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15vo CONGRESO NACIONAL DE INGENIERÍA
ELECTROMECÁNICA Y DE SISTEMAS (CNIES 2015)
ARTÍCULO No. IE-6
ARTÍCULO ACEPTADO POR REFEREO
Sistema de instrumentación virtual con interfaz
Arduino para el monitoreo de voltaje y corriente
Walter C. Glass, Leobardo H. González, Marco C. Retana, Edgardo N. Huerta
Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, ESIME Culhuacan.
E-mail: [email protected]; [email protected]
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convertidor mismo, sino el de los demás elementos a los que
este se encuentre conectado.
Resumen— Se propone el desarrollo de un sistema de
instrumentación virtual basado en la plataforma LabVIEW para
el monitoreo preciso de los voltajes de entrada y salida así como
la corriente de carga de un convertidor CD-CD tipo elevador
(boost) aplicado a un sistema de carga inalámbrica. El sistema
utiliza el Arduino UNO como sistema de adquisición de datos, los
cuales se procesan, acondicionan y envían a través del puerto
serial a la computadora para su visualización en un ambiente
gráfico desarrollado en LabVIEW.
En un sistema de carga inalámbrica, el convertidor encargado
de polarizar el sistema de carga y recarga de energía (banco de
súper capacitores) debe de mantener lo más estable su punto
de operación, ya que pequeñas variaciones que salgan de su
margen de tolerancia, pueden impactar considerablemente en
la operación de los demás elementos que lo conforman, por
ejemplo una baja en la eficiencia energética de transmisión
inalámbrica. Es por tal motivo, que se requiere un constante
monitoreo de los voltajes y corrientes tanto a la entrada como
a la salida del convertidor, el sistema propuesto permitirá
indicar si las variaciones en dichos valores salen de los
márgenes de operación, y determinar si se requiere aumentar o
disminuir la variable de control de ganancia del sistema de
retroalimentación.
Palabras Clave— LabVIEW, Convertidor-elevador, Arduino.
Abstract— It is proposed the development of a virtual
instrumentation system based on
the software platform
LabVIEW for the precise monitoring of the input and output
voltages and the load current in a DC-DC step-up (boost)
converter, applied to a wireless charging system. The system uses
an Arduino UNO board as a data acquisition system, where the
data is processed, conditioned and sent through a serial port to
the computer for it’s further display in a graphic user interface
developed in LabVIEW.
II. DESARROLLO
Como el objetivo es diseñar un sistema de instrumentación
virtual capaz de mostrar en tiempo real las variaciones tanto a
la entrada como a la salida de un convertidor tipo elevador, se
inicia con el diagrama a bloques mostrado en la Figura 1.
Keywords— LabVIEW, Step-up converter, Arduino.
I. INTRODUCCIÓN
Vin
L
os sistemas de instrumentación son de gran importancia
en el desarrollo de aplicaciones electrónicas que requieran
de una adecuada medición de datos provenientes de
sensores de variables de entorno, los cuales proporcionan la
información necesaria para que el sistema trabaje bajo las
condiciones deseadas. En el área de la electrónica de potencia,
los convertidores CD-CD en sus diversas topologías, son
susceptibles a distintas perturbaciones tanto a la entrada como
a la salida. Estas variaciones tanto de voltaje como de
corriente pueden llegar a afectar no solo el funcionamiento del
Vout
ILoad
Resistor de
muestreo
Acondicionador
de señal
Sistema de
adquisición de
datos
Walter C. G. Estudiante de Ingeniería, ESIME Culhuacan del Instituto
Politécnico Nacional. Ciudad de México. [email protected]
Leobardo H. G. Profesor Investigador del posgrado SEPIC Culhuacan del
Instituto Politécnico Nacional. Ciudad de México. [email protected]
Marco C. R. Estudiante de Ingeniería, ESIME Culhuacan del Instituto
Politécnico Nacional. Ciudad de México. [email protected]
Edgardo N. H. Estudiante de Ingeniería, ESIME Culhuacan del Instituto
Politécnico Nacional. Ciudad de México.
México D.F., 19 al 23 de octubre 2015
Convertidor
Elevador
Figura 1.
Interfaz gráfica
en LabVIEW
Diagrama a bloques del sistema de
instrumentación
El bloque del sistema de adquisición de datos se implementó a
través de la tarjeta Arduino UNO, la razón de su utilización se
debe a las facilidades que ofrece en su programación,
disponibilidad de puertos de entrada analógica e
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implementación sencilla para la comunicación serial hacia la
computadora y a LabVIEW. En la Figura 2, se muestra el
diagrama de flujo que se programó en la tarjeta Arduino.
señales. Para obtener buena resolución en los valores
entregados por el Arduino, se multiplican por 1000 cada uno
de los voltajes mapeados, ya que a pesar de que se pueda
medir con buena resolución, los valores enteros que entrega el
microcontrolador se redondean al entero mayor. Al multiplicar
por mil, se obtienen valores variables correspondientes del
orden de milivolts, mismos que al recorrer el punto decimal
nuevamente en la interface, podrá otorgar valores mucho más
precisos.
Asignar puertos de
entradas analógicas
Inicar comunicación
serial
Realizar lectura de
los puertos
analógicos
Mapeo de los valores
adquiridos a un
rango conocido
Figura 3. Divisor de tensión implementado a las entradas analógicas del
Arduino
Envío de datos por el
puerto serial
Ya acondicionada la información, se envía a través del puerto
serial, agregando un espacio entre dato y al final un salto de
línea. Finalmente, se agrega un retraso de aproximadamente
150 milisegundos para dar tiempo al ADC del Arduino de
actualizar la información en los puertos analógicos.
Delay a espera de
siguiente captura
(50ms)
Las señales a sensar tanto del voltaje de entrada como el de
salida, pueden ser tomadas directamente de las terminales
correspondientes del convertidor. Sin embargo, para poder
realizar el sensado de la corriente, se requieren dos elementos
adicionales (como se muestra en la Figura 1), y que son: un
resistor de muestreo y su correspondiente acondicionador de
señal. Puesto que la corriente de carga del convertidor es
susceptible a cualquier elemento adicional, se propone un
resistor de muestreo de valor sumamente bajo (miliohms), lo
que provocara que la caída de voltaje en dicho resistor sea
muy baja (milivolts), para solucionar lo anterior se propone un
sistema acondicionador de señal basado en un arreglo de
amplificador operacional de instrumentación discreto. Se
decide utilizar este arreglo, ya que la señal a medir requerirá
una amplificación considerable, donde la reducción del error
en modo común que un amplificador de instrumentación
proporciona producirá una señal confiable, ya que se busca
obtener la mayor precisión en el sistema. Por último, se
propone la utilización de un arreglo discreto en vez de un
monolítico (un solo chip) como una primera aproximación a
bajo costo. Al utilizar resistores de 1%, se reducen los errores
que dicha configuración pueda producir. En la Figura 4, se
muestra el circuito acondicionador propuesto.
Figura 2. Diagrama de flujo del sistema de adquisición de datos
Se inicia con la asignación de puertos como entradas
analógicas, correspondientes a las entradas A0, A1 y A2.
Posteriormente, se inicializa la comunicación serial simple a
9600 baudios a 8 bits, misma configuración que se programara
en LabVIEW posteriormente. Al iniciar el bucle de operación
en el Arduino, se toman en primer lugar las señales obtenidas
en los puertos analógicos. Al estar acondicionadas a un valor
de entrada nominal TTL (0-5V), se tienen que mapear de
manera que se incremente el rango dinámico para obtener una
sensibilidad de milivolts. Dado que el sistema a monitorear
(convertidor elevador) mostrará una tensión de entrada de 5
volts (±10%) y a la salida de 15 (±5%), se tendrán que
acondicionar las entradas del Arduino en un rango dinámico
de 0 a 5 volts para aprovechar la máxima resolución del ADC.
Para esto, se utiliza un divisor de tensión mostrado en la figura
3, el cuál utilizando resistores de 1%, divide las tensiones de
entrada en 1/5 de su valor, con lo cuál se adaptarán a los
valores permitidos por el ADC del Arduino, y se aprovechará
la máxima resolución posible en el procesado digital de las
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cada etapa de los bloques funcionales Figura 6 se muestra una
captura de pantalla de la interfaz de usuario.
Figura 5a.- Diagrama a bloques desarrollado en LabVIEW
Figura 4. Acondicionador de señal basado en un amplificador operacional de
instrumentación discreto.
La ganancia del amplificador de instrumentación se propone
de 1000, y es función de la caída de voltaje en el resistor de
muestreo RS. Si se considera que la corriente de carga nominal
del convertidor será de 1A, se obtendría una caída de voltaje
en el resistor de 1mV, teniendo entonces a la salida del
amplificador un voltaje de 1V, suficiente para su procesado
digital. Tomando en consideración principalmente los
aumentos abruptos de corriente que puedan existir en el
convertidor, se aprovecharía el rango dinámico del ADC del
Arduino, el cuál en este caso podría medir hasta un aumento
de 5A (5 volts correspondientes a su entrada analógica), valor
pico máximo permitido. La ganancia del amplificador de
instrumentación está determinada por la ecuación (1).
Figura 5b.- Bloque de apertura de comunicación serial
(1)
Donde V2 y V1 representan las entradas diferenciales del
amplificador de instrumentación, siendo V1 el nodo
referenciado a tierra en el circuito convertidor y V 2 el voltaje
de entrada, como se muestra en la Figura 4, teniendo como
resultado:
Figura 5c.- Función tipo Case True donde se realiza la lectura de la trama y se
divide por secciones
Una vez que se cuenta con el sistema de adquisición de datos,
se procede a diseñar la interfaz gráfica en el ambiente de
programación de LabVIEW. Esta interfaz virtual se programó
siguiendo los bloques funcionales que se muestran en la
Figura 5a. En las figuras 5b a 5f, se describe a más detalle
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Figura 5d.- División de los valores obtenidos entre 1000 para mostrar datos en
la interfaz
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La utilización de los indicadores analógicos mostrados en la
figura 6, es simplemente de apoyo visual al usuario, pues no
son realmente precisos. Sin embargo, los recuadros numéricos
debajo de cada indicador mostrará realmente el valor preciso
que está monitoreando el sistema. De este modo, se obtiene en
primera aproximación una visualización del rango en que se
encuentran los valores medidos, y para su revisión precisa, se
cuenta con los indicadores digitales.
Para realizar la validación de las tres señales a sensar en el
convertidor, se decidió implementar un circuito de pruebas
capaz de emular las señales que se obtendrán del convertidor
elevador. Para los voltajes de entrada y salida se utilizaron
potenciómetros que permiten variar un voltaje desde 0 a 25V
cada uno. Para el caso de la corriente de carga a sensar, al no
contar con un resistor de muestreo del valor propuesto
(0.001Ω), se realizaron las pruebas a través del simulador
electrónico TopSPICE, alimentando un resistor de prueba RP
de 10Ω con una fuente de corriente variando de 50 a 200uA.
De esta manera, se obtiene una variación de voltaje esperada
(de 0.5 a 2mV), misma que se conecta al amplificador de
instrumentación de la Figura 3, obteniendo así resultados
concretos de las variables eléctricas a sensar. En la Figura 7 se
muestra el circuito implementado para la fuente de corriente
regulable. En la Figura 8 se muestra la fuente de corriente
correctamente conectada al amplificador de instrumentación
mostrado en la Figura 3.
Figura 5e.- Envío de datos a los indicadores analógicos y numérico/digital de
la interfaz gráfica
Figura 5f.- Cierre de comunicación serial en LabVIEW
El diagrama de la Figura 5 muestra las diversas etapas de
captura de datos en LabVIEW. Primero, se recibe la trama a
través del puerto serial. A continuación, dentro de un bucle
constante se separan los datos provenientes del puerto y se
distribuyen en 3 salidas. Para que se pueda visualizar de
manera correcta, se vuelve a ajustar el valor recibido
dividiéndolo entre mil (recordar que se multiplicó en el
Arduino para obtener mayor resolución). Finalmente, se
manda a los indicadores numéricos e interactivos de la
interfaz, repitiendo el proceso hasta que se mande a detener
captura, lo cuál cancela el bucle constante y da paso al cierre
del puerto serial.
Figura 7. Fuente de corriente regulable de 50 a 200uA
Figura 8. Circuito de prueba para el sensado de corriente
Figura 6.- Captura de Interfaz de usuario en LabVIEW
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En las figuras 9 a 11 se muestran los resultados de la
simulación en TopSPICE, mostrando las variaciones de
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corriente propuestas (50μA, 100μA y 200μA) y los
correspondientes valores de voltaje tanto en el resistor de
prueba RP y a la salida del operacional de instrumentación.
Se programó interfaz de sensado de variables eléctricas en
LabVIEW para su visualización dinámica, para asegurar un
adecuado procesamiento de la señal proveniente del circuito
acondicionador. Se utilizó la placa Arduino UNO como
sistema de adquisición de datos, a la cuál se le introdujeron 3
valores diferentes para sensar: voltaje correspondiente a la
entrada, voltaje correspondiente a la salida, y voltaje
proveniente de un resistor de muestreo para la variación en la
corriente de carga. En la Figura 12 se muestra el circuito ya
implementado en protoboard, con los 2 potenciómetros
correspondientes a los valores de voltaje de entrada y salida,
así como la fuente de corriente y amplificador de
instrumentación previamente descritos en la Figura 8.
Figura 9. Variaciones de corriente de en la fuente propuesta
Figura 12. Implementación física del sistema de pruebas para el sistema de
instrumentación
Se ajustaron los valores en el protoboard para obtener la
señales correspondientes: VIN=2V,VOUT=5 y IL=1A. En las
figuras 13 a 15, se muestran los resultados de la prueba
anterior medidos con el multímetro, mientras que la Figura 15
muestra la interfaz en LabVIEW trabajando y mostrando el
sensado de los valores antes mencionados.
Figura 10. Caídas de voltaje en el resistor de pruebas RP a 50, 100 y 200uA
Figura 11. Voltajes de salida en el operacional de instrumentación a diferentes
corrientes en el resistor de pruebas RP
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Figura 13. Ajuste correspondiente a la tensión de entrada del sistema
(0.4Vx5=2V) midiendo directamente con el multímetro.
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propuestas en su diseño. A partir de las pruebas realizadas,
podemos concluir que dicho sistema es el primer paso hacia
un sistema capaz no solo de sensar las variaciones en un
convertidor, sino que pueda más adelante generar señales de
control que corrijan cualquier perturbación que pudiese dañar
los elementos del sistema de carga inalámbrica, logrando así
optimizar y garantizar el buen funcionamiento de cada uno de
los elementos que lo conforman.
IV. AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen a la COFAA, a la Secretaría
de Investigación y Posgrado del Instituto
Politécnico Nacional, por el apoyo recibido a través
del proyecto de investigación "Sistema de recarga
inalámbrica, con aplicación en banco de
supercapacitores para energización de luminarias
de baja potencia" con registro 20150445.
Figura 14. Ajuste correspondiente a la tensión de salida del sistema
(1.0Vx5=5V) midiendo directamente con el multímetro
V. REFERENCIAS
[1] Del Río, J., Shariat-Panahi, S., Gandul, D. y Làzaro, A. M.,
LabVIEW
Programación
para
Sistemas
de
Instrumentación, Alfaomega, 2013.
[2] Pallás, R., Sensores y Acondicionadores de Señal,
Alfaomega, 2007.
VI. BIOGRAFÍA
Walter Calles Glass, Actualmente
se desempeña como estudiante de
último grado para la obtención de su
título
de
licenciatura
en
Comunicaciones y Electrónica en la
ESIME Culhuacán del Instituto
Politécnico Nacional, desde 2014 se encuentra ha
colaborado en proyectos de investigación de la
Secretaria de Investigación y Posgrado del I.P.N.
Sus principales áreas de interés son: electrónica,
instrumentación, programación y control.
Figura 15. Ajuste correspondiente a la corriente (1V=1A) midiendo
directamente con el multímetro el resistor de muestreo
Leobardo Hernández-González,
recibió el título en Comunicaciones
Figura 16. Interfaz de instrumentación en LabVIEW sensando en tiempo real
y Electrónica y el grado de Maestro
los datos provenientes del Arduino
en Ciencia en Microelectrónica por
parte de la ESIME Culhuacán del
III. CONCLUSIONES
Instituto Politécnico Nacional en la
Observando los valores mostrados en la interfaz de la Figura Ciudad de México en 1991 y 2005 respectivamente.
16 y comparándolo con las medidas obtenidas en las figuras El grado de Doctor en Ingeniería Electrónica en el
13 a 15 se puede corroborar el buen funcionamiento del área de electrónica de potencia del Centro Nacional
sistema propuesto, ya que cumple con las características
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de Desarrollo Tecnológico (CENIDET) en
Cuernavaca Morelos, México en 2009. Desde 1992
se desempeña como profesor de tiempo completo en
la ESIME Culhuacán, sus principales áreas de
interés son: Modelado de dispositivos de potencia,
detección de fallas y caracterización de
componentes de potencia.
Marco
Carbajal
Retana,
Actualmente se desempeña como
estudiante de último grado para la
obtención de su título de
licenciatura en Comunicaciones y
Electrónica en la ESIME Culhuacán
del Instituto Politécnico Nacional, desde 2014 se
encuentra ha colaborado en proyectos de
investigación de la Secretaria de Investigación y
Posgrado del I.P.N. Sus principales áreas de interés
son:
Convertidores
CD-CD,
Transmisión
inalámbrica, modelado numérico.
Edgardo
Netzáhuatl
Huerta,
Actualmente se desempeña como
estudiante de último grado para la
obtención de su título de licenciatura en
Comunicaciones y Electrónica en la
ESIME
Culhuacán
del
Instituto
Politécnico Nacional, desde 2014 se encuentra ha
colaborado en proyectos de investigación de la
Secretaria de Investigación y Posgrado del I.P.N.
Sus principales áreas de interés son: Convertidores
CD-CD, Transmisión inalámbrica.
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