Monitoreo Remoto de Variables Climáticas con NI Single-Board RIO

Monitoreo Remoto de Variables
Climáticas con NI Single-Board RIO
Por
Octavio René Núñez Gamboa
Presentado la Academia de Sistemas Digitales y Comunicaciones
Del Instituto de Ingeniería y Tecnología de
La Universidad Autónoma de Ciudad Juárez
Para obtener el título de
INGENIERO EN SISITEMAS DIGITALES Y COMUNICACIONES
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE CIUDAD JUÁREZ
21/09/2011

Declaración de originalidad:
Yo OCTAVIO RENE NUÑEZ GAMBOA de la carrera de Sistemas Digitales y
Comunicaciones, declaro que el material y contenido en este documento es
original y no ha sido copiado de ninguna otra fuente, ni ha sido usado para
obtener otro título o reconocimiento en ésta u otra institución de educación
superior.
Nombre(s) y firma(s).
___________________________
Octavio René Núñez Gamboa
iii

Dedicatorias y Reconocimientos
Principalmente le dedico a mi abuela por darme todo el apoyo que necesite
en los momentos de mi vida que estuve en la universidad, a mi madre que
confió en mi para seguir adelante con mis estudios, a mis amigos de la
escuela y de casa por animarme siempre. A Dios por ser mi guía y darme la
luz que guio durante este periodo de mi vida.
Quiero reconocer a todos los profesores que dan al máximo su esfuerzo en
las clases y que dan su apoyo a los alumnos descarriados que no saben
cómo empezar esa vida de estudiante universitario. A los administrativos por
atender a los alumnos de forma amable y dedicada. Y un gran
reconocimiento a todos los alumnos que llegan al final de la carrera, por su
esfuerzo y todas las horas de estudio que le dedicaron.
iv

Agradecimientos
Principalmente a los profesores se le agradece todo el apoyo y soporte que
me dieron durante el curso de la carrera, a la MC Lidia Rascón por darme su
apoyo durante el desarrollo del proyecto, a mi profesor de la clase de
titulación el Dr. Víctor Hinostroza por guiar principalmente a los estudiantes
en la elaboración del proyecto.
Se les agradece a los ingenieros del laboratorio de climatología de la UACJ
por el apoyo y el préstamo del equipo en sus instalaciones.
Al ingeniero Carlos Martínez Gerente de Zona de National Instruments por
prestarnos la Tarjeta de adquisición Single Board RIO para hacer pruebas y
ser la base del proyecto titulación.
v

Lista de figuras
FIGURA 2.1 SISTEMAS DE MONITOREO DE VARIABLES CLIMÁTICAS. ........................ 15
FIGURA 2.2 SISTEMA EMBEBIDO DE ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO NI SBRIO-
9216. ............................................................................................................................... 18
FIGURA 2.3 DIAGRAMA DEL MICROPROCESADOR Y LA UNIDADES AUXILIARES ..... 19
FIGURA 2.4 MICROPROCESADOR RT FRESSCALE 400 MHZ. ....................................... 20
FIGURA 2.5 BLOQUES DEL FPGA. ..................................................................................... 22
FIGURA 2.6 EJEMPLO TERMINAL DTE Y DCE. ................................................................. 25
FIGURA 2.7 CONECTOR DB-9. ........................................................................................... 25
FIGURA 2.8 CONEXIONES CON COMUNES EN DB-9 ...................................................... 26
FIGURA 2.9 NORMAS T568A/T568B. .................................................................................. 27
FIGURA 2.10 ESQUEMA DE ENTRADA ANALÓGICA. ....................................................... 29
FIGURA 2.11 CONEXIÓN REFERENCIADA A UN PUNTO RSE. ....................................... 30
FIGURA 2.12 FOTOS DE PROTOTIPO DE ACONDICIONAMIENTO DE SENSORES DE
VARIABLES CLIMÁTICAS. ............................................................................................. 32
FIGURA 2.13 RECTAS DE LA SALIDA DEL SENSOR VS RECTA IDEAL. ........................ 32
FIGURA 2.14 SEÑAL DIGITALIZADA. .................................................................................. 33
FIGURA 2.15 CONFIGURACIÓN DEL FILTRO DIGITAL Y EL VI DE FILTRO UTILIZADO.
........................................................................................................................................ 35
FIGURA 2.16 TDM STREAMING DE LABVIEW PARA ALMACENAMIENTO DE DATOS.. 37
FIGURA 3.1 DIAGRAMA DE SISTEMA DE MONITOREO DE VARIABLES CLIMÁTICAS. 39
FIGURA 3.2 SENSOR DE PRESIÓN ATMOSFÉRICA. ........................................................ 41
FIGURA 3.3 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL ACONDICIONAMIENTO DEL SENSOR DE
PRESIÓN. ....................................................................................................................... 42
FIGURA 3.4 ESQUEMA DE AMPLIFICACIÓN DEL SENSOR DE PRESIÓN
ATMOSFÉRICA. ............................................................................................................. 43
FIGURA 3.5 AMPLIFICACIÓN NO INVERSOR PARA EL SENSOR DE PRESIÓN. ........... 44
FIGURA 3.6 EL SENSOR DE HUMEDAD Y TEMPERATURA Y LA CUBIERTA
PROTECTORA. .............................................................................................................. 46
FIGURA 3.7 DIAGRAMA DE AMPLIFICACIÓN DEL SENSOR DE HUMEDAD. ................. 48
FIGURA 3.8 AMPLIFICADOR NO INVERSOR PARA CALCULAR LA GANANCIA DE 10. 49
FIGURA 3.9 TERMISTOR. .................................................................................................... 50
FIGURA 3.10 CARACTERÍSTICA R-T DEL TERMISTOR NTC. .......................................... 51
FIGURA 3.11 PUENTE DE WHEATSTONE. ........................................................................ 53
vi

FIGURA 3.12 PROGRAMA PARA CALCULAR LA RESISTENCIA R CON LABVIEW. ....... 53
FIGURA 3.13 PROGRAMA PARA CALCULAR LOS VOLTAJES DE SALIDA DEL
TERMISTOR. .................................................................................................................. 55
FIGURA 3.14 VOLTAJE DE SALIDA VS TEMPERATURA. ................................................. 55
FIGURA 3.15 PUENTE DE WHEATSTONE Y AMPLIFICADOR AD620. ............................ 56
FIGURA 3.16 DIAGRAMA DE BLOQUES DEL ACONDICIONAMIENTO. ........................... 57
FIGURA 3.17 DIAGRAMA DE AMPLIFICACIÓN. ................................................................. 58
FIGURA 3.18 CIRCUITO ESQUEMÁTICO DE LA SIMULACIÓN PARA EL SENSOR DE
RADIACIÓN. ................................................................................................................... 59
FIGURA 3.19 NI SINGLE-BOARD RIO Y DIAGRAMA DE BLOQUES. ................................ 60
FIGURA 3.20 CONFIGURACIÓN EN MAX ............................................................................ 63
FIGURA 3.21 VENTANA DE INICIO DE LABVIEW. ............................................................. 64
FIGURA 3.22 DESCUBRE DISPOSITIVO CONECTADO Y SE CREA PROYECTO. ......... 65
FIGURA 3.23 PROYECTO FPGA EN LABVIEW. ................................................................. 65
FIGURA 3.24 CREACIÓN DE UN VI PARA EL FPGA. ......................................................... 67
FIGURA 3.25 PRIMER PROGRAMA FPGA SE MUESTRA EL PANEL FRONTAL Y EL
DIAGRAMA DE BLOQUES. ............................................................................................ 67
FIGURA 3.26 DIAGRAMA DE FLUJO DEL PROGRAMA FPGA VI EN FORMA GENERAL.68
FIGURA 3.27 DIAGRAMA PROGRAMA PRINCIPAL FPGA. ................................................ 68
FIGURA 3.28 PROGRAMA PRINCIPAL PARA EL FPGA. .................................................... 69
FIGURA 3.29 NODO FPGA, ENTRADAS ANALÓGICAS (AI0, AI1, AI2, AI3) Y FILTROS
DIGITALES...................................................................................................................... 70
FIGURA 3.30 IMAGEN DE LA AYUDA CONTEXTUAL DE LABVIEW, MOSTRANDO LAS
ESPECIFICACIONES DEL FILTRO. .............................................................................. 70
FIGURA 3.31 MEMORIA FIFO PARA ALMACENAR LOS DATOS TEMPORALMENTE ASÍ
NO SE PIERDEN DATOS. .............................................................................................. 70
FIGURA 3.32 DIAGRAMA DE FLUJO DEL VI RT. ................................................................ 72
FIGURA 3.33 INICIALIZACIÓN DEL VI RT. ........................................................................... 73
FIGURA 3.34 DIAGRAMA DEL PROGRAMA DE AYUDA PARA CALCULAR LA
TEMPERATURA. ............................................................................................................ 73
FIGURA 3.35 INICIALIZACIÓN DEL VI RT. ........................................................................... 74
FIGURA 3.36 CÓDIGO PARA SACAR LA INFORMACIÓN DE LA FIFO. ............................ 75
FIGURA 3.37 EXTRACCIÓN DE SEÑALES Y CONVERSIÓN DE DATOS. ......................... 75
FIGURA 3.38 EXTRACCIÓN DE LAS SEÑALES DE LA FIFO DEL FPGA Y SUS VALORES.
........................................................................................................................................ 76
vii

FIGURA 3.39 MONITOREO DE LAS VARIABLES CLIMÁTICAS Y SENSORES (EDIFICIO
“E” IIT/UACJ). .................................................................................................................. 76
FIGURA 3.40 INFORMACIÓN CADA CINCO MINUTOS DE LA VARIABLES CLIMÁTICAS.
........................................................................................................................................ 77
FIGURA 3.40 INFORMACIÓN EN TIEMPO REAL. ............................................................... 78
FIGURA 3.42 CREA EL ARCHIVO TDM. ............................................................................... 79
FIGURA 3.43 ESTADO DE ADQUISICIÓN Y LA MUESTRA EN FORMA GRÁFICA CADA 5
MIN. ................................................................................................................................. 79
FIGURA 3.44 ALMACENAMIENTO DE LAS VARIABLES CLIMÁTICAS. ............................. 79
FIGURA 4.1 PROTOBOARD CON LOS AMPLIFICADORES. .............................................. 80
FIGURA 4.2 SIMULACIÓN EN MULTISIM CON EL VALOR DE LAS RESISTENCIAS
REALES. ......................................................................................................................... 81
FIGURA 4.3 MEDICIÓN AL PUENTE DE WHEATSTONE. ................................................... 83
FIGURA 4.4 COMPARACIÓN DE TEMPERATURA. ............................................................. 85
FIGURA 4.5 SENSOR DE RADIACIÓN Y LA CORRELACIÓN ENTRE DAVIS Y SBRIO-
9216. ............................................................................................................................... 86
FIGURA 4.6 SIMULACIÓN PARA LOS AMPLIFICADORES PARA EL SENSOR DE
RADIACIÓN. ................................................................................................................... 86
FIGURA 4.6 CORRELACIÓN DE LA PRESIÓN ATMOSFÉRICA. ........................................ 87
FIGURA 4.7 CORRELACIÓN DE LA HUMEDAD RELATIVA. ............................................... 87
viii

Contenido
Lista de figuras ................................................................................................ vi
Contenido ....................................................................................................... ix
Capítulo 1 Introducción ................................................................................ 12
Capítulo 2 Fundamentos teóricos ................................................................ 14
2.1 Monitoreo del ambiente ...................................................................... 14
2.2 Variables climáticas ............................................................................ 14
2.2.1 Temperatura del aire .................................................................... 15
2.2.2 Presión atmosférica ...................................................................... 15
2.2.3 Radiación solar ............................................................................. 16
2.2.4 Dirección del viento ...................................................................... 16
2.2.5 Humedad Relativa ........................................................................ 16
2.3 Sistema embebido NI Single Board RIO ............................................. 16
2.4 Componentes de un sistema Embebido ............................................. 17
2.4.1 Microprocesador .......................................................................... 18
2.4.2 FPGA ............................................................................................ 21
2.4.3 RS232 ......................................................................................... 24
2.4.4 Ethernet ....................................................................................... 26
2.5 Adquisición de datos ........................................................................... 29
2.5.1 Sensor .......................................................................................... 30
2.5.2 Elementos y características de medición ..................................... 31
2.5.3 Acondicionamiento ....................................................................... 31
2.5.4 Conversión a digital ...................................................................... 33
ix

2.5.5 Muestreo ...................................................................................... 33
2.5.6 Resolución A/D ............................................................................. 34
2.5.7 Rango dinámico ........................................................................... 34
2.5.8 Filtrado digital ............................................................................... 34
2.5.9 Procesamiento ............................................................................. 35
2.6 LabVIEW ............................................................................................ 36
2.6.1 Almacenamiento ........................................................................... 37
Capítulo 3 Sistema de monitoreo de variables climáticas con NI Single Board
RIO ............................................................................................................... 38
3.1 Introducción ........................................................................................ 38
3.2 Descripción del sistema de monitoreo remoto de variables climáticas 38
3.3 Acondicionamiento de los sensores ................................................... 40
3.3.1 Sensor de Presión Atmosférica (Barómetro) ............................... 40
3.3.2 Sensor de Temperatura y Humedad Relativa .............................. 44
3.3.3 Sensor de humedad ...................................................................... 47
3.3.4 Sensor de temperatura ................................................................. 50
3.3.5 Sensor de Radiación Solar (Piranómetro) .................................... 57
3.4 NI Single-Board RIO modelo NI sbRIO-9612 ..................................... 60
3.4.1 Especificaciones ........................................................................... 60
3.5 Software necesario para el proyecto .................................................. 62
3.6 Configuración de la tarjeta NI Single-Board RIO ................................ 62
3.7 Pasos para configurar la Single-Board RIO ......................................... 64
3.8 Programación del FPGA Xilinx Spartan-3 con el módulo LabVIEW
FPGA ......................................................................................................... 66
3.8.1 Programa para medir voltaje en el FPGA ..................................... 67
x

3.8.2 Programa Principal para el FPGA ................................................ 68
3.8.3 Ventajas y desventajas de programar FPGA en forma gráfica con
LabVIEW ................................................................................................ 71
3.8.4 Programa para el controlador en tiempo real ............................... 71
3.8.5 Programa de la interfaz gráfica, en el PC anfitrión (Host) ............. 76
Capítulo 4 Resultados de la estación climática con la Single Board RIO .... 80
4.1 Pruebas con los amplificadores ........................................................... 80
4.1.1 Amplificador LM358 para el sensor de humedad (G=10) ............. 80
4.1.2 Amplificador LM358 sensor presión atmosférica (G=2) ................ 81
4.1.3 Amplificador LM358, sensor de radiación solar (G=125) .............. 82
4.1.4 Amplificador AD620 sensor de temperatura (G=2) ....................... 83
4.2 Pruebas con la Single Board RIO. ....................................................... 84
Capítulo 5 Conclusiones ............................................................................... 88
Bibliografía .................................................................................................... 89
Apéndice A ................................................................................................... 91
xi

Capítulo 1 Introducción
La programación siempre está en constante evolución, salen nuevos
lenguajes de programación, así como entornos de desarrollo y cada vez hay
más compatibilidad entre ellos; los programadores escogen su estilo de
programación a base del lenguaje que utilizan en cierto periodo de su vida o
siempre. Para este proyecto se utilizó el entorno de programación grafica
LabVIEW, que tiene un método de programación muy atractivo, ya que se
programa conectando iconos por medio de cables, lo que hace al lenguaje G
muy amigable e intuitivo.
LabVIEW es un lenguaje especializado en instrumentación, por lo cual se
escogió para programar y configurar la Single Board RIO (sbRIO-9216)
utilizándola para monitorear las variables climáticas por medio de sensores
que registran la temperatura ambiente, humedad relativa, presión
atmosférica y radiación solar. La tarjeta sbRIO-9216 tiene entradas y salidas
reconfigurables que están conectadas a un FPGA que se puede programar
por medio del módulo FPGA de LabVIEW sin la necesidad de tener algún
conocimiento de programación VHDL, y a su vez el FPGA está conectado a
un controlador en tiempo real que ejecuta el programa principal en la tarjeta,
el cual a su vez se utiliza el modulo Real-Time de LabVIEW, así entonces
convirtiéndose en el objetivo principal del proyecto el cómo se programa el
FPGA y en controlador en tiempo real con la programación gráfica.
Existen muchos aparatos dedicados al monitoreo de variables climáticas,
como las estaciones meteorológicas con tarjetas de adquisición de datos que
los proveedores de estos instrumentos los diseñan como ellos quieren. La
ventaja de utilizar la tarjeta sbRIO 9216 es que la adquisición de los datos
analógicos puede ser en paralelo, dando a cada entrada una velocidad de
muestreo personalizada y todo por la gran flexibilidad del FPGA. Para el
procesamiento, manipulación y almacenamiento temporal de datos la sbRIO-
12

9216 utiliza un controlador Freescale de 400 MHz (Real Time) aumentando la
capacidad y potencia. El sistema de programación para procesar los datos,
es con una arquitectura de tres estados, la inicialización, procesamiento de
datos, y terminar. Así se deja la estructura del programa fácil de modificar de
forma personalizada
Explicando en el capítulo 3 los pasos de configuración de la tarjeta, como se
crea un proyecto para programar el FPGA, el comportamiento el programa de
la adquisición de datos proveniente de los sensores, el programa que
procesa los datos y el programa de interfaz de usuario en donde se ven los
valores de las variables climáticas. En el capítulo 4 se muestran los
resultados obtenidos y por ultimo concluye con la conclusión sobre el
proyecto.
13

Capítulo 2 Fundamentos teóricos
2.1 Monitoreo del ambiente
Cuando se habla respecto al monitoreo del ambiente siempre es bienvenida
la mejora de sistemas que midan las variables del medio ambiente basados
en dispositivos que utilicen procesadores o microcontroladores, así como la
creación de nuevos sistemas que permitan integrar de manera fácil sensores
que registren los fenómenos que ocurren en el ambiente (tal como el cambio
del clima y la contaminación). Estos sistemas necesitan desarrollar una
condición que pueda tener la facilidad de mejorarse y expander su sistema
de medida, que se pueda automatizar y en algunos casos agregar control. En
el presente proyecto, el sistema de monitoreo se aplica a las variables
climáticas del medio ambiente utilizando un sistema embebido que contiene
un controlador Freescale RT y un FPGA Xilinx Spartan-3 con
entradas/salidas reconfigurables.
2.2 Variables climáticas
El clima es un factor muy importante para distintas áreas de estudio como
por ejemplo, monitoreo ambiental, agricultura, construcciones, etc. Por lo
cual, es necesario disponer de sistemas que puedan medir las distintas
variables climáticas, procesar la información y almacenarla para su posterior
análisis. Existen muchos sistemas dedicados a esta aplicación, así que una
necesidad es tener un sistema que se pueda adaptar rápido a las
necesidades del usuario, que se pueda modificar, ampliar y permita
monitorizar los fenómenos climáticos ya sea en tiempo real o que se esté
actualizando la información cada determinado tiempo así como también el
monitoreo de forma remota es una necesidad cada vez más ambiciosa. Las
diferentes variables climáticas a medir pueden ser la precipitación de la lluvia,
temperatura en el ambiente, temperatura del suelo, humedad relativa en el
14

ambiente, la radiación solar, presión atmosférica, dirección y velocidad de
viento, entre otras.
Los sistemas de monitoreo climático están compuestos por diferentes tipos
de sensores que miden diferentes parámetros del clima como se puede ver
en la figura 2.1 el ejemplo de un sistema de monitoreo climático.
Figura 2.1 Sistemas de monitoreo de variables climáticas.
2.2.1 Temperatura del aire
La temperatura del aire es el estado en que se encuentra la atmosfera
terrestre respecto a los diferentes grados de calor o frialdad. La unidad de
medida es ± Kelvin (°K), Centígrados (°C), Fahrenheit (°F) [11].
2.2.2 Presión atmosférica
Se conoce como presión atmosférica al peso de la capa de aire que rodea la
Tierra, debido a la atracción que ejerce la fuerza de gravedad sobre las
15

moléculas de los tantos gases que la componen. En meteorología la unidad
de presión atmosférica es el bar, y su divisor es el milibar [11].
2.2.3 Radiación solar
Energía producida y radiada por el Sol por el resultado de las reacciones
nucleares de fusión que se generan en él. Llegan a la tierra a través del
espacio en cuantos llamados fotones, que entran a la atmosfera y a la
superficie terrestre [9].
2.2.4 Dirección del viento
El viento es el desplazamiento del aire predominante horizontal. El
desplazamiento de las masas de aire es provocado por las diferencias de
presión y temperatura entre unas zonas y otras, y por una serie de fuerzas a
las que está sometida cada partícula de aire [9].
2.2.5 Humedad Relativa
La humedad se conoce como la cantidad o medida de agua en el aire. El
aire contiene siempre algo de agua en forma de vapor. La cantidad de
humedad varía respecto a la temperatura. La humedad relativa, es la razón
entre el contenido efectivo de vapor en el aire y la cantidad de vapor que
saturaría el aire a la misma temperatura, una caída de temperatura
incrementa la humedad relativa produciendo rocío por condensación del
vapor de agua sobre las superficies sólidas [11].
2.3 Sistema embebido NI Single Board RIO
El dispositivo incluido en el presente proyecto es la tarjeta de adquisición y
procesamiento de datos NI Single-Board RIO, una plataforma con entadas y
salidas reconfigurables. Este sistema embebido consiste en dos dispositivos
de procesamiento: un controlador Fresscale en tiempo real el cual se
programa con el módulo de LabVIEW Real-Time y un FPGA Xilinx Spartan-3
el cual se programa con el módulo de LabVIEW FPGA estas unidades se
16

conectan internamente por medio de un bus PCI de alta velocidad y el
entorno de desarrollo que se utiliza para programar el sistema embebido es
LabVIEW instalado en una computadora personal.
La manera de comunicación entre el dispositivo y la computadora que
configura y programa es vía Ethernet un protocolo para comunicación entre
dispositivos externos. Con este sistema embebido conectado a sensores se
crea el sistema para el monitoreo, la adquisición, en algunos casos de
expansión (el control), procesamiento de señales o fenómenos físicos y
mostrar los resultados de una forma gráfica.
2.4 Componentes de un sistema Embebido
Un sistema embebido, integrado o empotrado es un sistema informático de
uso específico construido dentro de un dispositivo mayor. En un sistema
integrado la mayoría de los componentes se encuentran incluidos en la placa
base. Un sistema embebido es un sistema basado en un controlador, que se
utiliza para construir un control de alguna función o el monitoreo de algún tipo
de señal y en algunos casos no puede ser programado por el usuario final
como la PC común.
Se puede hacer cambios sobre su funcionalidad pero no se puede
agregar/quitar programación (software) para cambiar su funcionalidad; pero
si se crea un sistema preparado y abierto para que se pueda modificar como
en el caso de este proyecto se puede agregar/quitar programación para
adaptarse a la necesidad del usuario. El movimiento que se aleja del dominio
análogo al procesamiento digital se ha acelerado recientemente con la
llegada del alto rendimiento y procesamiento de bajo costo.
Los componentes de un sistema embebido son los procesadores, periféricos,
módulos de E/S analógicas y digitales, memorias, FPGA, Programación,
17

algoritmos, microcontroladores, EEPROM, ROM, Contadores (Timers),
osciladores, conversores, filtros, etc.
La figura 2.2 muestra la tarjeta NI Single Board RIO modelo NI sbRIO-9216
que contiene un controlador en tiempo real, un FPGA, periféricos de
entradas/salidas reconfigurables, un puerto Ethernet , un puerto RS-232,
memoria RAM y una memoria de almacenamiento no volátil, el modelo de la
tarjera varia el tamaño de los componentes y/o agrega otros.
Figura 2.2 Sistema embebido de adquisición y procesamiento NI sbRIO-9216.
2.4.1 Microprocesador
El dispositivo que a partir de los años 70’s revoluciono la era de la electrónica
digital cuando apareció en el mercado, un componente realmente poderoso:
el microprocesador. Introdujo un concepto nuevo en la lógica digital que fue
la programación lógica del dispositivo, ya que antes del microprocesador la
lógica para la funcionalidad del circuito electrónico era de conexión física y si
se quería cambiar su función, se tenían que cambiar las conexiones y la
cantidad de los elementos que formaban el diseño digital.
Consolidadas las técnicas digitales en los 70’s, se profundizo en el desarrollo
de aplicaciones y el lenguaje máquina para los microprocesadores;
18

assembler o ensamblador fue uno de los primeros lenguajes utilizados para
la programación de estos dispositivos.
El microprocesador es un circuito integrado, que en su interior tiene el CPU
(Unidad Central de Procesado) y un conjunto de elementos lógicos con los
cuales el dispositivo se puede enlazar con otros dispositivos, como memorias
y elementos de entradas/salidas llamados “puertos de entrada” y “puertos de
salida”, como se puede ver el diagrama de bloques en la figura. Siguiendo un
orden secuencial de números binarios, paso a paso el microprocesador
ejecuta un conjunto de órdenes almacenadas en memorias (ROM o RAM)
para realizar su función principal. La Memoria RAM, memoria de acceso
aleatorio de escritura y lectura se utiliza para guardar temporalmente los
datos de los programas, estos datos se pierden al desconectarla fuente de
poder del dispositivo. En cambio la Memoria ROM, una memoria de solo
lectura para almacenar datos o pequeños programas de configuración se
quedan permanentes.
Figura 2.3 Diagrama del microprocesador y la unidades auxiliares
19

El CPU se contiene la unidad aritmética lógica (ALU) y la unidad de control
como se ve en bloque en la figura 2.3. La Unidad de Control se encarga de la
interpretación y ejecución de las instrucciones de programa: controla los
componentes acoplados al microprocesador por los buses. La ALU se
encarga de las operaciones lógicas como AND, OR, XOR, de comparación y
matemáticas. El microprocesador recibe en sus entradas datos, los procesa y
devuelve señales procesadas o resultados. Los datos de entrada pueden ser
de interruptores, convertidor A/D, teclados, etc. Los datos de salida se
pueden dirigir a monitores, indicador LCD, impresoras, etc. Los
microprocesadores contienen registros los de memoria de función especial
para almacenar información temporalmente, los primeros tenían registros de
8 bit, ahora hay de 16 bit, 32 bit y de 64 bits [12].
Figura 2.4 Microprocesador RT Fresscale 400 MHz.
20

2.4.2 FPGA
En el nivel más alto, los FPGAs 1 son chips de silicón reprogramables. Al
utilizar bloques de lógica pre construidos y recursos de ruteo programables,
usted puede configurar estos chips para implementar funcionalidades de
hardware personalizadas sin tener que utilizar un tablero o un cautín. Sólo
deberá desarrollar tareas de computación digital en software y compilarlas en
un archivo de configuración o una escritura de bits que contenga información
de cómo deben conectarse los componentes. Además, los FPGAs son
completamente reconfigurables y al instante toman una nueva “personalidad”
cuando usted compila una diferente configuración de circuitos.
Anteriormente sólo los ingenieros con un profundo entendimiento de diseño
de hardware digital podían trabajar con la tecnología FPGA. Sin embargo, el
aumento de herramientas de diseño de alto nivel está cambiando las reglas
de programación de FPGAs, con nuevas tecnologías que convierten los
diagramas a bloques gráficos, o hasta el código ANSI C, a circuitos de
hardware digital.
La adopción de chips FPGA en las industrias ha sido impulsada por el hecho
de que los FPGAs combinan lo mejor de los ASICs 2 y de los sistemas
basados en procesadores. Ofrecen velocidades temporizadas por hardware y
fiabilidad, pero sin requerir altos volúmenes de recursos para compensar el
gran gasto que genera un diseño personalizado de ASIC. El silicio
reprogramable tiene la misma capacidad de ajustarse que un software que
se ejecuta en un sistema basado en procesadores, pero no está limitado por
el número de núcleos de proceso disponibles.
1
FPGA (Field Programable Gate Array, dispositivo programable de arreglo de compuertas
de campo).
2
ASIC (Circuito Integrado para Aplicaciones Específicas es un circuito integrado hecho a
la medida para un uso en particular, en vez de ser concebido para propósitos de uso
general)
21

A diferencia de los procesadores, los FPGAs (figura 2.5) llevan a cabo
diferentes operaciones de manera paralela, por lo que éstas no necesitan
competir por los mismos recursos. Cada tarea de procesos independientes
se asigna a una sección dedicada del chip, y puede ejecutarse de manera
autónoma sin ser afectada por otros bloques de lógica. Como resultado, el
rendimiento de una parte de la aplicación no se ve afectado cuando se
agregan otros procesos.
Figura 2.5 Bloques del FPGA.
Los Cinco Beneficios Principales de la Tecnología FPGA
1. Rendimiento.
2. Tiempo en llegar al mercado.
3. Precio.
4. Fiabilidad.
5. Mantenimiento a largo plazo.
1. Rendimiento – Los FPGAs, tomando ventaja del paralelismo del
hardware, exceden la potencia de cómputo de los procesadores digitales de
señales (DSP’s, Digital Signal Processing) rompiendo el paradigma de
ejecución secuencial y logrando más en cada ciclo de reloj. El controlar
entradas y salidas (E/S) a nivel de hardware ofrece tiempos de respuesta
22

más veloces y funcionalidad especializada que coincide con los
requerimientos de una aplicación.
2. Tiempo en llegar al mercado – La tecnología FPGA ofrece flexibilidad y
capacidades de rápido desarrollo de prototipos, para enfrentar las
preocupaciones de tiempo incrementado en que un producto tarde en llegar
al mercado. Usted puede probar una idea o un concepto y verificarlo en
hardware sin tener que pasar por el largo proceso de fabricación y
posteriormente podrá implementar cambios y realizar iteraciones de un
diseño FPGA en cuestión de horas en vez de semanas. También está
disponible el hardware comercial listo para ejecutarse (COTS), con diferentes
tipos de E/S ya conectados a un chip FPGA programable por el usuario. El
aumento en disponibilidad de herramientas de software de alto nivel
disminuye la curva de aprendizaje. Estas herramientas frecuentemente
incluyen importantes núcleos IP (funciones pre construidas) para control
avanzado y procesamiento de señales.
3. Precio – El precio de la ingeniería no recurrente de un diseño
personalizado ASIC excede considerablemente al de las soluciones de
hardware basadas en FPGA. Los requerimientos de un sistema van
cambiando con el tiempo, y el precio de cambiar incrementalmente los
diseños FPGA es insignificante al compararlo con el precio de implementar
cambios en un ASIC (Circuito integrado) antes de su lanzamiento.
4. Fiabilidad – Mientras que las herramientas de software ofrecen un entorno
de programación, los circuitos de un FPGA son una implementación segura
de la ejecución de un programa. Los sistemas basados en procesadores
frecuentemente implican varios niveles de abstracción para auxiliar a
programar las tareas y compartir los recursos entre procesos múltiples. El
nivel controlador se encarga de los recursos de hardware y el sistema
operativo administra la memoria y el ancho de banda del procesador. El
23

núcleo de un procesador sólo puede ejecutar una instrucción a la vez, y los
sistemas basados en procesadores están siempre en riesgo de que sus
tareas se obstruyan entre sí. Los FPGAs, que no necesitan sistemas
operativos, minimizan los retos de fiabilidad con ejecución paralela y
hardware preciso dedicado a cada tarea.
5. Mantenimiento a largo plazo – Como se mencionó anteriormente, los
chips FPGA son actualizables en campo y no requieren el tiempo y el precio
que implica rediseñar un ASIC. Los chips FPGA, al ser reconfigurables, son
capaces de mantenerse al tanto con modificaciones a futuro que pudieran
ser necesarias. Mientras el producto o sistema se va desarrollando, usted
puede implementarle mejoras funcionales sin la necesidad de invertir tiempo
rediseñando el hardware o modificando el diseño de la tarjeta [13].
2.4.3 RS232
Se trata de una interfaz estándar de tipo serie, que se utiliza en las
comunicaciones digitales para transmitir información bit por bit. El cable RS-
232 termina en ambos extremos con un conector (DB-25 o DB-9). Las
terminales más utilizadas son tres, la terminal de transmisión de datos (TX),
recepción de datos (RX) y tierra (GND). La interfaz serial RS-232 también
permite habilitar el protocolo de intercambio, donde para establecer un canal
de comunicación, un dispositivo inicia al enviar la señal de petición para
envirar, a otro dispositivo (RTS) y espera a que la señal correspondiente
conceda permiso para enviar el regreso (CTS).Cuando se recibe la señal
CTS los dispositivo pueden enviar mensajes uno al otro. Los niveles de
voltajes están definidos para el nivel alto es de entre +3 a +15 volts y
mientras el nivel bajo es de entre -5 a -15 volts. Los dispositivos son
llamados DTE Data Terminal Equipment como un computador que utiliza un
conector DB9 tipo macho y DCE Data Circuit-terminating Equipment, un
modem figura 2.6por ejemplo utiliza un conector DB9 tipo hembra.
24

Figura 2.6 Ejemplo Terminal DTE y DCE.
Las características más importantes son: la transmisión asíncrona o síncrona
con señal de reloj, modo de operación simple, velocidad desde 60 Kbps
hasta 116 Kbps; un transmisor y un receptor.
El RS-232 utiliza varios conectores tipo Modular Jacky el DB-9 (figura 2.7) es
el más habitual.
Figura 2.7 Conector DB-9.
Los pines del conector DB-9 tienen la siguiente configuración: DCD (Pin 1) el
DCE la pone a 1 para indicar que está recibiendo una señal portadora. DSR
(Pin 6) el DCE la pone a 1 para indicar al DTE que está conectado a la línea.
RD (Pin 2) la entrada de datos. Si DCD = 0 debe estar en un estado llamado
Mark. RTS (Pin 7) el DTE pone a 1 para indicar que puede transmitir datos.
El DCE pondrá a 1 la línea CTS para recibir datos. Al acabar la transmisión
RTS pasa a 0 y el DCE pone CTS también a 0. TD (Pin 3) salida de datos
(del DTE al DCE). Si no se transmite estará en Mark. DSR, DTR, RTS y CTS
deben de estar a 1 para transmitir. CTS (Pin 8) el DCE la pone a 1 para
indicar que está preparada para recibir datos. Si RTS, DSR y DTR están a 1,
25

CTS también se pone a 1. DTR (Pin 4) el DTR la pone a 1 para indicar que
puede recibir o quiere transmitir datos. El DTE pone un 0 para finalizar la
transmisión. RI (Pin 9) el DCE la pone a 1 cuando está recibiendo una
llamada. GND (Pin 5) tensión de referencia. Debe de estar aislada de la toma
de tierra del equipo.
Para establecer una comunicación solamente hace falta GND, TD y RD, para
comunicar dos DTE se usa la configuración MODEM-null. También se puede
crear una configuración loopback. Para conectores de nueve pines estas
configuraciones se muestran en la figura 2.8 [7].
2.4.4 Ethernet
Figura 2.8 Conexiones con comunes en DB-9
Ethernet es un estándar de redes de computadoras de área local con acceso
al medio por contienda CSMA/CD ("Acceso Múltiple por Detección de
Portadora con Detección de Colisiones"), es una técnica usada en redes
Ethernet para mejorar sus prestaciones. Ethernet define las características
de cableado y señalización de nivel físico y los formatos de tramas de
datos del nivel de enlace de datos del modelo OSI.
La tecnología y velocidad de Ethernet, Hace ya mucho tiempo que Ethernet
consiguió situarse como el principal protocolo del nivel de enlace. Ethernet
10Base2 consiguió, ya en la década de los 90s, una gran aceptación en el
26

sector. Hoy por hoy, 10Base2 se considera como una "tecnología de legado"
respecto a 100BaseT.
Hoy los fabricantes ya han desarrollado adaptadores capaces de trabajar
tanto con la tecnología 10baseT como la 100BaseT y esto ayuda a una mejor
adaptación y transición. Existe diferencia entre estos conceptos, velocidad de
transmisión (velocidad a la que se transmite la tecnología), tipo de cable
(tecnología del nivel físico que usara la tecnología), longitud máxima
(distancia máxima que puede haber entre dos nodos adyacentes), topología
(determina la forma física de la red).El cableado estructurado para redes de
computadoras nombran dos tipos de normas o configuraciones a seguir,
estas son: La T568A y la T568B. La diferencia entre ellas es el orden de los
colores de los pares a seguir para el conector RJ45. Como a continuación se
muestra el orden de cada norma en la figura 2.9.
Figura 2.9 Normas T568A/T568B.
Un cable directo es aquel que conserve una misma norma en ambos
extremos. Este tipo de cables es utilizado para conectar PCs a equipos
activos de red, como Hubs, Switch, Routers.
27

Tecnología Velocidad
de
transmisión
Tabla 2.1 Tecnologías Ethernet.
Tipo de cable
Distancia
máxima
Topología
10Base2 10 Mbps Coaxial 185 m Bus (Conector T)
10BaseT 10 Mbps Par Trenzado 100 m Estrella (Hub o Switch)
10BaseF 10 Mbps Fibra óptica 2000 m Estrella (Hub o Switch)
100BaseT4 100Mbps
100BaseTX 100Mbps
Par Trenzado
(categoría 3UTP)
Par Trenzado
(categoría 5UTP)
100 m
100 m
100BaseFX 100Mbps Fibra óptica 2000 m
1000BaseT 1000Mbps
1000BaseSX 1000Mbps
1000BaseLX 1000Mbps
4 pares trenzado
(categoría 5e ó 6UTP
)
Fibra óptica
(multimodo)
Fibra óptica
(monomodo)
100 m
550 m
5000 m
Estella. Half Duplex
(hub) y Full Duplex
(switch)
Estella. Half Duplex
(hub) y Full Duplex
(switch)
No permite el uso de
hubs
Estrella. Full Duplex
(switch)
Estrella. Full Duplex
(switch)
Estrella. Full Duplex
(switch)
Un cable cruzado es aquel donde en los extremos la configuración es
diferente. El cable cruzado, como su nombre lo dice, cruza las terminales de
transmisión de un lado para que llegue a recepción del otro, y la recepción
del origen a transmisión del final.
28

Un cable de red cruzado se construye basándose en las dos normas
explicadas anteriormente. Solo se debe poner en un extremo la norma
T568A y en el otro la norma T568B. El cable cruzado es utilizado para
conectar dos computadoras personales directamente o equipos activos entre
sí, como Hub con Hub, con Switch, Router, etc.
2.5 Adquisición de datos
El tipo de adquisición de datos que se utiliza es el “Data Loggers” que operan
de forma independiente (stand-alone) que utilizar el ordenador para
almacenar y visualizar los datos en forma gráfica. La adquisición de señales
analógicas es una característica de las tarjetas de adquisición de datos más
utilizada, así como la generación de señales analógicas, adquisición y
generación de señales digitales, contienen contadores y timers, triggers,
auto-calibración, algunas con sensores, etc.
Las señales analógicas entran por uno de los bloques figura2.10más
importantes de las tarjetas los canales de entrada multiplexadas o canal
individual, siguiendo el bloque con un amplificador programable para
aprovechar todo su rango que se usa para adecuar el nivel de la señal al
convertidor con el fin de aprovechar todo su rango, los siguientes son el de
antialiasing, retención y muestro (SH, Sample and Hold) y un ADC
convertidor Analógico/Digital con varias resoluciones de entrada (8,12,16 bits
por ejemplo), algunas con memorias FIFO.
Figura 2.10 Esquema de entrada analógica.
29

La adquisición de datos puede ser diferencial, referenciada a un punto o no
referenciada, solo se comenta la utilizada en el proyecto la referenciada
(Refernced Single-Ended RSE, figura 2.11) que tiene un punto común entre
el exterior y la tarjeta de adquisición que comparten la misma referencia
AIGND (analog input ground).
2.5.1 Sensor
Figura 2.11 Conexión referenciada a un punto RSE.
El sensor es un tipo de transductor que transforma una magnitud en una
cantidad física fácil de medir como por ejemplo un voltaje eléctrico o una
corriente eléctrica. Los traductores están divididos en cuatro tipos.
Electromecánicos, ópticos, piezoeléctricos y térmicos. Hay que considerar las
siguientes propiedades para seleccionar un transductor o sensor: Rango de
operación, sensibilidad, respuesta a la frecuencia, compatibilidad del
entorno, exactitud, etc.
2.5.1.1 Exactitud y Precisión (Accuracy)
La exactitud es capacidad de un instrumento de medida de dar indicaciones
o dar una lectura de salida que se aproximen al valor verdadero de la
magnitud medida. Y la precisión es la tolerancia o grado de libertad de
medida del instrumento. Si un largo número de lecturas son tomadas a la
30

misma cantidad por un instrumento de alta precisión, entonces la dispersión
o esparcimiento de las lecturas será muy pequeño. Comúnmente se
confunde precisión con exactitud, lo cual es incorrecto. Alta precisión no
implica nada acerca de la exactitud de lectura. Un instrumento de alta
precisión puede tener exactitud baja. Medidas de exactitud baja de
instrumentos de alta precisión son a causa de las formas de medidas, el cual
es removible por la calibración.
2.5.2 Elementos y características de medición
El registro de las señales procedentes del proceso de censado es una de las
aplicaciones típicas de la adquisición de datos.
2.5.2.1 Campo de medida (Rango, Range)
Es el conjunto de valores de la variable medida que se encuentran dentro de
los límites superior e inferior de la capacidad de medida o de transmisión del
instrumento y se expresa poniendo los dos valores de los extremos.
2.5.2.2 Alcance (Span)
La diferencia algebraica entre los valores superior e inferior del rango del
instrumento de medición.
2.5.2.3 Error
Diferencia algebraica entre el valor leído o transmitido por el instrumento y el
valor real de la variable medida.
2.5.2.4 Sensibilidad
La razón de incremento de la lectura y el incremento de la variable que lo
ocasiona, después de haber alcanzado el estado de reposo.
2.5.3 Acondicionamiento
Si la salida del sensor no es apta o no es la deseada para las entradas de la
tarjeta y puede ser no lineal, con niveles de voltajes pequeños la señal se
acondiciona. La función del acondicionador entonces es adaptar la señal de
31

sensor a la entrada de la tarjeta utilizando circuitos de soporte para tener la
señal deseada, estos circuitos pueden ser puentes de Wheadstone,
amplificadores, filtros, etc.
Para el diseño de los circuitos algunas veces se requiere hacer cálculos
adicionales, como calcular la ganancia necesaria para la resolución del
convertidor ADC de la tarjeta y el rango dinámico que se va a utilizar según
la configuración del módulo de entrada de voltajes. Dependiendo del tipo de
sensor que se va a utilizar.
Un ejemplo prototipo del circuito de acondicionamiento del proyecto se
muestra en la figura 2.12con amplificadores (LM358 y amplificador de
instrumentación AD620) y puente de Wheadstone.
Figura 2.12 Fotos de prototipo de acondicionamiento de sensores de variables
climáticas.
2.5.3.1 Linealidad
La linealidad expresa el grado de coincidencia entre la curva de calibración y
una recta ideal determinada, en la figura 2.13 se ven las distintas señales de
salida vs la recta ideal para un sensor con una curva de calibración dada.
Figura 2.13 Rectas de la salida del sensor vs recta ideal.
32

2.5.4 Conversión a digital
La etapa donde la señal analógica se transforma a digital cuando llega al
ADC, que emplea un circuito de retención y muestreo (Sample and Hold) que
captura la tensión de entrada y la mantiene estable el tiempo necesario para
que el circuito que convierte de analógico á digital pueda calcular el valor de
salida. La tensión llega amplificada con la ganancia correspondiente según
los cálculos para el rango dinámico de tensión que se va a utilizar en la
tarjeta, sea unipolar o bipolar correspondiente al conversor; antes de
conectar el circuito de acondicionamiento y los sensores a la tarjeta se hacen
cálculos para obtener el rango de resolución que se necesita (obtenida en
bits).
2.5.5 Muestreo
Figura 2.14 Señal digitalizada.
Muestrear una señal es obtener el valor de la misma en ciertos momentos,
esos valores son muestras de la señal o samples. La frecuencia de
muestreo fs un concepto importante en la adquisición de datos y es el
tiempo entre la muestra obtenida en un instante y la siguiente o comúnmente
conocida como velocidad de muestreo, es constante y según el teorema de
Nyquist la velocidad de muestreo fs debe ser al menos el doble de la mayor
de las componentes de la señal muestreada fs ≥ 2 * fmax, en la práctica se
toma al menos entre 3 y 5 veces mayor la frecuencia máxima para evitar que
se produzca solapamiento o aliasing.
33

2.5.6 Resolución A/D
La resolución es el mínimo nivel de tensión detectable que coincidirá con el
bit menos significativo (LBS, Least Significant Bit), numero de bits del
conversor ADC. Calculo con la ecuación 2.1.
Resolución LBS =
(2.1)
Un ejemplo sería una tarjeta de adquisición de datos con una resolución de
12 bit y un margen de 0 a 10 V. la resolución es 10 V/ 2 = 2.4 µV/bit.
2.5.7 Rango dinámico
En un sistema de medida se desea que a un rango de valores de la magnitud
a medir es (Xmax, Xmin) le corresponda a una gama de códigos de salida
(Dmax, Dmin) y que se puedan discriminar cambios en X de la amplitud que
designamos ∆X. Es la diferencia máxima de magnitud que puede existir
entre dos señales de entrada que se pueda medir.
La tarjeta utilizada en el proyecto se tiene un rango de voltaje unipolar de 0 V
a +10 V, con una resolución de 16 bits para todos los canales utilizados, el
cálculo para la resolución es 10V/2 ó10V/65536 niveles equivalente a
152.58 µV x 1 bit, LSB = 152.58 µV, para la mayor resolución que la tarjeta
soporta con el rango dinámico de 10 V es 65536 con la ecuación 2.2.
2.5.8 Filtrado digital
RD
ó (2.2)
El filtrado digital tiene ventaja sobre el analógico para reducir el circuito de
acondicionamiento, porque el filtrado se hace por software se descartan
elementos como amplificadores, resistores y capacitores, uno de los más
comunes es el promediado para eliminar ruido. En el proyecto se utiliza filtro
digital Butterworth programado con el módulo LabVIEW FPGA, como se
34

puede ver en la figura 2.15 el VI y su configuración para eliminar el ruido y la
frecuencia de 60 Hz producida por la tensión de alimentación con el FPGA
de la tarjeta NI sbRIO-9612 para cada canal que se utiliza.
Figura 2.15 Configuración del filtro digital y el VI de filtro utilizado.
2.5.9 Procesamiento
Cuando se tiene la señal digitalizada filtrada de forma digital o analógica esta
lista para procesarse y/o almacenarse en computadora, servidor u otra base
de datos. Se puede mandar a memorias FIFO para no perder la información
todas las muestras adquiridas o que van a ser generadas según sea el caso.
Así como también se tiene que ir sacando la información a una velocidad
determinada y sincronizada con la velocidad de muestreo para que no se
produzca sobre flujo volcado el programa y pérdida de información.
El circuito de acondicionamiento de las señales provenientes de los sensores
contiene amplificación, filtros, etc. Siguiéndole el acoplo a la tarjeta Single
Board RIO de las señales al puerto de entradas analógicas del Módulo0
después en el sistema de la tarjeta que primero pasan por un FPGA para la
adquisición y control de la velocidad de muestreo, después pasan a un
35

controlador para hacer los cálculos de la conversión y distribuir la información
de las señales, etc. y por último el monitoreo de la información.
2.6 LabVIEW
LabVIEW es un entorno de desarrollo de programación grafica que está
basada en objetos, la programación es por medio de iconos que se conectan
entre si tienen un flujo de datos de izquierda a derecha. A una aplicación de
LabVIEW se le llama un "VI", o instrumento virtual, y está compuesto de dos
elementos primarios, un panel frontal y un diagrama de bloques, con el cual
se puede programar usando la paleta de funciones. Tiene la posibilidad de
declarar variables, usar estructuras de control como otros lenguajes de
programación como los ciclos más comunes y otros más de forma gráfica:
WHILE, FOR, CASE, FLAT SEQUENCE, EVENT, etc. La característica más
importante es la extensa biblioteca para el manejo, procesado matemático y
lógico de instrumentos y de tarjetas de adquisición de datos por medio del
desarrollo de instrumentos virtuales. El panel frontal donde se muestra los
datos que entran (controles, referencias a entradas de instrumentos, etc.) y
que salen procesados (indicadores numéricos, gráficos, etc.). El diagrama de
bloque es donde se pone el código grafico contiene las funciones o nodos de
programación matemática, lógica, las funciones para el manejo de cadenas
de caracteres, manipulación de arreglo de datos, conversión, temporización,
manipulación de documentos, almacenamiento de información, manejo de
base de datos, etc. Algunas funciones vienen por defecto con la instalación
de LabVIEW, pero otras se necesitan tener instalados algunos módulos que
agregan más funciones al entorno de desarrollo LabVIEW, como el módulo
LabVIEW FPGA y el módulo LabVIEW Real Time para la programación de
tarjetas que contienen FPGA y controladores en tiempo real embebidos en
una sola tarjeta DAQ (Data Acquisition device).
36

2.6.1 Almacenamiento
La información recopilada es un elemento muy esencial para todo tipo de
estudio e información, por lo que es necesario tener un sistema de
almacenamiento, ya sea en una base de datos, memorias estáticas o en la
misma computadora que adquiere la información. El tipo de programación
para el almacenamiento es el uso de un tipo de fichero creado por National
Instruments utilizado en el entorno de programación LabVIEW, un formato
llamado TDM (Technical Data Management) basado en XML que puede usar
sus herramientas para guardar la información sobre los datos almacenados
en un segundo fichero con extensión tdms, almacenado la información en
formato binario para ser más compacto y manejar los datos con más rapidez.
Un fichero TDM tiene una cabecera y varios grupos de canales, cada uno
con sus propiedades, dentro de cada grupo de canales puede haber más
canales que también tienen sus propias propiedades. La paleta de las
funciones de configuración TDM como se ve en la figura 2.16, se accede por
functions >File I/O > TDM streaming.
Figura 2.16 TDM streaming de LabVIEW para almacenamiento de datos.
Los ficheros TDM guardan los datos de forma jerárquica automáticamente sin
la preocupación del formato, tipo de datos, etc.
37

Capítulo 3 Sistema de monitoreo de variables
climáticas con NI Single Board RIO
3.1 Introducción
En el presente capítulo se describe el desarrollo del proyecto, los sensores
que se utilizaron, el tipo de acondicionamiento para cada sensor y como se
acoplan al sistema embebido NI Single Board RIO que se encarga de
adquirir y procesar las señales, como se almacena la información adquirida,
el desarrollo de la programación grafica en LabVIEW para el sistema de
monitoreo, la configuración del programa (configuración de proyectos nuevos
en LabVIEW FPGA), los programas de prueba y programas de simulación de
valores de salida de los sensores.
3.2 Descripción del sistema de monitoreo remoto de
variables climáticas
El sistema de monitoreo remoto de variables climáticas combina una etapa
de sensores y su acondicionamiento, la siguiente etapa conforma un sistema
embebido con un procesador en Tiempo Real de alto potencial y un FPGA de
gran flexibilidad para hardware personalizado, la tarjeta de adquisición de
datos NI sbRIO-9612con tecnología de Entradas/Salidas reconfigurables. Y
la última etapa que se conecta por vía Ethernet con la tarjeta NI-sbRIO 9216,
una computadora utilizada para desarrollar la programación y configuración
del sistema de forma remota, también utilizada como servidor para el
almacenamiento de los datos y visualización grafica de la señales de las
variables climáticas convertidas a sus respectivos valores. El sistema de
monitoreo variables climáticas registra la temperatura, radiación solar,
presión atmosférica, humedad relativa, dirección de viento y almacena la
información cada 5 min.
38

Configurando el Hardware del sistema embebido con el software de
desarrollo grafico LabVIEW de National Instruments. Para la programación
del FPGA no se necesita el conocimiento de programación VHDL, ya que
LabVIEW trae los paquetes necesarios en el módulo LabVIEW FPGA,
haciendo que el sistema se programe de una manera sencilla ahorrando así
tiempo para revisar fallas y/o hacer cambios en el sistema personalizado.
Para la programación del controlador en tiempo real se utiliza el módulo
LabVIEW RT que contiene los VI's necesarios para la creación de
aplicaciones de procesamiento con tareas determinísticas o no
determinísticas, se hace el sistema para analisis, registro de datos y
comunicación en tiempo real. El controlador de tiempo real contiene un
puerto Ethernet para la comunicación a través de una RED, que soporta
varios protocolos, como servidor web HTTP, servidor de archivos FTP, etc.
La figura 3.1 muestra el diagrama de bloques del sistema de monitoreo de
variables climáticas.
Figura 3.1 Diagrama de sistema de monitoreo de variables climáticas.
39

La tarjeta Single Board RIO se comunica con interfaz de usuario (PC utilizada
como servidor de almacenamiento de datos y monitoreo) a través del puerto
Ethernet utilizando la tecnología de comunicación NI-NPS.
3.3 Acondicionamiento de los sensores
El sistema de medición empleado con la tarjeta NI-Single Board RIO,
utilizado para el registro y la visualización del proceso de medición de las
variables climáticas obtenidas con los sensores de temperatura, humedad,
radiación solar, viento y presión atmosférica, cuyo diagrama/bloque se puede
ver en la figura 3.1 pasan por una etapa de acondicionamiento antes de que
la señal llegue a la tarjeta de adquisición (Single Board), en la cual se utilizan
amplificadores para ampliar la señal y así tener el mayor rango dinámico de
voltaje (0 - 10 V, unipolar) que la tarjeta puede adquirir. Aprovechando
también toda la resolución de la tarjeta (16 bits) para tener una señal
digitalizada más clara a la señal original. Cinco son los sensores utilizados en
el presente proyecto que se utilizan para el sistema de monitoreo de la
variables climáticas y es el elemento principal del sistema de medida; se
describe la función, acondicionamiento, cálculo y diagramasen los siguientes
puntos temáticos.
3.3.1 Sensor de Presión Atmosférica (Barómetro)
La presión atmosférica es sensada usando un elemento piezoresistivo. Este
elemento responde a los cambios en la presión atmosférica con un cambio
correspondiente en la resistencia. Entregando un voltaje de 0 V a 5 V
equivalente al margen de 84.7 mb (milibar), con un rango dinámico de 283
valores calculada con la ecuación 3.1.Las especificaciones del sensor se
muestran en la tabla 3.1.
á M
Ró
..
.
.
.
283 (3.1)
40

ó
35.33 μ (3.2)
Tabla 3.1 Características del Sensor de presión atmosférica.
Características Valores
Rango 956.6 a 1041.3 mb*
Margen de medición 84.7 mb o 2.50 in Hg
Resolución ± 0.01 in Hg o ± 0.3 mb
Compensación (Offset) de la altura 0 a +3048.01 metros
Exactitud absoluta 0.05 in Hg
Voltaje de alimentación (Vs) 10 a 18 Vdc (+12 V cable rojo)
Voltaje de salida (Vo) 0 a 5 Vdc = 84.7 mb
* 1 milibar (mb) = 1 hectopascal (hPa).
La presión atmosférica varía con la altura respecto al nivel del mar
(elevación), el sensor debe de ser ajustado para su correcta lectura de la
elevación del valor correspondiente a la región en donde se encuentra
instalado el barómetro. Esto se hace usando el ajuste de “offset” de circuito
del sensor como se muestra en la figura 3.2.
Figura 3.2 Sensor de presión atmosférica.
El sensor de modelo 110-WS-16BP está diseñado para montarse en el
interior de una cubierta (donde está el sistema de monitoreo). El sensor es
ajustado para el nivel del mar cuando deja la fábrica.
41

3.3.1.1 Calibración del sensor
Para ajustar el compensar la presión barométrica con respecto al nivel del
mar, se debe de tener la más confiable presión barométrica de su locación.
Para hacer esto puedes contactar el aeropuerto más cercano o un facilitador
de servicio meteorológico.
La presión barométrica nominal es de 1013 milibar o 29.6 in Hg (pulgadas
de mercurio). Para revisar y determinar el ajuste de la presión barométrica
del sensor, se compara con una estación de clima ya establecida ajustando
la salida del sensor al valor presente en la estación. La estación de
referencia ubicada en el laboratorio de climatología de la UACJ se utilizó
para ajustar el sensor el cual se utiliza en este proyecto.
3.3.1.2 Acondicionamiento
La salida del sensor es un voltaje proporcional al valor correspondiente a la
presión barométrica con un rango de salida de voltaje de 0 V – 5 V, con un
margen de salida del sensor de presión de 84.7 mb (rango 956.6 mb a
1041.3 mb); se amplifico a una Ganancia = 2 (figura 3.3) para mejorar la
resolución y aprovechar el máximo margen de la tarjeta de adquisición de
datos utilizada.
Figura 3.3 Diagrama de bloques del acondicionamiento del sensor de presión.
42

3.3.1.3 Amplificación
La amplificación se calcula para utilizar el rango dinámico máximo de la
tarjeta de adquisición de datos (se utiliza el máximo rango unipolar de 0 V a
10V con una resolución de 16 bits), la salida del sensor provee una señal de
0 V a 5 V para un rango de 956.6 mb a 1041.3 mb como se muestra en la
figura 3.4. Por lo tanto es necesario calcular la ganancia del amplificador
utilizando la ecuación 3.3.
=
= 2 (3.3)
Figura 3.4 Esquema de amplificación del sensor de presión atmosférica.
Para el cálculo del amplificador en configuración no inversor se utiliza la
ecuación 3.5, se propone utilizar una resistencia (R1) de 220 kΩ, y se
43

conoce la ganancia esperada de 2, por lo cual se calcula la R2 como se
muestra en la ecuación 3.5, obteniendo R2 un valor de 220 kΩ. Se utiliza un
amplificador operacional LM358 en configuración amplificador no inversor, el
diagrama esquemático se muestran en la figura 3.5.
1
(3.4)
2 220Ω 1 220Ω2 1 220Ω (3.5)
Figura 3.5 Amplificación no inversor para el sensor de Presión.
3.3.2 Sensor de Temperatura y Humedad Relativa
El modelo 110-WS-16TH del sensor de temperatura y humedad relativa es
un sensor de tipo estado-sólido, un instrumento totalmente electrónico que
44

provee la medida de la temperatura en el aire y la humedad relativa. La
combinacion del sensor está diseñada para uso en un entorno industrial y
debe ser instalado en torres montadas cubiertas para aplicaciones en el
exterior.
Tabla 3.2 Características de la cubierta del sensor de humedad y temperatura.
Características Valores
Longitud del cuerpo 69 mm
Diámetro de la cabeza 11.8 mm
Diámetro del cuerpo bajo 12 mm
Longitud del cable 40 pies ,
Peso 180 g
Tipo de la cubierta y material
IP 65/Plástico
ABS
Protección del sensor Filtro/Membrana
La humedad relativa en medida a través del uso de una delgada película
capacitiva como elemento de censar. El sensor causa cambios que ocurren
en la circuitería electrónica (circuito de acondicionamiento integrado) que son
convertidos en una salida lineal de 0 a +1 Vdc equivalente a un rango de 0 a
100 % de Humedad Relativa (HR).
La temperatura es medida por un termistor. Adjunto al final de un circuito que
forma el sensor de temperatura y el sensor de humedad se encuentra el
termistor. El cambio en el sensor resistivo es convertido en una salida de
resistencia equivalente a un rango de -40 °C a 60 °C.
La circuitería electrónica del sensor 110-WS-16TH está protegida por una
cubierta clase IP 65. El final del ensamble del sensor contiene los dos
elementos de censado. Una membrana protectora adentro del plástico
protector cubre los elementos de censado.
45

La membrana permite que la humedad pase a través de sus paredes para
alcanzar el elemento de medición de humedad y al mismo tiempo restringe
partículas que puedan contaminar el sensor. La membrana y la cubierta
protectora no son metálicas para prevenir alteraciones en la medición de la
temperatura. Para uso externo se utiliza una cubierta protectora 110-WS-
16THS para la radiación solar (figura 3.6 foto y diagrama) para cubrir y
proteger el sensor modelo 110-WS-16TH.
Figura 3.6 El sensor de humedad y temperatura y la cubierta protectora.
El ensamble del sensor esta calibrado de fábrica y está listo para uso
inmediato. La fuente de poder puede ser aplicada al sensor y la medición se
puede hacer inmediatamente. Se hacen conexiones de cableado para
instrumentos de monitoreo o almacenamiento antes de aplicar la fuente de
energía. Las conexiones eléctricas del sensor 110-WS-16TH se presentan en
la tabla 3.3 con los colores presentes para referirse al tipo de señal que
tienen.
Tabla 3.3 Cableado de las señales.
Función del cable Valor de señal Color del cable
Fuente poder +12 Vdc Rojo
Tierra (GND) 0 Vdc Negro
Señal HR 0-1 Vdc Café
Señal Temp Termistor Blanco
Señal Temp termistor Verde
46

3.3.3 Sensor de humedad
El sensor de humedad modelo 110-WS-16TH usa una delgada película de
estado-sólido, de múltiple capas que censa la humedad relativa. El elemento
de censado actúa como un capacitor que cambia con respecto a la presión
ejercida por el vapor del aire. La capacitancia del censor cambia
eléctricamente la frecuencia del circuito electrónico. La señal del circuito de
acondicionamiento del sensor convierte el cambio de frecuencia en un voltaje
analógico. La salida es un voltaje DC lineal con un rango de 0 a 1 Vdc
correspondiente a 0 a 100 % RH. La excitación de la circuitería del sensor de
Humedad Relativa es de +12 Vdc.
Tabla 3.4 Características del sensor de humedad.
Características (INTERCAP©) Valores
Rango 0 a 100 % HR
Margen de medición 100 %
Coeficiente de temperatura

sensor de humedad es de 0 V a 1 V, para un rango de 0% a 100% HR como
se muestra en la figura 376. Por lo tanto es necesario calcular la ganancia
del amplificad or utilizando la ecuación
3.6.
=
Figura 3.7 Diagrama de amplificación del sensor de humedad.
= 10 (3.6)
Para el cálculo del amplificador en configuración no inversor se utiliza la
ecuación 3.7, se propone utilizar una resistencia (R1) de 15 kΩ, y se conoce
la ganancia esperada de 10, por lo cual se calcula la R2 como se muestra en
la ecuación 3.8, obteniendo R2 un valor de 135 kΩ. Se utiliza un amplificador
operacional LM358 en configuración amplificador no inversor, el diagrama
esquemático se muestran en la figura 3.8.
48

1
(3.7)
2 15Ω 1 15Ω10 1 135Ω (3.8)
Figura 3.8 Amplificador no inversor para calcular la ganancia de 10.
Con el rango del sensor de 0% a 100% HR y la ganancia de 10 para utilizar
todo el margen de tensión de la tarjeta de adquisición 0 V a 10 V la
resolución de la tarjeta que se necesita es de 7 bits para la mínima tensión
de voltaje que es de 100 mV calculado con la ecuación
3.9.
100 100 n = 7 (3.9)
49

3.3.4 Sensor de temperatura
La toma de temperatura se lleva a cabo por un termistor como elemento de
censado.
Tabla 3.5 Características del sensor de temperatura.
Características Valores
Rango -40° C a +60° C
Precisión absoluta ± 0.5° C
Constante de tiempo 25 segundos
Un termistor es un dispositivo semiconductor cuya resistencia cambia con la
temperatura. Los termistores son extremadamente sensibles a los cambios
de temperaturas y pueden ser calentados externamente por el medio
ambiente o internamente por una corriente a través suyo, su símbolo se ve
en la figura 3.9.
Figura 3.9 Termistor.
Los cambios de resistencia causan que cambien también su corriente o el
voltaje que suministran a las entradas del sistema electrónico donde son
procesados. Esta característica los hace muy adecuados en aplicaciones de
medición y control de temperatura. Existen dos clases de generales de
termistores: los de coeficiente negativo o NTC (Negative Temperature
Coefficient) y los de coeficiente positivo de temperatura o PTC (Positive
Temperature Coefficient).
50

En un termistor NTC, el cual se utiliza en este proyecto, la resistencia
disminuye a medida que aumenta la temperatura y viceversa, como se ilustra
en la figura 3.10 las características R-T del sensor, se ilustra la forma de
cómo varia la resistencia en función de la temperatura en un termistor NTC
típico.
Figura 3.10 Característica R-T del Termistor NTC.
El margen de temperatura tiene una salida de tipo exponencial como se ve
en la ecuación 3.10
exp
(3.10)
Donde es la resitencia a 25 ºC u otra temperatura de referencia, y es
dicha temperatura expresada en kelvins. El parámetro B es la temperatura
característica del material y tiene valores de 2000 ºK a 5000 ºK, variando con
la temperatura.
51

3.3.4.1 Acondicionamiento
Para el acondicionamiento del termistor se utiliza un puente de Wheatstone
para linealizar el sensor resistivo tipo NTC y un amplificador de
instrumentación para amplificar la salida del puente.
Procedimiento
Los termistores se especifican generalmente por su resistencia a 25 °C ( ),
operando con valores de resistencia a diferentes temperaturas de un tipico
termistor de 10 kΩ. En este caso el rango de temperatura varía de -40 °C a
+60 °C.
Linealización
La linealización del termistor es utilizando un puente de Wheatstone, que
utiliza la resistencia Rt que es el termistor y tres resistencias adicionales para
completar el puente. El margen de temperaturas está limitado por el
fabricante y las especificaciones en la hoja de datos del sensor no trae en
parámetro B para calcular las temperaturas, se utiliza una tabla que da el
fabricante de las temperaturas con determinados valores respecto a la
resistencia.
Puente de Wheatstone
Consiste en cuatro elementos resistivos con una fuente de voltaje de
excitación aplicada en las puntas o terminales del puente. Para obtener la
señal eléctrica como resultado de una medida por un sensor resistivo es
empleando el puente de Wheatstone por el método de deflexión. Midiendo la
tensión de salida entre las ramas del PW, con un valor de 0 V cuando el
puente está en equilibrio, hasta la resistencia de la temperatura máxima con
un valor de x Voltaje variando según la alimentación que se le dé al puente.
Para que el puente este en equilibrio las dos ramas deben de tener la tensión
igual como se ve en la figura 3.11.
52

Figura 3.11 Puente de Wheatstone.
Para linealizar el sensor se debe poner una resistencia R en paralelo con Rt.
El valor de R puede elegirse al margen de temperatura deseado eligiendo
tres puntos equivalentes a las tres temperaturas equidistantes (T1-T2=T2-
T3), T1 la temperatura mínima, T3 temperatura máxima y T2 temperatura
media. De la ecuación 3.11 obtenida del curso de electrónica [14] y del libro
de sensores [6]”.
(3.11)
La tabla 3.6 muestra la relación de temperatura resistencia dada por el
fabricante, sacando las resistencias en la temperatura mínima, media y
máxima, donde RT1 = 337.4 kΩ, RT2 = 19.9 y kΩ RT3 = 2.486 kΩ. La
simulación en LabVIEW para calcular la resistencia se muestra en la figura
3.12 resultado R = 16.9491 kΩ.
Figura 3.12 Programa para calcular la resistencia R con LabVIEW.
53

Para medir la tensión entre las tomas centrales en el puente de Wheatstone
se utiliza la ecuación 3.12. Donde R = R1 = R2 = 16.94 kΩ y R3 = Rt
(termistor), para equilibrar el puente donde el voltaje de salida tiende cero se
escoge el valor de R4 = Rt en T1 donde es la temperatura mínima donde se
quiere el valor de salid a igual a cero.
(3.12)
Tabla 3.6 Relación Temperatura vs Resistencia
Temperatura
(Grados °C)
Resistencia del termistor
(K Ohms)
‐40 337.400
‐35 257.350
‐30 117.300
‐25 137.235
‐20 97.170
‐15 76.280
‐10 55.390
‐5 44.030
0 32.670
5 25.410
10 19.900
15 15.720
20 12.490
25 10.000
30 8.057
35 6.531
40 5.327
45 4.370
50 3.640
55 2.986
60 2.486
54

Con el valor de R ya obtenido se creó un programa en LabVIEW (figura 3.13)
para simular los valores de salida, alimentando al Puente Wheatstone con un
voltaje de entrada de 6 V obteniendo la forma de onda de salida de voltaje en
función de la temperatura como se ve en la figura 3.14.
Figura 3.13 Programa para calcular los voltajes de salida del termistor.
Figura 3.14 Voltaje de salida vs Temperatura.
55

Amplificación
Para amplificar la salida de puente de Wheatstone se utilizó el amplificador
de instrumentación AD620 (figura 3.15), la simulación en LabVIEW con
voltaje de entrada al puente fue de 6 V, dando un voltaje de salida máximo
aproximado a 4.9 V. entonces la ganancia es de 2 y se calcula con la
ecuación 3.13 obtenida por la hoja de especificaciones del AD620, dando RG
a un valor aproximado a 49.4 kΩ.
.
(3.13)
Figura 3.15 Puente de Wheatstone y amplificador AD620.
56

3.3.5 Sensor de Radiación Solar (Piranómetro)
Un piranómetro (características tabla 3.7) es un instrumento meteorológico
utilizado para medir la radiación solar incidente sobre la superficie de la
tierra, diseñado para medir la densidad del flujo de radiación solar (vatios por
metro cuadrado) en un campo de 180°. Las medidas se expresan en W/m².
Tabla 3.7 Características del sensor de radiación solar.
Características Valores
Sensor piranómetro
Rango del espectro 0.4 a 1.1 micrones
Sensibilidad 80 mV / 1000 Wm²
Precisión ± 5%
3.3.5.1 Acondicionamiento
El sensor de radiación solar tiene una salida de 8 µV/Wm², en un rango del
sensor de 0Wm² a 1000 Wm², el margen del sensor es 1000 Wm² y el
margen de salida de voltaje es 80 µV. Se utiliza dos amplificadores LM358
para tener una ganancia de 125 como se muestra en el diagrama de bloques
en la figura 3.16 y el diagrama de amplificación en la figura 3.17. Por lo tanto
es necesario calcular la ganancia del amplificador utilizando la ecuación 3.14.
Figura 3.16 Diagrama de bloques del acondicionamiento.
57

Figura 3.17 Diagrama de amplificación.
= = 125 (3.14)
.
Para el cálculo del amplificador en configuración no inversor se utiliza la
ecuación 3.15, se propone utilizar una resistencia (R1) de 15 kΩ, y se conoce
la ganancia esperada de 10, por lo cual se calcula la R2 como se muestra en
la ecuación 3.16a, obteniendo R2 un valor de 135 kΩ y una resistencia (R1)
de 15 kΩ, y se conoce la ganancia esperada de 12.5, por lo cual se calcula la
R2 como se muestra en la ecuación 3.16b, obteniendo R2 un valor de 172.5
kΩ. Se utilizan dos amplificadores operacional LM358 en configuración
amplificador no inversor, el diagrama esquemático se muestran en la figura
3.18.
1
(3.15)
58

2 15Ω 1 15Ω12.5 1 172.5Ω (3.16a)
2 15Ω 1 15Ω10 1 135Ω (3.16b)
Figura 3.18 Circuito esquemático de la simulación para el sensor de radiación.
El cálculo de resolución mínima en bits que se necesita para el sensor es de
10 bit como se muestre en la ecuación 3.17, y con ganancia de 125 la
sensibilidad es de 10 V / 1000Wm², el cálculo para resolución mínima con
ganancia de 125 calculada con la ecuación 3.8 es de 10 bits. No hay
problema de resolución ya que la tarjeta tiene una resolución de 16 bits.
10 1000 10 (3.17)
59

3.4 NI Single-Board RIO modelo NI sbRIO-9612
Es una solución de control y adquisición embebida en una sola tarjeta,
contiene un procesador en tiempo real para un funcionamiento y
procesamiento de señales fiable y autónomo. Contiene un chip de FPGA
Xilinx Spartan-3 para la personalización del procesamiento y la temporización
de las E/S, tiene E/0 analógicas y digitales incorporadas en la tarjeta y es un
sistema de bajo costo para el diseño embebido a nivel de tarjeta, la figura
3.19 muestra una foto y el diagrama de la sbRIO[8].
Figura 3.19 NI Single-Board RIO y diagrama de bloques.
3.4.1 Especificaciones
Rango de temperatura típica de -20°C a 55°C.
3.4.1.1 Red
Interfaz de red 10BaseT y 100Base TX Ethernet, Compatibilidad IEEE 802.3,
Velocidad de comunicación 10 Mbps, 100 Mbps Distancia máxima de
cableado 100 m/segmento.
3.4.1.2 Memoria
No volátil 256 MB mínimo. RAM 128 MB mínimo.
60

3.4.1.3 RS-232 DTE Puerto Serie
Soporte de velocidad de baudios arbitrario. Velocidad máxima 115.200 bps.
Data bits 5, 6, 7, 8. Bit de stop 1, 2. Bit paridad par, impar, no. Control de
flujo RTS/CTS, XON/XOFF, DTR/DSR, None.
3.4.1.4 Velocidad de Procesador
NI sbRIO 9612 con modelo Procesador RT Fresscale MCP5200 combinado
con un FPGA por vía PCI interno de alta velocidad.
3.4.1.5 FPGA
Modelo Xilinx Spartan-3 con tamaño de compuertas (2M), directamente
conectadas a todas las E/S digitales de 3.3 V, así como el módulo de E/S
analógica.
3.4.1.6 E/S digital de 3.3 volts
Número de canales DIO son 110, corriente máxima por canal es de 3 mA,
corriente máxima total en todas las líneas es de 330 mA, frecuencia máxima
10 MHz. Nivel lógico de las entradas, en alto (HIGH) 2 V mínimo y 5.25V
máximo, nivel bajo de entrada (LOW) es 0V mínimo y 0.8 V máximo. Nivel
lógico de la salida, salida en alto (HIGH) es 2.7 V mínimo y 3.3V máximo, en
salida en nivel bajo (LOW) 0.07V mínimo y 0.54V máximo.
3.4.1.7 Entrada analógica
Todos los voltajes son relativos a AI GND a menos que se indique lo
contrario. Número de canales 32 single-ended (una sola entrada por pin) o
16 canales analógicos de entradas diferenciales. Resolución del ADC de 16
bits. Rango s de entradas ±10 V, ±5 V, ±1 V y ±0.2 V. Tiempo de conversión
4 microsegundos (250kS/s). Con un peso en la tablilla de 266.5 g (7.0 oz).
Conexión límite de voltaje de 3.5V como máximo.
61

3.5 Software necesario para el proyecto
Antes de la instalación de cualquier dispositivo se tiene que instalar el
software necesario:
1. Se instala LabVIEW 2009/2010.
2. Si se está utilizando un procesador Real-Time, se instala el módulo
LabVIEW Real-Time.
3. Se instala el módulo LabVIEW FPGA.
4. Se instala NI-RIO (drivers) u otro tipo de driver para la utilización de
los dispositivos.
3.6 Configuración de la tarjeta NI Single-Board RIO
Antes de la creación de un proyecto FPGA, se ejecuta el programa “MAX”
que contiene los drivers para el dispositivo NI Single-Board RIO, ya que sin
los drivers 3 no funciona la tarjeta.
MAX busca que dispositivos están conectados en la computadora para
desarrollar, si lo encuentra lo muestra, como en el caso de la Single-Board
RIO la encuentra como un dispositivo remoto (figura 3.20) ya que se conecta
como un dispositivo remoto por que utiliza el protocolo Ethernet para la
comunicación.
Al encontrarlo MAX le asigna una dirección IP al dispositivo o revisa si tiene
alguna ya asignada.
Si el dispositivo no se comunica con la red creada, sea una LAN (Red de
Área Local) o directo con otra PC, se puede usar el switch IP RESET del
dispositivo para una restauración manual del dispositivo a opción de fábrica.
3
Driver o controlador, es un programa informático permite al sistema operativo interactuar o
comunicarse con un periférico.
62

Cuando se restaura el dispositivo a la opciones de red de fábrica la dirección
IP, la máscara de subred, dirección DNS, Gateway, etc. Se establece en
0.0.0.0.
Figura 3.20 Configuración en MAX
Los siguientes pasos a para restaurar la dirección IP son estos tres:
1. Mover el interruptor (DIP switch) IP RESET en la posición de
encendido (ON).
2. Presionar el botón de “Reset” del dispositivo.
3. Mover el interruptor IP RESET a la posición de apagado (OFF).
En la configuración para tiempo real existen dos opciones para conectar el
objetivo (dispositivo) con el host (PC), una es conectar el dispositivo en una
red LAN (usando DHCP) y otra directamente usando un cable cruzado. El
dispositivo y el host necesitan una dirección IP. Y para manipulación remota
de ambos necesitan estar en la misma SubRed, si es necesario deshabilitar
el firewall.
63

La configuración de la IP puede ser automática o estática, si tiene AutoIP el
dispositivo se selecciona automáticamente por medio del servidor DHCP,
como también estática creándola manualmente.
Para la opción de la dirección de IP, DHCP en Windows host es por default y
en controlador tiempo real es por default, para IP estática en Windows host
es configurable en Windows y en controlador tiempo real es configurable en
MAX.
En cableado se utiliza estándar cuando se conecta el host con el dispositivo
por un Hub, Router o un Switch de red.
3.7 Pasos para configurar la Single-Board RIO
El primer paso se ejecuta LabVIEW 2010 Inicio > Programas > LabVIEW
2010. Segundo paso se selecciona el tipo de proyecto FPGA que se va
utilizar > Este caso Single-Board RIO Embedded System, figura 3.21.
Figura 3.21 Ventana de inicio de LabVIEW.
El tercer paso es verificar desde el programa de LabVIEW, que la
computadora detecta la tarjeta Single Board RIO que está conectada en el
puerto Ethernet de la computadora; En el cuarto paso, LabVIEW crea un
64

proyecto FPGA utilizando el controlador Real-Time Single-Board RIO >
sbRIO que corresponde a la tarjeta de desarrollo utilizada en este proyecto
(figura 3.22).
Figura 3.22 Descubre dispositivo conectado y se crea proyecto.
El quinto paso, muestra el proyecto con sus carpetas y archivos creados, y el
último paso muestra la ventana del proyecto en LabVIEW 2010, en la
siguiente figura 3.23.
Figura 3.23 Proyecto FPGA en LabVIEW.
65

3.8 Programación del FPGA Xilinx Spartan-3 con el
módulo LabVIEW FPGA
Después de la etapa de sensores y acondicionamiento, sigue la etapa de
adquisición y procesamiento con la tarjeta sbRIO, la cual se divide en dos
partes importantes, el FPGA y el controlador RT de Freescale. Primero se
trabajó con el FPGA por que las entradas analógicas (también las E/S
digitales) están conectadas él y la forma de programación del FPGA, para
después mandar los datos adquiridos con algún tipo de procesamiento o no
al microprocesador RT.
En la programación común (o secuencial) de un FPGA se utiliza VHDL, pero
el tema de esta sección es como programar el FPGA utilizando el entorno de
programación grafica LabVIEW utilizando un módulo que si requiere o no es
opcional, es el módulo LabVIEW FPGA.
Para empezar a programar primero se debe tener conocimiento básico de
programación en LabVIEW y estar familiarizado con su entorno de desarrollo
así como los elementos que se utilizan como pueden ser los VIs y las
estructuras de control. Claro que fue un poco difícil encontrar información de
cómo programar en el FPGA, pero se encontró un entrenamiento que se
descargó de la página de National Instruments, el cual ayudo a entender
como seguir los pasos para empezar a programar en el FPGA.
Después de crear un proyecto para el FPGA en LabVIEW, se crea un VI el
cual se compila y que se descarga en el FPGA cuando se tiene el programa
final para la manipulación de señales de entrada (o señales salida en caso
de sean señales digitales) y después mandarlas al microprocesador que se
encarga de procesar las señales, después decide si se quiere mostrar la
información, almacenarla, distribuirla por una red o mandarla al FPGA otra
66

vez, según sea la programación del circuito. En la figura 3.24 se muestra
como crear un vi nuevo en un proyecto para el FPGA.
Figura 3.24 Creación de un VI para el FPGA.
3.8.1 Programa para medir voltaje en el FPGA
Después de leer las primeras lecciones de entrenamiento para programar el
FPGA con en el módulo LabVIEW FPGA, se realizaron programas de prueba
para conocer el funcionamiento del FPGA y que fallaba en la programación
cuando salían algunos errores. La figura 3.25 muestra el primer programa
funcionando que muestra los voltajes con indicadores en el panel frontal de
LabVIEW de las primeras cuatro entradas analógicas de la tarjeta
provenientes de algunos sensores.
Figura 3.25 Primer programa FPGA se muestra el panel frontal y el diagrama de
bloques.
67

3.8.2 Programa Principal para el FPGA
El diagrama de flujo plantea la lógica de cómo se ejecuta el programa en el
FPGA por pasos, para ayudar a entender mejor la estructura final del
programa, en la figura 3.26 muestra el diagrama de flujo principal que se
encuentra adentro de un ciclo WHILE que se repite, ejecutando el programa
principal en forma cíclica.
Figura 3.26 Diagrama de flujo del programa FPGA VI en forma general.
La figura 3.27 muestra el diagrama de flujo del programa principal el cual
tiene dos secuencias. La primera secuencia “A” para determinar la velocidad
en que se adquieren los datos y la segunda se secuencia “B” para adquirir,
filtrar y almacenar en una memoria FIFO los datos.
Figura 3.27 Diagrama programa principal FPGA.
68

Como se ve en la figura 3.28 donde se muestran las partes y funciones en el
diagrama de bloques de LabVIEW que componen el programa.
Figura 3.28 Programa principal para el FPGA.
1. El programa principal se encuentra en un ciclo “WHILE” donde la condición
es que se ejecute indefinidamente poniéndolo en “STOP=False”, para que
siempre este adquiriendo datos.
2. Después la estructura Flat (que consiste en uno o más subdiagramas que
se ejecutan secuencialmente) contiene en su primer diagrama un VI de
tiempo que controla la adquisición de datos o la frecuencia de muestreo, que
puede ser hasta de 25 ns (400 MHz), según la frecuencia que se necesite.
3. Se muestra el nodo FPGA al cual se le pueden agregar las entradas
analógicas que se van a usar (figura 3.29), después se muestra el VI
Butterworth Filter un filtro digital (figura 3.30), con configuración para eliminar
ruido y las frecuencias no deseadas como la de 60 Hz producida por la toma
69

de corriente, hay varios filtros digitales conectados a varias entradas
analógicas.
Figura 3.29 Nodo FPGA, entradas analógicas (AI0, AI1, AI2, AI3) y Filtros digitales.
Figura 3.30 Imagen de la ayuda contextual de LabVIEW, mostrando las
especificaciones del filtro.
4. Cuando ya se tenía más práctica y conocimiento en la programación para
FPGA, se realizó la estructura para el programa final y se agregó al programa
una memoria FIFO (figura 3.31) para que los datos que están recibiendo de
las entradas analógicas no se pierdan.
Figura 3.31 Memoria FIFO para almacenar los datos temporalmente así no se
pierden datos.
70

3.8.3 Ventajas y desventajas de programar FPGA en forma
gráfica con LabVIEW
La ventaja más destacable de la programación del FPGA es utilizando
LabVIEW, ya que la forma de programar el FPGA es gráfica sin la necesidad
de conocer VHDL y ahorrando muchas líneas y páginas de código
secuencial, también ahorrando tiempo en la depuración del código y
soluciones más rápidas a los requerimientos de cambios que requiera el
usuario o programador de forma personalizada. Se puede personalizar el
muestreo de las señales, para cada entrada de la señal puede tener una
frecuencia de muestreo diferente, ya que el código se puede dividir en forma
paralela permitiendo las distintas velocidades de muestreo.
La desventaja es que se necesita el programa de desarrollo de LabVIEW, el
módulo FPGA y el driver RIO que da soporte al FPGA que se tiene.
Toda la información necesaria para programar, configurar y algunos consejos
para desarrollar en el módulo de LabVIEW FPGA, se puede descargar de la
página de National Instruments www.ni.com/fpga.
3.8.4 Programa para el controlador en tiempo real
El controlador en tiempo real tiene que estar programando para que la sbRIO
funcione, está conectado directamente con el FPGA y recibe la información
proveniente de los sensores, se encarga de hacer las operaciones de
procesado y control de los datos. Contiene un programa principal llamado RT
vi que está dividido en tres estados: la inicialización, el procesado en donde
convierte los voltajes provenientes de los sensores al respectivo valor de la
variable climática que se está registrando, y por último el estado de término
del programa, el diagrama se muestra en la figura 3.32.
71

Figura 3.32 Diagrama de flujo del vi RT.
Para programar el FPGA y el controlador en tiempo real se necesita que la
Single Board esté conectada a una computadora (PC), que tenga instalado
LabVIEW, el módulo Real-Time, el módulo FPGA y los drivers para poder
comunicar la tarjeta con el PC anfitrión; el controlador tiene un puerto
Ethernet con el cual hace la comunicación con el PC para programar la
Single Board RIO, también comunica el vi RT (Programa de procesado) y el
vi HOST (programa para la interfaz gráfica) enviando las información por de
las variables climáticas por medio de variables compartidas configuradas con
el protocolo de comunicación de LabVIEW NI Publish-Subscribe Protocol (NI-
PSP) que habilita la transferencia de datos a través de la red creada entre
Single Board RIO y el PC anfitrión (Host).
72

3.8.4.1 Inicialización del vi RT
El diagrama de flujo en la figura 3.33 muestra como empieza la inicialización
del programa vi RT. Hace la referencia al programa o bitfile del FPGA,
inicializa las variables compartidas (Shared Variables) a cero en donde se
almacena la información de las variables climáticas, se ejecuta un sub vi
(figura 3.34, programa adentro del programa principal que actúa como
función) de ayuda para calcular la temperatura, dando información para
comparar el voltaje de entrada obteniendo el valor de la temperatura, como
este programa se ejecuta un sola vez se pone en la inicialización y no el
procesamiento. La figura 3.35 se ve la parte del código del programa vi RT
de la inicialización.
Figura 3.33 Inicialización del vi RT.
Figura 3.34 Diagrama del programa de ayuda para calcular la temperatura.
73

Figura 3.35 Inicialización del vi RT.
3.8.4.2 Procesamiento de las variables climáticas
Como se ve en la figura 3.36 la parte del código de procesamiento de las
variables climáticas se ejecutan dos ciclos “Timed Loop” en paralelo, el
primero saca la información que esta en la memoria FIFO del FPGA para
evitar el sobreflujo de información, enviando la información a una variable
compartida para mandarla al otro ciclo en donde se hace la conversión del
voltaje al respectivo valor de la variable climática, sincronizando el vi RT a
una velocidad de descarga superior a la lectura del FPGA, en la inicialización
se configura la velocidad de muestreo del FPGA a 10 µs.
La información que viene del FPGA en forma de arreglo se divide en
elementos, distribuyendo las señales a los subVI’s que hacen la conversión
del voltaje electrico a la variable climática (temperatura, humedad, presión
atmosférica y radiación solar) como se puede ver en la figura 3.37.
74

Figura 3.36 Código para sacar la información de la FIFO.
Figura 3.37 Extracción de señales y conversión de datos.
3.8.4.3 Finalización del programa vi RT
El programa se ejecuta indefinidamente si no ocurre ningún error que pueda
finalizarlo o se reinicie la tarjeta Single Board RIO.
La información para programar en el módulo Real Time, se puede descargar
la página de National Instruments, www.ni.com/realtime.
75

Se hizo un programa prueba para ver la señales de entrada, el vi RT creando
un panel frontal temporal con graficas que se puede ver en la figura 3.38.
Figura 3.38 Extracción de las señales de la FIFO del FPGA y sus valores.
3.8.5 Programa de la interfaz gráfica, en el PC anfitrión (Host)
La Single Board RIO (figura 3.39) manda la información por vía Ethernet,
utilizando el protocolo de comunicación de LabVIEW NI Publish-Subscribe
Protocol (NI-PSP).
Figura 3.39 Monitoreo de las variables climáticas y sensores (Edificio “E” IIT/UACJ).
76

Para simular el monitoreo de forma remota se hizo la interfaz gráfica en una
computadora que muestra las señales cada cinco minutos (figura 3.40) y en
tiempo real de cómo se está registrando la información (figura 3.41) y
utilizada para guardar la información.
Figura 3.40 Información cada cinco minutos de la variables climáticas.
77

Figura 3.40 Información en tiempo real.
3.8.5.1 Estructura del programa host vi
El programa contiene una máquina de estados, con tres estados diferentes.
El primer estado crea el archivo TDM en donde se almacena la información
cada 5 minutos (figura 3.42), pasando al siguiente estado que adquiere la
información remota proveniente de la tarjeta Single Board RIO y la muestra
cada cinco minutos (figura 3.43), haciendo una comparación de tiempo para
confirmar si han pasado cinco minutos, si es verdad pasa al estado que
almacena la información (figura 3.44) y si es falso se cicla en el estado de
adquirir.
78

Figura 3.42 Crea el archivo TDM.
Figura 3.43 Estado de adquisición y la muestra en forma gráfica cada 5 min.
Figura 3.44 Almacenamiento de las variables climáticas.
79

Capítulo 4 Resultados de la estación climática
con la Single Board RIO
4.1 Pruebas con los amplificadores
Se realizaron una serie de pruebas para ver la salida de voltaje de los
amplificadores como se ve en la figura 4.1 en el protoboard, con respecto a
la ganancia que se obtuvo con los cálculos para cada amplificador.
Figura 4.1 Protoboard con los amplificadores.
4.1.1 Amplificador LM358 para el sensor de humedad (G=10)
Se realizó una simulación en multisim (figura 4.1) para conocer la
aproximación real de las salidas de voltaje al ideal con las resistencias
medidas con el multímetro dando un valor de R1 =14.9kΩ y R2 (119.9kΩ +
14.9kΩ)=135kΩ, valores reales. Después se aplicó voltaje al amplificador y
se midió la salida de voltaje, como se puede ver en la tabla 4.1 se tienen
80

voltajes de entrada con una fuente de voltaje y con el sensor de humedad,
comparando con el valor real.
Figura 4.2 Simulación en multisim con el valor de las resistencias reales.
Tabla 4.1 Tabla que contiene las mediciones de salida de voltaje real contra la ideal.
ENTRADA SALIDA REAL SALIDA IDEAL Error
Fuente de voltaje
100 mV 1.04 V 1 V 0.04
200 mV 2.06 V 2 V 0.06
300 mV 3.04V 3 V 0.04
500 mV 5.04 V 5 V 0.04
700 mV 7.00 V 7 V 0
1 V 10.04 V 10 V 0.04
Con el sensor
155 mV 1.51 1.55 0.04
154 mV 1.48 1.54 0.06
150 mV 1.46 1.50 0.04
147 mV 1.43 1.47 0.04
148 mV 1.44 1.48 0.04
4.1.2 Amplificador LM358 sensor presión atmosférica (G=2)
Se realizó varias pruebas al amplificador con una fuente de voltaje para
conocer la salida amplificada y con el sensor de presión atmosférica, no hubo
81

mucha variación de voltaje, porque las resistencias eran relativamente
iguales dando a la ganancia el valor esperado. En la tabla 4.2 muestra el
resultado de las mediciones.
Tabla 4.2 Mediciones de salida de voltaje del amplificador.
ENTRADA SALIDA REAL SALIDA IDEAL Error
Fuente de voltaje
1 V 2 V 2 V tiende a cero
2 V 4 V 4 V tiende a cero
3 V 6 V 6 V tiende a cero
4 V 8 V 8 V tiende a cero
5 V 10 V 10 V tiende a cero
sensor
2.39 V 4.799 V ≈ 4.79 V tiende a cero
2.82 V 5.66 V ≈ 5.66 V tiende a cero
2.80 V 5.60 V ≈ 5.60 V tiende a cero
2.78 V 5.56 V ≈ 5.56 V tiende a cero
2.76 V 5.53 V ≈ 5.53 V tiende a cero
2.78 V 5.56 V ≈ 5.56 V tiende a cero
4.1.3 Amplificador LM358, sensor de radiación solar (G=125)
La medición se realizó con el sensor de radiación conectado al arreglo de
amplificadores para tener una ganancia de 125 (muy aproximado por la
utilización de resistencias de precisión). Se realizaron mediciones a
diferentes horas el día.
20 Tabla 4.3 Mediciones de salida de voltaje real contra la ideal.
ENTRADA SALIDA REAL SALIDA IDEAL
64 mV 7.8 V 8 V
65 mV 8.11 V 8.12 V
71 mV 8.85 V 8.87 V
79 mV 9.86 V 9.87 V
72 mv 8.9 V 9 V
71 mv 8.86 V 8.87 V
52.16 mV 6.50 V 6.5 V
168 µV 20 mV 21 mV
82

4.1.4 Amplificador AD620 sensor de temperatura (G=2)
El acondicionamiento del sensor de temperatura fue el más laborioso,
primero se linealizó convirtiendo el valor de resistencia que entregaba el
sensor a un voltaje con el puente de Wheatstone. Como se puede ver en la
figura 4.3 las pruebas que se hicieron midiendo los voltajes de salida del
puente de Wheatstone.
Figura 4.3 Medición al puente de Wheatstone.
Se midió la resistencia del sensor, comparando los Resistencia-Temperatura
de la hoja de datos del sensor de temperatura contra la estación “Davis” de
referencia de la UACJ como se puede ver los resultados en la tabla 4.4.
Tabla 4.4 Mediciones al azar de la resistencia de Termistor vs estación Davis UACJ.
Hora/Resistencia Temperatura
Temperatura
sensor
Estación Davis UACJ
Centígrados Centígrados
28/03/2011 - -
2:15 - 9.4 kΩ ≈25 (10 kΩ) 25
3:03 - 9.4 kΩ ≈25 (10 kΩ) 25
3:40 - 9.2 kΩ Entre 25 y 30 26
83

4:30 - 8.9 kΩ Entre 25 y 30 27
30/03/2011 - -
3:45 – 8.3 kΩ Entre 25 y 30 29
4:20 – 8.1 kΩ ≈ 30 30
7:16 – 9.2 kΩ Entre 25 y 30 ≈ 25 26
31/04/2011 -
4:00 – 7.4 kΩ Entre 25 y 30 31
1/04/2011 - -
2:00 – 7.8 kΩ Entre 25 y 30 ≈ 30
5/04/2011 - -
3:30 – 11.2 kΩ Entre 25 y 30 21
6/04/2011 - -
11:45 – 8.43 kΩ Entre 25 y 30 29
4.2 Pruebas con la Single Board RIO.
Después de que el sistema ya estaba funcionando se realizaron varias
pruebas de medición, para checar los posibles errores de programación en la
sbRIO-9216 y los resultados.
Los resultados de la prueba de la medición con la Single Board RIO se
muestran de forma gráfica y en la tabla 4.5 con valores registrados de
aproximadamente dos horas (los valores se registran cada 5 min)
comparados con la estación “Davis” del laboratorio de climatología de la
UACJ que se utilizó como referencia para verificar los valores de las
variables climáticas.
Tabla 4.5 Comparación de la Single Board RIO vs estación Davis UACJ.
Hora Radiación Un
Davi
s
Tem
p Un Davis HR Un
Da
vis
Presió
n Un Davis
2:16:46 PM 888.21 W/m² 908 28.5 °C 27.6 14.31 % HR 15 997.25 mb 995.5
2:21:46 PM 884.1 W/m² 900 28.5 °C 27.4 14.7 % HR 16 997.16 mb 995.5
2:26:46 PM 881.06 W/m² 893 29.5 °C 27.4 13.56 % HR 20 997.13 mb 995.5
2:31:46 PM 865.79 W/m² 893 29.5 °C 28.1 13.47 % HR 15 996.95 mb 995.2
2:36:46 PM 880.83 W/m² 876 29.5 °C 28.2 13.78 % HR 15 996.8 mb 995.2
2:41:46 PM 859.53 W/m² 880 29 °C 28 13.73 % HR 15 996.64 mb 995.2
2:49:46 PM 162.63 W/m² 885 29.5 °C 27.8 13.47 % HR 16 996.56 mb 994.6
2:54:46 PM 834.55 W/m² 856 29.5 °C 28.2 13.1 % HR 15 996.4 mb 994.6
84

2:59:46 PM 822.73 W/m² 883 30 °C 28.2 13.13 % HR 15 996.38 mb 994.6
3:04:46 PM 815.08 W/m² 829 29.5 °C 28.6 13.07 % HR 15 996.37 mb 994.1
3:09:46 PM 807.03 W/m² 822 30 °C 28.7 12.7 % HR 14 996.22 mb 994.1
3:14:46 PM 789.07 W/m² 816 30 °C 28.6 12.98 % HR 14 996.2 mb 994.1
3:19:46 PM 775.14 W/m² 807 30 °C 28.7 13.3 % HR 14 996.04 mb 994
3:24:46 PM 769.2 W/m² 793 30 °C 28.8 12.94 % HR 18 996.13 mb 994
3:29:46 PM 756.34 W/m² 778 30 °C 28.9 12.95 % HR 15 996 mb 994
3:34:46 PM 752.96 W/m² 766 30 °C 28.9 12.72 % HR 15 995.95 mb 993.7
3:39:46 PM 738.81 W/m² 757 30.5 °C 28.9 12.62 % HR 14 995.79 mb 993.7
3:44:46 PM 716.62 W/m² 752 30.5 °C 28.9 12.6 % HR 14 995.81 mb 993.7
3:49:46 PM 705.55 W/m² 740 29.5 °C 28.9 13.13 % HR 15 995.47 mb 993.4
3:54:46 PM 700.62 W/m² 721 30 °C 28.8 12.54 % HR 12 995.25 mb 993.4
3:59:46 PM 680.67 W/m² 705 30 °C 28.9 12.04 % HR 14 995.43 mb 993.4
4:04:46 PM 652.06 W/m² 696 30.5 °C 29.3 11.93 % HR 14 995.18 mb 992.8
4:09:46 PM 499.1 W/m² 686 30.5 °C 29.3 11.87 % HR 13 995.11 mb 992.8
4:14:46 PM 45.75 W/m² 669 30.5 °C 29.4 12.08 % HR 13 994.97 mb 992.8
En la figura 4.4 se muestra la variable de temperatura con un valor de
variación aproximado a un 1.2 ºC de las 2:16 PM a las 4:14 PM (18/05/2011)
y de 7:05 a 11:55 PM se estabilizo la temperatura con una diferencia
aproximadamente de 0.01186441°C.
Figura 4.4 Comparación de temperatura.
85

La figura 4.5 muestra la variable de radiación solar en comparacion con la
estacion Davis, se ve que el sensor de la sbRIO-9216 tiene caidas, el motivo
es por que esta en diferente posicion al sensor de radiación de la estacion
davis y depende de los factores sombra producidos por las nubes y entre
otros, los dos se encuentran en el edificio “E” de IIT/UACJ. Pero los valores
al estar estabilizado se puede ver que estan en el mismo rango.
Figura 4.5 Sensor de radiación y la correlación entre Davis y sbRIO-9216.
Figura 4.6 Simulación para los amplificadores para el sensor de radiación.
86

En la figura 4.7 se muestra la comparación entre la estación Davis de la
UACJ y la sbRIO, tiene un desfase de dos dígitos, pero se ajustó
acomodando el offset de altura con la misma de la estación climatológica
Davis. En la figura 4.8 se ve la correlación de la humedad relativa entre la
single Board RIO y la estación Davis de UACJ, dando valores muy estables y
parecidos.
Figura 4.6 Correlación de la Presión atmosférica.
Figura 4.7 Correlación de la humedad relativa.
87

Capítulo 5 Conclusiones
Conforme de fue diseñando el proyecto se fue adquiriendo conocimiento
respecto a la programación en LabVIEW, se llevó acabo investigación de
cómo se configuraba y se programaba la tarjeta Single Board RIO con los
modelos Real Time y FPGA, al avanzar salieron algunos errores de
programación y configuración, pero concluyo en un programa capaz de leer
la información, procesarla, mandarla de forma remota a un host que se
encarga de almacenar la información y mostrar la señales de los sensores, el
acondicionamiento de los sensores fue una etapa algo trabajosa, y más con
el sensor de temperatura el cual necesito linealización con puente de
Wheatstone
Se observó que la personalización de los sistemas de monitoreo puede traer
ventajas a los investigadores y se puede crear un sistema que se puede
modificar de manera fácil, para integrar más funciones y más sensores. Un
objetivo muy interesante, que a un futuro se podrá investigar es la
incorporación del monitoreo de las señales por vía internet y la incorporación
de sensores inalámbricos, lo que podría ser una mejora muy importante en
este tipo de proyectos, la tarjeta Single Board RIO es muy potente y se
puede explotar al máximo con estos objetivos. El los resultados se ve que el
procesamiento es muy estable y preciso, ya que los sensores con que se
hizo la correlación tienen diferente resolución, rango de medición y
sensibilidad.
88

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http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_integrado.
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89

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[13] http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/8259.
[14] CEKIT, Curso de Electrónica Digital, Editorial CEKIT, vol. 5, 1993,
pag.122.
90

Apéndice A
Contiene la información de los sensores y las hojas de datos de
especificaciones de los amplificadores.
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