital-analógica), y
la otra encargada de la comunicación entre el penférico
y el microprocesador (conversión analógica-digital)
Para hacer compatible la comunicación, se incluyen
circuiterías de sincronismo, adaptadores de set'lales
analógicas, circuitos de almacenamiento, etc.
Figura 1. Tarjeta de Adquisición de Datos. Diagrama en Bloques
3.2. Descripción general de la tarjeta de adquisición
de datos para el BUS ISA.
• La tarjeta posee ocho (8) canales de entrada
analógica bipolares, cuatro canales de salida
analógica unipolar, 20 entradas y salidas dig1tales
(seleccionadas por software)
• La tar¡eta diseñada se conectará al Bus ISA del PC,
por lo tanto la Tarjeta de Adquisición de Datos será
atendida como un conjunto de puertos más del
computador Para la lectura y escritura de datos se
emplea la técnica de atención por interrupción, el
requerimiento de interrupción empleado es la
interrupción N° S (IRQS).
• La tarjeta posee buffers de protección hacia el BUS
ISA, de tal manera que al haber algún desperfecto
en algún componente, el efecto no llegue al board
del computador ni al microprocesador.
A continuación se presenta una exphcac1ón del
funcionamiento de cada uno de los módulos de la
tar¡eta.
3.3. Estructura.
La Tarjeta de Adquisición de Datos está diseñada
en forma modular, es decir se trata de mantener la
independencia entre cada uno de los módulos, por
razones operacionales y para facilitar los procesos
de mantenimiento preventivo o correctivo de la tarjeta
impresa.
La Tarjeta de Adquisición de Datos está constituida
por los siguientes Módulos (ver Figura 1):
A. Módulo de Conversión Analógico-Digital (CAD): con
sus módulos Interfaces para adaptar sus circuitos y
set'lales internas a los requerimientos de la tarjeta.
La circuitería del módulo básicamente está
constituida por un conversor analógico-d igital
ADC1 2451 de 12 bits (multiplexados) de resoluc1ón y
niveles de tensión de entrada b1polar (entre -SV y +SV),
un multiplexor analógico 4051 de ocho (8) entradas
sencillas. Para el muestreo y retención de la set'lal
analógica multiplexada se utiliza el muestreador
interno del m1smo conversor, que se configura para
operar con él o sin él, es decir, el conversor posee
dos modos de trabajo, uno donde no se ut1llza el
muestreador interno y otro en el que sí se utiliza. Estos
dos modos de trabajo son configurables por
"Hardware" en la tarjeta de adquisición por medio de
unos Jumpers. La principal razón de la selección de
estos circuitos es la cantidad de canales de entrada a
multiplexar.
Para la selección de este conversor se tomó en
cuenta su resoluc1ón y su rap1dez de conversión.
B.Módulo de Conversión Digital-Analógica (COA): con
sus módulos interfaces, de cuatro conversores
Digital-Analógico
C.Módulo de Entrada/Salida Dig1tal (ESO).
3.3.1. Módulo Analógico Digital
Encargado de la adquisición de las set'lales
analógicas previamente acondicionadas por Circuitos
externos a la Tarjeta de Adquisición de Datos Posee
ocho (8) entradas analógicas bipolares (Figura 2).
Entrada Bipolar
5V a 5V
Figura 2.-Diagrama en Bloques del módulo CAD.
- - - - -- - - -- - ---Surga R., Poth A., Agostini G., Sistema de adquisición de datos de 12 bits para PC
A la salida del conversor se obtiene un código digital
(entre OD y 4095 O) representativo del valor analógico
de la señal de entrada. En el momento de interrumpir
el computador, se debe proceder a leer los 4 MSB más
el Bit de signo (Bit 13) y luego los 8 LSB para así
conformar la palabra de 12 Bits.
El conversor tiene además un ciclo que ejecuta
automáticamente la Autocalibración al encender el
computador; sin embargo, como en un primer momento
la señal de reloj y la fuente de poder no se han
estabilizado, se recomienda reiniciar el ciclo cuando
se utiliza la tarjeta de adquisición. De esta manera, el
conversor determina su nuevos valores de offset y
demás parámetros internos necesarios para su correcto
funcionamiento.
Así como existe el ciclo de Autocalibración, existe
también un ciclo de auto-cero (Auto-Zero Cycle), que
corrige los cambios en el offset del error del voltaje de
referencia del cero (O V.). Este ciclo sólo puede ser
utilizado cuando el conversor está configurado para
trabajar en el modo de conversión directa, es decir, no
utiliza su muestreador interno (S/H =1).
3 3.2. Módulo Digital Analógico
Es el encargado de la generación de las señales
analógicas de salida. Está compuesto por cuatro
conversores digital-analógico DAC1231(1); cada uno
se emplea para generar salidas analógicas unipolares
(+5, +1 O) dependiendo del voltaje de referencia
aplicado. El conversor posee salida analógica a
corriente (seleccionada por "Hardware").
El circuito DAC1231 posee una resolución de 12
bits (multiplexados) para un total de 4095 pasos. La
particularidad de que el conversor posea salida de
corriente obliga a la implantación de un circuito con
amplificadores operacionales en su salida para poder
obtener salidas analógicas de voltaje (ver Figura 3).
SALIDA DE
CORRIENTE
V
REF -
DO .. D7
SALIDA
UNIPOlAR
Figura 3: Diagrama del COA.
La velocidad de conversión es 1mseg. (tiempo de
colocación o de puesta actual), que proporciona una
gran ventaja para los requerimientos de la conversión.
Para tener la salida analógica, primero se envían los 8
bits MSB y luego los 4 bits LSB de la palabra digital a
convertir Otra característica es su compatibilidad con
microprocesadores, además posee un latch interno que
da la posibilidad de tener señales constantemente a
la salida.
La magnitud del voltaje de salida está dada por la
siguiente expresión:
V
--V
OlJT -
RFF
x (CodigoDecimalA 0
4095
Como se observa, el voltaje de salida umpolar
depende tanto del signo como de la magnitud del
voltaje de referencia.
El conversor fue configurado para que trabajara
en el modo de transferencia automática(2), es decir,
en el momento de escribir los 4 bits LSB en el
conversor, éste automáticamente colocará en la salida
el valor analógico correspondiente a la palabra digital
enviada.
3.3.3. Módulo Entrada/Salida Digital.
El módulo de entrada y salida d igital está
constituido básicamente por el puerto programable
8255. Este dispositivo es un circUito programable de
entrada/salida de utilización general Dispone de 24
líneas compatibles con tecnología TTL, estas 24 líneas
se subdividen en 3 grupos de 8 bit (PUERTOS A, B y
C), que pueden ser programados para que operen
como dos puertos de 12 bits o tres de 8 bits.
La configuración funcional de cada puerto es
programada por el sistema , básicamente el
microprocesador emite una palabra de control al8255
que da la información requerida para su
funcionamiento.
El circuito presenta tres modos de operación para
la transferencia de datos, en el cual en la tarjeta operan
los modos de:
• Entrada o salida de operación normal (puerto A, B y
C).
• Bidireccional (puerto A solamente).
De este módulo se utiliza la parte alta del puerto C
(PC4 ... PC7), para codificar el número del canal de
entrada al módulo de conversión Analógico Digital,
teniendo así que programar siempre la parte alta del
puerto como SALIDA
Para detalles acerca de la programación (vía
"Software") del 8255 remítase a la Hoja del
Fabricante(3).
3.3.4. Módulo de Direccionamiento
Cada componente de la taqeta debe ser
seleccionado para habilitarlo La taqeta completa
ocupa las direcciones 340h hasta la 35Fh, con esto
se requiere que el computador las tenga disponibles
en el momento de instalar la taoeta, así como su
interrupción 5 (IROS) La habilitación de cada periférico
es posible mediante la Dirección fiJa que posee cada
dispositivo; este direccionamiento se realiza mediante
un decodificador(de 3 a 8) como el C.l.74138, que se
encarga de recibir la dirección correspondiente a cada
integrado y habilitarlo. A continuación se presenta una
tabla de direccionamiento con la dirección específica
de cada componente dentro de la tarjeta.
Tabla de Direccionamiento
DRCaON
340H
341H
342H
343H
344H
34CH
350H
354H
PERIFtRJCO SELECCIONADO
PUERTO PROGRAMABLE 8255. PUERTO A.
PUERTO PROGRAMABLE 8255. PUERTO B.
PUERTO PROGRAMABLE 8255. PUERTO C.
PUERTO PROGRAMABLE 8255. PALABRA
DE CONTROL.
Conversor ADC 12451 .
Conversor DAC1231 (Referencia U9 en la
tarjeta, DAC1)
Conversor DAC1231 (Referencia U10 en la
ta~eta, DAC2)
Conversor DAC1231 (Referencia U14 en la
Dependiendo del componente a utilizar, se envían
las palabras de programación o control a las anteriores
direcciones a través del "Software" para la
programación de los módulos de la Tarjeta de
Adquisición de Datos.
3.4. Caracteristicas Técnicas de la Tarjeta de
Adquisición de Datos.
A continuación se dan las principales
características técnicas de la tarjeta:
ENTRADAS ANALÓGICAS:
Cantidad:
Ocho (8) Multiplexadas.
Tipo:
Bipolar.
Magnitud:
-5Va 5V
SALIDAS ANALOGICAS
Cantidad Salida Unipolar:
Magnitud (VREF 5V):
Magnitud (VREF 12V):
=
=
Entrada/Salida Digitales:
Total de Entradas/Salidas
Digitales:
Cuatro (4)
OVa 5V
OVa 10V
20 Salidas y Entradas
Veinte (20), distribuidas de la
siguiente forma :
Dos (2) puertos (Entrada o
Salida) de ocho (8) B1ts C/
U; y un (1) puerto de cuatro
(4) Bits C/U.
3.5. "Software" de configuración
Para iniciar la función de adquisición, se debe
configurar el módulo que se requiera a través de
programación de Configuración de la Tarjeta de
Adquisición. Para esto se envían las palabras de
programación a las direcciones respectivas
(determinada por la Dirección Base seleccionada en
el Módulo de Direccionamiento).
El "Software" de Configuración básicamente está
constituido por las palabras de programación de cada
uno de los componentes de los módulos de la Tal)eta
de Adquisición.
Existen tres maneras fundamentales de programar
cada uno de los módulos de la tarjeta para su
funcionamiento:
• Programación Directa: donde el usuario programa
cada módulo paso a paso, dando al módulo sus
palabras de control, es decir, utiliza los comandos
descritos en cada módulo de la tarjeta.
• Programación en Asemblar: en este modo de
programación se utiliza un programa residente en
memoria, en el que se usa un servicio de una
interrupción de "Software", de manera que el usuario
simplemente utiliza los servicios correspondientes
a cada módulo, entregando los parámetros
deseados para cada uno de ellos.
• Programación en el Lenguaje C: en este modo de
programación, se utiliza un programa residente en
memoria y una librería creada para el C, en el que
utiliza funciones de lenguaje de alto n1vel, para
programar cada uno de los módulos.
3.5.1. Programación en Lenguaje Assembler
El programa residente en memoria es un programa
que es utilizado tanto para programar en Asemblar
como en Lenguaje C. La librería utilizada en Lenguaje
C utiliza el programa residente en memoria para
ejecutar las funciones. A continuación se explica los
diferentes servicios del programa residente en
memoria para ser utilizados en Asemblar:
La interrupción a utilizar es la INT 62h, en el cual el
byte de control es el registro AH, en donde·
INT 62h (Inicio de conversión del módulo CAD)
AH =O
Al = número de canal a convertir (O al 7)
No devuelve ningún valor
INT 62h (Enviar un valor al módulo COA)
AH= 01h
BX = palabra digital a convertir
CL = número del conversor a utilizar (CL=01 h =>
DAC1, CL=02h => DAC2,
CL=03h => DAC3, CL=04h => DAC4)
No devuelve ningún valor
INT 62h (Leer el conversor Analógico-Digital)
AH= 02h
En AX devuelve el valor leido del conversor AnalógicoDigital
INT 62h (Escribir una palabra digital por el8255)
AH= 03h
- - -- - - - - - - - -- -Surga R., Potb A., Agostini G., Sistema de adquisición de datos de 12 bits JH11V1
BL = carga el número del puerto a utilizar, (BL=O =>
Puerto A, BL = 1 Puerto B, BL = 2 Puerto C.
No devuelve ningún valor
INT 62h (Leer una palabra digital por el8255)
AH= 04h
BL = carga el número del puerto a utilizar, (BL=O =>
Puerto A, BL = 1 Puerto B, BL = 2 Puerto C.
En AL devuelve el valor leído del puerto.
INT 62h (Programar la interface digital (el 8255))
AH= 05h
BL = carga el número del puerto a utilizar,
BL=O =>Puerto A= SALIDA,
BL=1 => Puerto A = ENTRADA,
BH=O => Puerto B = SALIDA,
BH=1 => Puerto B = ENTRADA,
CL=O =>Puerto C =SALIDA,
CL=1 =>Puerto C =ENTRADA,
No devuelve ningún valor
INT 62h (Autocalibración del Módulo de CAD)
AH= 06h
No devuelve ningún Valor.
INT 62h (Habilitar Interrupción utilizada por el módulo CAD)
AH= 07h
BX = segmento de la nueva rutina de interrupción
DX = offset de la nueva rutina de interrupción
No devuelve ningún valor
INT 62h (Deshabilitar interrupción utilizada por el
módulo CAD)
AH= 08h
No devuelve ningún valor
3.5.2. Programación de tarjeta en Lenguaje C
A continuación se muestran las funciones a utilizar
en LENGUAJE C para programar cada uno de los
módulos.
• Para deshabiltar la interrupción del conversor ADC
La función que deshabilita la interrupción es:
DESHABILITAR_INT ( )
En esta función no se necesita darle parámetros,
ella automáticamente restablece la interrupción que
había anteriormente.
•Para habilitar la interrupción del conversor ADC
La función para habilitar la interrupción es:
HABILITAR_INT( nombre de la nueva función de
interrupción).
En esta función se escribe el nombre de la función
de interrupción creada por el usuario.
r L.-
3.6. Ejemplos de Aplicación
Ejemplo: Si se tiene una función de interrupción
denominada adquisición
void interrupt adquisición ( )
{
... sentencias utilizadas en el momento de interrumpir
el conversor ADC
}
Entonces dentro del programa principal ,
simplemente se utiliza la función de la siguiente
manera:
HABILITAR_INT (adquisición);
De esta manera se habilita la función adquisición
en el momento de realizarse una interrupción por parte
del conversor ADC.
• Para iniciar conversión en el Módulo CAD.
La función para iniciar la conversión es la siguiente:
INICIO_ADC( nombre del canal a convertir)
En esta función se le entrega el nombre del canal
al que se quiere convertir la señal analógica.
Ejemplo: si se desea hacer conversión de una señal
Analógica-Digital, que se encuentra en el canal #3 de
la tarjeta, se utiliza la función de la siguiente manera:
INICIO_ADC ( Canal3 );
De esta manera se inicia la conversión de la señal
ubicada en el canal #3
• Para convertir un valor digital a una señal analógica
a determinado conversor (DAC)
La función que se utiliza para dar conversión de
un dato digital a una señal analógica, en cualquiera
de los conversores Digital-Analógico es la siguiente:
ESCRIBIR_DAC( nombre del conversor , variable que
contiene el dato )
En esta función se le entregan los parámetros del
nombre del conversor en el que se quiere obtener la
salida y el nombre de la variable que contiene el dato
a convertir.
Ejemplo: supóngase que se tiene una variable
denominada valor que contiene el dato que se quiere
convertir, y se desea tener la salida en el conversor
número #3, la sentencia a utilizar es:
ESCRIBIR_DAC ( DAC3, valor);
Teniendo así, la señal analógica correspondiente
a la palabra digital contenida en la variable valor:
• Leer el conversor Analógico-Digital
La función que se utiliza para leer el valor obtenido
por el conversor Análogo-Digital es:
LEER_ADC()
Donde ella devuelve el valor digital proporcional a
la señal analógica que se encuentra en el canal
seleccionado en el momento del inicio de conversión.
Ejemplo: Es ideal colocar esta función dentro de la
función de interrupción, de tal manera que, en el mismo
--,
momento de interrumpir el conversor se lea el dato.
Por lo tanto, suponiendo que se tiene la función de
interrupción denominada adquisición dentro de ella,
una de las sentencias sería:
void interrupt adquisición ( )
{
... sentencias
dato = LEER_ADC ( );
. . . sentencias
}
De esta manera, se tendrá en dato (variable
declarada como entera) la palabra digital
correspondiente a la e 1 onversión de la señal de
entrada.
LEER_8255( tipo de puerto a leer)
En donde el tipo de puerto viene definido como.
Puerto A = PUERTO_A
Puerto B = PUERTO_B
Puerto C = PUERTO_ C
De esta manera, la función devuelve el valor digital
de la palabra que se encuentra en la entrada del puerto
a leer.
Ejemplo: supóngase que se desea leer la palabra
digital que se encuentra en el puerto A del módulo, y
esta palabra se tiene en una variable denominada
valor_A, la sentencia a utilizar sería:
valor_A LEER_8255 ( PUERTO_A ).
• Programar el módulo Digital-Digital (8255)
Esta función se utiliza para programar el módulo
de EIS digital; la función es la siguiente:
PROG_8255(configurar puerto A, configurar puerto B,
configurar puerto C);
A esta función se le entrega los parámetros
deseados para
configurar cada
puerto
independientemente, bien sea como ENTRADA o
como SALIDA.
Ejemplo: supóngase que se desea configurar este
módulo de la siguiente manera: El Puerto A como
Entrada, el puerto B como Salida y la parte baja del
puerto C como Entrada, entonces la sentencia a utilizar
en el programa sería la siguiente:
PROG_8255(ENTRADA, SALIDA, ENTRADA);
De esta manera, el primer parámetro dentro de la
función corresponde a la manera como se quiere
configurar el puerto A, el segundo, el puerto B y el
tercero, la parte baja (Nible bajo) del puerto C.
IV. CONCLUSIONES
• Escritura de una palabra digital en el módulo DigitalDigital
Esta función se utiliza para enviar una palabra
digital por un determinado puerto.
ESCRIBIR_8255( tipo de puerto, palabra digital );
En donde el tipo de puerto viene definido como:
Puerto A= PUERTO_A
Puerto B = PUERTO_B
Puerto C = PUERTO_C
Ejemplo: supóngase que se desea enviar por el
puerto B el valor contenido en una variable
denominada dato, la sentencia a utilizar sería:
ESCRIBIR_8255( PUERTO_B, dato);
De esta manera se tendrá a la salida del puerto B.
la palabra digital contenida en la variable dato.
V. BIBLIOGRAFIA
• Lectura de una palabra digital en el módulo DigitalDigital
Esta función se utiliza para leer una palabra digital
que se encuentra en la entrada de alguno de los
puertos.
I~I!HI•ü.
=
De acuerdo a los resultados anteriores, se pueden
establecer las siguientes conclusiones:
1. La ta~eta diser'\ada permite trabajar con un máximo
de 8 señales analógicas y con un tiempo de
conversión de 7 mseg.
2. El diseño de la tarjeta permite la utilizac ión
individual o un conjunto de los distintos dispositivos
que se encuentran en ella para los diseños con
que se trabaje.
3. La tarjeta permite el diseño de proyectos de
investigación tanto académicos como de aplicación
industrial, a un bajo costo.
4. Con la tarjeta se pueden obtener diferentes tipos
de medición y de control, por tener los dispositivos
esenciales de estos sistemas dentro de ella
5. La tarjeta se puede conectar a cualquier
computador con el bus ISA.
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