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SECRETARIA DE EDUCACIÓN PÚBLICA DIRECCIÓN GENERAL DE EDUCACIÓN SUPERIOR
TECNOLÓGICAINSTITUTO TECNOLÓGICO DE MÉRIDA
“SENSOR DE POSICIÓN CON CONEXIÓN USB E
INTERFAZ EN AMBIENTE LABVIEW PARA SER
UTILIZADO EN LA CARACTERIZACIÓN DEL EFECTO
MIRAGE”
REPORTE DE RESIDENCIA
PRESENTA
AC CHI GASPAR ENRIQUE
MÉRIDA, YUCATÁN, MÉXICO
2013
CONTENIDO
1.-
INTRODUCCIÓN............................................................................................................................1
2.- JUSTIFICACIÓN........................................................................................................................2
3.- OBJETIVOS: GENERALES Y ESPECIFICOS......................................................................3
4.- CARACTERIZACIÓN DEL ÁREA...........................................................................................4
5.- PROBLEMAS A RESOLVER...................................................................................................6
6.- ALCANCES Y LIMITACIONES................................................................................................7
7.- FUNDAMENTOS TEORICOS..................................................................................................8
7.1 Fotodiodo tipo PIN................................................................................................................8
7.2 Responsividad.......................................................................................................................9
7.3 Corriente oscura..................................................................................................................10
7.4 Tipo de detectores..............................................................................................................10
7.4.1 Detector de Efecto Lateral..........................................................................................10
7.4.2 Detectores de Segmentos o Cuadrantes.................................................................12
7.5 Efecto Mirage......................................................................................................................13
8.- PROCEDIMIENTO Y DESCRIPCION DE LAS ACTIVIDADES REALIZADAS..............14
8.1 Creación de Librería .NET para el Microcontrolador PSoC..........................................14
8.2 Conexión USB con el microprocesador PSoC y LabVIEW...........................................14
8.3 Adquisición y Procesamiento de la Señales...................................................................14
8.4 Elaboración de Prototipo....................................................................................................15
8.5 Actividades realizadas externas al proyecto .................................................................16
9.- RESULTADOS.........................................................................................................................18
10.- CÓDIGO FUENTE DE LA LIBRERÍA DESARROLLADA EN C#....................................26
11.- CONCLUSIONES..................................................................................................................29
BIBLIOGRAFÍA..............................................................................................................................30
i
Lista de Figuras
Figura 1. Organigrama del Laboratorio de Espectroscopia Fototermica y Óptica…………………………………………………………………………………………… 5Figura 2. Esquema de las regiones del fotodiodo p-i-n……………………………………. 8
Figura 3. Respuesta Espectral del Fotodiodo………………………………………………. 9
Figura 4. Curva de Corriente Oscura contra el Voltaje de Polarización Inverso……….. 10
Figura 5. Superficies de un PSD Dúo-Lateral………………………………………………. 11
Figura 6. Representación gráfica de las distancias de un haz de luz sobre la
superficie fotodetectora………………………………………………………………………..11
Figura 7. Representación del Área Activa de un Detector de cuatro segmentos………. 12
Figura 8. Representación del efecto mirage………………………………………………... 13
Figura 9. Configuración Experimental para la medición de la deviación de un haz de
láser……………………………………………………………………………………………...15
Figura 10. Diagrama Esquemático del Sensor de Posición en fase de prototipo……… 16
Figura 11. Entorno de programación PSoC Designer 5.4 para la familia PSoC 1…….. 18
Figura 12.Tarjeta de desarrollo mostrando la conexión USB…………………………….. 19
Figura 13. Programa realizado en C# demostrando la conexión del dispositivo USB… 20
Figura 14. Tarjeta de desarrollo indicando una ausencia de conexión USB…………… 21
Figura 15. Programa demostrando la desconexión del dispositivo USB………………... 21
Figura 16. Medición experimental de la fotocorriente convertida a voltaje del
fotodiodo...……………………………………………………………………………………………... 22
Figura 17. Representación gráfica del voltaje en el panel frontal de LabVIEW………… 23
Figura 18. Vista del código fuente en el diagrama a bloques de LabVIEW…………….. 24
Figura 19. Diseño de Layout en versión de prototipo del Sensor de Posición…………. 25
ii
iii
INTRODUCCIÓN
El proyecto de investigación que se presenta fue desarrollado en el Centro de
Investigación y Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, y se debe a
la necesidad de tener un dispositivo que sea capaz de adquirir información para
poder realizar la caracterización de muestras que son de gran importancia en
varios experimentos que se llevan a cabo en el Laboratorio de Espectroscopia
Fototermica y Óptica.
Por ello el presente trabajo está encaminado a diseñar y construir un sistema que
contenga un sensor de posición de cuatro segmentos, que permita obtener la
desviación de un haz de láser y ser usado en técnicas de deflexión láser como el
Efecto Mirage.
Los componentes fundamentales del sistema, son el diseño de la parte electrónica
y óptica, así como el desarrollo del software que permite la comunicación entre el
dispositivo y LabVIEW para el procesado y análisis de los datos obtenidos.
1
JUSTIFICACIÓN
El proyecto se origina debido a los diversos experimentos que se llevan a cabo en
el Laboratorio de espectroscopia fototermica y óptica, donde se realiza el estudio y
desarrollo de técnicas de deflexión láser para la caracterización de diversos
materiales.
El sistema propuesto tiene como objetivo, mejorar diversas características de los
actuales sistemas disponibles con lo que cuenta el laboratorio, uno de ellos es la
comunicación USB debido a la gran portabilidad que conlleva el uso de esta
tecnología al sistema; así como investigar, desarrollar e implementar tecnología
propia que beneficie a la sociedad.
2
OBJETIVOS: GENERALES Y ESPECIFICOS
OBJETIVO GENERAL
Diseñar un sensor de posición de cuatro segmentos para técnicas de
deflexión laser.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Investigar sobre la comunicación USB con el microcontrolador PSoC
CY8C24994 de Cypress Semiconductor.
Implementar una comunicación USB mediante HID (Human Interface
Device) entre el microcontrolador PSoC y LabVIEW.
Desarrollar un prototipo con el fotodiodo tipo PIN de cuatro segmentos y el
microcontrolador PSoC que permita realizar el cálculo relativo de la
posición (X,Y) del haz de láser.
3
CARACTERIZACIÓN DEL ÁREA
El Centro de Investigación y Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional
Unidad Mérida forma parte del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología como
uno de los centros de investigación públicos en México que se dedican a la
formación de recursos humanos del más alto nivel, así como a desarrollar
tecnología nacional para el beneficio de la sociedad y del país. El 15 de marzo de
1980, en la ciudad de Mérida, Yucatán, se fundó oficialmente la Unidad Mérida del
CINVESTAV, a través de la firma de un convenio entre el gobernador del estado,
doctor Francisco Luna Kan, el doctor Manuel Ortega Ortega y como testigo el
ingeniero José Antonio Carranza Palacios, subsecretario de Educación e
Investigación Tecnológica de la Secretaría de Educación Pública.
La ubicación geográfica de la Península de Yucatán, rodeada de agua y por las
numerosas comunidades de pescadores desarrolladas en la zona costera, y el
gran recurso energético solar de la región, así como las posibles aplicaciones
como fuente alternativa de energía, fueron los criterios principales que motivaron
el desarrollo de los Departamentos de Recursos del Mar y de Energía.
En el Departamento de Energía, el doctor Alonso Fernández junto con el biólogo
José Antonio Mendoza, inició los trabajos de investigación con un proyecto sobre
el secado solar del pescado. Sin embargo, fue hasta julio de 1981 que inició
formalmente el Departamento de Energía con la llegada del doctor Héctor Riveros
Rotge, investigador del Instituto de Física de la UNAM, quien por invitación del
doctor Fernández dedicó un período sabático para fungir como el primer jefe de
departamento. Posteriormente, se integraron otros investigadores y para 1982 se
contaba con el doctor Alonso Fernández González, el doctor Héctor Riveros
Rotge, el ingeniero en electrónica Roeland Olaf Roos Karlsen, el doctor José
Baldomero Rodríguez Franco y el ingeniero Fernando Berdichevsky Porteny.
La consolidación del Departamento de Energía no se dio, debido a la dificultad de
contratar investigadores de alto nivel en los temas que se plantearon. Es así,
como en 1987 el Departamento de Energía se transformó en Departamento de
Física Aplicada y el doctor Juan Luís Peña Chapa, su primer jefe y encargado de
4
llevar a cabo dicha transición. Las líneas de investigación con que inició el
Departamento de Física Aplicada, fueron el estudio de la corrosión y la
preparación y caracterización de nuevos materiales, principalmente películas
delgadas semiconductoras y superconductoras [1].
El proyecto que se presenta, fue desarrollado en el Laboratorio de Espectroscopia
Foto térmica y Óptica, en donde se investigan técnicas de deflexión láser para la
caracterización de materiales con nanotubos de carbono en aplicación a un campo
magnético uniforme.
Para llevar a cabo dichos experimentos, el laboratorio cuenta con el siguiente
personal (Figura 1):
Figura 1. Organigrama del Laboratorio de Espectroscopia Fototermica y Óptica
5
Dr. Juan José Alvarado GilJefe del Laboratorio de Espectroscopia
Fototermica y Óptica
M.C. José Bante GuerraResponsable del Laboratorio de Espectroscopia
Fototermica y Óptica
Estudiantes
Investigadores
PROBLEMAS A RESOLVER
El principal problema que se desea resolver, es la mejora de los diferentes
sensores y dispositivos con los que cuenta el laboratorio para la adquisición de
datos, debido a que son diseños robustos y con una comunicación entre la
computadora obsoleta.
Con la implementación de un dispositivo que cuente con una forma de
comunicación estándar como es el caso de la tecnología USB se deberán
solucionar problemas existentes con los dispositivos de adquisición, los cuales
son:
Mejorar la comunicación que existe con el dispositivo y la computadora,
pasando del protocolo serial RS-232 al protocolo USB 2.0, esto para que la
portabilidad del sistema sea accesible y de fácil manejo.
Mejorar la calidad de los prototipos creando sistemas embebidos de señal
mixta, aumentando la flexibilidad y la reducción de costes.
Evitar gastos innecesarios originados por la compra de convertidores
seriales RS-232 a USB, para poder utilizarlos es las computadoras que
actualmente ya no cuentan con este tipo de comunicación.
Diseñar un dispositivo con el cual se pueda calcular la desviación de un haz
de láser, teniendo en cuenta las mejoras necesarias que necesita el
sistema y poder llevar a cabo la realización del experimento.
6
ALCANCES Y LIMITACIONES
Se logró diseñar el sensor de posición junto con el microcontrolador PSoC,
teniendo éxito en la comunicación USB y LabVIEW, realizando pruebas con el
fotodiodo y obteniendo resultados satisfactorios; El prototipo final no se pudo
desarrollar debido a que la máquina de fabricación de circuitos impresos con el
que cuenta el laboratorio no funciona por el momento, y habiendo realizado todas
las pruebas y mediciones en una placa de desarrollo que contiene el
microcontrolador escogido y todas las conexiones necesarias para verificar el
funcionamiento de los programas desarrollados tanto en LabVIEW, PSoC
Designer 5.4 y la librería de comunicación hecha en C# de Visual Studio 2010.
De acuerdo en lo anterior y en base a los objetivos planteados al inicio del
presente trabajo, puede establecerse que el objetivo general del proyecto fue
realizado, ya que el desarrollo del prototipo final queda en espera a la reparación
de la máquina y esto puede ser considerado como una limitante que esta fuera de
nuestro alcance.
7
17Equation Section 7FUNDAMENTOS TEORICOS
7.1 Fotodiodo tipo PIN
Un fotodiodo p-i-n, llamado comúnmente fotodiodo PIN, es un dispositivo
semiconductor opto electrónico que está compuesto por un región intrínseca (es
decir una región sin dopar) entre las regiones n y p. La mayoría de los fotones son
absorbidos en la región intrínseca y los portadores generaros en ella pueden
contribuir eficazmente a la fotocorriente.
Como se puede apreciar en la figura 2, las regiones están unidas entre sí por
varios electrodos. El polo positivo del voltaje de polarización inversa es conectado
al cátodo. Sobre la región p hay un revestimiento anti-reflectivo que es una
película delgada dieléctrica para reducir la reflectividad óptica de la superficie en
un rango amplio de longitudes de onda. [2]
Figura 2. Esquema de las regiones del fotodiodo p-i-n
La medición de la sensibilidad a la respuesta de una señal de entrada óptica es
una función de su intensidad. La sensibilidad del fotodetector puede ser medido
por la responsividad.
8
7.2 Responsividad
La responsividad R λ de un fotodiodo de silicio es la medición de la sensibilidad de
la luz, y está es definida como la razón de la fotocorriente con relación a la
potencia de luz incidente en una longitud de onda dada, es decir la responsividad
puede calculase como:
R λ=I pρ
272\*
MER
GEF
ORM
AT (.)
Donde
I p es la fotocorriente generada por el fotodiodo.
ρ potencia de la luz en diferentes longitudes de onda.
En la figura 3 se puede apreciar la respuesta tipica del fotodiodo usado en el
proyecto y tomando como referencia la longitud de onda de 640nm debido a que la
fuente de luz incidente es roja y tiene este valor aproximado en el espectro
electromagnetico.
9
Figura 3. Respuesta Espectral del Fotodiodo
7.3 Corriente oscura
Es la corriente a través del fotodiodo en ausencia de luz, cuando está operando en
el modo fotoconductivo. La corriente oscura incluye la fotocorriente generada por
la radiación de fondo y la corriente de saturación de la unión semiconductora.
En la figura 4 podemos observar la corriente oscura típica del fotodiodo usado en
el proyecto, siendo de una sensibilidad muy alta debido a la poca corriente
generada en ausencia de luz.
Figura 4. Curva de Corriente Oscura contra el Voltaje de Polarización Inverso
7.4 Tipo de detectores
7.4.1 Detector de Efecto Lateral
Los PSD (Position Sensitive Device) duo laterales de dos dimenciones o de efecto
lateral son capaces de detectar la posición de un punto de luz incidente en su
superficie rectangular, la cual posee cuatro terminales o electrodos. La
fotocorriente generada por la incidencia de luz fluye a través del dispositivo y
puede ser visto como dos corrientes de entrada y dos corrientes de salida. La
distribucion de las corrientes de salida muestran la posición de la luz en una
dimension la cual es Y, y la distribución de las corrientes de entrada muestran la
10
posición de la luz de la segunda dimension es decir X, somo se muestra en la
figura 5 se puede observar las dos superficies fotodetectoras con sus respectivos
electrodos y el flujo de las corrientes con respecto a la luz incidente.
Figura 5. Superficies de un PSD Dúo-Lateral
Se puede definir la superficie de los fotodetectores como un plano cartesiano
como se muestra en la figura 6 debido a que la resistencia es uniforme en toda la
superficie y por tanto la corriente es proporcional a la distancia recorrida entre el
centro del punto de luz incidente y los electrodos, resultando esencialmente en un
divisor de corriente. [3]
Figura 6. Representación gráfica de las distancias de un haz de luz sobre la superficie fotodetectora
Entonces la posición puede ser calculada como:
x=iout 2−iout 1iout 2+ iout1
373\*
MER
GEF
ORM
11
AT (.)
y=i¿2−i¿1i¿2+i¿1
474\*
MER
GEF
ORM
AT (.)
7.4.2 Detectores de Segmentos o Cuadrantes
Este tipo de detectores se constituye por cuatro fotodiodos de igual área y
características de diseño (figura 7), de tal forma que cada uno puede representar
un cuadrante del plano cartesiano. Cuando un haz de luz incide en las áreas
activas del detector produce una señal proporcional a la intensidad de luz
incidente en cada una de ellas [4].
Figura 7. Representación del Área Activa de un Detector de cuatro segmentos
El cálculo de la posición del haz de luz se realiza mediante la suma de las
fotocorrientes en forma cruzada es decir:
x=(A+D )−(B+C)A+B+C+D
575\*
MER
GEF
ORM
AT (.)
12
CD
BA
y=( A+B )−(C+D)A+B+C+D
676\*
MER
GEF
ORM
AT (.)
Utilizando circuitos de transimpedancia podemos convertir las fotocorrientes
generadas en voltaje para poder ser convertidas mediante un microcontrolador y
ser procesadas en un ambiente de programación como LabVIEW el cual permite
realizar una gran variedad de análisis.
7.5 Efecto Mirage
Este fenómeno ocurre a consecuencia de la refracción donde una imagen de
algún objeto a distancia parece haber sido desplazado de su posición original
debido a que una gran variación de densidad vertical enrarece la superficie; por lo
que la imagen podría aparecer distorsionada, invertida u ondulada.
Un ejemplo concreto del efecto fototérmico, el cual es también la base para un
método espectroscópico fototérmico, conocido como efecto óptico mirage o
deflexión fototérmica, es una carretera caliente que algunas veces parece una
superficie reflejante, la cual aparenta ser una piscina de agua. Este efecto se
ilustra en la Figura 8. La radiación del sol es absorbida por el concreto o asfalto,
resultando en un calentamiento de la superficie. La superficie caliente transfiere
energía al aire sobre la superficie. Un gradiente de temperatura se desarrolla entre
el aire cercano a la superficie y la masa de aire superior. Debido a que el aire se
expande cuando es calentado, la densidad del aire en la superficie es menor que
el que está en las capas superiores. El decremento de densidad resulta en un
decremento del índice de refracción. Debido a que la velocidad de la luz es más
13
rápida en un medio con índice de refracción bajo, la luz incidente con un ángulo
tangente es refractada hacia arriba. Por tanto, un observador mirando en la
superficie con un ángulo tangencial no verá la superficie, pero si verá venir los
rayos del cielo sobre la superficie. [5]
Figura 8. Representación del efecto mirage
PROCEDIMIENTO Y DESCRIPCION DE LAS ACTIVIDADES
REALIZADAS
Durante el periodo de residencia se realizaron varias actividades relacionadas con
el presente proyecto, así como varias actividades externas que no están del todo
relacionadas entre sí con el proyecto pero que marcan la pauta para poder realizar
su integración al sistema que está siendo desarrollado, tales actividades se
describen a continuación:
8.1 Creación de Librería .NET para el Microcontrolador PSoC
Se desarrolló de una librería (figura 11 y ver Código fuente) que permitiera la
adquisición de datos del sensor usando el protocolo de comunicación USB,
haciendo uso de la clase HID (Human Interface Device) el dispositivo obtuvo
portabilidad, debido a que no es necesario contar con un controlador permitiéndole
ser reconocido de una manera fácil y sin complicaciones hacia el usuario, es decir
contar con un dispositivo plug & play (“enchufar y usar”).
14
8.2 Conexión USB con el microprocesador PSoC y LabVIEW
Integración de la librería .NET en LabVIEW para obtener los datos adquiridos del
PSoC mediante comunicación USB, es decir realizar un código en LabVIEW que
permita la utilización de las funciones .NET y acceder a los métodos de lectura de
la librería (figura 15).
8.3 Adquisición y Procesamiento de la Señales
Se obtuvo la medición de las fotocorrientes del fotodiodo en un ambiente de luz
artificial (figura 16), para observar la medición de dichas corrientes en relación a
las diferentes longitudes de onda que se encuentran alrededor, siendo evidente
que los amplificadores operacionales en configuración de transimpedancia son
importantes debido a que son ellos los que convierten las pequeñas corrientes
generadas a voltaje y que este valor puede ser introducido en el ADC (Analog to
Digital Converter) o convertidor analógico a digital y poder ser desplegados en
LabVIEW.
Cabe mencionar que aún no se ha desarrollado la prueba experimental de la
caracterización del efecto mirage, debido a que no se cuenta con la tarjeta de
circuito impreso terminada, quedando en espera de la reparación de la máquina
de fabricación de circuitos impresos, sin embargo el experimento propuesto se
puede apreciar en la figura 9, se observa que la caja negra (indicada con la flecha
roja) contendrá el sensor de posición y servirá para evitar que la luz ambiente se
filtre, permitiendo medir solo las longitudes de onda deseadas.
15
Figura 9. Configuración Experimental para la medición de la deviación de un haz de láser
8.4 Elaboración de Prototipo
Se diseñó un prototipo del sensor de posición con dispositivos que tienen
características de alto rendimiento, bajo ruido y alta precisión tales como los
amplificadores AD-711 de Analog Devices así como resistencias y capacitores de
montaje superficial (Figura 10) para brindar una mayor confiabilidad sobre el
proceso de adquisición de datos, permitiendo reducir el tamaño del dispositivo y
tener un encapsulado manejable por el usuario.
Debido a que los componentes son de montaje superficial, se necesita
implementar una máscara antisoldante para poder facilitar el soldado de dichos
componentes así como una máscara de leyenda que permita identificar que es
cada componente, todo esto será desarrollado en mediano plazo en espera de la
reparación de la máquina de circuitos impresos para poder realizar el primer
prototipo físico.
16
Figura 10. Diagrama Esquemático del Sensor de Posición en fase de prototipo
8.5 Actividades realizadas externas al proyecto 78Equation Section 8
Investigación acerca de la ecuación Steinhart – Hart, característica de un termistor
para poder modelar su curva de temperatura, llevando a cabo una serie de
experimentos que consta de la medición de la resistencia del termistor a diferentes
temperaturas, debido a la ecuación 8.1 se puede apreciar que se necesitan tres
puntos de medición de la resistencia del termistor para poder obtener los
parámetros de caracterización. Los puntos de medición fueron 0°,25° y 80°
1T
=A+B ln (R )+C ln (R)3 888\*
MER
GEF
ORM
17
AT (.)
Obteniendo dichos parámetros se desarrolló un sistema que permitiera la medición
de la temperatura con un microcontrolador PSoC CY8C29466 para ser utilizado en
un experimento que consta de la medición de 16 termistores colocados sobre
diferentes puntos en un tubo de vidrio al vacío. Por el momento solo se cuenta con
la medición de un termistor quedando como proyecto a un mediano plazo la
integración de los demás termistores.
La investigación del uso e implementación del dispositivo VDRIVE2 de la empresa
FTDI en nuestro sistema para permitir guardar los datos obtenidos por el
dispositivo de medición de temperatura en una memoria flash (USB) y poder llevar
a cabo el monitoreo del experimento cuando se encuentre en el exterior.
Cabe mencionar que el dispositivo VDRIVE2 es un medio para poder realizar el
almacenamiento de los datos en un dispositivo USB que actualmente es de uso
común, sin embargo el dispositivo encargado de realizar el almacenamiento es el
circuito integrado Vinculum II (VNC2) de la misma empresa, pudiendo así integrar
la facilidad de almacenamiento en dispositivos USB en los diferentes sistemas que
se pretenden diseñar.
Uso e implementación de un Reloj de Tiempo Real DS1307 o RTC por sus siglas
en inglés que permita indicar la hora y fecha al dispositivo de almacenamiento
para poder tener un adecuado control de las mediciones efectuadas.
RESULTADOS
Se obtuvieron resultados satisfactorios con respecto a los objetivos principales del
proyecto, es decir realizar una comunicación USB entre el microcontrolador PSoC
CY8C24994, como se puede observar en la figura 11, se muestra el entorno de
programacion que ofrece la misma compañía Cypress Semiconductor de manera
18
gratuita llamada PSoC Designer 5.4 siendo esta la ultima versión de dicho
entorno.
Actualmente se esta haciendo más común desarrollar sistemas embebidos para
reducir los costos en la industria,debido a que tienen caracteristicas de diseño
mixto, es decir tienen la caracteristica de crear componentes analogicos.Tal es el
caso de los amplificadores programables de ganancia o PGA, comparadores,
filtros y sin perder sus caracteristicas digitales como la comunicación USB o los
diferentes protocolos digitales existentes,modulación por ancho de pulso,etc.
Figura 11. Entorno de programación PSoC Designer 5.4 para la familia PSoC 1
La figura 11 muestra las partes principales que componen el sistema
embedido,siendo la comunicación USB la parte principal del proyecto así como un
convertidor analogico digital con una resolucion de 14 bits y un PGA que nos
permite obtener una ganancia de la señal de entrada.
19
En la siguiente imagen podemos observar el funcionamiento real del dispositivo
(figura 12) con la conexión USB en la tarjeta de evaluación y el sensado de uno de
los pines del fotodiodo transfiriendo los datos convertidos al programa desarrollado
en C# mostrado en la figura 13.
Figura 12.Tarjeta de desarrollo mostrando la conexión USB
El sistema muestra graficamente a través del LCD cuando el dispositivo esta
conectado por medio del USB desplegando el texto “Device Attached”, permitiendo
indicarle al usuario que el dispositivo esta en funcionamiento cuando no este en un
entorno grafico por medio de una computadora. Como se puede observar en la
figura 13 se muestra la interfaz de usuario realizada en C# (Ver código fuente)
para poder desplegar caracteristicas adicionales del dispositivo y detectar los que
sean del tipo HID (Human Interface Device).
Se puede observar que se detectaron todos los dispositivos de la clase HID que
estan conectados a la computadora de prueba, y los cuales son el mouse optico y
el teclado que si bien aparece tres veces es por la forma en como esta integrado
el descriptor del dispositivo. Cuando conectamos nuestro sensor a la computadora
20
el programa detecta esta conexión y muestra el nombre que se definio con
relacion al proyecto es decir “Position Sensing Device”
Figura 13. Programa realizado en C# demostrando la conexión del dispositivo USB
De igual manera se muestran las imágenes del comportamiento del dispositivo en
la placa de desarrollo (Figura 14) notificando al usuario mediante la frase “Device
Removed” en el LCD, así como en la interfaz de usuario (Figura 15) en el cuadro
de árbol de dispositivos enmarcada en rojo notando que desaparece
“eliminándolo” de los dispositivos disponibles cuando el sensor no está conectado
mediante USB.
21
Figura 14. Tarjeta de desarrollo indicando una ausencia de conexión USB
Figura 15. Programa demostrando la desconexión del dispositivo USB
22
La conversión de las fotocorrientes del fotodiodo en voltaje es una parte
importante del dispositivo,sin embargo para la medición experimental de dichas
corrientes se utilizaron los Amplificadores operacionales TL081 de Texas
Instrument para llevar a cabo este proceso (Figura 16) debido a que aun no se
cuenta con los dispositivos de diseño original propuestos en el diagrama
esquematico (figura 10),a pesar de que el microcontrolador posee las
caracteristicas necesarias para poder diseñar un amplificador operacional, tiene la
desventaja que no se puede realizar un amplificador de transimpedancia, asi como
determinar las capacitancias y resistencias de retroalimentacion necesarias para la
medicion de las fotocorrientes.
Figura 16. Medición experimental de la fotocorriente convertida a voltaje del fotodiodo
Se puede observar que el voltaje es negativo sin embargo esto se debe a la
misma configuracion del amplificador de transimpedancia, añadiendo una etapa
inversora (Figura 10) podemos obtener el mismo nivel de voltaje para poder ser
introducido en el sensor. Debido a que la luz visible esta dentro del rango de las
23
longitudes de onda en la que puede operar el fotodiodo (400nm a 1000 nm)
podemos obtener una medicion de la fotocorriente generada en volts como se
puede observar en la figura 16.
Se logro transmitir los datos adquiridos por el fotodio al ambiente LabVIEW
mediante USB y poder ser graficados en tiempo real (Figura 17) logrando el
objetivo principal del proyecto, que es la comunicación USB entre el
microcontrolador PSoC y labVIEW, mejorando así el sistema de adquisición de
datos con los que cuenta el laboratorio.
Figura 17. Representación gráfica del voltaje en el panel frontal de LabVIEW
Se aprecia que LabVIEW permite una forma facil y muy potente de realizar un
analisis cientifico riguroso basado en un lenguaje visual o grafico denominado
“Lenguaje G” (Figura 18), la cual consiste en añadir instrumentos virtuales que
tiene una aplicación especifica asi como elementos de programacion
convencional con estructuras de iteracion, logica booleana entre otras cosas.
24
Asi como la interaccion con otros lenguajes de programación como C# y los
objetos .NET, como se aprecia en la figura 18, hay dos componentes
fundamentales del programa desarrollado en LabVIEW y son el constructor de la
librería marcado en rojo para llamar o hacer referencia a la libreria, e invoke node
marcado en azul que nos permite tener acceso a los metodos desarrollados en
ella, siendo “RecibirDatos” el metodo desarrollado para poder enviar los datos
desde el sensor a LabVIEW.
Figura 18. Vista del código fuente en el diagrama a bloques de LabVIEW
Los programas desarrollados permitieron el objetivo principal del proyecto, que es
la comunicación mediante el protocolo USB para poder realizar la caracterización
del efecto mirage.
25
En la figura 19 se muestra el primer diseño de la placa prototipo del sensor de
posición desarrollada en EAGLE, sin embargo se seguirá analizando y diseñando
para eliminar posibles fallas de diseño para obtener un prototipo final con todas las
características necesarias para ser utilizada en los futuros experimentos.
Figura 19. Diseño de Layout en versión de prototipo del Sensor de Posición
26
CÓDIGO FUENTE DE LA LIBRERÍA DESARROLLADA EN C#
using System;using System.Collections.Generic;using System.ComponentModel;using System.Data;using System.Drawing;using System.Linq;using System.Text;using System.Windows.Forms;using CyUSB;
namespace WindowsFormsApplication1{ public partial class Form1 : Form { USBDeviceList usbDevices; CyHidDevice PSD;//Position Sensing Device byte enable = 0;
uint ADC_1; uint ADC_2;
public Form1() { InitializeComponent();
usbDevices = new USBDeviceList(CyConst.DEVICES_HID); usbDevices.DeviceAttached += new EventHandler(usbDevices_DeviceAttached); usbDevices.DeviceRemoved += new EventHandler(usbDevices_DeviceRemoved);
setDevice();
} /* Summary This is the event handler for Device Removal event. */ void usbDevices_DeviceRemoved(object sender, EventArgs e) { setDevice(); timer1.Enabled = false; PSD = null; treeView1.Nodes.Clear();
//sirve para obtener un arbol de cada dispositivo USB que es detectado en usbDeviceList foreach (USBDevice dev in usbDevices) treeView1.Nodes.Add(dev.Tree); } /* Summary This is the event handler for Device Attachment event. */
27
void usbDevices_DeviceAttached(object sender, EventArgs e) { setDevice(); treeView1.Nodes.Clear(); //sirve para obtener un arbol de cada dispositivo USB que es detectado en usbDeviceList foreach (USBDevice dev in usbDevices) treeView1.Nodes.Add(dev.Tree); } /*Summary This fuction sets the device */ private void setDevice() { //VID 0x4242, PID 0xEE01 //0x04B4, 0x8613 PSD = usbDevices[0x4242,0xEE01] as CyHidDevice; if (PSD != null) { toolStripStatusLabel1.Text = "Position Sensing Device Connected"; timer1.Enabled = true;
//sirve para obtener un arbol de cada dispositivo usb que es detectado en usbDeviceList foreach (USBDevice dev in usbDevices) treeView1.Nodes.Add(dev.Tree); } else { toolStripStatusLabel1.Text = "Position Sensing Device no Connected"; } }
private void button1_Click(object sender, EventArgs e) { if (enable == 0) { enable = 1; button1.Text = "Apagar"; PSD.Outputs.DataBuf[0] = PSD.Outputs.ID; PSD.Outputs.DataBuf[1] = enable; } else { enable = 0; button1.Text = "Encender"; PSD.Outputs.DataBuf[0] = PSD.Outputs.ID; PSD.Outputs.DataBuf[1] = enable; } PSD.SetOutput(PSD.Outputs.ID); }
private void button2_Click(object sender, EventArgs e)
28
{ if (enable == 0) { enable = 1; button2.Text = "Apagar"; PSD.Outputs.DataBuf[0] = PSD.Outputs.ID; PSD.Outputs.DataBuf[2] = enable; } else { enable = 0; button2.Text = "Encender"; PSD.Outputs.DataBuf[0] = PSD.Outputs.ID; PSD.Outputs.DataBuf[2] = enable; } PSD.SetOutput(PSD.Outputs.ID); }
private void timer1_Tick(object sender, EventArgs e) { if (PSD != null) { timer1.Enabled = false; PSD.ReadInput();
if (PSD.Inputs.DataBuf[1] == 1) { label1.BackColor = Color.Lime; label1.Text = "ON"; } else { label1.BackColor = Color.Red; label1.Text = "OFF"; } //Unload the ADC Data from the Input Buffer to application variables ADC_1 = PSD.Inputs.DataBuf[1]; ADC_2 = PSD.Inputs.DataBuf[2]; String Adc_value = ((ADC_1 << 8) + ADC_2).ToString(); textBox1.Text = Adc_value; timer1.Enabled = true; } } }}
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CONCLUSIONES
La realización de la comunicación USB usando el microcontrolador PSoC necesito
de un amplio conocimiento abarcando desde materias como programación I y II
permitiendo sentar las bases para poder desarrollar una lógica estructurada en la
resolución de problemas mediante el uso de lenguajes de programación y poder
adquirir información de manera autónoma en procesos nunca antes trabajados
como fue el caso de LabVIEW, así como la materia de Microcontroladores y
Microprocesadores, que sirvió de base para poder entender el uso de un
microcontrolador con características de señal mixta debido a que solo se había
trabajado con microcontroladores completamente digitales como es el PIC, no se
puede dejar relegado el diseño analógico que se adquirió en Electrónica Analógica
III debido a que permitió desarrollar estructuras de conversión usando
amplificadores operacionales para las fotocorrientes generadas, siendo una de las
partes más importantes en el sistema, así como las bases matemáticas necesarias
que se adquirieron a lo largo de las materias ofrecidas.
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BIBLIOGRAFÍA
[1] [En línea]. Available: http://50aniversario.cinvestav.mx/node/236. [Último acceso: 20 Mayo 2013].
[2] [En línea]. Available: http://www.rp-photonics.com/p_i_n_photodiodes.html. [Último acceso: 20 Mayo 2013].
[3] [En línea]. Available: http://hades.mech.northwestern.edu/index.php/Lateral-Effect_Photodiode. [Último acceso: 21 Mayo 2013].
[4] «PSD Characteristics,» Osioptoelectronics, pp. 8-12.
[5] S. E. Bialkowski, Photothermal Spectroscopy Methods for Chemical Analysis, New York: John Wiley & Sons, 1996.
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